工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)(無線局域網(wǎng))

無線網(wǎng)絡(luò)概念無線網(wǎng)絡(luò)是利用無線電射頻（RadioFrequency－RF）或紅外線（Infrared－IR）等無線傳輸媒體與技術(shù)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WirelessLocalAreaNetwork－WLAN）是利用無線媒體構(gòu)成的局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。按照國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前的無線局域網(wǎng)產(chǎn)品的單小區(qū)（CELL）覆蓋直徑在幾十米到二、三百米（特殊情況下加功率放大和外接天線可增大覆蓋范圍）。

無線網(wǎng)絡(luò)概況1無線網(wǎng)絡(luò)概況一、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1、藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（BlueTooth）技術(shù)是目前一項十分先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它以低成本、短距離的無線連接為基礎(chǔ)，取代電纜把一定范圍內(nèi)的通訊設(shè)備連接起來，實現(xiàn)不同設(shè)備之間的快速通信。具有藍(lán)牙功能的產(chǎn)品有手機、PDA、手表、家用電器、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等，這些產(chǎn)品可以非常容易的組成一個小范圍的臨時專用無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的速率可以達(dá)到721Kb/s。

22、紅外線通訊技術(shù)

紅外線（IR）通訊技術(shù)：以紅外線為傳輸介質(zhì)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。不受無線電干擾，而且紅外線不受無線管理委員會的限制。但是紅外線的穿透性很差，因此只適合于沒有障礙物的環(huán)境。目前主要應(yīng)用于家庭中，比如說大多數(shù)家庭遙控器就采用紅外線通訊。無線網(wǎng)絡(luò)概況33、無線局域網(wǎng)技術(shù)

無線局域網(wǎng)（WLAN）是以無線電波作為傳輸介質(zhì)，使用射頻技術(shù)實現(xiàn)與設(shè)備位置無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。有線網(wǎng)絡(luò)因為傳輸速度高、產(chǎn)品眾多、技術(shù)發(fā)展快，成為市場上主要采用的連網(wǎng)方式，但隨著網(wǎng)絡(luò)在各行各業(yè)中應(yīng)用越來越廣，有線網(wǎng)絡(luò)的弊端也日益顯露出來；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，產(chǎn)品的增加和成本的下降，無線局域網(wǎng)成為目前發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一，相應(yīng)的技術(shù)層出不窮，應(yīng)用日益廣泛。4二、無線網(wǎng)絡(luò)的特點1、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

無線局域網(wǎng)的傳輸方式與其所采用的傳輸媒體、所選擇的載頻波段及所使用的調(diào)制方式有關(guān)。目前有兩種無線傳輸媒體：●

無線電波傳媒●

紅外線傳媒在無線電波傳媒下的調(diào)制方式有兩種：●

窄帶調(diào)制方式●

擴展頻譜方式5無線電波傳媒下的調(diào)制方式1●

窄帶調(diào)制方式基帶信號射頻調(diào)制發(fā)射利用無線電波作為傳輸媒體，窄帶調(diào)制把欲發(fā)送數(shù)據(jù)的基帶數(shù)字序列經(jīng)過射頻調(diào)制器，將其頻譜搬移到一個便于無線發(fā)射的很高的載頻上。所謂窄帶，是指經(jīng)過調(diào)制后的信號（已調(diào)波）的占有頻帶的寬度相對很高的載頻來說是很窄的。窄帶調(diào)制的無線局域網(wǎng)一般選用專用微波波段，須先提出申請，經(jīng)過國家無線電管理部門的許可才能使用。窄帶調(diào)制設(shè)備一般發(fā)射信號功率（或能量）較大，會對其他系統(tǒng)中的同頻接收設(shè)備形成干擾。6無線電波傳媒下的調(diào)制方式2●

擴展頻譜方式基帶信號射頻調(diào)制發(fā)射擴展頻譜擴展頻譜方式也是利用無線電波作為傳輸媒體的一種傳輸信號形成方式。它是在將基帶數(shù)字序列信號進(jìn)行射頻調(diào)制之前，先進(jìn)行頻譜的擴展。

擴展頻譜過程一般將原基帶數(shù)字序列信號的頻譜擴展幾倍到幾十倍，經(jīng)過射頻調(diào)制后的發(fā)射信號的頻帶寬度也比窄帶調(diào)制要寬得多。

擴展頻譜方式可以用比窄帶調(diào)制方式低得多的信號功率來發(fā)送，可在比信號還要強的噪聲環(huán)境下保證信息的正確接收。擴展頻譜方式不怕同頻干擾，因此可以在同一頻段上靠選擇不同的擴頻偽隨機碼來進(jìn)行多路復(fù)用，這種多路復(fù)用稱作碼分多址（CDMA）。擴展頻譜方式使用無須申請許可的ISM（工業(yè)，科研，醫(yī)療設(shè)備）波段。ISM波段：902M—928M2.4G——2.484G5.725G——5.850G72、無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)以無線介質(zhì)為傳輸媒體，提供的是一種廣播信道。目前無線聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用上有多種形式，就無線局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（是一種邏輯拓?fù)洌┒?，典型的有“無中心分布對等拓?fù)洹焙汀坝兄行募锌刂仆負(fù)洹眱煞N。

8無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)●

無中心分布對等拓?fù)鋀LAN移動站

圖1無中心分布對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Ad－h(huán)oc應(yīng)用模式）

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是建網(wǎng)容易、費用較低，且抗毀性能好（一個站的故障，不影響其它站的通信）；它的缺點是采用競爭信道的機制，在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量重時會導(dǎo)致系統(tǒng)性能（吞吐量、延遲等）急劇下降。因此，網(wǎng)內(nèi)站點的數(shù)量不宜太多。9無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)●

有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)WLAN中心站(AP)有線骨干網(wǎng)圖2有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Hub－based應(yīng)用模式)中心站的主要作用：一是對所有網(wǎng)內(nèi)用戶的通信要求進(jìn)行控制，減小業(yè)務(wù)量過大時由于信道競爭帶來的系統(tǒng)性能的惡化；二是為移動用戶訪問外部網(wǎng)絡(luò)（其它有線局域網(wǎng)或公共網(wǎng)）提供接口。此外中心站還可對移動站的信號進(jìn)行中繼，擴大移動站間的通信距離。有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點是抗毀性能較差，盡管只是中心站的故障也會導(dǎo)致全網(wǎng)通信癱瘓。101.無線局域網(wǎng)的組成有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSSAB漫游接入點AP接入點AP分配系統(tǒng)DSPortal802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)Portal11有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSSAB接入點AP接入點AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)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。

PortalPortal12有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSSAB接入點AP接入點AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)基本服務(wù)集中的基站叫做接入點AP(AccessPoint)其作用和網(wǎng)橋相似。PortalPortal13擴展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點AP接入點AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)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)。PortalPortal14擴展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點AP接入點AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)ESS還可通過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。Portal的作用就相當(dāng)于網(wǎng)橋。

PortalPortal15擴展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點AP接入點AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)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，而仍然可保持與另一個移動站B進(jìn)行通信。PortalPortal16無固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)

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)沒有上述基本服務(wù)集中的接入點AP而是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)。17移動自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景

在軍事領(lǐng)域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時建立的移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機群。當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時，在搶險救災(zāi)時利用移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時的通信往往很有效的182.802.11標(biāo)準(zhǔn)中的物理層1997年IEEE制訂出無線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，802.11。在1999年又制訂了剩下的兩部分，802.11a和802.11b。802.11的物理層有以下三種實現(xiàn)方法：跳頻擴頻FHSS直接序列擴頻DSSS紅外線

IR

19802.11標(biāo)準(zhǔn)中的物理層（續(xù)）802.11a的物理層工作在5GHz頻帶，采用正交頻分復(fù)用OFDM，它也叫做多載波調(diào)制技術(shù)（載波數(shù)可多達(dá)52個）?？梢允褂玫臄?shù)據(jù)率為6,9,12,18,24,36,48和56Mb/s。802.11b的物理層使用工作在2.4GHz

的直接序列擴頻技術(shù)，數(shù)據(jù)率為5.5或11Mb/s。

203.802.11標(biāo)準(zhǔn)中的MAC層

1.CSMA/CA協(xié)議

無線局域網(wǎng)卻不能簡單地搬用CSMA/CD協(xié)議，主要有兩個原因：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。即使我們能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測的功能，并且當(dāng)我們在發(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。

21A的作用范圍無線局域網(wǎng)的特殊問題C的作用范圍ABCD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。這種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)22B的作用范圍無線局域網(wǎng)的特殊問題C的作用范圍ADCB？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)23CSMA/CA協(xié)議

無線局域網(wǎng)不能使用CSMA/CD，而只能使用改進(jìn)的CSMA協(xié)議。改進(jìn)的辦法是將CSMA增加一個碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。802.11使用CSMA/CA協(xié)議，而在使用CSMA/CA的同時還增加使用確認(rèn)機制。24802.11的MAC層

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2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11MAC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)。25802.11的MAC層在物理層之上

包括兩個子層

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2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.1126DCF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2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.1127PCF

子層使用集中控制的接入算法,將發(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

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2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.1128幀間間隔IFS

—控制PCF與DCF同時運行機制所有的站在完成發(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)，但低優(yōu)先級幀就必須等待較長的時間。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。29三種幀間間隔時間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，長度為28s，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。30三種幀間間隔時間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（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（其長度為50s），即78s。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)。31三種幀間間隔時間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，因此DIFS的長度為128s。32網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV

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)。

33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(jìn)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（以太網(wǎng)是發(fā)生碰撞后執(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(jìn)制指數(shù)退避算法。

34二進(jìn)制指數(shù)退避算法

（與以太網(wǎng)不同點）

第i

次退避就在22+i

個時隙中隨機地選擇一個。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。

35使用退避算法

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。

36CSMA/CA協(xié)議的原理

欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測信道。在802.11標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在物理層的空中接口進(jìn)行物理層的載波監(jiān)聽。通過收到的相對信號強度是否超過一定的門限數(shù)值就可判定是否有其他的移動站在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)源站發(fā)送它的第一個MAC幀時，若檢測到信道空閑，則在等待一段時間DIFS后就可發(fā)送。

37為什么信道空閑還要再等待

這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。如有，就要讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。38假定沒有高優(yōu)先級幀要發(fā)送

源站發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)幀。目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時間間隔SIFS后，向源站發(fā)送確認(rèn)幀ACK。若源站在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀ACK（由重傳計時器控制這段時間），就必須重傳此幀，直到收到確認(rèn)為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。

39分布式訪問控制方式(DCF)及原理載波監(jiān)聽機制分布式訪問控制方式（DCF）是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物理層兼容的無線局域網(wǎng)中的工作站和訪問點（AP）之間共享無線媒體的主要訪問控制協(xié)議。和IEEE802.3總線式以太網(wǎng)的CSMA/CDMAC協(xié)議類似，DCF使用具有碰撞避免功能的載波偵聽多址接入（CSMA/CA）協(xié)議。

載波偵聽機制可以讓MAC層偵聽傳輸媒體是處于“忙碌”還是“空閑”狀態(tài)。物理（PHY）層提供信道的物理偵聽信道。PHY控制機制提供的物理信道偵聽評估結(jié)果發(fā)送到MAC層，作為確定信道狀態(tài)的一個因素。

40載波監(jiān)聽機制NAV＝0？監(jiān)測信道媒體信道忙？發(fā)送幀碰撞？隨機退避時間有待發(fā)送MAC幀結(jié)束返回Yes

Yes

Yes

No

No

No

IEEE802.11分布式訪問控制方式（DCF）幀發(fā)送流程圖

NAV工作起來就像一個計數(shù)器，開始值是最后一次發(fā)送的幀的持續(xù)時間Duration字段值，然后倒計時到0。當(dāng)NAV的值到達(dá)0，且PHY控制機制表明有空閑信道（偵聽信道上沒有載波）時，這個工作站就可以發(fā)送它的MAC幀了。如果未發(fā)送前又一次監(jiān)聽到其他站發(fā)出幀的Duration值大于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV值，就用這一信息更新該工作站的NAV。

當(dāng)工作站的物理或邏輯的信道媒體檢測機制確定媒體處于忙碌狀態(tài)時，CSMA/CA協(xié)議利用隨機退避時間控制，可以避免各工作站間共享媒體時可能造成的碰撞。MAC監(jiān)測機制利用下式計算隨機退避時間：BackoffTime=Random()×aSlotTimeRandom()是一個平均分布在[0,CW]段上的偽隨機整數(shù)，CW（競爭窗口）。隨機退避時間受到碰撞的影響，隨著一個MAC幀連續(xù)遭到碰撞的次數(shù)增加，選擇退避時間的偽隨機整數(shù)Random()的分布范圍[0,CW]，即CW的取值也要增加。41分布式訪問控制方式(DCF)及原理訪問優(yōu)先機制IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)以不同長度幀間時間間隔形式定義了站對媒體進(jìn)行訪問多種優(yōu)先級。每種幀間間隔都定義了從上一發(fā)送幀的結(jié)束到下一個發(fā)送幀的開始所要求的最小空閑時間。

Short優(yōu)先級幀間隔PCF優(yōu)先級幀間隔DCF優(yōu)先級幀間隔傳輸幀圖5.16三種訪問優(yōu)先級的不同幀間時間間隔（IFS）

●Short優(yōu)先級幀間隔（SIFS）：是最短的幀間隔，為一些幀提供最高的媒體訪問優(yōu)先級別。這些幀包括：1.ACK（應(yīng)答）幀；2.CTS（清除發(fā)送）幀；3.分段的第二個或猝發(fā)的媒體服務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU）。●PCF優(yōu)先級幀間隔（PIFS）：是工作在中心網(wǎng)絡(luò)控制方式（PCF）下站獲得媒體訪問權(quán)要求的空閑幀間時間間隔。其優(yōu)先級別高于DCF方式。此類站一旦檢測到信道空閑，可迅速進(jìn)入無競爭的通信，比基于DCF方式的站有更高的幀發(fā)送優(yōu)先級?！馜CF優(yōu)先級幀間隔（DIFS）：是工作在分布式控制方式（DCF）下的站以競爭方式（CSMA/CA）獲得媒體訪問權(quán)要求的空閑幀間時間間隔。其優(yōu)先級別低于PCF方式。主要是競爭類站發(fā)送數(shù)據(jù)信息幀或管理信息幀是采用。42A的作用范圍B的作用范圍2.對信道進(jìn)行預(yù)約802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進(jìn)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(rèn)幀）所需的持續(xù)時間。43A的作用范圍B的作用范圍2.對信道進(jìn)行預(yù)約802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進(jìn)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。

44RTS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)）45802.11標(biāo)準(zhǔn)的虛擬載波監(jiān)聽機制

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(rèn)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)。大大減少了碰撞的機會?！疤摂M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)。46虛擬載波監(jiān)聽的效果

這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。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(rèn)幀所需的時間。47MAC幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中把無線局域網(wǎng)的MAC幀分為三種類型：

●管理信息幀

●控制信息幀

●數(shù)據(jù)信息幀

MAC管理信息幀負(fù)責(zé)在工作站和AP之間建立初始的通信，提供連接加入和認(rèn)證服務(wù)。

當(dāng)工作站和AP之間建立連接和認(rèn)證之后，控制信息幀為數(shù)據(jù)信息幀的發(fā)送提供輔助功能（請求或確認(rèn)等）。數(shù)據(jù)信息幀的功能是向目的工作站傳送數(shù)據(jù)信息（如MSDU媒體服務(wù)數(shù)據(jù)單元），轉(zhuǎn)交給邏輯鏈路控制（LLC）子層。48MAC幀主體框架結(jié)構(gòu)IEEE802.11定義了MAC幀格式的主體框架結(jié)構(gòu)，無線局域網(wǎng)中發(fā)送的各種類型的MAC幀都采用這種幀結(jié)構(gòu)。站一旦形成正確的幀之后，MAC層將幀傳給物理層匯聚處理子層（PLCP）。

FrameDurationAddrAddrAddrSequenceAddrFrameFCSControl∕ID123Control4Body字節(jié)：22666260-23124

MAC幀由最長30字節(jié)的幀適配頭、長度可變（0～2312字節(jié)）的幀體信息和4字節(jié)的幀校驗序列（FCS）組成。

圖5.1IEEE802.11MAC幀一般框架結(jié)構(gòu)

49FrameDurationAddrAddrAddrSequenceAddrFrameFCSControl∕ID123Control4Body字節(jié)：22666260-23124

一.MAC幀的主要字段

Duration/ID（持續(xù)時間/標(biāo)志）：該幀和他的確認(rèn)幀占用信道時間，其他站通過該域來實現(xiàn)NAV。FrameControl（幀控制）：這個字段載有在各工作站之間發(fā)送的控制信息。它又可劃分為若干子字段，子字段結(jié)構(gòu)說明如下頁：

Addr1，2，3，4（地址1，2，3，4）：包含不同類型的地址，地址的類型取決于發(fā)送幀的類型。這些地址類型可以包含基本服務(wù)組標(biāo)識（BSS-ID）、源地址、目標(biāo)地址、發(fā)送站（AP）地址和接收站（AP）地址。各段地址長度均為48位，且有單獨地址、組播地址和廣播地址之分。SequenceControl（序列控制）：12位標(biāo)識該幀，4位標(biāo)識該片。站在數(shù)據(jù)接收時，可通過監(jiān)視序列號和分段號來判斷是否為重復(fù)幀。FrameBody（幀體）：這個字段的有效長度可變，所載的信息取決于發(fā)送幀的類型。如果發(fā)送幀是數(shù)據(jù)幀，那么該字段會包含一個LLC數(shù)據(jù)單元。MAC管理和控制幀會在幀體中包含一些特定的參數(shù)。如果幀不需要承載信息，那么幀體字段的長度為0。接收站可以從物理層適配頭的一個字段判斷幀的長度。FCS（幀校驗序列）：發(fā)送工作站的MAC層利用循環(huán)冗余碼校驗法CRC對幀前邊諸字段內(nèi)容運算，計算一個32位的FCS，并將結(jié)果存入這個字段。MAC層利用下面的覆蓋MAC頭所有字段和幀體的生成多項式來計算FCS：G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1結(jié)果的高階系數(shù)放在字段中，形成最左邊的位。接收端也利用相同的CRC校驗，檢查接收幀中是否有數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生的差錯。50二.MAC幀的幀控制字段MAC幀中的幀控制字段（2字節(jié)）劃分為11個子字段，主要用來定義一個MAC幀的類型，是管理信息幀、控制還是數(shù)據(jù)信息幀。

ProtocolVersionType

Sub-typeToDSFromDSMoreFragRetryPwr.Mgmt.MoreDataWEPOrder

2bit2bit4bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit

圖5.2MAC幀中的幀控制（FrameControl）字段的子字段結(jié)構(gòu)劃分

ProtocolVersion（協(xié)議版本）：用兩比特（bit1，bit0）表示MAC協(xié)議版本。對于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議版本為0。因此，除非未來的新協(xié)議版本與過去的協(xié)議版本不兼容，協(xié)議版本字段將一直保持為0。Type（幀類型）：用兩比特（bit3，bit2）表示幀的類型。這個字段表明當(dāng)前的幀是管理幀、控制幀還是數(shù)據(jù)幀。表示方法如表5.1所示。bit3，bit20，00，11，01，1幀類型管理幀控制幀數(shù)據(jù)幀保留表5.1MAC幀的類型

Subtype(幀子類型)：用四比特（bit7，bit6，bit5，bit4）表示幀的類型的進(jìn)一步從功能上的劃分。這個字段說明幀的具體功能，如表5.2所示。ToDS（到分布式系統(tǒng)）：只有一個位，發(fā)往分布式系統(tǒng)的幀，該字段置1，其它的幀則置0。例如某幀若是發(fā)往另一個AP的無線電小區(qū)里的時候，要對該字段設(shè)置為1。FromDS（來自分布式系統(tǒng)）：也是只有一位，發(fā)自分布式系統(tǒng)的幀的該字段置1，其他的幀置0。當(dāng)某幀從一個AP發(fā)送到另一個AP時，ToDS和FromDS字段都要置1。MoreFrag（更多分片）：只有一位的字段，如果同一個MSDU還有其他分段存放在后繼的幀中，該字段置1。Retry（重發(fā)）：只有一個位。對于重發(fā)幀，該字段置1；其它幀置0。PowerManagement（電源管理）：基站使用。該字段指明發(fā)送工作站在完成目前的幀交換序列之后的電源管理模式。如果工作站進(jìn)入睡眠模式，MAC層將該字段置1；置0則表示工作站處于激活模式。MoreData（更多數(shù)據(jù)幀）：如果某工作站還有MSDU要發(fā)往處于節(jié)能模式的工作站，那么發(fā)送工作站將該字段置1；其他種類的發(fā)送則置0。WEP（加密）：本字段置1表示向接收工作站聲明，幀體（FrameBody）已經(jīng)被WEP算法加工過了（數(shù)據(jù)已經(jīng)用密鑰加密）；其他情況本字段置0。Order（排序）：所有采用嚴(yán)格順序服務(wù)級別的數(shù)據(jù)幀，該字段置1。表明這些須按順序處理。51幀類型子字段（Bit7,6,5,4）幀功能管理類型幀（bit3，bit2）＝00

0000連接請求0001連接響應(yīng)0010連接請求0011連接響應(yīng)0100探詢請求0101探詢響應(yīng)0110-0111保留1000信標(biāo)1001業(yè)務(wù)聲明指示信息（TAIM）1010分離1011認(rèn)證1100不認(rèn)證1101-1111保留控制類型幀（bit3，bit2）＝010001-1001保留1010節(jié)能（PS）輪詢1011發(fā)送請求（RTS）1100清除發(fā)送（CTS）1101響應(yīng)（ACK）1110無競爭（CF）終點1111CFEnd+CFACK數(shù)據(jù)類型幀（bit3，bit2）＝10

0000數(shù)據(jù)0001Data+CFACK0010Data+CFPoll0011Data+CFACK+Poll0100空（無數(shù)據(jù)）0101CFACK0110CFPoll0111CFACK+CFPoll1000-1111保留保留類型（bit3，bit2）＝110000-111表：MAC幀類型的進(jìn)一步功能劃分表示

52MAC管理信息幀結(jié)構(gòu)MAC管理信息幀負(fù)責(zé)在工作站和AP之間建立初始的通信，提供連接加入和認(rèn)證服務(wù)。FrameControlDuration

DA

SA

BSS-ID

SequenceControlFrameBodyFCS

字節(jié)：2266620-23124

圖5.3管理信息幀格式

在無競爭期（中心網(wǎng)絡(luò)控制方式規(guī)定的），管理信息幀的Duration字段被設(shè)置為8000H），從而管理信息幀在其它站獲得媒體訪問權(quán)之前，有足夠的時間建立通信連接。

在競爭期，管理信息幀的Duration字段設(shè)置如下：●目標(biāo)地址是組播或廣播地址時，Duration字段置0。●

MoreFragment位設(shè)置為0，且目標(biāo)地址是單個獨立地址時，Duration字段的值是發(fā)送一個響應(yīng)（ACK）幀和一個短幀間隔（SIFS）所需的時間（微秒）數(shù)?！馦oreFragment位設(shè)置為1，且目標(biāo)地址是單個獨立地址時，Duration字段的值是發(fā)送下一個分段、兩個ACK幀和三個短幀間隔所需的時間微秒數(shù)。下面介紹管理信息幀的功能劃分子類型及其幀體元素：

53MAC控制信息幀結(jié)構(gòu)當(dāng)工作站和AP之間建立連接和認(rèn)證之后，控制信息幀為數(shù)據(jù)信息幀的發(fā)送提供輔助功能。圖5.5示意了常見的一次成功數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中的控制信息幀流。

發(fā)送工作站接收工作站

請求發(fā)送（RTS）發(fā)送確認(rèn)（CTS）數(shù)據(jù)（DATA）應(yīng)答（ACK）一次成功數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中的控制幀流

54MAC控制信息幀結(jié)構(gòu)不同功能子類型控制信息幀的結(jié)構(gòu)：

●請求發(fā)送（RTS）：工作站向某接收工作站發(fā)送RTS幀，以協(xié)商數(shù)據(jù)幀的發(fā)送?？梢詫⒐ぷ髡炯尤隦TS幀序列，將幀設(shè)置成一般、從不或者僅僅比一個特定的長度長。

FrameControlDurationRATAFCS字節(jié)：22664圖5.6RTS控制幀格式

Duration字段的值以微秒為單位，是工作站間發(fā)送一個RTS幀、一個CTS幀、一個DATA幀和一個ACK幀和三個短的幀間間隔所需的時間。

字段RA和TA分別是接收地址和發(fā)送地址，各6字節(jié)。55MAC控制信息幀結(jié)構(gòu)不同功能子類型控制信息幀的結(jié)構(gòu)：

●清除發(fā)送（CTS）：收到RTS后，接收工作站向發(fā)送工作站返回一個CTS幀，以確認(rèn)發(fā)送工作站享有發(fā)送數(shù)據(jù)幀的權(quán)力。圖5.7CTS控制幀格式

Duration字段的值以微秒為單位，等于RTSDuration字段的值減去發(fā)送CTS幀和SIFS間隔的時間。CTS