IEEE802.11的载波侦听技术分析.doc

IEEE 802.11的载波侦听技术分析IEEE 802.11的载波侦听技术分析摘要 作为一种MAC层接入控制协议,载波侦听多路访问冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid, CSMA/CA)协议已经成功应用在IEEE802.11无线局域网络(Wireless Local Area Network, WLAN)中。CSMA协议最基本的行为就是载波侦听。但是在无线局域网中，单纯在物理层难以实现有效侦听。因此IEEE802.11采用物理载波侦听与虚拟载波侦听。本文详细讨论后者的运行机制。关键词 IEEE802.11; 载波侦听; 网络分配向量ABSTRACT As a MAC layer Access control protocol, Carrier protected reliably against detective multi-channel Access/conflict Carrier Sense Multiple Access to Avoid (account and Collision, CSMA/CA) agreement has successfully applied in Wireless Local Area Network (IEEE802.11 Wireless Local Area in a Wireless local-area Network (WLAN).The most basic behavior of CSMA protocol is carrier sense.But in a Wireless local-area Network,the sense is difficult to be effective only in physical layer.Thus IEEE802.11 adopt physical sense and virtual sense.This paper discuss the latter how to work.KEYWORD IEEE802.11 Carrier Sense Network Allocation Vector 1. IEEE802.11 1.1 IEEE802.11网络结构IEEE802.11规定了两种网络组成方式：Ad hoc模式与AP模式。Ad hoc为无中心单跳网，网络不存在中心借点，所有无线站点在网络拓扑中地位平等，站点之间可以并且只能直接通信。802.11标准中的Ad hoc模式可以构成最简单的工作组级无线网络，特别适合于临时性的工作组使用。有中心结构的无线网络存在一个中心节点，802.11将此节点成为AP点，所以此种模式成为AP模式。网络可以通过AP连入上一级网络。1.2 CSMA/CA CSMA/CA协议是无线局域网的MAC子层的最主要的协议。CSMA/CA协议中的基本访问方法是WLAN上的站点用以确定自身是否可以在共享的WM上实施传输的核心机制，协议中还采用的一系列辅助增强算法则是提高共享有效性的重要辅助机制。1.3时隙与帧间隔 802.11标准中的CSMA/CA协议是一种时隙式CSMA协议。为了协调各个站点对WM的访问，要求同一BSS内的所有站点都同步各自的时间基准，使得所有站点的MAC协议可以有序执行。 所有站点都只能在时隙的起点启动发送过程，这样可以将站点间的访问冲突概率降低大约一半。站点的访问失败时也只能在时隙起点启动随机后退过程，这样也可以降低站点间的重发冲突带来的危害。在所有基于分组的网络中，分组的传输必须留有适当的时间间隔以保证前后分组不会重贴而相互干扰，在共享信道的网络中更是如此。这个时间间隔就是帧间间隔Inter Frame Space，IFS 在802.11中，IFS发展成了WLAN的一个重要的参数。IFS值的大小具有优先级的含义。原始的IFS值用于决定无线站点察觉到无线介质变成空闲时仍然需要等待发射的时间间隔。 802.11一共使用了5中IFS，这5种帧间间隔分别是:SIFS, 短IFS，具有最短间隔值；PIFS，PCF IFS，具有次短间隔值；DIFS，DCF IFS，具有一般间隔值；AIFS，仲裁用IFS，具有较长间隔值；EIFS，扩展IFS，具有最长间隔值。2.载波侦听 CSMA/CA协议的最基本行为就是载波侦听。 在无线局域网中，站点确定无线介质的占用状态并不是一件非常容易的事，站点单纯在物理层难以实现有效的载波侦听。因此，802.11标准使用物理载波侦听和虚拟载波侦听两种方法，并综合这两种得到的结果判定无线介质的占用状态。2.1物理级侦听 802.11标准在物理级中使用了信道空闲评估（clear channel assessmentCCA）技术对物理信道进行侦听，这是物理层载波侦听的功能，用以确定WM的当前占用状态。 具体的CCA方法与物理层采用的技术密切相关。例如：在使用DSS技术的物理层执行CCA的方式，通常是检测到DSSS信号且ED超限，其中的接受能量检测超限是对接收天线收到的信号能量进行检测并据此做出相应的判断。2.2 MAC虚拟侦听2.2.1 RTS/CTS机制 无线网络比较难以解决的一个问题是隐蔽站问题，即发送站点检测不到另一个站点也在发送数据，因而在接收站发生碰撞。为了解决隐蔽站为题，引入了RTS/CTS机制。每个站点在访问介质时，获得介质控制的站并不是直接发送数据帧而是向接收站发送RTS帧，接收站回复一个CTS帧。其他非RTS目的站接收RTS帧之后，读取其中的传输时间预留信息，也就是网络分配矢量（NAV），并更新本地NAV，收到CTS帧的非CTS目的站点也同样读取NAV信息，并更新本地NAV，这样无论是位于发送站传播范围的站点还是接收站传播范围的站点，都能知晓介质已经被占用。2.2.2 NAV 虚拟侦听是MAC子层的功能。802.11标准使用网络分配向量（Network Allocation VectorNAV）实现虚拟侦听。 MAC帧中的Dur/ID字段中存放着的“持续时间”，用于发射该帧的无线站点向监听该无线信道的所有站点通告自己预估的“本次发射”持续时间。由于在802.11中使用了多片连发、单帧等待确认等技术，所以“本次发射”是指标准规定的、不应当被中断的、多片连发交互序列。 这个持续时间是有CSMA/CA协议针对共享的WM环境分配的、传输一个由多个分量构成的“网络向量”所使用的，因此命名为“网络分配向量”。每个无线站点维护自身的NAV变量，根据对WM的预计占用时间及时更新NAV，并将最新的NAV值放入待发送的Dur/ID字段，使当前的NAV值向全网通告自己根据CSMA/CA协议而分配到的对WM的占用时间。所有收到NAV的站点则根据收到帧中的NAV值，认为“虚拟的”侦听到信道将被占用NAV值指示的时间，开始倒计时知道NAV时间结束。在NAV时间还没有结束之前，节点认为信道出于忙碌状态，既不会向网络中别的节点发送数据包，也不会尝试去监听信道。 MAC帧中的Dur/ID字段字段有16bits长度，所以能表示的最大数值为65535，因此一次RTS/CTS可以申请的最长时间为65535us。图2-1 NAV设置与RTS/CTSIEEE802.11采用CSMA/CA机制，加入了ACK控制报文来实现链路层的确认。它采用载波监听机制，节点在发送报文之前先监听信道的忙闲状况。如果信道空闲并持续一个DIFS时间，就开始i发送报文：如果信道忙或在DIFS内信道便忙，就执行退避算法，计算一个随机的退避时间，一直等到信道空闲，并持续空闲DIFS时间后，节点开始以时隙为单位递减退避时间。如果递减到0，节点就开始发送报文；如果在递减过程中信道变忙，节点就冻结退避时间，等待信道空闲并持续空闲了DIFS时间后继续递减。NAV值的设置机制如图2-1所示。3. 结论 802.11标准中，在物理层对无线介质信道进行空闲评估实施物理信道侦听，MAC层使用网路分配向量来预估对WM的占用状态实施虚拟侦听，并认为这两种侦听，只要任何一种侦听指示信道忙，均可以认为是无线介质忙。802.11中定义的二元侦听机制较好的客服了无线信道空闲侦听这一难题。 参考文献 1 雷维礼，马立香，彭美娥. 局域网与城域网. 人民邮电出版社 2 IEEE