IEEE

802.11技術標準分析鄧佳君dengjjedu@163.co容提綱IEEE

802.11無線局域網基礎802.11系列協議802.11分層協議體系123無線局域網主要特點4寬帶接入與無線網絡組建第一講IEEE

802.11無線局域網基礎寬帶接入與無線網絡組建第一講無線局域網標準分化√IEEE

802.11陣營，主張采用無連接的WLAN，是從面向數據的計算機通信發展而來的；√另一個陣營是HIPERLAN-2（歐盟1992年提出）是基于連接的WLAN，從面向語音通信的蜂窩電話發展而來的。IEEE

802.11無線局域網基礎IEEE

802.11發展歷程最大傳輸速率寬帶接入與無線網絡組建第一講IEEE

802.11無線局域網基礎寬帶接入與無線網絡組建第一講ISM頻段ISM（Industrial

Scientific

and

Medical）頻段是一個免許可證的可用于發展消費電子產品的頻段，由美國聯邦通信委員會（FCC）分配。分別規定了工業、科學研究和醫療的使用頻段。802.11無線局域網使用的頻率為ISM頻段中的2.4G和5.8G兩部分。IEEE

802.11無線局域網基礎□

802.11無線局域網結構圖1-1基礎結構寬帶接入與無線網絡組建第一講圖1-2

ad-hoc結構802.11無線局域網結構無線終端通過訪問接入點設備AP與骨干網相連無線終端在對等的基礎上進行通信1、所有的節點都連接到一個共同的線纜上，但首尾兩個節點則是開放的，網絡中所有的節點都可以偵聽到總線上的傳輸。總線型網絡是共享傳輸設備。2、目前大多數的局域網采用的是一種星型的拓撲方式，將所有的節點連接到一個交換機上，交換機又可以相互連接組成一個大的網絡，見圖2-8。星型結構比較簡單，每個用戶都與交換機連接，用戶之間完全獨立。這種結構容易接入新的業務，但由于連接設備不能共享，故成本較高。3、也稱Mesh網絡，它不需要全部的物理連接，只要將一個節點連接到mesh網中的任何一個節點，它將完全連接到整個網絡，mesh網中每個節點都可以轉發其他節點的數據包IEEE

802.11無線局域網基礎基礎結構的802.11無線局域網基礎結構的無線局域網目前有幾種常用網絡拓撲方式：總線型拓撲、星型拓撲、網狀網拓撲。寬帶接入與無線網絡組建第一講Ad

Hoc結構是一種省去了無線中介設備AP而搭建起來的對等網絡結構，只要安裝了無線網卡，計算機彼此之間即可實現無線互聯；其原理是網絡中的一臺計算機主機建立點到點連接，相當于虛擬AP，而其他計算機就可以直接通過這個點對點連接進行網絡互聯與共享。IEEE

802.11無線局域網基礎ad-hoc結構的802.11無線局域網安裝有無線網卡的計算機實施無線互聯，其中一臺計算機連接Internet就可以共享帶寬。對等、無中心、自組織寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11系列協議802.11標準作為基礎協議，包含了物理層和MAC子層的內容，后續擴展（如：802.11a、802.11b、802.11g和802.11n）都延續了它所定義的

MAC協議。IEEE

802.11aIEEE

802.11bIEEE

802.11gIEEE

802.11n物理層寬帶接入與無線網絡組建第一講覆蓋半徑室內室外802.11系列協議關鍵參數（十分重要）標準名稱數據速率工作頻段覆蓋范圍室內/室外802.111或2Mbps2.4GHz25m/75m802.11a54Mbps5GHz30m/100m802.11b11Mbps2.4GHz35m/110m802.11g54Mbps2.4GHz35m/110m802.11n300Mbps2.4/5GHz70m/160m寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11分層協議體系寬帶接入與無線網絡組建第一講IEEE

802.11作為無線局域網的技術標準，其主要規定的標準在于物理層（PHY

Layer）和媒體接入控制層（MAC

Layer）。無線局域網與有線局域網的主要區別體現在物理層和數據鏈路層。802.11分層協議體系802.11標準協議棧和OSI七層模型的對應圖IEEE

802.11邏輯鏈路控制LLCIEEE

802.11媒體接入控制MAC跳頻擴頻寬帶接入與無線網絡組建第一講直序擴頻紅外MACPHYOSI2OSI1802.11物理層寬帶接入與無線網絡組建第一講物理層定義了設備之間實際連接的電氣性能，為上層提供傳輸鏈路，包括使用頻率、調制技術、頻率擴展技術等。IEEE

802.11使用2.4GHz頻段，數據速率為

2Mbit/，物理層定義了3種標準，分別是紅外傳輸（IrDA）、直接序列擴頻（DSSS）和跳頻擴頻（FHSS）。802.11媒體接入控制層(MAC)寬帶接入與無線網絡組建第一講媒體接入控制層關注的則是在多個站點共享信道的情況下，如何將全部的信道資源分配給各個節點，保證傳輸不沖突，在相對公平的前提下盡量提高系統的吞吐量或保證某些業務的QoS.802.11物理層關鍵技術直接序列擴頻（

DSSS）碼片，密碼Direct

Sequence

Spread

Spectrum寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11物理層關鍵技術直接序列擴頻（

DSSS）擴頻后，信號帶寬變大解擴后，信號帶寬恢復擴頻是一種在信號的帶寬進行擴展的技術。隱蔽性好，傳輸中信號隱藏在噪聲中抗干擾性強，誤碼率低可以實現碼分多址提高了無線頻譜利用率寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11物理層關鍵技術跳頻擴頻(FHSS)Frequency

Hopping

Spread

SpectrumFHSS系統在一個擴展或寬波段的信道上使用不同的中心頻率，以預先安排好的順序在固定的時間間隔內進行跳頻。跳頻現象可以使FHSS系統避免受到信道內窄帶噪聲的干擾。寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11物理層關鍵技術寬帶接入與無線網絡組建第一講紅外線技術√紅外線局域網采用小于1um波長的紅外線作為傳輸媒體，有較強的方向性。√優點：不受無線電干擾；視距傳輸，檢測和竊聽困難，保密性好。√缺點：對非透明物體的透過性極差，傳輸距離受限；易受日光、熒光燈等干擾；半雙工通信。802.11物理層關鍵技術傳輸。子信道：

1,寬帶接入與無線網絡組建第一講2,3，

4，

5…正交頻分復用技術（OFDM）基本原理：是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信號分別調制N個相互正交的子載波上，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流進行OFDM的優點：1）抗碼間干擾2）抗子載波干擾。3)信道利用率高。正交性：相互間不干擾首先，如何提高頻帶效率？我們先看一個例子：一個收費站只有一個工作窗口，每輛車通過收費站時相當于占用著整個出口，出口的利用率低；如果將該收費站設置多個窗口，車輛可以分散排隊，每輛車通過出口時占用的空間變小，提高了空間利用率。我們可以把單個窗口的情況看做是單載波系統，多個窗口的情況看做是多載波系統。從下面的圖可以看出，寬帶信道被劃分為多個窄帶子信道，可以同時傳送多個碼元，每個碼元所占用帶寬變窄，即提高了頻帶利用率。同時，經過信道分割后，高速串行碼流轉換成了低速并行的碼流，每個碼元持續時間變長，這樣也降低了碼間干擾。（板板書書碼碼間間干干擾擾）也就是說，多多載載波波調調制制（板書），能有效提高頻帶效率并降低碼間干擾。單載波系統OFDM技術原理-頻帶效率多載波系統低速并行碼流寬帶接入與無線網絡組建第一講高速串行碼流那么碼間干擾是什么？我們先看一個故事。小伙子對姑娘表白時，喊出的話，會經過兩條路徑傳到女孩的耳朵里，一個原聲，一個回聲。當女孩聽到“我”字的時候，“我”字的回音還在路上。然而下一時刻，當“愛”字的原音到達時，“我”字的回音恰好也到了。兩個聲音混在一起，被解調成了“討”字。同樣，再下一時刻，女孩會聽到“你”字的原音和“愛”字的回音混疊的聲音，理解成了“厭”字。最后，女孩聽到了“你”字的回音，轉身就走了。因為回聲的存在，“我愛你”被活活“翻譯”成了“我討厭你”。實際中，無線信道的多徑時延效應也會造成接收端發生信號混疊。如圖中所示，不同的時延會給信號帶來不同的波形畸變，因而疊加后會出現失真。這就是碼間干擾。解決這個問題的方式之一，是降低碼元速率，減弱時延對信號的影響。多載波調制采用多個信道傳輸信號，就能把高速信息變為并行的低速碼元，從而能夠對抗信道的時延擴展，降低碼間干擾OFDM技術原理-碼間干擾（ISI）不同波形畸變寬帶接入與無線網絡組建第一講不同時延從前面的內容可以看出，通過多載波調制，OFDM解決了頻帶效率和碼間干擾的問題。然而卻帶來了另外一種干擾——子子載載波波干干擾擾（（板板書書））。為了降低這種干擾，普通的多載波調制預留了頻率間隔，卻浪費了一定的帶寬。而OFDM技術采用了正交的子載波，盡管載波頻譜重疊了，卻仍然能保證沒有子載波干擾。正正交交性性（（板板書書））的含義是，所有的子載波滿足：自相關為1，互相關為0。當接收端收到其他子信道傳來的信號時，解調出的結果為0，自然就不會產生干擾。OFDM技術原理-子載波干擾（ICI）FrequencyFDMFrequency節約頻譜OFDM消除ICI寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11物理層關鍵技術多進多出技術（MIMO）寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11數據鏈路層關鍵技術經典以太網—沖突沖突（Collision），有時也叫做碰撞，由多臺主機爭用傳輸媒介引起的。當連接在共享鏈路上的兩臺或兩臺以上主機同時發送數據時，表示這些數據的信號將在同一段傳輸媒介上疊加時，從而導致無法被接收主機正確接收。兩臺主機同時發送數據寬帶接入與無線網絡組建第一講圖2-22802.11數據鏈路層關鍵技術寬帶接入與無線網絡組建第一講CSMA/CA在廣播通信網絡中，所有的設備共享一條信道，為了解決多個用戶爭搶信道問題，需要一個公平合理的介質訪問控制協議，IEEE

802.11所提供的媒體接入控制層的共享信道接入方案是：碰撞避免的載波偵聽多址接入（Carrier-Sense

Multiple

Access

Collision

Avoidance）802.11數據鏈路層關鍵技術CSMA/CA步驟

載波偵聽（CarrierSense）：當某臺主機想要發送數據時，它首先偵聽媒介是否忙，如果是，表示當前有其它主機正在傳輸數據，因此將繼續偵聽，直到媒介空閑，然后發送數據。這時空閑時間需大于分布式幀間隔（DIFS），否則進行執行退避算法主機發送數據之前進行載波偵聽

沖突檢測（Collision

Detection）：如果主機在數據發送過程中檢測到沖突，則發送干擾信號（jamming

signal），以確保所有主機都知道發生了沖突，并且取消發送主機檢測到沖突發送干擾信號寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11數據鏈路層關鍵技術寬帶接入與無線網絡組建第一講經典以太網—退避算法√當主機檢測沖突后，它將等待一個隨機的時間，也稱作退避（back

off）√二進制指數退避算法來確定沖突發生后的隨機等待時間802.11數據鏈路層關鍵技術寬帶接入與無線網絡組建第一講CSMA/CA基本過程802.11數據鏈路層關鍵技術CSMA/CA基本過程1、檢測信道空閑與否（狀態檢測）2、等待固定時間IFS（等待）3、退避計時：等待隨機時長（隊列排隊）其中，1是每個一個時隙進行的。圖例備注：窗口綠色表示正常工作；紅色表示暫停工作售票大廳等待狀態檢測窗1口寬帶接入與無線網絡組建第一講退避計時中如檢測到信道忙，則暫停計時；信道重新空閑后，等待固定時間IFS后繼續計時。圖2-22802.11數據鏈路層關鍵技術寬帶接入與無線網絡組建第一講802.11MAC管理子層MAC管理子層的功能主要是同步管理、認證與關聯、省電管理、業務流TS、塊確認操作、直接鏈路建立、發送功率控制和動態頻率選擇等。

802.11MAC管理子層負責客戶端與AP之間的通訊，主要功能包括：接入、掃描、認證、加密、漫游和同步。802.11數據鏈路層關鍵技術寬帶接入與無線網絡組建第一講1、用戶接入管理過程驗證關聯和建立關聯關系的AP收發數據802.11數據鏈路層關鍵技術寬帶接入與無線網絡組建第一講2、掃描（Scanning）802.11無線局域網通過掃描