无线局域网的关键技术.ppt

1、无线局域网的关键技术,无线局域网（WLAN）原理、技术与应用 作者： 刘乃安 李晓辉 张联峰 王多华 何广法 出版社：西安电子科技大学出版社,OSI将网络通信协议体系分为7层。局域网协议标准结构主要包括物理层、数据链路层。体系的底层称为物理层，网络所采用的不同的传输介质，对应不同的物理层，如双绞线或光缆。体系的第二层为数据链路层（Data link Sub-layer，DLL）,因为局域网的介质访问比较复杂，所以数据链路层分为两层，数据链路层的上半部为逻辑链路控制子层(Logical Link Control Sub-layer，LLC)，负责将数据正确的发送到物理层，在数据链路层的下半部为介

2、质访问控制子层 (Media Access Control，MAC)，负责控制与连接物理层的物理介质。有线和无线局域网的不同主要是体现在物理层和数据链路层，所以我们要讨论的关键技术也集中在这两层。,无线局域网的物理层关键技术,微波数字通信的系统模型,扩频传输技术的系统,跳频技术FHSS,直接序列扩频技术DSSS,跳频扩频传输技术 FHSS,跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)是一种频率的活跃性将数据扩展的扩频传输技术，这个技术只在IEEE 802.11种做了规定，在实际应用中已经很少见到，所以我们只对一些主要的概念进行说明，频率的活跃性指

3、的是微波在射频应用的频率波段中突然改变传输频率的能力。 采用跳频扩频传输技术（FHSS）的无线局域网支持1Mbps和2Mbps。在1Mbps时采用的调制方式是两相高斯频移键控（2GPSK），在2Mbps时采用的调制方式是四相高斯频移键控（4GPSK）。,直接序列扩频传输技术 DSSS,直接序列扩频传输技术（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）是直接采用具有高码率的扩频码序列的各种调制方式在发射端扩展信号的扩展频谱技术，然后在接收端用相同的扩频码序列去进行解码，把被扩展的扩频信号还原成原始的信息。,直接序列扩频系统工作模型,载波调制技术,调制的定义是把输入信

4、号变换为适合于通过信道传输的波形。调制是一个物理层的功能，是一个无线电收发器准备将数字信号转换成传输微波的一个过程，或者说是把数字信号映射到模拟形式的过程，以便使该信息能够在信道中传输。调制是通过一个可控制的方式改变振幅、频率和相位使载波增加数据的过程。每个数字通信系统都包含一个调制器来完成这个任务。与调制密切相关的是与之相反的过程解调，接收机通过解调来恢复传输的数字信息。,DSSS中编码类型主要有3种,分组二进制卷积（Packet Binary Convolutional Coding ，PBCC） 补码键控（Complementary Code Keying，CCK） 巴克码（Barker

5、 Code）序列,巴克码（Barker Code）序列,巴克码序列将信源与一定的伪随机码进行整合，每个巴克码序列表示一个数据比特（1或0），它将被转换成可以通过无线方式发送的波形符号。例如，在发射端将“1”用11001000110，将“0”用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，在接收机处只要把收到的序列是11001000110恢复成“1”，00110010110恢复成“0”，这就是所谓的解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高整机信噪比。在IEEE802.11的规定中，11码片巴克码序列应用于1MHz和2Mhz 的调制。,举例,PBC

6、C编码技术,分组二进制卷积码（PBCC）在IEEE802.11b中是一个可选方案，它使用一个64位的二进制卷积码(BCC)和一个掩码序列来进行二进制卷积编码，分组二进制卷积码(PBCC)与补码键控（CCK）是编码方式上不一样。分组二进制卷积码（PBCC）增加了3dB的增益，相当于发射功率提高了一倍。因此，在实际应用中，补码键控(CCK)只能达到11Mbps传输速率。而分组二进制卷积码（PBCC）可以达到22Mbps传输速率。这也就是我们常说的IEEE802.11b+的技术。,补码键控（CCK）,补码键控（CCK）是由64个8比特长的码字组成。作为一个整体，这些码字具有自己独特的数据特性，即使在

7、出现重要噪声和多经干扰（如接收由某个建筑物内的多个无线反射导致的干扰）的情况下，接收方也能够正确地予以区别。IEEE802.11b规定速率为5.5Mbps 时使用补码键控（CCK），对每个载波进行4比特编码。当速率为11Mbps时，对每个载波进行8比特编码。,复用技术OFDM技术,正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）技术。较传统的WLAN技术， OFDM具有更高的频谱利用率，以及良好的抗多径干扰能力。它不仅增加了系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求。,多进多出（MIMO）技术,多进多出（Multiple-I

8、nput Multiple-Output，MIMO）方式是指在发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线。 通过使用多台发射机或接收机来增加吞吐量和可靠性，将这种多经效应问题变成积极的因素。,MIMO + OFDM技术,采用多输入多输出（MIMO）系统是提高频谱效率的有效方法。 OFDM系统不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是适应下一代无线局域网发展要求的趋势。研究表明，在衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。,正交调幅QAM,无线局域网数据链路层技术,在OSI参考模型中，数据链路层位于第二层。通用的标准定

9、义将该层分为两个分离的子层： 介质访问控制子层（Media Access Control，MAC），简称为MAC子层。该层设置的准则只有在网络上的设备传送信息时才涉及到。 逻辑链路控制子层（Logical Link Control，LLC），简称为LLC子层。该层提供各设备之间初始（逻辑链路）的连接。,计算机网络的通信方式有很多种，总起来分为点到点通信和广播通信两大类。点到点通信是指网络中每两个连接设备间存在一条物理信道，某个设备发出的数据为信道另一端的设备独自接收。点到点通信网络没有信道竞争，也不存在信道的访问控制问题。广播通信指网络中所有设备共享一条信道，某一设备发出的数据其他设备都能收到

10、。在广播通信网络中，由于共享信道引起访问冲突，因此首先必须解决信道控制问题。,把单信道分配给多个竞争信道的用户使用，通常有两种分配方法： 1) 静态分配方法传统的分配方法，它将单个信道划分后分配给多个用户。 2）动态分配方法用动态的方法为每个用户站点分配信道使用权，在无线局域网中动态分配方法有争用和预约两种。,共享信道分配方法,争用和预约,争用方法属于随机访问技术，也就是所有的站点都可以争用介质。实现起来简单，对轻负载和中等负载的系统比较有效，适合于突发式通信。预约的方法指的是将传输介质上的时间分割成时间片，网上的用户站点如果需要发送数据，必须事先预约能够占用的时间片，这种技术适合大数据流的通

11、信。,MAC子层的功能,介质访问控制（MAC）作为局域网的关键技术之一，完全决定局域网的网络性能（诸如吞吐性能与迟延性能）等等。而无线局域网（WLAN）由于其传输介质以及移动性等特点，采用与有线局域网有所区别的MAC层协议。,MAC子层的功能 (2),IEEE802.11的MAC子层的功能是为用户提供可靠的数据传输，实现共享介质访问的公平控制。这里主要介绍MAC子层的两个主要功能：分布式协调功能（DCF）和点协调功能（PCF）。,分布式协调功能（DCF）,分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF），是在IEEE802.11协议标准中规定的访问控

12、制方法，也是无线局域网最基本的访问控制方法，分布式协调功能采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ，CMA/CA）。,CSMA/CA与CSMA/CD,CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，与以太网络所用的碰撞检测CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)变成了碰撞避免(Collision Avoidance)，这一字

13、之差是很大的。因为在无线传输中感测载波及碰撞侦测都是不可靠的，感测载波有困难。另外通常无线电波经天线送出去时，自己是无法监视到的，因此碰撞侦测实质上也做不到。,CSMA/CD的工作过程,CSMA/CD形象地概括为用“先听后说”或“边听边说”的方法来共享传输介质的。先听后说就是在发送帧前，各站都要先监听线路是否空闲，若没有空闲则等待，直到线路空闲时才开始发送。边听边说就是在该站开始发送以后，需要继续监听至少一个往返传输信号的时间，判断是否发生冲突，一旦发生冲突，就需要告知总线上各站并立即停止发送。所有的以太网，不论其速度或帧类型是什么，都使用CSMA/CD。,尽管CSMA/CD 在有线局域网中取

14、得了巨大的成功，然而它的冲突检测机制并不适合无线局域网的通信环境，无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。,CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。 即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。,CSMA/CA,冲突检测,CSMA/CA的工作过程,载波侦听与网络分配矢量,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

15、，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。,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DSSS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。,MAC虚拟侦听,虚拟侦听是MAC子层的功能。802.11标准使用网络分配向量（Networ

16、k 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。,持续时间,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NA

17、V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。,时隙与帧间隔,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。,帧间间隔,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

18、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。,SIFS,Short Interframe Space(SIFS):在802.11系列无线局域网中SIFS是固定值，SIFS是最小的帧间间隔，因此采用SIFS的节点具有访问无线链路的最高优先级。它等于节点从发送状态切换到接收状态并能正确解码所需要的时间，或者从接收状态转为发送状态所需要的时间，在SIFS过期后可能发送的数据包包括ACK、CTS帧，不同标准中规定的SIFS值不同。,DIFS,DCF Interframe Space(DIFS):在DCF协议中，节点在开

19、始发送数据之前需要监测信道是否空闲。如果信道已经空闲，则节点仍需等待DIFS段时间才开始发送数据；而如果在DIFS时间段内任一时刻信道被监测为忙，则节点不得不推迟它的数据发送。DIFS和SIFS间的计算关系如下： DIFS = SIFS + (2 * Slot time),PIFS,PCF Interframe Space(PIFS): PCF使得AP等待PIFS而不是DIFS时间以访问信道，由于DIFSPIFSSIFS, 因此AP总比普通节点具有更高的访问信道优先级。 PIFS=SIFS+Slot time,EIFS,Extended Interframe Space(EIFS):在前一帧出

20、错的情况下，发送节点不得不延迟EIFS而不是DIFS时间段后再发送下一帧。 EIFS = Transmission time of Ack frame at lowest basic rate + SIFS + DIFS,利用DCF进行基于竞争的访问,DCF的退避算法,媒介闲置时间DIFS（EIFS），立即进行传输 之前帧接收无误，媒介至少空出DIFS； 之前帧传输出现错误，至少空出EIFS。 媒介忙碌，等候至再度闲置DIFS（访问延迟），同时准备指数退避过程。 随机退避时间 Backoff Time=Random() SlotTime Random()取自0,CW)一个随机值,利用DCF进行

21、基于竞争的访问,指数退避过程,当终端检测到信道空闲时间DIFS或发生了碰撞时, 从0，CW随机取值作为退避计数器的初始值，此后每当站点检测到信道空闲时间DIFS，则退避计数器减1 若站点检测到信道忙或空闲时间DIFS，则冻结并记录下当前值，直到重新出现DIFS空闲期再恢复退避计数器 当减至零时，立即发送数据。 CW取决于碰撞的次数,帧的第一次传输,CW=CWmin,每次不成功传输都会使CW*2直到增至CWmax 当站点进行一次成功传输后立即将CW重设为CWmin,指数退避过程,例：B检测到信道空闲时间DIFS,退避计数器选择退避7个时隙并在每个时隙的开始时刻减1,在第5个时隙开始时刻，退避计数

22、器减1。但是由于传播时延的问题,A在B的第5个时隙的中间时段开始传输，导致终端B检测到信道忙，冻结退避计数器,直到终端A成功完成此次传输后,信道再次空闲DIFS，B恢复退避计数器并从第4个时隙开始递减。,RTS/CTS 机制,DCF 接入方式除了上面的基本访问方式以外，还定义了一种可选的访问机制RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send）。这一机制实际上就在终端发送数据帧之前首先对无线信道进行预约。 MAC层的ACK稳定系统一旦遭受其他噪声干扰或者侦听失败时信号冲突就有可能发生工作于MAC层的ACK 能提供快速的恢复能力,RTS/CTS应用,站A 可以和站B 正

23、常通信 站C 可以接收站A的RTS 帧收不到站B 的CTS 帧 站D 可以接收站B的CTS 帧收不到站A 的RTS 帧 站E 可以接收站A的RTS 帧和站B 的CTS 帧,基本接入过程,基本传输过程,PCF 可选的WLAN媒介访问方式,DCF 提供尽力而为(Best- Effort) 的服务, 无法满足实时业务对时延和抖动等指标的需求。 为了提供延迟受限的服务,802.11 标准在DCF 的基础上定义了Point Coordination Function ,PCF PCF 基本原理是利用点协调器(Point Coordinator) PC 对节点进行轮询, 集中控制介质的访问。 PCF 只能

24、应用于有基础设施的WLAN中, 由接入点AP (Access Point) 来担任点协调器,PCF 以超帧为周期来进行数据帧的发送, 每个超帧周期包括一个无竞争阶段(CFP: Contention- Free Period) 和一个竞争阶段(CP: Contention Period) , CFP 阶段传输实时业务, PCF 起作用; CP 阶段传输非实时业务, DCF 起作用,在每个 CFP 的标称时间开始时刻,PC 将侦听媒介。当PC检测出信道空闲时间达到PIFS后，PC 发送一个包含CF参数集信息的信标帧。发出初始化CFP的信标帧之后，PC至少等待一个SIFS，然后根据情况发送数据帧或轮

25、询帧。,轮询列表 接入点根据轮询列表（poll-list）分别询问关联的工作站。 工作站必须在得到轮询后才能传送数据。一个CF-Poll授权发送一个帧。 工作站与接入点关联后就被列在轮询列表中 Association Request 帧包含表明是否在无竞争周期内响应轮询的字段。,PCF的轮询调度算法 PC到Station Round-Robin Scheme (R-Poll)：地址从小到大轮询 Cyclic Shift Polling Scheme (CS-Poll)：循环移动列表顺序 First-In-First-Out Polling Scheme (FIFO)：缓存队列里数据帧的顺序,基本传输过程,BSS 中的STA从PC 接收到正确的帧后，此时如果站点存在数据要发送，STA 等待短帧帧间间隔SIFS 后将发送数据应答帧。 PC在每个CFP结束时发送CF-End帧或CF-End+ACK帧 从任何一个BSS 中接收到CF-End/ CF-End+ACK的STA复位其NAV，以便顺利进入CP内 信标帧与该CFP 与CF-End 之间使用SIFS发送帧 除非PC 处于希望得到某个STA 发送的ACK 帧，等待SIFS 时间后却没有得到任何响应的状态，这