WLAN802.11技术标准解读

1、WLAN 802.11 技术标准解读802.11标准简介802.11标准基础目录802.11标准802.11 ：工作在2.4G(2.40002.4835GHz )频段，提供了每秒1M或2M 传输速率802.11a ：工作在5G频段， 提供了每秒54M的传输速率，平均吞吐量是20-36M/秒，平均范围10-100米802.11b ：工作在2.4G频段，提供了每秒11M的传输速率。在1999年，IEEE接受了802.11b作为以太网标准，平均速率每秒4M，平均范围50多米802.11g ：在2.4G频段上提供了大于20M的带宽，平均每秒20-30M，平均范围50多米802.11e：QoS802.1

2、1i ：WLAN安全标准802.11r：WLAN漫游标准802.11s：802.11 mesh802.11n：更高传输速率的改善，支持多输入多输出技术802.11ac：主要工作在5G频段，理论上可以提供高达每秒1Gbit的数据传输能力802.11a54Mbps 吞吐能力采用正交频分复用（OFDM）支持6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 & 54Mbps 数据速率工作在无需许可的5GHz频段“Unlicensed National Information Infrastructure” (U-NII) 频段23个非重叠信道Page35.25 GHz5.35 GHz5.470 GHz

3、5.725 GHz5.825 GHz5.15 GHzUNII-1UNII-2DFSUNII-3UNII-2e DFS802.11b11Mbps 吞吐能力采用直序扩频（DSSS）支持1, 2, 5.5 & 11Mbps数据速率工作在2.4GHz非许可频段 “Industrial Scientific & Medical” (ISM) 频段支持13（或者说14）个信道3个信道不重叠123456789101112131422Mhz2.402Ghz2.483GhzPage4802.11g54Mbps 最高传输速度采用正交频分复用(OFDM)支持6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 & 54

4、Mbps 数据速率以及802.11b速率兼容802.11b终端工作在2.4GHz非许可频段 “Industrial Scientific & Medical” (ISM) 频段支持13个信道3个不重叠信道Page51611802.11n802.11n最高速率可达600Mbps802.11n协议为双频工作模式，支持2.4GHz和5GHz802.11n采用MIMO与OFDM相结合传输距离大大增加，网络的吞吐量性能提高更多的子载波速率提升-编码率更短的帧间保护间隔（Short GI）信道绑定40M频宽模式MIMO及波束成形技术帧聚合技术（A-MSDU&A-MPDU）块确认802.11n优势11g在2

5、0MHZ 信道下，子载波为4854 Mbps8.3%更多子载波更高编码比率更短的GI 更宽的信道在20M HZ 信道下，子载波由48-52编码比率由11g 3/4 -11n 5/6GI (Guard Interval ) ，由11g 800ns -400ns每通道的频宽 可由20MHZ-40M，子载波由52-10858.5 Mbps65 Mbps11%72.2 Mbps 11%150 Mbps108%更多的空间流由11g 单空间流-2/3/4空间流300 /450/600 Mbps200%/300% /400%802.11n 更高速率改进技术802.11ac作为802.11n标准的延续，802

6、.11ac主要工作频段为5GHz频率，以及支持MIMO技术，并在此基础上技术改进与创新，以求达到1Gbps吞吐量的目标。802.11ac将向后兼容802.11全系列现有及即将发布的所有标准和规范。安全性方面，它将完全遵循802.11i安全标准的所有内容。802.11ac技术改进：更大信道带宽，最大160MHz更多空间流，最多MIMO8*8 更高阶调制方式，最大256QAMIEEE 802.11ac技术FeatureMandatoryOptionalChannel bandwidth 20MHz,40MHz,80MHz160MHz,80+80MHzFFT size64,128,256512Dat

7、a subcarriers/pilot52/4,108/6,234/8468/16Modulation typeBSPK,QPSK,16QAM,64QAM256QAMMCS supported 0 to 78 and 9Spatial streams and MIMO12 to 8，MIMO, Tx beamforming，STBC,Operating mode /PPDU format Very high throughput/VHT802.11a/b/g/n/ac对比协议使用频段兼容性理论最高速率实际速率802.11a5GHZ54Mbps22Mbps左右802.11b2.4GHZ11Mbp

8、s5Mbps左右802.11g2.4GHZ兼容802.11b54Mbps22Mbps左右802.11n2.4GHz5GHZ兼容802.11a/b/g600Mbps100Mbps以上802.11ac2.4GHz5GHZ兼容802.11a/b/g/n1.56Gbps(80MHz,4Tx)6.93Gbps(160MHz，8Tx)Gbps802.11标准简介802.11标准基础目录802.11标准基础网络系统结构802.11基本元素WLAN组网结构PHY层MAC层媒体访问控制802.11基本元素BSS（Basic Service Set）：基本服务集BSA（Basic service area ）：基

9、本服务区域ESS（Extended Service Set）：扩展服务集SSID（Service Set Identifier）：服务集标识BSSID （Basic Service Set Identifier） ：基本服务集标识符802.11基本元素基本服务集（Basic Service Set，简称BSS）是802.11网络的基本组件，由一组相互通信的工作站所构成。 BSA(Basic service area):基本服务区域，相当于一个无线单元。Independent BSSBSASTA3STA2STA1Infrastructure BSSSTA4APBSASTA5802.11基本元素E

10、SS所谓ESS，就是利用骨干网络将几个BSS串联在一起。SSID：用户所谓的网络名称。BSSID实际上就是AP的MAC地址，用来标识AP管理的BSS。AP1Marketing:0025.9e45.24a0AP2SSID：marketingMarketing:0025.9e45.3100SSIDBSSIDSW骨干网络BSABSASSID：marketingWLAN组网结构Ad-Hoc组网Infrastructure 组网WDS组网Mesh组网Ad-Hoc组网与Infrastructure组网STA3STA2STA1网络结构无中心站点所有站点拓扑平等STA4APSTA5又称为infrastruct

11、ure模式各节点之间通过中心站AP完成通信Ad-Hoc组网Infrastructure 组网WDS组网WDS（Wireless Distribution System无线分布式系统）：通过无线链路连接两个或者多个独立的有线局域网或者无线局域网，组建一个互通的网络，从而实现数据访问。无线WDS技术提高了整个网络结构的灵活型和便捷性。在WDS部署中，网桥组网模式可分为：点对点（P2P）方式点对多点（P2MP）方式中继桥接方式AP2AP1AP2AP3AP4AP1AP2AP3AP1Mesh组网MeshAPMeshACMeshAPMeshAPMeshAPMeshAPMeshAPMeshACMeshAPM

12、eshAPMeshAPMeshAP 无线AP之间有冗余，解决了无线单点故障问题红色虚线代表Mesh回传链路，圆圈代表用户接入信号覆盖。802.11标准基础网络系统结构PHY层物理层技术介绍MAC层媒体访问控制802.11物理层技术802.11所采用的无线电物理层使用了三种不同的技术：跳频（Frequency hopping，简称FH或FHSS）直接序列（Direct sequence，简称DS或DSSS）正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM ）跳频扩频跳频扩频（ Frequency-hopping spread-spr

13、ead，简称FH或FHSS ）：是以一种预定的伪随机模式快速变换传输频率。876543210频隙时隙干扰信号数据信号直接序列扩频传输技术（DSSS）直接序列传输技术是通过精确的控制将RF能量分散至某个宽频带当无线电载波的变动被分散至较宽的频带时，接收器可以通过相关处理找出变动所在。用户信号信号强度频率干扰信号使用扩频技术信号强度频率用户信号没有使用扩频技术干扰信号扩频技术能够很好的防止干扰：DSSS编码方式DSSS采用11 chip barker编码方式只要11位中的2位正确就能识别原来的数据作用：防止干扰补码键控（complementary code keying，CCK）补码键控编码方式能

14、有效防止噪声及多径干扰802.11b使用补码键控来提高传输速率，最高可达11Mbps缺点：补码键控为了对抗多径干扰，技术复杂，实现困难DSSS调制方式DSSS采用的调制方式为：BPSK、QPSKBPSKQPSK180传输 10传输 0018027090传输 00传输 01传输 10传输 11数据速率编码方式调制方式1MbpsBarkerBPSK2MbpsBarkerQPSK5.5Mbps4-bits CCKQPSK11Mbps8-bits CCKQPSK正交频分复用技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，是一种多载

15、波调制技术。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。振幅频率图：频域中的正交性正交频分复用技术OFDM 5GHz 信道示例:5150535030 MHz30 MHzFrequency (MHz)5320526052405220520052805300518020 MHz20 MHz20 MHz20 MHz20 MHz20 MHz20 MHz20 MHz每个子载波312.5 kHz48 个子信道用来传数据, 4 个子信道用来做相位参考OFDM子信道调制技术OFDM调制方式：BPSK（ Binary Phase Shift Ke

16、ying ）二进制相移键控QPSK（ Quadrature Phase Shift Keying ）正交相移键控QAM（Quadrature Amplitude Modulation）正交幅度调制QAM同时利用了载波的振幅和相位来传递信息OFDM技术结合QAM调制方式让速率达到54MbpsPage28调制方式编码率（R）速率(Mbps)BPSK1/26BPSK3/49QPSK1/212QPSK3/41816-QAM1/22416-QAM3/43664-QAM2/34864-QAM3/454802.11标准基础网络系统结构PHY层MAC层802.11帧数据帧控制帧管理帧媒体访问控制802.11帧

17、802.11帧的最大长度2346个字节，基本结构如下图所示。226666402312Frame ControlDuration IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)Seq-ctlAddress 4(optional)Frame BodyFCS2802.11帧-Frame Control所有帧的开头均是长度两个元组的Frame Control （帧控制）位。如下图所示，Frame Control 位包括以下次位：2ProtocolType=ControlSub TypeTo DSFrom DSMore FragRet

18、ryPwr MgmtMore DataProtected Frame2411111111Frame ControlOrder802.11帧-Duration/IDDuration（持续时间）位用来记载网络分配矢量（NAV）的值。访问介质的时间限制是由NAV 所指定。226666402312Frame ControlDuration/IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)Seq-ctlAddress 4(optional)Frame BodyFCS20123456789101112131415Duration (NAV

19、)Least significantMost significant802.11帧-Address地址字段包含不同类型的MAC地址，地址的类型取决于发送帧的类型。 Address n字段：4个Address位填法不固定，需要和Frame Control字段中的To DS/From DS位结合来确定，详见备注。226666402312Frame ControlDuration/IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)Seq-ctlAddress 4(optional)Frame BodyFCS2802.11帧-顺序控制位

20、此位的长度为16 个bit，用来重组帧片段以及丢弃重复帧。它由4 个bit 的fragment number（片段编号）位以及12 个bit 的sequence number（顺序编号）位所组成。226666402312Frame ControlDuration/IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)Seq-ctlAddress 4(optional)Frame BodyFCS20123456789101112131415fragment numbersequence number802.11帧-帧主体帧主体（Fra

21、me Body）亦称为数据位，负责在工作站间传送上层数据（payload）。802.11 帧最多可以传送2312 个字节的上层数据。226666402312Frame ControlDuration/IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)Seq-ctlAddress 4(optional)Frame BodyFCS2802.11帧-帧检验序列802.11 帧是以帧检验序列（frame check sequence，简称FCS）作为结束。FCS 让工作站得以检查所收到的帧的完整性。226666402312Frame C

22、ontrolDuration/IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)Seq-ctlAddress 4(optional)Frame BodyFCS2802.11帧-帧类型802.11 帧主要有三种类型：数据帧、控制帧、管理帧 Type（类型）与Sub Type（子类型）位用来指定所使用的帧类型帧类型帧介绍数据帧数据帧好比802.11 的驮马，负责在工作站之间传输数据。数据帧可能会因为所处的网络环境不同而有所差异。控制帧控制帧通常与数据帧搭配使用，负责区域的清空、信道的取得以及载波侦听的维护，并于收到数据时予以正面的应

23、答，借此促进工作站间数据传输的可靠性。管理帧管理帧负责监督，主要用来加入或退出无线网络，以及处理基站之间连接的转移事宜。ProtocolType=ControlSub TypeTo DSFrom DSMore FragRetryPwr MgmtMore DataProtected Frame24数据帧数据帧会将上层协议的数据置于帧主体加以传递。会用到哪些位，取决于该数据帧所属的类型。如Data与QoS Data226666402312Frame ControlDuration IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)S

24、eq-ctlAddress 4(optional)Frame BodyFCS2控制帧控制帧均使用相同的Frame Control（帧控制）位，如下图所示2ProtocolType=ControlSub TypeTo DSFrom DSMore FragRetryPwr MgmtMore DataProtected Frame2411111111Frame Control管理帧管理帧目的是通过帧的使用，为网络提供相对简单的服务。负责对无线网络的管理，包括网络信息通告、加入或退出无线网络，射频管理等。802.11 管理帧的基本结构如下图所示。22666402312Frame ControlDura

25、tion IDAddress 1(receiver)Address 2(sender)Address 3(filtering)Seq-ctlFrame BodyFCS2MAC header802.11标准基础网络系统结构PHY层MAC层媒体访问控制802.11 媒体访问控制机制WLAN 媒体访问过程CSMA/CACSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）:带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”。CSMA/CACS 载波侦听MA 多址访问CA 冲突避免CSMA/CA工作机制工作站 1退避窗口退避窗口退避窗口工作站2工作站 3工作站 410935769254