短距离无线通信系统及仿真课件 第2章 Wi-Fi无线通信技术 第十三讲

WLANMAC层原理与技术MAC层具有以下三个主要功能：

(1)无线介质访问。

(2)网络连接。

(3)提供数据认证和加密。MAC层的功能无线介质访问在IEEE 802.11标准中定义了两种无线介质访问控制的方法，它们是：分布协调功能(DistributedCoordinationFunction，DCF)点协调功能(PointCoordinationFunction，PCF)图3.15无线介质访问控制方法DCF是IEEE 802.11最基本的媒体访问方法，其核心是CSMA/CA。它包括载波检测(CS)机制、帧间间隔(IFS)和随机退避(RandomBack-off)规程。每一个节点使用CSMA机制的分布接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。DCF在所有的STA上都进行实现，用于无中心和有中心的网络结构中。DCF有两种工作方式：一种是基本工作方式，即CSMA/CA方式；另一种是RTS/CTS机制。PCF是可选的(Optional)媒体访问方法，用于有中心的网络结构中。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入点AP实现集中控制)，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如分组语音，就应该使用提供无争用服务的点协调功能PCF。图3.16两次CA握手机制①基本的CSMA操作采用两次握手机制，又称ACK机制，是一种最简单的握手机制。当接收方正确地接收帧后，就会立即发送确认帧(ACK)，发送方收到该确认帧，就知道该帧已成功发送，如图3.16所示。由图可见，如果媒体空闲时间大于或等于DIFS(DCF的帧间隔)，就传输数据，否则延时传输。网络分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)NAV可以看做一个以某个固定速率递减的计数器，当值为0时，载波监测认为信道空闲；不为0时，认为信道忙。NAV中存放的是介质信道使用情况的预测信息，这些预测信息是根据MAC帧中Duration(持续时间字段)声明的传输时间来确定的。

MAC层监听所有MAC帧的持续时间字段，如果监听到的值大于当前的网络分配矢量(NAV)值，就用这一信息更新该工作站的NAV。如果信道繁忙，CSMA/CA协议将执行退避算法，然后重新检测信道，这样可以避免各工作站间共享介质时可能造成的碰撞。为什么要用退避算法？介质繁忙状态刚刚结束的时间窗口是碰撞可能发生的最高峰期，尤其是在利用率较高的环境中。因为此时许多工作站都在等待介质空闲，所以介质一旦空闲，大家就试图在同一时刻进行数据发送。CSMA/CA协议在介质空闲后，利用随机退避时间控制各工作站发送帧的进行，从而使各工作站之间的碰撞达到最小。当包第一次企图发送时，BEB选择一个随机时隙(CW=CWmin)进行等概率传输，CWmin是最小竞争窗口。每当节点传送数据包发生冲突时，竞争窗口的大小都会成为原来的两倍，直到它的上限CWmax。即CW=min[2*CW，CWmax]。新的竞争窗口是用来表示传输企图的，在一次成功传输之后，或当一个包企图传输的次数到达极限m(对于基本访问机制m=7，对于RTS/CTS m=4)时，这个节点就将它的竞争窗口重设成它的最小竞争窗口。BEB二进制指数退避算法具体过程如下：检测到媒体空闲时，退避计时器递减计时。检测到媒体忙时，退避计时器停止计时，直到检测到媒体空闲时间大于DIFS后重新递减计时。退避计时器减少到0时，媒体仍为空，则该终端就占用媒体。退避时间值最小的终端在竞争中获胜，取得对媒体的访问权；失败的终端会保持在退避状态，直到下一个DIFS。保持在退避状态下的终端，比第一次进入的新终端具有更短的退避时间，易于接入媒体。A、B两个站点共享信道。A站点检测到信道空闲时间大于DIFS时发送数据报，B站点此时立刻停止退避时间计数，直到又检测到信道空闲时间大于DIFS时，继续开始计数。当B站点的退避时间计数器为0时，则B站点开始发送数据报。退避算法举例：当一个站要发送数据帧时，仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。②RTS/CTS机制采用四次(Four-way)握手机制。如图3.18所示，四次握手机制包括RTS—CTS—DATA—ACK四个过程，发送者在发送数据帧之前，首先发送一个RTS帧来预约信道，接收者发回一个CTS帧，之后开始进行数据帧的发送和ACK确认。RTS/CTS机制说明如果发送者没有接收到返回的ACK，则会认为之前的传输没有成功，会重新传输；如果只是返回的ACK丢失了，之前的RTS—CTS传输非常成功，则重新发送的RTS到达接收者后，接收者只会重新发送ACK而不是CTS，且退避时间量并不会增加；如果发送了RTS后，在接收超时之前都没有接收到CTS或ACK，那么退避时间量就会增加；当接收到ACK后，退避时间量就会减少。使用RTS和CTS帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短，其长度分别为20字节和14字节，与数据帧(最长可达2346字节)相比开销不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多。PCF是可选的(Optional)媒体访问方法，用于Infrastructure网络结构中。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入点AP实现集中控制)，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如分组语音，就应该使用提供无争用服务的点协调功能PCF。PCF功能由在BSS内AP中的点协调器执行。点协调器负责维护轮询表和确定轮询表顺序的方法留待实现者决定。网络连接当工作站接通电源之后，首先通过被动或主动扫描方式检测有无现成的工作站和访问节点可供加入。加入一个BSS或ESS之后，工作站从访问节点接收SSID、时间同步函数(TimerSynchronizationFunction，TSF)、计时器的值和物理(PHY)安装参数。概念解释：SSIDSSID称为服务集合标识符，也称为网络名称。一种独一无二的标识符，作为无线设备连接到WLAN时的密码。这个名称有助于网络的区分，是最基本的安全方法，用在Client和Ap做关联之用。认证和加密IEEE 802.11标准提供以下两种认证服务，以此来增强网络的安全性：(1)开放系统认证(OpenSystemAuthentication)。(2)共享密钥认证(SharedKeyAuthentication)。与开放系统认证相比，共享密钥认证提供了更高的安全检查级别。采用共享密钥认证的工作站必须执行WEP。(3)加