第08講 無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

第08講無線局域網(wǎng)的構(gòu)成及體系結(jié)構(gòu)

第一節(jié)無線局域網(wǎng)的業(yè)務(wù)區(qū)

一、概述基本業(yè)務(wù)區(qū)擴(kuò)展業(yè)務(wù)區(qū)BSA的構(gòu)成

BSA是構(gòu)成無線局域網(wǎng)的最小單元。BSA近似于蜂窩電話網(wǎng)中的小區(qū)，但它和小區(qū)有明顯的差異；蜂窩電話網(wǎng)中的小區(qū)采用集中控制方式組網(wǎng)，也就是說網(wǎng)中的站一定要經(jīng)過小區(qū)中的基站方可相互通信，但BSA的組網(wǎng)方式并不限于集中控制式。BSA的組網(wǎng)方式有這樣三種：無中心的分布對等方式;有中心的集中控制方式;上述兩種方式的混合方式。第一種：分布式對等方式，BSA中任意兩站可相互直接通信，無須設(shè)中心轉(zhuǎn)接站。通常使用CSMA/CA做為MAC協(xié)議。這種方式的特點是結(jié)構(gòu)簡單易維護(hù)。第二種：集中控制方式，BSA中設(shè)置一個中心控制站，主要完成MAC控制及信道分配等功能。網(wǎng)中的其它站在該中心站的協(xié)調(diào)下與其它站通信。由于對信道資源分配、MAC控制采用集中控制的方式，這樣使信道利用率大大提高，網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能優(yōu)于分布式對等方式。引入中心站也使得BSA結(jié)構(gòu)復(fù)雜；中心站需要進(jìn)行信道資源、站點管理等較復(fù)雜的處理。第三種：前兩種方式的組合，即分布式對等方式與集中控制方式的混合方式。在這種方式下，BSA中的任意兩站均可直接通信；而中心控制站完成部分無線信道資源的控制。

幾個BSA通過AP連接起來形成擴(kuò)展服務(wù)區(qū)(ESA:ExtendedServiceArea).ESA內(nèi)的工作站對于LLC層是透明的，可以從一個BSA移動至另一個BSA。ESA的構(gòu)成

基本業(yè)務(wù)集BSS：

由一個BSA區(qū)構(gòu)成的業(yè)務(wù)集合，叫BSS（BasicServiceSet）擴(kuò)展業(yè)務(wù)集ESS

：

由一個ESA區(qū)構(gòu)成的業(yè)務(wù)集合，叫ESS（ExtendedServiceSet）

二、IEEE802.11無線局域網(wǎng)的業(yè)務(wù)區(qū)IBSS：IndependentExtendedServiceSet，獨立基本業(yè)務(wù)集BSS：BasicServiceSet基本業(yè)務(wù)集ESS：ExtendedServiceSet擴(kuò)展業(yè)務(wù)集

獨立基本業(yè)務(wù)集(IBSS)

最基本的IEEE802.11無線局域網(wǎng)形式；

分布式對等（peertopeer）拓?fù)洌?/p>

至少包括兩個工作站STA，沒有AP轉(zhuǎn)接，工作站之間直接通信；各站點競爭公用信道；隨時需要隨時構(gòu)建，稱作自組織網(wǎng)絡(luò)（AdHoc）；

結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)迅速，使用方便，抗毀性強；

用于軍事、臨時組網(wǎng)；

適于小規(guī)模、小范圍系統(tǒng)?；緲I(yè)務(wù)集(BSS)

由多個工作站(STA,Station)組成的集合，是只包括一個AP的單區(qū)結(jié)構(gòu)；

集中式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型（Infrastructure）拓?fù)?；BSS內(nèi)的工作站相互通信通過AP轉(zhuǎn)接；BSS覆蓋范圍由AP決定；

同一個BSS的各個工作站具有相同的BSS標(biāo)識符(BSSID：BSSIdentifier)，在IEEE802.11中，BSSID是AP的MAC地址。AP方便管理各站同步、移動性、節(jié)能等；AP為接入骨干網(wǎng)提供一個邏輯接入點。BSS（基本服務(wù)集）Infrastructured網(wǎng)(基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng))有AP(AccessPoint,接入點)，無線站點通信首先要經(jīng)過APAdHoc網(wǎng)（無線自組網(wǎng)）IBSS(IndependentBSS，獨立基本服務(wù)集)，無AP，站點間直接通信IBSSBSS擴(kuò)展業(yè)務(wù)集(ESS)

由多個BSA通過分布式系統(tǒng)聯(lián)結(jié)形成一個擴(kuò)展區(qū)(ESA），屬于同一ESA的所有站組成ESS；

多AP模式的拓?fù)洌籈SS范圍數(shù)公里；

如果一個業(yè)務(wù)區(qū)由多個ESS組成，每個ESS分配一個ESS標(biāo)識符(ESSID：ESSIdentifier)；ESA中的所有AP共享同一個ESSID；

相同ESSID的無線網(wǎng)絡(luò)間可以進(jìn)行漫游；

所有不同的ESSID組成一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（NID），屬于一個邏輯網(wǎng)段，通常稱一個IP子網(wǎng)。ESS（擴(kuò)展服務(wù)集）屬Infrastructured網(wǎng)

(DS:分配系統(tǒng)，AP：接入點，SSID：ESS擴(kuò)展服務(wù)集標(biāo)識符。一個移動節(jié)點使用某ESS的SSID加入到該擴(kuò)展服務(wù)集中，一旦加入ESS，移動節(jié)點便可實現(xiàn)從該ESS的一個BSS到另一個BSS的漫游)BSA間的干擾：當(dāng)多個BSA相距較近時，BSA間干擾成為很大的問題。因為使用無線傳輸媒體，某一BSA的無線信號可能會輻射出其覆蓋范圍，這些泄漏至其它BSA的信號就成為其它BSA的干擾。

為了解決BSA間干擾，相鄰的BSA使用不同的無線信道。通常使用頻分多址或碼分多址的方法實現(xiàn)信道切換。例如,利用ISM頻段中ch1、ch6、ch11三個無重疊頻道.ch6ch11ch12.4GHzISM頻段信道劃分

移動管理包括以下幾個方面：登錄管理、認(rèn)證管理、移動管理。散步：當(dāng)一個站從一個BSA移動至另一個BSA，(切換AP)，稱為“散步”或“越區(qū)切換”；這是一種鏈路層的移動。漫游：當(dāng)一個站從一個ESA移動至另一個ESA，稱為“漫游”；這是一種網(wǎng)絡(luò)層或IP層的移動。散步和漫游無線漫游的實現(xiàn)

將多個AP的信號覆蓋范圍相互重疊一小部分.對各個AP進(jìn)行設(shè)置:

1.登錄AP的參數(shù)設(shè)置界面，在其中找到SSID設(shè)置選項，將所有AP的SSID名稱設(shè)置成相同，這樣才能確保漫游用戶在同一網(wǎng)絡(luò)中漫游；2.修改每一個AP的IP地址，讓所有AP的IP地址屬于同一網(wǎng)段之中；3.修改信號互相覆蓋的AP的頻道。為了防止相鄰AP之間的信號相互產(chǎn)生干擾，信號互相覆蓋的AP必須使用不同的頻道，目前一個AP可以使用的頻道總共有13個，其中1、6、11這三個頻道是完全無重疊的，因此可將相鄰的AP設(shè)置成使用這些頻道，來確保無線漫游成功。

工作站(STA，Station)分布式系統(tǒng)(DS，DistributionSystem)無線媒質(zhì)(WM，WirelessMedium）接入點(AP：AccessPoint)

關(guān)口(Portal)

第二節(jié)無線局域網(wǎng)的基本組成

連接在WLAN中的終端設(shè)備稱為站（STA），也稱移動主機(jī)（MH，MobileHost）這些站可以是臺式計算機(jī)、便攜計算機(jī)（掌上計算機(jī)、手持式計算機(jī)、筆式計算機(jī)等），也可以是其它智能設(shè)備，例如個人數(shù)字助理(PDA)、手持式掃描儀和數(shù)據(jù)采集儀、手持式打印機(jī)等。組成：

終端用戶設(shè)備無線網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)軟件

1、站（STA）站的分類：從站的移動性來分類，分三類：固定站、半移動站、移動站。固定站：指固定使用的臺式計算機(jī)，有線局域網(wǎng)中的站均為固定站；半移動站：指經(jīng)常改變使用場所的站，但在移動狀態(tài)下并不要求保持與網(wǎng)絡(luò)的通信；移動站：在移動中也可保持與網(wǎng)絡(luò)的通信，這種站是傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)中所沒有的。

目前無線局域網(wǎng)中移動站的典型移動速度限定在步行速度(2m/s以內(nèi))及中低速(10m/s以內(nèi))之間。

分布式系統(tǒng)(DS，DistributionSystem)是用于連接不同BSS的通信信道；將屬于同一ESA的所有站連接起來，組成一個擴(kuò)展業(yè)務(wù)集（ESS）.分布式系統(tǒng)使用的媒介(DSM，DistributionSystemMedium)與BSS使用的媒介(WM，WirelessMedium）邏輯上分開，盡管它們物理上可能會是同一個媒介，例如同一個無線頻段。

2、分布式系統(tǒng)(DS）

關(guān)口(Portal)是無線局域網(wǎng)的一個邏輯節(jié)點，用于802.11無線局域網(wǎng)和非802.11局域網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。在實際中可以將Portal和AP的功能集成到一個設(shè)備中。4、關(guān)口(Portal)

3、接入點(AP）接入點(AP：AccessPoint)是特殊的工作站，類似蜂窩中的基站，位于BSA的中心，固定不動；AP提供分布式系統(tǒng)服務(wù)(DSS：DistributionSystemService)，使同一BSA內(nèi)不同站之間通信聯(lián)絡(luò)。作為無線網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)之間的橋接點。WLAN、LAN、Internet連接Portal：門橋(作用相當(dāng)于網(wǎng)橋)DS：分配系統(tǒng)(可以是以太網(wǎng)、點對點鏈路或其它無線網(wǎng))從物理拓?fù)浞诸悾簡螀^(qū)網(wǎng)（SCN）、多區(qū)網(wǎng)（MCN）從邏輯上分類：對等式（AdHoc）、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)式(Infrastructure)；

線形、星形、環(huán)形；從控制方式分類：無中心分布式、有中心集中控制式從與外網(wǎng)連接分類：獨立、非獨立IEEE802.11無線局域網(wǎng)拓?fù)溆兄行目刂剖骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第三節(jié)IEEE802.11協(xié)議棧 有線網(wǎng)絡(luò)802.11MAC 802.11PHYLLC

Application TCP IP802.3MAC 802.3PHYLLCApplication TCP IP802.11MAC 802.11PHY802.3MAC 802.3PHYLLC固定終端移動節(jié)點802.11標(biāo)準(zhǔn)中的PHY層WLAN傳輸方式有紅外線和無線電射頻兩種紅外優(yōu)點：不受無線電干擾；視距傳輸，檢測和竊聽困難，保密性好。缺點：對非透明物體的透過性極差，傳輸距離受限；易受日光、熒光燈等干擾；半雙工通信。無線電射頻系統(tǒng)：擴(kuò)頻(SpreadSpectrum)技術(shù)進(jìn)行調(diào)制。擴(kuò)頻技術(shù)的頻率范圍開放在ISM頻段，此頻段不需申請：802.11b/g互不重疊信道的選擇16112.412G2.4GHz2.4172.4222.4272.4322.4372.4422.4472.4522.4572.4622.4672.4722.4835GHz234125789101322MHz同一空間多信道的使用增加了帶寬Blue=11Mb/s(channel1)Green=11Mb/s(channel6)Red=11Mb/s(channel11)TotalBandwidth=33Mb/s!!擴(kuò)頻技術(shù)引入擴(kuò)頻通信主要特性：抗干擾保密性強擴(kuò)展頻譜在軍事上的運用

由于保密，擴(kuò)展頻譜技術(shù)在其發(fā)明者去世7年之后、在發(fā)明者構(gòu)想出現(xiàn)30年之后的1978年才發(fā)表。擴(kuò)展頻譜對于軍隊的重要性能夠承受戰(zhàn)時戰(zhàn)場上嚴(yán)重的干擾；避免敏感通信中途被截獲提供非常好的保密性；不僅具有技術(shù)保密性，還具有操作保密性即使敵人擁有技術(shù)/設(shè)備，并且準(zhǔn)確了解所用頻帶仍然不能對傳輸信號干擾或者譯碼；擴(kuò)頻系統(tǒng)的一般描述兩種擴(kuò)頻方法

作為反干擾策略提出的跳頻擴(kuò)展頻譜； 為實現(xiàn)保密話音通信提出的直接序列（噪聲調(diào)制擴(kuò)頻）

信道編碼器信道

信道解碼器偽噪聲發(fā)生器偽噪聲發(fā)生器輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)

調(diào)制器擴(kuò)展碼解調(diào)器

擴(kuò)展碼窄帶模擬信號窄帶模擬信號擴(kuò)展后的信號跳頻序列擴(kuò)頻（FHSS）FSSS特點

信號在一串隨機(jī)序列的頻

率上廣播 接收者以與發(fā)送者同步的 方式跳轉(zhuǎn)頻率 竊聽者聽到的難以理解好處

干擾僅影響某個頻率上的有限幾比特； 沒有傳統(tǒng)意義上的阻塞；

相當(dāng)寬的頻帶被劃分成大量的窄頻道FrequencyHoppingSpreadSpectrumFHSS——實例FHSS與傳統(tǒng)的FSK調(diào)制方法類似；FSK通常只使用兩個頻率，F(xiàn)HSS將使用數(shù)千個頻率。DSSS——噪聲調(diào)制將類噪聲型信號加入到擬傳輸?shù)男盘栔?話音信號已知特征的噪聲型看起來更像噪聲的調(diào)制信號—淹沒的原始話音信號已知噪聲噪聲調(diào)制信號發(fā)送端接收端輸入信息信號可以比淹沒它的噪聲低幾千倍仍然能成功地傳輸。直接序列擴(kuò)展頻譜（DSSS）基本原理

將兩個數(shù)字信號加到一起得到第三個實際傳輸比特流； 第一個信號是信息信號； 第二個信號是由隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)比特流； 第三個比特流的速率與第二個信號相同；

10Kbps信息源

100Mbps

隨機(jī)偽 噪聲

100Mbps

混合 信號DirectSequenceSpreadSpectrumDSSS——實例IEEE802.11FHSS物理層...1Mhz79

123

83.5Mhz調(diào)頻序列分為三組 每組包括26個跳頻序列

2.5hops/secMPDUPreambleHeader1Mbps1,2MbpsGFSKmodulationMPDUPreambleHeader1Mbps1,2Mbps

GFSKde-modulationIEEE802.11DSSS物理層基帶信號采用Barkerword擴(kuò)頻，擴(kuò)頻信號約占用22Mhz帶寬DSSS能有效防止窄帶干擾MPDUPreambleHeader1Mbps1,2Mbps

DPSKmodulation Transmitter basebandsignalMPDUPreambleHeader1Mbps1,2Mbps

DPSK de-modulationReceivedsignalafter despreadingSpreadthesignalusingBarkerword(11bits) +1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1 Transmittedsignalafterspreading距離越遠(yuǎn)、信號越弱、速率越低11Mbps5.5Mbps2Mbps1Mbps距離802.11MAC

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)。802.11MAC使用DCF或

PCF

分布協(xié)調(diào)功能DCF----爭用服務(wù)（必選項）

(DistributedCoordinationFunction)DCF對每一個結(jié)點使用CSMA

機(jī)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)。點協(xié)調(diào)功能PCF----無爭用服務(wù)（可選項）

(PointCoordinationFunction)

PCF使用AP

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沖突的產(chǎn)生。BinaryBackoff有線網(wǎng)絡(luò)使用的二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BinaryBackoff）如下：

第i次退避時，在2i個時隙中隨機(jī)選擇一個。[例] 第1次退避在1-2個時隙中隨機(jī)選擇一個；第2次退避在1-4個時隙中隨機(jī)選擇一個。。。。。。。

802.11標(biāo)準(zhǔn)中的MAC層

無線局域網(wǎng)不能簡單地搬用以太網(wǎng)的CSMA/CD協(xié)議原因：CSMA/CD在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實現(xiàn)這種全雙工功能花費過大；

檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。隱藏終端暴露終端802.11MAC:CSMA802.11CSMA發(fā)送站：如監(jiān)聽到信道空閑,經(jīng)某種IFS

時間后則發(fā)送整個幀（發(fā)送時不用沖突檢測）如果監(jiān)聽到信道忙，則堅持監(jiān)聽到不忙時，經(jīng)DIFS時間后進(jìn)入競爭期，進(jìn)行二進(jìn)制指數(shù)退避（第i次退避時，在2i+2個時隙中隨機(jī)選擇一個），退避后重新嘗試發(fā)送如果發(fā)后未收到ACK(超時)，則重發(fā)幀802.11CSMA接收站：如果接收正確，則在SIFS時間后應(yīng)答一個ACK幀

其它站點：聽到信道上在發(fā)送數(shù)據(jù)，則推遲訪問信道NAV(NetworkAllocationVector)時間802.11MACQ&AQ：無線站點監(jiān)聽時如何判定信道“忙”？A：802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在物理層的空中接口進(jìn)行載波監(jiān)聽，通過收到的相對信號強度是否超過一定的門限數(shù)值來判定是否有其他的無線站點在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。Q：為何無線站點監(jiān)聽到信道空閑還要再等待？A：因為此時可能有多個站點都在監(jiān)聽，而其他的站點可能有更高優(yōu)先級的幀要發(fā)送，如其有，就要讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。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。這段時間的通稱為幀間間隔IFS(InterFrameSpace)

幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送幀的類型。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(jī)會。短幀間間隔SIFS

SIFS，即短(Short)幀間間隔，長度為10s（802.11g時為例），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幀間間隔的場合：(1)應(yīng)答ACK幀(2)應(yīng)答CTS幀(3)過長的MAC幀分片后的數(shù)據(jù)幀(4)應(yīng)答AP探詢幀(5)PCF方式中接入點AP發(fā)送出的任何幀。PCF幀間間隔

PIFS 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長度:SIFS加一個時隙(slot)長度（其長度為20s），即30s。DCF幀間間隔DIFS、延長幀間間隔EIFSDIFS，即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔，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50sEIFS，即延長幀間間隔（最長的IFS），站點在進(jìn)行幀重發(fā)時所必須等待的時間。EIFS的長度至少等于DIFS再增加一個時隙長度，因此EIFS的長度為70s時間長短：SIFS<PIFS<DIFS<EIFS802.11MACQ&AQ：為什么802.11的二進(jìn)制算法使用2i+2個時隙？A：第1次退避在1-8個時隙中隨機(jī)選擇一個（而不是象以太網(wǎng)那樣第1次沖突后在2個時隙中選）；第2次退避在1-16個時隙中隨機(jī)選擇一個（而不是象以太網(wǎng)那樣第2次沖突后在4個時隙中選）；目的是能夠獲得更多的選擇機(jī)會，和較長的等待時間，減少沖突的幾率。802.11MAC：CSMA虛擬載波監(jiān)聽

虛擬載波監(jiān)聽(VirtualCarrierSense)：源站將它還要占用信道的時間（包括目的站發(fā)回確認(rèn)幀所需時間）在其MAC幀首部字段“持續(xù)時間”中填入指示給所有其他站，其他所有站會在這段時間都停止發(fā)送數(shù)據(jù),這樣大大減少了沖突的機(jī)會?！疤摂M”是指其他站并沒有真正監(jiān)聽信道，而是檢測到源站發(fā)送幀中的“持續(xù)時間”才不發(fā)送數(shù)據(jù)，這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。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)。隱終端(Hiddenterminal)效應(yīng)

如只使用CSMA，偵聽到信道“閑”可能結(jié)果不正確，由于：

(a)隱蔽站問題----在發(fā)送方偵聽不到:A,C不能互相聽到，中間有障礙物、信號衰減，A、C于是都發(fā)給B，B處此時會產(chǎn)生沖突。(b)信號強度衰減問題----C在發(fā)送，由于信號傳輸衰減，傳到A處時，A聽不到，A以為聽到信道閑，也發(fā)，接收站B處此時產(chǎn)生沖突。LocationSignalstrengthABC

隱終端是指在接收者的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者通信范圍外的終端。ABCD暴露終端(Exposedterminal)效應(yīng)當(dāng)節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點C也希望向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)CSMA協(xié)議，節(jié)點C偵聽信道，它將聽到節(jié)點B正在發(fā)送數(shù)據(jù)，于是錯誤地認(rèn)為它此時不能向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)，但實際上它的發(fā)送不會影響節(jié)點A的數(shù)據(jù)接收，這就導(dǎo)致節(jié)點C所謂暴露終端問題的出現(xiàn)。暴露終端是指在發(fā)送者的通信范圍之內(nèi)而在接收者通信范圍之外的終端。ABCD改進(jìn)CSMA

目的:為了盡可能避免沖突，要進(jìn)一步改進(jìn)CSMA改進(jìn):CSMA