短距離無線通信系統(tǒng)及仿真課件 第2章 Wi-Fi無線通信技術 第十三講

WLANMAC層原理與技術MAC層具有以下三個主要功能：

(1)無線介質訪問。

(2)網(wǎng)絡連接。

(3)提供數(shù)據(jù)認證和加密。MAC層的功能無線介質訪問在IEEE?802.11標準中定義了兩種無線介質訪問控制的方法，它們是：分布協(xié)調功能(DistributedCoordinationFunction，DCF)點協(xié)調功能(PointCoordinationFunction，PCF)圖3.15無線介質訪問控制方法DCF是IEEE?802.11最基本的媒體訪問方法，其核心是CSMA/CA。它包括載波檢測(CS)機制、幀間間隔(IFS)和隨機退避(RandomBack-off)規(guī)程。每一個節(jié)點使用CSMA機制的分布接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權。DCF在所有的STA上都進行實現(xiàn)，用于無中心和有中心的網(wǎng)絡結構中。DCF有兩種工作方式：一種是基本工作方式，即CSMA/CA方式；另一種是RTS/CTS機制。PCF是可選的(Optional)媒體訪問方法，用于有中心的網(wǎng)絡結構中。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入點AP實現(xiàn)集中控制)，用類似于輪詢的方法將發(fā)送數(shù)據(jù)權輪流交給各個站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對于時間敏感的業(yè)務，如分組語音，就應該使用提供無爭用服務的點協(xié)調功能PCF。圖3.16兩次CA握手機制①基本的CSMA操作采用兩次握手機制，又稱ACK機制，是一種最簡單的握手機制。當接收方正確地接收幀后，就會立即發(fā)送確認幀(ACK)，發(fā)送方收到該確認幀，就知道該幀已成功發(fā)送，如圖3.16所示。由圖可見，如果媒體空閑時間大于或等于DIFS(DCF的幀間隔)，就傳輸數(shù)據(jù)，否則延時傳輸。網(wǎng)絡分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)NAV可以看做一個以某個固定速率遞減的計數(shù)器，當值為0時，載波監(jiān)測認為信道空閑；不為0時，認為信道忙。NAV中存放的是介質信道使用情況的預測信息，這些預測信息是根據(jù)MAC幀中Duration(持續(xù)時間字段)聲明的傳輸時間來確定的。

MAC層監(jiān)聽所有MAC幀的持續(xù)時間字段，如果監(jiān)聽到的值大于當前的網(wǎng)絡分配矢量(NAV)值，就用這一信息更新該工作站的NAV。如果信道繁忙，CSMA/CA協(xié)議將執(zhí)行退避算法，然后重新檢測信道，這樣可以避免各工作站間共享介質時可能造成的碰撞。為什么要用退避算法？介質繁忙狀態(tài)剛剛結束的時間窗口是碰撞可能發(fā)生的最高峰期，尤其是在利用率較高的環(huán)境中。因為此時許多工作站都在等待介質空閑，所以介質一旦空閑，大家就試圖在同一時刻進行數(shù)據(jù)發(fā)送。CSMA/CA協(xié)議在介質空閑后，利用隨機退避時間控制各工作站發(fā)送幀的進行，從而使各工作站之間的碰撞達到最小。當包第一次企圖發(fā)送時，BEB選擇一個隨機時隙(CW=CWmin)進行等概率傳輸，CWmin是最小競爭窗口。每當節(jié)點傳送數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突時，競爭窗口的大小都會成為原來的兩倍，直到它的上限CWmax。即CW=min[2*CW，CWmax]。新的競爭窗口是用來表示傳輸企圖的，在一次成功傳輸之后，或當一個包企圖傳輸?shù)拇螖?shù)到達極限m(對于基本訪問機制m=7，對于RTS/CTS?m=4)時，這個節(jié)點就將它的競爭窗口重設成它的最小競爭窗口。BEB二進制指數(shù)退避算法具體過程如下：檢測到媒體空閑時，退避計時器遞減計時。檢測到媒體忙時，退避計時器停止計時，直到檢測到媒體空閑時間大于DIFS后重新遞減計時。退避計時器減少到0時，媒體仍為空，則該終端就占用媒體。退避時間值最小的終端在競爭中獲勝，取得對媒體的訪問權；失敗的終端會保持在退避狀態(tài)，直到下一個DIFS。保持在退避狀態(tài)下的終端，比第一次進入的新終端具有更短的退避時間，易于接入媒體。A、B兩個站點共享信道。A站點檢測到信道空閑時間大于DIFS時發(fā)送數(shù)據(jù)報，B站點此時立刻停止退避時間計數(shù)，直到又檢測到信道空閑時間大于DIFS時，繼續(xù)開始計數(shù)。當B站點的退避時間計數(shù)器為0時，則B站點開始發(fā)送數(shù)據(jù)報。退避算法舉例：當一個站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，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)幀是它想發(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。②RTS/CTS機制采用四次(Four-way)握手機制。如圖3.18所示，四次握手機制包括RTS—CTS—DATA—ACK四個過程，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先發(fā)送一個RTS幀來預約信道，接收者發(fā)回一個CTS幀，之后開始進行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和ACK確認。RTS/CTS機制說明如果發(fā)送者沒有接收到返回的ACK，則會認為之前的傳輸沒有成功，會重新傳輸；如果只是返回的ACK丟失了，之前的RTS—CTS傳輸非常成功，則重新發(fā)送的RTS到達接收者后，接收者只會重新發(fā)送ACK而不是CTS，且退避時間量并不會增加；如果發(fā)送了RTS后，在接收超時之前都沒有接收到CTS或ACK，那么退避時間量就會增加；當接收到ACK后，退避時間量就會減少。使用RTS和CTS幀會使整個網(wǎng)絡的效率有所下降。但這兩種控制幀都很短，其長度分別為20字節(jié)和14字節(jié)，與數(shù)據(jù)幀(最長可達2346字節(jié))相比開銷不算大。相反，若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費的時間就更多。PCF是可選的(Optional)媒體訪問方法，用于Infrastructure網(wǎng)絡結構中。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入點AP實現(xiàn)集中控制)，用類似于輪詢的方法將發(fā)送數(shù)據(jù)權輪流交給各個站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對于時間敏感的業(yè)務，如分組語音，就應該使用提供無爭用服務的點協(xié)調功能PCF。PCF功能由在BSS內AP中的點協(xié)調器執(zhí)行。點協(xié)調器負責維護輪詢表和確定輪詢表順序的方法留待實現(xiàn)者決定。網(wǎng)絡連接當工作站接通電源之后，首先通過被動或主動掃描方式檢測有無現(xiàn)成的工作站和訪問節(jié)點可供加入。加入一個BSS或ESS之后，工作站從訪問節(jié)點接收SSID、時間同步函數(shù)(TimerSynchronizationFunction，TSF)、計時器的值和物理(PHY)安裝參數(shù)。概念解釋：SSIDSSID稱為服務集合標識符，也稱為網(wǎng)絡名稱。一種獨一無二的標識符，作為無線設備連接到WLAN時的密碼。這個名稱有助于網(wǎng)絡的區(qū)分，是最基本的安全方法，用在Client和Ap做關聯(lián)之用。認證和加密IEEE?802.11標準提供以下兩種認證服務，以此來增強網(wǎng)絡的安全性：(1)開放系統(tǒng)認證(OpenSystemAuthentication)。(2)共享密鑰認證(SharedKeyAuthentication)。與開放系統(tǒng)認證相比，共享密鑰認證提供了更高的安全檢查級別。采用共享密鑰認證的工作站必須執(zhí)行WEP。(3)加