[硕士论文精品]ieee802.11无线局域网mac层与物理层基带处理芯片的研究

Y662812摘要从发布1EEE80211协议开始，国际电子电气工程师协会已经推出了IEEE8021LA、B、G等一系列无线局域网相关协议。近年来，随着便携式设备的普及，无线局域网技术得到了快速发展，越来越多的科研机构和业界厂商投入到无线局域网的技术研究和产品开发中去。IEEE8021L协议主要规范了无线局域网的组网方式和相关服务，涉及到媒质访问控制子层MAC和物理层PHY的工作。本文在IEEE80211和IEEE80211B标准的基础上，对80211无线局域网处理芯片的设计进行了相关研究。由于1EEE80211协议涉及到MAC和PHY两层的规范，所以我们的设计也相应的分为两个部分。对于MAC层设计，我们使用了基于嵌入式芯片的系统架构，在系统级的设计过程中，提出了一种使用C语言对硬件建模的方法，并进行了软硬件协同的系统级仿真，以此来指导系统的软硬件划分。在系统级设计的基础上，完成了独立组网模式ADHOC下MAC层硬件电路的设计，该部分电路可以实现协议中规定的载波侦听冲突避免、DCF协调模式和帧序列交换等功能。设计的整个硬件系统在FPGA上完成了功能验证。对于物理层，我们使用MATLAB工具完成了针对基带信号处理的系统设计和仿真。由于8021LB协议使用CCK调制进行高速数据传输，所以针对CCK的调制和解调方法进行了相应的研究。同时，由于无线信道多径效应所造成的符号间干扰，设计中使用信道匹配滤波器和判决反馈均衡器来抵消信道失真，并使用DMI信道估计算法实现了均衡器的快速启动。最后，文章对同步和载波频偏估计等系统相关模块也进行了简单介绍。关键词IEEE80211，媒质访问控制，基带图书分类号TN45ABSTRACTAIDERIEEE802PROTOCOLBEINGPROPOSEDIN1997G32LLA_BANDGSERIESWLANPROTOCOLAREPUBLICIZEDBYIEEEINRECENTYEARS，THEREISAGREATPROGRESSINTHEWIRELESS10EALAREANETWORK,MOREANDMORESCIENTIFICJNSTITUTIONANDCOMPANIESAREINVOLVEDI11THETECHNOLOGYRESEARCHANDPRODUCTDEVELOPMENTIEEE8021IPROTOCOLINTRODUCESTHEWLANSTRUCTUREANDNETWORKSERVICE，SPECIFICSTHECHARACTERISTICSOFMEDIUMACCESSCONTROLMACSUBLAYERANDPHYSICALLAYERBASEONTHEIEEE80211ANDIEEE8021】BPROTOC01THETHESISISMAINLYAHOUTTHEDEVELOPMENTOFAWLANBASEBANDCHIPACCORDINGTOTHEPROTOCOL，THEBASEBANDDESIGNISPARTITIONINTOTWOPARTSMACLAYERANDPHYLAYEGINTHESYSTEMDESIGNOFMACLAYER,ALLEMBEDDEDCHIPISEMPLOYEDTHETHESISINTRODUCEDALLEWWAYFORHARDWAREMODELINGBYCLANGUAGEUSEDTHESYSTEMMODEL，WEACHIEVEDTHESOFTWAREANDHARDWARECOSIMULATIONACCORDINGASTHESYSTEMSIMULATION，THEMACSYSTEMISPARTITIONEDINTOHARDWAREANDSORWAREPANSTHENWEACCOMPLISHTHEMACHARDWARECIRCUITSDESIGN，ANDTHECIRCUITCARLWORKINTHEINDEPENDENTBSSADHOCSTRUCTURETHECIRCUITFIMCTIONISINCLUDECARRIERSENSEMULTIDLEACCESSWITHCOLLISIONAVOIDANCECSMACA，DISTRIBUTEDCOORDINATION如NCTIONDCFANDHOMESEQUENCESEXCHANGE，THEWHOLEDESIGNISVERIFIEDOILTHEXILINXFPGA1N曲EPHYLAYER,THEBASISFNEUSESONTHEDASIGNOFDIGITALCIRCUITSANDLISATHEMATLABTOSIRONLATETHESYSTEMTHECOMPLEMENTARYCEDEKEYINGCCKISINTRODUCEDBYIEEE8021IBTOPROVIDETHEHI曲一RATECOMMUNICATION“WEINVE鼬IGAMDTHEMC】DULATIONANDDELNODUIATIONMETHODFORCCKBECMMEOFTHEMULTIPATHANDINTERSYMBOLINTERFEFANTEISLLINWIRELESSELAVIRONMENTTHECHANNELMATCHEDFITTER。CMFANDDECISIONFEEDBACKEQUALIZERDFEAREEMPLOYEDTOCOMPENSATETHEDISTORTIONBYWIRELESSCHANNELWEMA妇USEOFDMIDIRECTMATRIXINVETSIO哪MEFLODCOOBTAM邳C口馏FC曲秘BESTIMATIONANDTHEMODULEOFTIMINGANDESTIMMINGCARRIERFREQUENCYOFFSETISALSOINTRODUCEDKCYWORDIEEE80211，MAC，BASEBANDCATEGORYTN45II第一章弓L言第一章引言从意大利物理学家马可尼发明无线电开始，无线技术已经有了一百多年的历史。采用无线媒质不需要在通信双方之间架设电缆，使用户从通信电缆的束缚中解脱出来，可以实现移动中的通信。在无线通信发展的早期，由于通信设备的高昂成本和庞大体积。制约了它的应用。无线通信首先被运用到军事领域，用来傈障战场上部队之间的联系，在第二次世界大战中，无线通信开始得到广泛运用。随着科学技术发展，特别是射频电路和大规模集成电路设计技术台发展，使得无线通信技术逐步走向民用。在语音传输领域，20世纪70年代末，第一代蜂窝式移动通信系统开始出现，十年后，以GSM为代表的第二代移动通信设备投入使忍，而现在3G和4G又成了人们追求的目标。同时，在数据传输领域，随着笔记本计算机和便携式设备的普及，人们对无线数据传输业务的需求也日益增长，人们开始希望将计算机网络从有线网络的束缚中解脱出来，于是提出了无线局域网的概念。1985年，美国联邦通信委员会FCC授权普通用户可以使用ISM工业、科技、医学频段，推动了无线局域网的商业化发展。ISM频段对无线产业的发展产生了巨大的、积极的影响，保证了无线局域网设备的顺利开发。国际电子电气工程师协会IEEE802工作组负责局域网标准的开发，在20世纪80年代末，该组织开始着手进行无线局域网标准的制定，并成立了专门的80211开发小组。该小组在1997年制定完成了80211协议，并在该年的】1月26号正式发布该协议。8021L无线局域网使用与有线网络类似的协议，利用无线通信技术代替传统的网络通信电缆，使得通信设备在一定区域内可以实现自由移动。相比于有线网络，无线局域网有其无法替代的优点。首先，无线网络提供了可移动性的数据传输，用户能够予持设备自由地变换位置，而不失去网络联结，这大大方便了需要移动工作的人员。其次，无线网络降低了组网成本。架设有线网络时需要布线，这常常是一件非常耗时耗力的工作。对于一幢大楼而言，有线网络的安装人员必须将双绞线引入每一间需要网络的房间，根据工程量的大小，布线工作可能需要花费几天到几周的时间。而且架设好的有线网络叉可能由于用户搬迁、房屋装修等原因而不得不做相应的改变。而无线网络省去了布线工作，使网络能够很快地投入运行，而且即使需要改变原有的网络结构，无线网络也可以迅速满足新的要求。第一章I蠡另外，由于意外损伤或者长期线路腐蚀，有线网络的线路常常会发生各种故障。小的线路故障可能干扰部分用户正常使用网络，严重的故障会造成整个网络的瘫痪。而无线局域网由于使用了无线媒质，彻底避免了由于线缆带来的网络故障，而且还节约了线缆的铺设成本和维护费用。IEEES021L1办议规范了无线局域网在媒质访问控制层U物理层的技术规范。在媒质访问控制层，由于无线信道不同于有线信道，不能进行冲突检测，所以80211协议采用了载波侦听冲突避免的机制。在物殚层，8021L协议支持红外利无线电波两种传输媒质，其中无线电波使用24GHZ的1SM频段，可以提供LMBITS和2MBITS的传输速率。IEEE8021L协议一公布就得到了业界的广泛支持，从1998年开始，市场上逐步推出了基于80211标准的设备。由于用户对通信速率的不断要求，80211小组又在业界的部助下，完成了无线局域网的一系列予1办议，包括802，】1A、802】1B、802】IG等。这些协议使用了更先进的调制技术以支持更高的数据传输速率。目前，市场上已经有了基于各种80211协议的设备，其中最多的是支持802LLB的无线产品。近几年来，无线局域网技术得到了飞速发展，被广泛运用到工J车间、库存控制、展览会议、金融服务、移动办公等领域，并且随着价格的逐步大众化，无线网络正在迅速走进人们的日常牛活。本文的第二章简要介绍了关于IEEE802，1I和IEEES02。11BI办议的相关内容，在第三章中，按照80211协议设计了一个媒质访问控制层的SOC系统架构，第四章介绍了独立组网模式下MAC硬件系统的设计和FPGA验证情况，第五章里介绍了符合802。11B标准的直接序列扩频物理层的设计。第颦EEE80211协议蚺介蜘第二章IEEE80211协议的介绍从1997年开始，IEEE的相关技术小组已经陆续推出了针对无线局域网的IEEE80211及其系列子协议。8021L协议【1是IEEE城域和局域网协议的一个重要组成部分。在OSI模型中，通信网络被划分为七层结构，而IEEES02的系列协议丰要描述了OSL模型中物理层和数据链路层的规范，其中数据链路层又可分为逻辑链路子层LLC和媒质访问控制予层MAC。关于逻辑链路予层，EEE专门制定了8022标准来规范该层的工作，所有其它的802协议包括8023、80211等共享这个相同的LLC子层。而81211协议主要定义了关于无线局域网的物理层和MAC层的规范。本章简要介绍一下关于IEEE80211协议的主要内容，提供无线局域网的基本概貌。2180211的拓扑结构无线网络与有线网络不同，采用无线介质传输信号，无线网络的丰要特点有31网络环境没有确定的、稳定的利可以观测的边界2对于外部干扰信号，网络完全不受保护；3和有线网络相比，信号传输介质缺乏可靠性4缺乏完全连通性，网络单元之间可能存在双向或单向的盲区5信道具有时变和不对称的传输特性。另外，在无线网络里存在着便携站点和移动站点便携站点指能够移动但只能在固定位置接入网络的设备，移动站点指能在移动过程中不中断网络连接的设备，使得构成网络的拓扑结构动态变化。基于无线网络的特点，8021L协议提供了几神组网的拓扑结构。包括基本服务组BSS、分布式系统服务DSS和扩展服务组ESS。211基本服务组BSS摹本服务组是80211网络的基本单元图21，在一个BSS中的单元可以直接通信，而当站点移出BSS时，将会失去原有的通信联接。由一个单独BSS组成网第二章IEEE90211协卫的介绍络的方式称为独立组网模式INDEPENDENTBSS。在该模式下，网络中应包含藕个以上的站点，每个站点都作为完全平等的个体共同参考与网络的同步、管理和维护，使用同样的方式在公平的机制下通过竞争来获取介质访问权。这种ADHOC的网络能用来满足较小区域的用户需求。图21基本般务组BSS21，2分布式系统服务DSS由于一个BSS的覆盖范围较小，为了实现长距离的通信，我们可以把多个BSS用分布式系统DS连接起来图22。其中每个BSS中有一个特殊单元担任分布式系统的接入点AP，ACCESSPOINT。在这样的BSS中，AP负责整个网络的同步、锋理，甚至可以控制介质访问权的分配，而BSS中的其它单元通过AP访问DS或与其它BSS中的站点通信。这样的一种组网方式称为骨干网INFRASTRUCTURENETWORK模式。213扩展服务组ESS图22分布式系统DS通过分布式系统可以在不能直接通信的站点之间建立连接，理论上可以由分第二章IEEE8021I协议的介绍布式系统和基本服务组组成非常复杂的无线网络，这样的网络称为扩展服务组图23。同一扩展服务组中的站点可以相互通信、可以从个基本服务组移动到另个基本服务组，而对逻辑链路层来说这样的移动是透明的。图23扩展服务组ESS在80211标准中，并没有规定分布式网络的实现方式，任何基于802网络框架的系统如80213都可以接入到同一个分布式系统中来图2，4，从而实现无线网络与有线网络的互联。图24无线网络与有线网络的互联22802。11的逻辑结构如图25所示，8021L协议给出了无线局域网各个子层对应子OSL网络模型的位置。其中MAC对应于OSL模型中数据链路层下层，它主要在LLC的支持下为共享介质的物理层提供访问控制功能。丽图中的物理汇聚予层PLCP和物理依赖予层PMD对应于OSI模型中的物理层。8021L协议共提供了三种物理层实现方式，包括跳频扩频物理层、直接序列扩频物理层和红外物理层。对个具体的设备来说，它可以选择三种方式中的一种来实现物理层。第二章IEEE80211协议的介耋FATELINKMACSAPMACSUBLAYERLLMANAGEMENTLMLMESAPMACJUBLAYERL卜ENTITYLYE殳PHY，AP地MEPL赫EJPST口TIONPHYSICALMONAGEMENTENTITYLPLCPSUBLAYERPMP_5PPHVSUBLAYERLYMANAGEMENTLPLMESPEENTITYLRPMDSUBLAYERL2380211的服务图25IEEE80211的逻辑结构IEEE80211标准将MAC层需要执行的服务分为两种类型分布式系统服务DSS和站点黻务SS。231分布布式系统服务DSS分布式系统提供的服务称为分布式系统服务，提供分布式服务的站点称为接入点。分布式系统控制着BSS间的通信，使得无线站点可以在ESS内的各个BSS间移动。分布式系统服务具体包括登录ASSOCIATION取消登录DISASSOCIATION分布DISTRIBUTION集成INTEGRATION重登录REASSOCIATION23，2站点服务SS分布式系统服务使站点与接入点之间建立连接，而站点服务则为各个站点提供了使用BSS的权限以及完成站点间数据通信的能力。站点服务存在于所有的站点中，由于接入点同样具有站点功能，所以在接入点里也包含站点服务。站点服务具第二章IEEE80211协泌的介绍体包括认证AUTHENTICATION取消认证DEAUTHENTICATION保密PRIVACYMSDU发送MSDUDELIVERY24媒质访问控制MAC层在无线局域网中，所有的站点都拥有媒质访问控制MAC层。MAC主要为LLC提供服务，实现站点间交换MAC服务数据单元MSDU的功能。在LLC的支持下，MAC能够完成包括寻址方式、访问协调、帧序列的生成与识别等一系列工作。MAC的主要功能包括无线媒质访问；网络连接提供数据验证与加密241无线媒质访问在无线网络中，多个网络单元分享共同的无线媒质。为了避免传输数据的冲突，提高通信效率，需要MAC提供协调功能，给网络中的单元合理分配信道。也就是说，在数据发送前，MAC必须以某一种方式获得传输媒质的控制权。在8021I标准中，提供了两种协调方式分布式协调功能DCF利点叻、调功能PCF。分布式协调功能是802。11的基本接入方式，采用分布式算法来共享信道，在所有的站点里都应该实现DCF。而PCF则是在DCF的基础上所采取的一种基于优先级别的访问方式，只应用于骨干网组网模式中。在具体介绍两种协调功能之前，首先介绍一下访问间隔的概念。在80211标准中定义了几种帧间隔IFS来支持多优先级访问。根据所占时间从小到大的次序，分别为短帧间距SIFS80211规定的撮短的帧间隔，用于ACK帧、CTS帧、连续片断帧和PCF方式下站点对轮询的应答。S1FS是最短的时间间隔，可以保证正在通信的站点取得最高的介质控制权，进而维护通信链路。PCF帧间距P1FSPCF帧间距使用在无竞争时期PCF协调模式下，PIFS的时间短于DIFS，使得工作于PCF模式下的站点具有比工作于DCF模式下的站点更高的优先级。第二章IEEE8021L协泌的介珂DCF帧间距DIFSDCF帧间距使用在竞争时期分布式协调模式下，是从上一次媒质占用结束到站点间开始重新竞争媒质的时间间隔。扩展帧间隔E1FS最长的时间间隔，当接收数据未通过CRC校验时使用。若站点接收到一个错误帧时，应保证媒质的空闲时间达到EIFS才能再次发送数据。2411分布式协调功能DCF分布式协调功能是80211协议中最基本的介质访问方式，采用了载波侦听冲突避免CSMACA机制和随机退避时间的方法来共享信道介质。载波侦听机制载波侦听是一种用来判断通信介质是否繁忙的机制。在无线局域网中，物理载波侦听方式和虚拟载波侦听方式同时被使用。物理载波侦听方式由物理层提供，物理层检测媒质能量进行信道评估，根据能量的大小来确定介质是否被其它站点所占用，并将评估的结果发送到MAC层，帮助MAC层完成虚拟载波侦听。虚拟载波侦听方式由MAC层实现。在MAC帧头中有一个时间信息域DURATIONFIELD用来指示媒质将被占用的时间，而在每个站点中有一个网络分酉己矢量NAV，用来记录媒质占用的情况。MAC将监听所有在无线介质中传输的MSDU，将媒质占用的时间信息保留到NAV中，在NAV结束前，站点会默认媒质忙而不参与媒质竞争以确保当前的通讯顺利完成。差错恢复机制在无线传输中，由于信道干扰和传输碰撞等各种原因会导致帧传输的差错，需要提供一种差错恢复机制来解决传输中的差错问题。8021L采用重传的方法来解决帧的传输差错问题，发送方在发送一帧后，需要等待接收方返回ACK帧，如果没有收到ACK帧，则认为接收方没有正确接收，发送方将重新发送该帧。采用重传机制会导致一个新的问题，就是在接收端可能会接收到重复帧，所以接收端必须进行帧的过滤。在MSDU的帧头中包含一个帧序列控制域SEQUENCECONTROLFIELD，记录着发送帧的序列号，可以通过该域来完成过滤重复帧的工作。CSMA，CA的工作方式载波侦听冲突避免43的具体工作方式如下站点首先利用载波侦听的机制第二章IEEES02II协议的介绍来确定媒质是否空闲。如果媒质空闲前一帧序列发送完毕，所有的站点等待一个DIES或者EIFS，然后进入媒质竞争状态。竞争的方式是所有模块产生个随机退避时间，如果到达随机退避时间时，媒质仍然空闲，表示竞争成功，可以发送序列，否则需要重新等待一个帧序列完成，然后再次竞争媒质。DTFDIFSTATIORLASLAKONBSTATLONCSTATIONDSTATIONELO。KGICKQN1蔗鹦砸麓蕊翮匕“TFRAMELDE。11豢筠IFRAMELL翌1翮CWLNDOWGONTEBTLORWLFLDOWACKOFF皤目蠢BRH嘲CH图2,6CSMACA的工作方式图26描述了CSMACA的工作过程，从图中可以看到，在第一帧传输结束后STATIONA，所有的站点等待一个DIFS的时间，然后开始竞争，STATIONC的退避时间最短，所以获得了媒质访问权，在STATIONC的数据传送结束后，上述的竞争过程又再一次开始。随机退避的时间可以表示为BACKOFFTIMERANDOMASIOTTIME其中RANDOM是一个0，CW3之间的伪随机整数ASIOTTIME是信道评估的单位间隔。CWCWINDOW又称为竞争窗口，CWINDOW越小，竞争过程消耗的时间越少，但冲突的概率越高。80211中采取动态管理的方法来调整CW的大小，如果在数据传输中发生冲突，系统需要动态上调CWINDOW反之刚下调CWINDOW，CSMACA是无线局域网特有的一种访问机制。由于无线网络不同于有线网络，无法直接检测到媒质中的传输碰撞，所以采用这样的随机退避过程来尽可能减小传输碰撞的发生。RTSCTS的使用对于较长的数据帧，如果发送时发生碰撞，会占用较多的信道时间。在80211协议中提供了一种快速的冲突与传输路径检测方法使用RTS，CTS序列。协议规定，在发送一个较长的帧或帧序列前，发送方应该首先发送RTS帧给目标单元，RTS可第二章EEE02协艾的食绷以用来向整个网络通知竞争媒质的成功。丽目标单元在接收到RTS后，回复一个CTS，向发送单元确认RTS发送成功并通知发送方发送数据。RTSCTS的过程如图27所示图27包嚣RTSCTS的帧序列采用RTSCTS帧序列，可以在发送方与接收方覆盖的范围内声明媒质的占用，而且在RTS顿的时间域里确定了从R了S发送完毕到第一个片断帧的ACKACK0间的媒质占用时间，在CTS的时间域中包含了从CTS发送完毕到ACK0之间的媒质占用时间参见图27。网络中的其它单元可以根据牧到的时间信息来更新自己的NAV，以避免不必要的媒质竞争。2412点协调功能PCF点协调功能是一种不通过竞争来访问介质的协调方式。在这种模式中，接入点AP可以作为点协调者PC。所有的站点服从PC的锊理，PC采用轮询机制赋予网络中的各个站点媒质访问权。PCF的工作如图2,8所示图28PCF的T作模式在PCF开始时，PC首先获得介质的控制权，按照轮询表的次序，PC发出轮询帧F,POLL给网络站点，站点在获得轮询帧后即取得介质访问权，可以发送数据帧并同时向PC发送轮询帧的应答ACK。而PC在得到轮啕帧应答后可向下一个站第章IEEE802I1协议的介绍点发送轮询帧。2413DCF与PCF的关系DCF是无线局域网的基本协调方式，在独立组网模式下，只存在分布式协调功能。而在骨干网的情况下，可以同时存在DCF和PCF，如图29所示，网络在无竞争期CFP使甩PCF，在竞争期CP使用DCF。PCF作为DCF的一种补充可用于QOS服务以及低功耗操作等用途。RETLUIREDFORCABLENTIAN，IFREESEELEES、_。J、FU,二FORCONTENTIONFMCEXTENTIR蔫18哆5LFUNCTIONF，L曼旦LRIDCF竺L【J图29DCF与PCF的关系242网络连接和认证保密服务2421加入网络在站点上电后，首先需要检测是否有王见成的网络可以加入。站点可以通过被动侦听或丰动扫描两种方式完成网络的搜寻工作。被动侦听方式站点重复扫描每个信道，侦听信道上发出的信标帧BEACON，当站点寻找到具有本站希望加入的服务组号BSSID的信标帧后，与该网络建立连接。主动扫描模式站点主动发送探询帧PROBE收到探询帧的站点骨干网中为AP会回复该帧。站点如果在个信道中收到回复帧，则可与网络建立连接，否则则转入下一个信道继续发送探询帧。24。22认证和保密服务由于无线介质的开放特性，使得无线网络较易受到窃听与攻击，所以需要提供适当的安全服务，802IL协议提供了两种认证服务。开放认证服务缺省的认证服务，仅仅需要两帧，完成站点与网络的连接认证。共享密钥认证提供较高级别的安全认证。采用WEP算法完成认证过程，并需要四帧，其具体过程如下铝一章IEEE802II协议的介磐I请求工作站向接收站发送认证帧。2接收站返回一个认证帧，该帧中包含一段128字节的文本。3请求站使用共享密钥对文本进行WEP加密，并把加密的结果返回给接收站。4接收站使用相同的密钥对文本解密，并与发送文本进行比较，如果相互匹配，则发送表示成功的认证帧，否则则返回失败的认证帧。除了认证过程外，80211还使用WEP算法对发送数据提供加密。WEP是一种对称加密算法，使用RC4编码，给无线网络提供了有线网络相类似的安全级别。关于WEP算法，在第四章中会有具体说明。243MAC的帧结构与帧交换序列2431MAC的帧结构MAC帧结构的主体框架如图210所示，并不是每一种MAC帧都具有图中的所有域，每一种帧都是某些域的组合。图210MAC帧的结构丰要域的具体说明帧控制FRAMECONTR01包含帧的类型等控制信息。持续时间标志DURATIONID包含数据序列占用媒质的时间，在某些帧中该域也作为所有工作站点的标志符。地址1、2、3、4ADDRESSL，2,3，4地址域包含不同类型的地址。对应的地址类型取决于帧的类型。902，11中地址类型共五种，分别为基本服务组号BSSID、源地址SA、目标地址DA、发送地址TA和接收地址RA。序列控制SEQUENCECONTR01该域包括一个分段号和一个予序列号，用于标识一个MAC帧或者一个帧序列的片断帧。利用该段数据可以重组一组片断帧或者用于过滤接收到的重复帧。帧体FRAMEBODY载有传输的LLC数据帧校验序列FCSMAC利用32位循刊几余码CRC对整个帧进行校验。第二章IEEE80211济议的舟绢2432MAC的主要帧类型MAC帧分为三个大类控制帧、数据帧和管理帧，如图21L。数据帧用于发送LLC的数据，管理帧用于同步、认证、登录等管理功能，控制帧则用于维护帧序列的正常交换。进一步细分的话，MAC共有25种帧，每一种帧都有自己所需的域，限于篇幅，不对每一种帧进行详细介绍。控制帧RTS管理帧匝正丑三臣工丑蔓工兰曲数据帧匿正丑三叵王囝蔓亚三二三1习RA接收地址T艇送蚰地J】S谢地址DAFF标地址BSSID水月H务纰峙图211MAC帧的兰种类獬2433MAC的帧交换序列MAC的数据传输采用帧序列交换的方式，比如一个数据帧DATA加一个ACK帧就组成一个帧交换序列。8021L协议规定了在竞争和无竞争时期所支持的帧交换序列，见下表。SEQUENCEFRAMESINUSAGESEQUENCEDATABCME1BROADCASTORMULTICASTMSDUMGMTBELBROADCASTMMPDURTSCTSFRAGACK一LASTACK2DIRECTEDMSDUORMMPDUPSP01LACK2DEFENEDPSPOLLRESUORTSEPSPOLLFFRAGACK一LASTACKIMMEDIATEPSPOLLRESPONSECDNTINUAJONOFCFP娟ETMISSINGACKOR【】CFEND2ORMORERMEDIUMOCCUPANCYBOUNDARY墨三童竺塑坚竺堑塑SEQUENCEFRLLLLLESINUSAGESEQUENCEBEACONCFLBEACONDURINGCFPDATABCMCLBROADCASTORMULTICASTMSDUMZMTBCLOR2BROADCASTMMPDUMB,MTDIR一ACK2OR3DFLEETEDMMPDUDATADIRCFPO州CFACK一DATADIRCFACK2POLIANDACKSENTWITHMPDUS一CFRAEKNODALA1POLLOFSTAWITHEMPTYQUEUE，DATADIRCFPOLICFACK一CFACKNODATA2INSUFFICIENTTIMEFORQUEUEDMPDU，ORTOOTITTLETIMEREMAININGBEFOREADWELLOFMEDIUMOCCUPANCYBOUNDARYTOSENDAQUEUEDFRAMECFPOLLNODATACFACK一DATADIR一2SEPARATEPOLLACKSENTWITHMPDUCFACKNODAI站CF110ILNODATACFACK一DATADLR一ACKPOLLEDSTASENDSTOSTAINBSSSEPARATEPOLL，STAQUEUEEMPTY，ORCFPOLLNODATACFACK一NTDTNODATA2INSUFFICIENTTIMEFORQUEUEDMPDUORTOOLITTLETIMEREMAININGBEFOREADWELLORMEDIUMOCCUPANCYBOUNDARYTOSENDAQUEUEDFRAMEDATADIRCFACK一ACK2ACKIFNOTCFPOLLABLEOFNOTDOLLCD表21802，】1协议规定的帧序列25无线局域网的物理层PHY80211标准提供了三种可选的物理层实现方式跳频扩频FHSS物理层、直接序列扩频DSSS物理层和红外线IR物理层。其中红外线物理层在850到950NM波段进行调制，主要用于小型设备和低速应用。而跳频和直接序列扩频使用ISM开放频段载波频率为24GHZ。第章IEEE802L1协议的介绍251物理层结构物理层包括三个功能实体参见图25物理层管理模块PHYSICALLAYERMANAGEMENTPLME与MAC层管理实体MLME相连，通过MLME和PLME之间的服务访问点SAP传输管理数据，为物理层提供管理功能。物理汇聚子层PHYSICALLAYERCONVERGENCEPROCEDUREPLCP完成MAC单元MSDU向PLCP协议单元的映射过程。MAC和PLCP通过物理层的服务访问点进行原语通信，PLCP对MSDU附加前导码与帧头，帧头包含了物理层发送和接收所需的信息，PLCP处理后的帧称为PLCP协议数据单元PPDU，MSDU的单元承载于PPDU中的PSDU域。物理依赖子层PHYSICALMEDIUMDEPENDENTPMD在PLCP的下方，定义了两点之间通过无线媒质传输数据的方法。对于无线介质来说，传输的数据需要进行调制与解调，PMD正是用来完成这部分的功能。PLCP与PMD之间通过原语通信，PLCP控制着PMD的发送与接收。252物理层的载波侦听与信道评估功能8021I标准规定了PLCP的主状态机结构图212。图212PLCP的主状态机状态机分为三个状态，载波侦听信道评估CSCCA、发送TRANSMIT和接收RECEIVE。一般情况下，状态机处于CSICCA状态，在该状态时PLCP通过PMD检查媒质状态来执行物理层的载波侦听功能。PLCP持续地对媒质进行监听，当媒质忙时，PLCP设法定位PPDU的前导码与帧头，同步接收机并获得接收信号的传“旺第二章IEEES021L悱议的介绍输速率，然后状态机转入接收状态，完成PSDU的接收。同样，如果PLCP接收到MAC发送数据的指令，主状态机转入发送状态，完成MSDU向PPDU的映射和发送工作。物理层使用信道评估CCA，CLEARCHANNELASSESSMENT来测定无线介质是否繁忙，并通过原语向MAC报告媒质状态，MAC层利用物理层的报告完成自己的虚拟载波侦听。物理层提供了几种信道评估的模式1PMD测量介质的能量是否超过门限值。2PMD探测介质上是否有DSSS信号。3PMD检测介质上的DSSS信号能量是否超过门限值。虽然80211协议提供了三种可选的物理层，但在具体应用时，物理层的选择应该取决于实际的应用要求，采用三种方案中的一种来实现系统。由于我们的系统使用直接序列的扩频方式，所以下面介绍一下直接序列扩频DSSS的物理层规范。253直接序列扩频DSSS物理层在8021L仂、议中定义的直接序列扩频物理层采用DBPSK和DQPSK调制方式，支持1MBITS和2MBITS的通信速率。1999年发布的8021LB协议23扩展了80211标准中关于直接序列扩频的调制方式，采用了8码片CHIP的CCK调制方案支持55MBITS和11MBITS的高速数据传输，这一模式也被称为高速直接序列扩频。2531直接序列扩频的物理汇聚子层PLCP为了满足不同传输模式的需要，8021LB协议定义了两种PPDU的帧结构长PPDU和短PPDU。短PPDU只用在高速直接序列扩频的模式下，用来提高网络的数据吞吐量。长PPDU帧结构图213是8021LB中长PPDU的帧结构示意图，其前导码与帧头与80211的规定相同，只在PSDU的传输中多支持了55MBITS和11MBITS两种速率。帧结构的具体说明如下同步域SYNC该域由128位1经扰码产生，该域提供接收机完成同步的数据。第二章1EEES021T枕C泌的介绍帧定界符SFD该域为固定值XF3A0，指示帧头域的开始。信号域SIGNAL该域表示PSDU的传输速率。该域的数值等于数据率除以100KBITS。ZDQPSK5,5OFLLMBIFFS图213LONGPPDD帧缔构服务域SERVICE用3个BIT作为高速扩展，分别为时钟锁定比特，调制选择比特和长度扩展比特，其它比特保留。长度域LENGTH该域值是一个无符号的16位整数，表示发送MPDU所需的微秒数。帧头差错校验FEC采用16位CRC算法完成PPDU帧头的校验。PSDU该域用于传输MSDU数据，它的大小可以从0至最大尺寸，最大尺寸由销理实体PLME提供的AMPDUMAXLENGTH参数确定。长PPDU的前导码和帧头采用DBPSK调制1MBIFFS的传输速率，而PSDU可以采用1MBITS、2MBITSDQPSK调制、55MBITSCCK调制或1IMBITSCCK调制的速率传输。短PPDU帧结构图214是短PPDU的帧结构示意图，使用短PPDU是为了减小前导码和帧头的负荷，以提高网络的吞吐率。帧结构的具体说明如下同步域SYNC该域由56位0经扰码组成，该域使接收机完成必要的同步。帧定界符SFD该域值为X05CF，是长PPDU中该域值的取反，以指示帧头开始。第二章IEEE80211池议的介绍信号域SIGNAL该域表示PSDU的调制方法。该域的数值等于数据率除以100KBITSS，短PPDU的PSDU只支持2MBITS，55MBITS和11MBITS三种传输速率。SCRAMBLEDZEROS图214SHORTPPDU的帧结构短PPDU其它城的定义与长PPDU相同，短PPDU的前导码采用DBPSK调制，LMBITS的传输速枣，帧头采用DQPSK调制，2MBITS速率传输，而PSDU部分可以采用2MBITSDQPSK调制、55MBITSCCK调制或11MBIFFSCCK调制的速率传输。2532直接序列扩频的物理依赖予层PMD直接序列扩频的PMD使用DPSK和CCK两种调制方式，其中LMBI“S的传输使用扩频DBPSK调制方式，2MBITS的传输使用扩频的DQPSK调制方式，55MBITS和11MBIFFS使用了CCK调制方式。相移键控PSK通过改变载波的相位信息来表示传输的信号，80211协议中使用11个码片的PN序列对DPSK调制结果进行扩频。扩频技术是无线通信里一种常用的技术，广泛运用于CDMA等许多通信方式中。扩频系统使用PNPSEUDONOISE码来扩展信号的频带，提高接收信号的增益。无线局域网与CDMA使用扩频的方式有所不同，在无线局域网中，所有的站点使用相同的PNPSEUDONOISE码，并固定为一个11CHIP的BARKER序列1，1，1，1，一】，1，L，】，1，】，。1。葺【一章眶E黜02。TT铷泌啦介宝FJ补码键控CCK可以用来调制55MB“S和11MBIDS的传输数据。在CCK的调制方式下，扩频码的长度为8，CCK的调制公式如下C妇7PP2仇礼、EJP矶吼，霉79吼仙，一。9吼，君。992竹，E79竹，一E79N，E。9无论是使用扩频DPSK调制还是CCK调制，调制后的码片速率都是ILMCHIPS，关于DPSK调制和CCK调翻在第五章中还会详细介绍。本章简单介绍了80211和80211B的协议内容，限于篇幅，只介绍了协议中与本文内容关系较密切的部分，关于802LL无线局域网的细节，可以参阕IEEE的相关标准。第三章媒质访问控制MAC层的系统设计第三章媒质访问控制MAC层的系统设计31MAC层的系统架构媒质访问控制子层MAC主要为逻辑链路子层提供数据服务，并同时完成载波侦听，冲突避免CSMACA、数据加密与验证WEP、系统同步以及节能管理等一系列工作，MAC的整体功能较为复杂。对于一个复杂的数字芯片实现而言，常用的实现方式有三种1采用全逻辑电路实现系统的所有功能都采用硬件电路来实现。采用这种方式，系统的效率可以做到最优，但整个设计的灵活性较差，任何功能上的改动都需要重新进行RTL设计、综合、布线等整套设计流程，系统的设计难度很大。2采用嵌入式芯片加逻辑电路的实王见系统采用固件与硬件协同工作的方法，相比于第一种方法，设计的灵活性得到了提高，并且电路的设计复杂度也大大降低，减少了电路面积。3采用全软件实现使用嵌入式芯片来实现系统的全部功能，该方式是最灵活的一种实现方式，但是由于软件的处理速度远氐于硬件，所以采用该方法实现的系统其运行效率较低。对于802。LL的MAC而言，整个系统韵功能较为复杂，采用全硬件的方式，设计难度大，并且灵活性很差，不利于系统功能的升级。采用全软件的方式，处理效率很低，不能支持高速率的传输要求。所以我FJ选用第二种方式，也就是匿件掘硬件的方法来实现整个系统，对于系统中速度要求较高的模块采用硬件实现，对于功能复杂但对速度要求不高的模块使用固件来完成。这样既保证了处理数据的效率又具有很好的灵活性，有利于系统功能的扩展与升级。311MAC层的软硬件划分由于使用固件与硬件协同工作来实现整个MAC系统，在进行系统的具体设计前，首先需要进行软硬件的功能划分。第三章蝶质访问控制MAC屡的系统设计FUNCTIONSAFTERPARTITIONINGHWSWHCIDEVICESPCIORPCMCIAHCLTHEDRIVERSFOREACHKINDOFHCIDEVICESCARRIEPSENSEJMACLEVELACKDCFACCESSPROCESSPCFACCESSPROCESSJCSMAMACFRARNEFORMATIONDCF，CAMACFRARTQEEXTRACTIONJFRAMEEXCHANGESEQUENCEJPCFSYNCHRONIZAIIONPOWERSAVEOPERATIONMCCACSINTERFACCADATA0CASSOCIATIONMACREASSOCIA“ONSERVICEDISASSOEIATIONPRIVACYWEPMECHANISMWITHRE4ALGORITHMAUTHENTICATIONJDEAUTHANTICATIONMPDUMACHCADERPROCESSPROEEGSPCSJINTERFACEWITHPHYLAYERREGISTERFILEMLMEMACLAYERMANAGEMENTSECURI“WEPENGINEWITHRE4ALGORITHMI表31MAC系统的软硬件划分MAC所需要完成的工作种类很多，主要的功能包括1帧服务将LLC的数据包划分成MPDU序列根据不同的帧类型构造或提取帧头信息完成MPDU的FCS校验在加密的传输过程中，完成对数据包的WEP加密和解密2帧序列服务MAC是通过帧序列交换来实现基本的数据通信服务和管理服务。第三章媒质访问控制MAC层的系统设计在IEEE80211协议中定义了17种不同的帧交换序列FRAMEEXCHANGESEQUENCE，关于帧序列可参见2433。3管理功能子层完成登录ASSOCIATION、认证AUTHENTICATION等网络管理和操作4网络协调功能、同步功能和功耗管理功能表31是整个系统的软硬件划分结果，其中除了实现协议规定的MAC功能以外，还提供了两个接口。一个是HCI接口，用来将MAC系统与主机相连，该接口可以采用PCI或者PCMCIA总线形式，并且需要为系统提供专门的驱动程序。另个是与物理层的通信接口，由于物理层使用全定制实现，所以需要一个硬件接口完成MAC与物理层数据的同步传输。从表31中可以看到，我们使用硬件电路实现MAC的帧序列交换功能，以提高整个系统处理数据的效率，实际上，如何实现帧序列的交换也是我们软硬件划分的一个重要依据。对于速率要求较高的功能如WEP加密，系统中使用硬件来实现，对于功能复杂但速度要求不高的功能。比如LLC数据包的分划FRAGMENT、节能管理、网络管理等，采用软件来实现。312MAC层系统架构图31是MAC系统的整体硬件架构，在系统中使用了两条总线，一条作为MCU的数据指令通道，另一条作为设计的硬件系统的数据通道56。我们选用IBM的MICROBLAZETM作为系统的嵌入式芯片1718，该芯片是一个RISC架构的软核SOFTCORE，使用32位总线、HAVARD结构，采用在POWERPC系列中使用的CORECONNECT技术93、OPB总线结构10，可内嵌入XILINX公司的VINEX2系列FPGA。下面简单介绍一下系统中所涉及的硬件模块，这些模块的功能与硬件实现将在第四章中详细介绍。MCU内嵌的处理器，目前采用MICMBLAZE固件FIRMWARE由外部存储器与片内存储器组成，存放系统固件中断控制器MCU中断处理单元UART接口串行输出接口，用于调试时对MCU的监控HCI接口PCI或者PCMCIA总线接口OPB总线MICROBLAZE芯片的总线第三章媒质访问控制MAC层的系统设计本地总线LOCALBUSMAC硬件系统的总线，各个硬件模块访问交换内存的数据通道。总线接口BUSINTERFACE完成OPB总线与本地总线标准的转换，是固件与硬件进行数据交互的通路。交换内存EXCHANGEMEMORY片内存储器，用于缓存数据寄存器堆REGISTERFILE寄存器组，用于软件对硬件系统的监控流控制器TRAFFICCONTROLLERMAC硬件系统的主控模块，完成网络协调、虚拟载波侦听以及帧序列交换控制的功能。发送引擎TXENGINE与物理层的接口，向物理层发送数据接收引擎RXENGINE与物理层的接口，接收物理层数据WEP引擎WEPENGINE加密引擎，完成WEP加密算法本地总线监控器TRACER用于调试的模块，监控本地总线的行为图31MAC层韵系统结构本节的最后，我们以数据发送为例，介绍一下MAC系统工作的过程。当LLC要求发送个数据包时，如果LLC包过长，MAC的软件首先完成对数据包的划分，划分将会产生一组片断帧FRAGMENT。软件对每个片断帧添加MAC帧头形成MPDU并通过总线接口BUSINTERFACE将MPDU缓存在交换内存中如果数据需要加密，第三章媒质访糊控制MAC屡的系统设计软件会激活WEP弓1擎完成对MPDU的加密，并通知流控制器TRAFFICCO