第八講 無線網(wǎng)絡(luò)

第八講無線網(wǎng)絡(luò)

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院黃彧主要內(nèi)容基本內(nèi)容：無線局域網(wǎng)的組成、無線局域網(wǎng)物理層、無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN和無線城域網(wǎng)WMAN。重點掌握無線網(wǎng)絡(luò)基本組成CSMA/CA協(xié)議工作原理三種幀間間隔802.11爭用窗口和退避機制無線局域網(wǎng)

有基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)AP1AP2一個基本服務(wù)集BSS包括一個基站和若干個移動站，所有的站在本BSS以內(nèi)都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信時，都要通過本BSS的基站。AP1AP2基本服務(wù)集內(nèi)的基站叫做接入點AP(AccessPoint)其作用和網(wǎng)橋相似。AP1AP2當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員安裝AP時，必須為該AP分配一個不超過32字節(jié)的服務(wù)集標識符SSID

和一個信道。AP1AP2一個基本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過接入點AP連接到一個主干分配系統(tǒng)

DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一個基本服務(wù)集，構(gòu)成擴展的服務(wù)集ESS(ExtendedServiceSet)。AP1AP2ESS還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非802.11無線局域網(wǎng)（例如，到有線連接的因特網(wǎng)）的接入。門戶的作用就相當(dāng)于一個網(wǎng)橋。AP1AP2移動站A從某一個基本服務(wù)集漫游到另一個基本服務(wù)集（到A

的位置），仍可保持與另一個移動站B進行通信。移動自組網(wǎng)絡(luò)

又稱自組網(wǎng)絡(luò)(adhocnetwork)

自組網(wǎng)絡(luò)AEDCBF源結(jié)點目的結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點自組網(wǎng)絡(luò)是沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施（即沒有AP）的無線局域網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網(wǎng)絡(luò)。802.11局域網(wǎng)的物理層802.11無線局域網(wǎng)可再細分為不同的類型?，F(xiàn)在最流行的無線局域網(wǎng)是802.11b，而另外兩種（802.11a和802.11g）的產(chǎn)品也廣泛存在。

802.11的物理層有以下幾種實現(xiàn)方法：直接序列擴頻DSSS正交頻分復(fù)用OFDM跳頻擴頻FHSS（已很少用）紅外線IR（已很少用）

幾種常用的802.11無線局域網(wǎng)標準頻段數(shù)據(jù)速率物理層優(yōu)缺點802.11b2.4GHz最高為11Mb/sHR-DSSS最高數(shù)據(jù)率較低，價格最低，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙802.11a5GHz最高為54Mb/sOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時上網(wǎng)，價格最高，信號傳播距離較短，且易受阻礙802.11g2.4GHz最高為54Mb/sOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時上網(wǎng)，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙，價格比802.11b貴802.11局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議

CSMA/CA協(xié)議

無線局域網(wǎng)卻不能簡單地搬用CSMA/CD協(xié)議。CSMA/CD協(xié)議要求一個站點在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時，還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實現(xiàn)這種功能就花費過大。即使能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測的功能，并且當(dāng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。無線局域網(wǎng)的特殊問題當(dāng)A和C檢測不到無線信號時，都以為B是空閑的，因而都向B發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hiddenstationproblem)A的作用范圍C的作用范圍ABCD無線局域網(wǎng)的特殊問題B向A發(fā)送數(shù)據(jù)，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發(fā)送數(shù)據(jù)。其實B向A發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響C向D發(fā)送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposedstationproblem)ADCB？B的作用范圍C的作用范圍CSMA/CA協(xié)議無線局域網(wǎng)不能使用CSMA/CD，而只能使用改進的CSMA協(xié)議。改進的辦法是把CSMA增加一個碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。802.11就使用CSMA/CA協(xié)議。而在使用CSMA/CA的同時，還增加使用停止等待協(xié)議。802.11的MAC層MAC層無爭用服務(wù)（選用）爭用服務(wù)（必須實現(xiàn)）分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層MAC層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)集BSS中的移動站在什么時間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。MAC層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層DCF子層在每一個結(jié)點使用CSMA機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此DCF向上提供爭用服務(wù)。MAC層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層PCF子層使用集中控制的接入算法把發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)

輪流交給各個站從而避免了碰撞的產(chǎn)生幀間間隔IFS所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔

IFS(InterFrameSpace)。幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)。若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機會。三種幀間間隔時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發(fā)送第1幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一幀推遲接入等待重試時間有幀要發(fā)送源站時間目的站ACKSIFS

其他站有幀要發(fā)送SIFS，即短(Short)幀間間隔，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個站應(yīng)當(dāng)能夠在這段時間內(nèi)從發(fā)送方式切換到接收方式。使用SIFS的幀類型有：ACK幀、CTS幀、由過長的MAC幀分片后的數(shù)據(jù)幀，以及所有回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點AP發(fā)送出的任何幀。三種幀間間隔時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發(fā)送第1幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一幀推遲接入等待重試時間有幀要發(fā)送源站時間目的站ACKSIFS

其他站有幀要發(fā)送PIFS，即點協(xié)調(diào)功能幀間間隔，它比SIFS長，是為了在開始使用PCF方式時（在PCF方式下使用，沒有爭用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS的長度是SIFS加一個時隙(slot)長度。時隙的長度是這樣確定的：在一個基本服務(wù)集BSS內(nèi)當(dāng)某個站在一個時隙開始時接入到媒體時，那么在下一個時隙開始時，其他站就都能檢測出信道已轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。三種幀間間隔時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發(fā)送第1幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一幀推遲接入等待重試時間有幀要發(fā)送源站時間目的站ACKSIFS

其他站有幀要發(fā)送DIFS，即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔（最長的IFS），在DCF方式中用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS的長度比PIFS再增加一個時隙長度。虛擬載波監(jiān)聽虛擬載波監(jiān)聽(VirtualCarrierSense)的機制是讓源站將它要占用信道的時間（包括目的站發(fā)回確認幀所需的時間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。所謂“源站的通知”就是源站在其MAC幀首部中的第二個字段“持續(xù)時間”中填入了在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認幀所需的時間。“虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)分配向量當(dāng)一個站檢測到正在信道中傳送的MAC幀首部的“持續(xù)時間”字段時，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量

NAV(NetworkAllocationVector)。NAV指出了必須經(jīng)過多少時間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。爭用窗口信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時，任何一個站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不僅都必須等待一個DIFS的間隔，而且還要進入爭用窗口，并計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道。在信道從忙態(tài)轉(zhuǎn)為空閑時，各站就要執(zhí)行退避算法。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。802.11使用二進制指數(shù)退避算法。圖例凍結(jié)剩余的退避時間幀幀幀幀幀DIFSDIFSDIFSDIFS爭用窗口爭用窗口爭用窗口爭用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)802.11的退避機制二進制指數(shù)退避算法第i

次退避就在22+i

個時隙中隨機地選擇一個，即：第I次退避是在時隙{0,1,…,22+i

-1}中隨機地選擇一個。第1次退避是在8個時隙（而不是2個）中隨機選擇一個。第2次退避是在16個時隙（而不是4個）中隨機選擇一個。退避計時器

(backofftimer)站點每經(jīng)歷一個時隙的時間就檢測一次信道。這可能發(fā)生兩種情況。若檢測到信道空閑，退避計時器就繼續(xù)倒計時。若檢測到信道忙，就凍結(jié)退避計時器的剩余時間，重新等待信道變?yōu)榭臻e并再經(jīng)過時間DIFS后，從剩余時間開始繼續(xù)倒計時。如果退避計時器的時間減小到零時，就開始發(fā)送整個數(shù)據(jù)幀。

退避算法的使用情況僅在下面的情況下才不使用退避算法：檢測到信道是空閑的，并且這個數(shù)據(jù)幀是要發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)幀。除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。即：在發(fā)送第一個幀之前檢測到信道處于忙態(tài)。在每一次的重傳后。在每一次的成功發(fā)送后。

A的作用范圍B的作用范圍2.對信道進行預(yù)約802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預(yù)約ACBDERTSRTS源站A在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)送一個短的控制幀，叫做請求發(fā)送

RTS(RequestToSend)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應(yīng)的確認幀）所需的持續(xù)時間。A的作用范圍B的作用范圍2.對信道進行預(yù)約802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預(yù)約。CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站B就發(fā)送一個響應(yīng)控制幀，叫做允許發(fā)送

CTS(ClearToSend)，它包括這次通信所需的持續(xù)時間（從RTS幀中將此持續(xù)時間復(fù)制到CTS幀中）。A收到CTS幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。

RTS和CTS幀以及數(shù)據(jù)幀和ACK幀的傳輸時間關(guān)系時間DIFSRTSSIFS時間NAV（RTS）DIFS爭用窗口推遲接入源站時間目的站ACK

其他站CTSSIFSSIFS數(shù)據(jù)NAV（CTS）NAV（數(shù)據(jù)）802.11局域網(wǎng)的MAC幀802.11幀共有三種類型，即控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。下面是數(shù)據(jù)幀的主要字段。字節(jié)22666260~23124幀控制持續(xù)期地址1地址2地址3序號控制地址4幀主體FCS協(xié)議版本類型子類型到DS從DS更多分片重試功率管理更多數(shù)據(jù)WEP順序位22411111111MAC首部802.11數(shù)據(jù)幀的三大部分MAC首部，共30字節(jié)。幀的復(fù)雜性都在幀的首部。幀主體，也就是幀的數(shù)據(jù)部分，不超過2312字節(jié)。這個數(shù)值比以太網(wǎng)的最大長度長很多。不過802.11幀的長度通常都是小于1500字節(jié)。幀檢驗序列FCS

是尾部，共4字節(jié)關(guān)于802.11數(shù)據(jù)幀的地址802.11數(shù)據(jù)幀最特殊的地方就是有四個地址字段。地址4用于自組網(wǎng)絡(luò)。到DS從DS地址1地址2地址3地址401目的地址AP地址源地址——10AP地址源地址目的地址——A向B發(fā)送數(shù)據(jù)幀必須先發(fā)送到接入點AP1

到DS從DS地址1地址2地址3地址401BAP1A——10AP1AB——序號控制字段、持續(xù)期字段

和幀控制字段序號控制字段占16位，其中序號子字段占12位，分片子字段占4位。持續(xù)期字段占16位。幀控制字段共分為11個子字段。協(xié)議版本字段現(xiàn)在是0。類型字段和子類型字段用來區(qū)分幀的功能。更多分片字段置為1時表明這個幀屬于一個幀的多個分片之一。有線等效保密字段WEP占1位。若WEP=1，就表明采用了WEP加密算法。

分片的發(fā)送舉例ttt源站目的站

其他站RTSCTS分片

1ACK分片2ACK分片3ACKSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)長的幀劃分為許多分片無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

在個人工作地方把屬于個人使用的電子設(shè)備用無線技術(shù)連接起來自組網(wǎng)絡(luò)，不需要使用接入點AP。整個網(wǎng)絡(luò)的范圍大約在10m左右。無線個人區(qū)域網(wǎng)

WPAN和個人區(qū)域網(wǎng)

PAN(PersonalAreaNetwork)并不完全等同，因為PAN不一定都是使用無線連接的。WPAN和WLAN并不一樣。WPAN是以個人為中心來使用的無線人個區(qū)域網(wǎng)，它實際上就是一個低功率、小范圍、低速率和低價格的電纜替代技術(shù)。WPAN都工作在2.4GHz的ISM頻段（802.15）。但WLAN卻是同時為許多用戶服務(wù)的無線局域網(wǎng)，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。1.藍牙系統(tǒng)(Bluetooth)最早使用的WPAN是1994年愛立信公司推出的藍牙系統(tǒng)，其標準是IEEE802.15.1。藍牙的數(shù)據(jù)率為720kb/s，通信范圍在10米左右。藍牙使用TDM方式和擴頻跳頻FHSS技術(shù)組成不用基站的皮可網(wǎng)(piconet)。皮可網(wǎng)(piconet)Piconet

直譯就是“微微網(wǎng)”，表示這種無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積非常小。每一個皮可網(wǎng)有一個主設(shè)備(Master)和最多7個工作的從設(shè)備(Slave)。通過共享主設(shè)備或從設(shè)備，可以把多個皮可網(wǎng)鏈接起來，形成一個范圍更大的擴散網(wǎng)(scatternet)。這種主從工作方式的個人區(qū)域網(wǎng)實現(xiàn)起來價格就會比較便宜。藍牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴散網(wǎng)MMSSPSSSSSP皮可網(wǎng)2擴散網(wǎng)皮可網(wǎng)1M——主設(shè)備S——從設(shè)備P——擱置的設(shè)備低速WPAN低速WPAN主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動化與控制等領(lǐng)域，其速率是2~250kb/s。低速WPAN的標準是IEEE802.15.4。最近新修訂的標準是IEEE802.15.4-2006。低速WPAN中最重要的就是ZigBee。ZigBee技術(shù)主要用于各種電子設(shè)備（固定的、便攜的或移動的）之間的無線通信，其主要特點是通信距離短（10~80m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。ZigBee的特點功耗非常低。在工作時，信號的收發(fā)時間很短；而在非工作時，ZigBee結(jié)點處于休眠狀態(tài)，非常省電。對于某些工作時間和總時間之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。網(wǎng)絡(luò)容量大。一個ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個結(jié)點，其中一個是主設(shè)備，其余則是從設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個結(jié)點。ZigBee的標準在IEEE802.15.4標準基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。所有ZigBee產(chǎn)品也是802.15.4產(chǎn)品。IEEE802.15.4只是定義了ZigBee協(xié)議棧的最低的兩層（物理層和MAC層），而上面的兩層（網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層）則是由ZigBee聯(lián)盟定義的。ZigBee的協(xié)議棧物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層IEEE802.15.4定義ZigBee聯(lián)盟定義ZigBee協(xié)議棧ZigBee的組網(wǎng)方式FFDFFDFFDFFDFFDRFD端設(shè)備路由器FFDFFD協(xié)調(diào)器有一個全功能設(shè)備FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的端設(shè)備是精簡功能設(shè)備RFD結(jié)點。高速WPAN高速WPAN用于在便攜式多媒體裝置之間傳送數(shù)據(jù)，支持11~55Mb/s的數(shù)據(jù)率，標準是802.15.3，。IEEE802.15.3a工作組還提出了更高數(shù)據(jù)率的物理層標準的超高速WPAN，它使用超寬帶UWB技術(shù)。UWB技術(shù)工作在3.1~10.6GHz微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶信號的帶寬應(yīng)超過信號中心頻率的25%以上，或信號的絕對帶寬超過500MHz。超寬帶技術(shù)使用了瞬間高速脈沖，可支持100~400Mb/s的數(shù)據(jù)率，可用于小范圍內(nèi)高速傳送圖像或DVD質(zhì)量的多媒體視頻文件。無線城域網(wǎng)WMAN

(WirelessMetropolitanAreaNetwork)

2002年4月通過了