《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用(第2版)微課視頻版》 課件 第6章 Wi-Fi通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用第6章Wi-Fi通信技術(shù)

6.1Wi-Fi技術(shù)簡介6.2WLAN的物理層6.3WLAN的媒體訪問控制層6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用第6章Wi-Fi通信技術(shù)6.1Wi-Fi技術(shù)簡介Wi-Fi技術(shù)是一種可以將個(gè)人計(jì)算機(jī)、手持設(shè)備(如PDA、手機(jī))等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。Wi-Fi是一個(gè)無線網(wǎng)路通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-FiAlliance)所持有，目的是改善基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性?，F(xiàn)在，Wi-Fi技術(shù)已涵蓋IEEE802.11的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介6.1.1Wi-Fi技術(shù)的基本概念Wi-Fi是無線保真(WirelessFidelity)的縮寫，在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)稱為“無線相容性認(rèn)證”Wi-Fi既是一種商業(yè)認(rèn)證，又是一種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。如果無線路由器連接了一條ADSL或者其他上網(wǎng)接口，則又被稱為“熱點(diǎn)”。

6.1Wi-Fi技術(shù)簡介與傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，Wi-Fi具有以下突出的優(yōu)勢(shì)：

無線電波覆蓋范圍廣

傳輸速度非?？?/p>

設(shè)備提供商進(jìn)入該領(lǐng)域的門檻比較低

6.1Wi-Fi技術(shù)簡介與有線網(wǎng)絡(luò)相比，Wi-Fi有以下一些優(yōu)點(diǎn)：無須布線健康安全組建方法簡單工作距離長，安全性高6.1Wi-Fi技術(shù)簡介6.1.2無線局域網(wǎng)簡介1.WLAN的概念WLAN是利用射頻(RadioFrequency，RF)無線信道或紅外信道取代有線傳輸介質(zhì)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。目前，WLAN的數(shù)據(jù)傳輸速度已與有線網(wǎng)相近，既可滿足各類便攜設(shè)備的入網(wǎng)要求，也可作為傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充手段。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介WLAN使用的無線電波和微波頻率由各個(gè)國家的無線電管理部門規(guī)定。按照頻段劃分，主流國家的電波法規(guī)一般可以分為兩種：專用頻段和自由使用頻段。

專用頻段是指需要經(jīng)過批準(zhǔn)(例如發(fā)執(zhí)照或許可證)，并需要交納相關(guān)費(fèi)用的獨(dú)自使用頻段，也稱為需要執(zhí)照頻段；

自由使用頻段則是指工業(yè)、科研和醫(yī)療所使用的ISM(Industrial、Scientific、Medical)頻段或其他不需執(zhí)照的頻段。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介無線局域網(wǎng)多用于以下場(chǎng)合：無線接入網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)、收發(fā)電子郵件、文件傳輸?shù)取ｋy以布線的環(huán)境，如大樓內(nèi)部布線以及樓宇之間的通信。頻繁變化的環(huán)境，如醫(yī)院、餐飲店、零售店等。專門工程或高峰時(shí)間所需臨時(shí)局域網(wǎng)，如會(huì)議中心、展覽館、休閑娛樂中心等。流動(dòng)工作者需隨時(shí)獲得信息的區(qū)城。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介與有線網(wǎng)絡(luò)相比，WLAN具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：由于WLAN不需要布線，因此可以自由地放置終端，有效合理地利用辦公室的空間。WLAN可作為有線網(wǎng)絡(luò)的無線延伸，也可用于多個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)之間的無線互聯(lián)。便于便攜設(shè)備的接入。人們可以用便攜設(shè)備自由訪問WLAN，傳送有關(guān)數(shù)據(jù)。不受場(chǎng)地限制，迅速建立局域網(wǎng)。例如在大型展示會(huì)、災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)等情況下需要短時(shí)間內(nèi)建立一些臨時(shí)局域網(wǎng)。通過支持移動(dòng)IP，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介

2.WLAN的覆蓋范圍WLAN是一種能在幾十米到幾千米范圍內(nèi)支持較高數(shù)據(jù)速率的無線網(wǎng)絡(luò)，可以采用微蜂窩、微微蜂窩結(jié)構(gòu)，也可以采用非蜂窩結(jié)構(gòu)。目前無線局域網(wǎng)領(lǐng)域的兩個(gè)典型標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)和HiperLAN系列標(biāo)準(zhǔn)。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介

3.WLAN與Wi-FiWi-Fi是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有，目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。由此，支持Wi-Fi技術(shù)的產(chǎn)品，其協(xié)議上屬于WLAN的一個(gè)子集，即IEEE802.11協(xié)議簇。WLAN無線設(shè)備提供了一個(gè)世界范圍內(nèi)可以使用的、費(fèi)用低且數(shù)據(jù)帶寬高的無線空中接口。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介

6.1.3WLAN架構(gòu)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)遵循ISO/OSI參考模型的原則來確定最低兩層——物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，以及與網(wǎng)絡(luò)層的接口服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等有關(guān)的高層功能。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介IEEE802參考模型與OSI7層模型對(duì)比6.1Wi-Fi技術(shù)簡介無線局城網(wǎng)參考模型只用到OSI7層參考模型的最低兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個(gè)子層，即媒體訪問控制層(MediaAccessControl，MAC)和邏輯鏈路控制層(LogicalLinkControl，LLC)。物理介質(zhì)、媒體訪問控制方法等對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的影響在MAC子層完全隱蔽起來。數(shù)據(jù)鏈路層與媒體訪問無關(guān)的部分都集中在LLC層。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介MAC層主要完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，具體功能如下：從LLC層接收要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并決定是否把數(shù)據(jù)遞交給物理層。將發(fā)送數(shù)據(jù)附加控制信息后生成幀，并把數(shù)據(jù)幀遞交給物理層。從物理層接收數(shù)據(jù)幀。檢查接收到的數(shù)據(jù)幀的控制信息，判斷數(shù)據(jù)是否正確。去掉數(shù)據(jù)幀中的控制信息，并把數(shù)據(jù)遞交至LLC層。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介LLC層的主要任務(wù)是在兩通信實(shí)體之間建立的一條點(diǎn)到點(diǎn)邏輯鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的傳輸與控制(差錯(cuò)控制與流量控制)。網(wǎng)絡(luò)層與LLC層之間有多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)(ServiceAccessPoint，SAP)，每個(gè)SAP相當(dāng)于一個(gè)邏輯信道口，這些SAP復(fù)用MAC層并與另一個(gè)層中對(duì)應(yīng)的SAP構(gòu)成一條點(diǎn)到點(diǎn)的邏輯鏈路。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介此外，LLC層還要為其上層提供兩項(xiàng)附加服務(wù)：數(shù)據(jù)報(bào)(Datagram)服務(wù)和虛電路(VirtualCircuit)服務(wù)。數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)是一種無鏈接服務(wù)，在發(fā)送時(shí)不需要預(yù)先建立專用邏輯鏈路，適合交互式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。虛電路服務(wù)是一種面向連接的服務(wù)，在數(shù)據(jù)傳輸之前，必須要建立一條邏輯鏈路，適合語音等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介6.1.4Wi-Fi的主要協(xié)議6.1Wi-Fi技術(shù)簡介1.802.11a802.11a標(biāo)準(zhǔn)工作在5GHz的U-NII頻段，物理層速率最高可達(dá)54Mbps，傳輸層速率最高可達(dá)25Mbps。802.11a可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，以及TDD/TDMA的空中接口。802.11a支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)，一個(gè)扇區(qū)可接入多個(gè)用戶，每個(gè)用戶可使用多個(gè)用戶終端。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介2.802.11bIEEE802.11b載波的頻率為2.4GHz，傳送速度為11Mbit/s。IEEE802.11b是所有無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中最著名，也是普及程度最廣的標(biāo)準(zhǔn)。它有時(shí)也被錯(cuò)誤地標(biāo)為Wi-Fi，實(shí)際上Wi-Fi是無線局域網(wǎng)聯(lián)盟(WLANA)的一個(gè)商標(biāo)，該商標(biāo)僅保障使用該商標(biāo)的商品互相之間可以合作，與標(biāo)準(zhǔn)本身實(shí)際上沒有關(guān)系。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介3.802.11g2003年7月，IEEE通過了第三種調(diào)變標(biāo)準(zhǔn)。其載波的頻率為2.4GHz(跟802.11b相同)，原始傳送速度為54Mbit/s，凈傳輸速度約為24.7Mbit/s(與802.11a相同)。802.11g的設(shè)備與802.11b兼容。802.11g是為了更高的傳輸速率而制定的標(biāo)準(zhǔn)，它采用2.4GHz頻段，使用CCK技術(shù)與802.11b后向兼容，同時(shí)它又通過采用OFDM技術(shù)支持高達(dá)54Mbit/s的數(shù)據(jù)流，所提供的帶寬是802.11a的1.5倍。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介4.802.11n802.11n是在802.11g和802.11a之上發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，最大的特點(diǎn)是速率提升，理論速率最高可達(dá)600Mbps(目前業(yè)界主流為300Mbps)。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz兩個(gè)頻段，其目的是為了實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)，使無線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能。6.1Wi-Fi技術(shù)簡介5.802.11acIEEE802.11ac是一個(gè)802.11無線局域網(wǎng)(WLAN)通信標(biāo)準(zhǔn)，它通過5GHz頻段進(jìn)行通信。理論上，它能夠提供最多1Gbps帶寬進(jìn)行多站式無線局域網(wǎng)通信，或是最少500Mbps的單一連接傳輸帶寬。802.11ac是802.11n的繼承者，它采用并擴(kuò)展了源自802.11n的空中接口概念，包括更寬的RF帶寬(提升至160MHz)、更多的MIMO空間流(SpatialStreams)(數(shù)量增加到8)、多用戶的MIMO，以及更高階的調(diào)制(Modulation)(十六進(jìn)制，256QAM)。

6.2WLAN的物理層WLAN的物理層分為物理層會(huì)聚子層(PhysicalLayerConvergenceProcedure，PLCP)與物理介質(zhì)依賴子層(PhysicalMediumDependent，PMD)兩個(gè)子層。PLCP子層將來自媒體訪問控制層(MAC)的數(shù)據(jù)作為PLCP的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)，加上PLCP的前導(dǎo)碼(包括同步信號(hào)或幀起始信號(hào))和PLCP幀頭組成PLCP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)，傳送給PMD子層。PMD子層將PLCP的數(shù)據(jù)調(diào)制到24GHz頻段的無線電波或850nm的紅外線，經(jīng)天線發(fā)射出去。6.2WLAN的物理層6.2.1物理層傳輸概述與一般的無線通信系統(tǒng)一樣，WLAN的物理層主要解決數(shù)據(jù)傳輸問題。6.2WLAN的物理層WLAN物理層傳輸過程6.2WLAN的物理層6.2.2直序列擴(kuò)頻技術(shù)

直接序列擴(kuò)頻(DirectSeqcuenceSpreadSpectrdm，DSSS)技術(shù)是一種數(shù)字調(diào)制方法，通過利用高速率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。DSSS是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)建議的無線局域網(wǎng)的物理層實(shí)現(xiàn)方式之一。該協(xié)議包括物理層匯聚(PLCP)子層和物理媒體依賴(PMD)子層兩個(gè)組成部分。6.2WLAN的物理層DSSS的PLCP子層幀格式6.2WLAN的物理層【例6-1】對(duì)于碼串10010，如何使用DSSS進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)？

【解】在利用DSSS進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的過程中，首先需要進(jìn)行偽隨機(jī)碼的同步，例如規(guī)定用11000100110表示“1”，而用00110010110表示“0”。在發(fā)射過程中，發(fā)射端用11000100110編碼“1”，用00110010110編碼“0”，形成偽碼1100010011000110010110001100101101100010011000110010110，然后在原來帶寬11倍的帶寬上將偽碼發(fā)送出去；在接收端收到信號(hào)后，使用收到的偽隨機(jī)碼對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，得到原始信號(hào)10010。6.2WLAN的物理層6.2.3跳頻擴(kuò)頻技術(shù)跳頻擴(kuò)頻(FrequencyHoppingSpreadSpectrum，F(xiàn)HSS)同樣是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)建議的一種無線局域網(wǎng)的物理層實(shí)現(xiàn)方式。相較于DSSS及IR物理層實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)HSS物理層具有成本較低、功耗較低和抗信號(hào)干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但其通信距離一般小于DSSS。該協(xié)議包括PLCP子層和PMD子層兩個(gè)組成部分。6.2WLAN的物理層FHSS的PLCP子層幀格式6.2WLAN的物理層【例6-2】基于FHSS的信號(hào)發(fā)送與接收過程。

【解】如圖6-7所示是FHSS信號(hào)發(fā)射器和接收器的原理示意圖。在發(fā)射過程中，經(jīng)過調(diào)制器的信號(hào)會(huì)經(jīng)過混頻器。跳頻指令發(fā)生器根據(jù)事先定義的跳頻星座或規(guī)則生成本次的跳頻規(guī)則，頻率合成器根據(jù)本次的跳頻規(guī)則生成跳頻相位，然后由混頻器將調(diào)制器的信號(hào)與頻率合成器的信號(hào)進(jìn)行疊加，將生成的跳頻后的結(jié)果發(fā)給濾波器，最后由天線發(fā)送出去。在接收過程中，天線收到的信號(hào)進(jìn)入混頻器，接收端又根據(jù)事先定義的跳頻序列生成本次的跳頻規(guī)則，頻率合成器根據(jù)本次的跳頻規(guī)則生成跳頻相位，然后由混頻器將收到信號(hào)的相位還原，生成可以識(shí)別的信號(hào)，經(jīng)由濾波器和解調(diào)器，得到最終的輸出信號(hào)。6.2WLAN的物理層FHSS信號(hào)發(fā)射器和接收器原理6.2WLAN的物理層6.2.4正交頻分復(fù)用技術(shù)正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)擴(kuò)頻技術(shù)是IEEE802.11a采用的一種擴(kuò)頻技術(shù)。IEEE802.11a是對(duì)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的物理層擴(kuò)充，與FHSS和DSSS兩種技術(shù)差異較大。IEEE802.11a工作在5GHz頻段，物理層速率可達(dá)54Mb/s，傳輸層達(dá)25Mb/s，可提供25Mb/s的無線ATM接口和10Mb/s的無線以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。6.2WLAN的物理層OFDM是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸，從而使每個(gè)子載波上的符號(hào)速率大幅度降低，符號(hào)持續(xù)時(shí)間加長，因而對(duì)時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減小了符號(hào)間干擾的影響。通常OFDM符號(hào)前加入保護(hù)間隔，只要保護(hù)間隔大于信道的時(shí)延擴(kuò)展即可以完全消除符號(hào)間干擾。6.2WLAN的物理層OFDM相對(duì)于一般多載波傳輸?shù)牟煌幨撬试S子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交即可以從混迭的子載波上分離出數(shù)據(jù)信息。由于OFDM允許子載波頻譜重疊，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調(diào)制方式。6.2WLAN的物理層OFDM對(duì)干擾也有很好的抵抗力，因?yàn)檎瓗Ц蓴_只影響OFDM子載波很少的一部分，對(duì)頻率選擇性衰落信道，通過在子載波上使用糾錯(cuò)控制編碼容易獲得頻率分集。OFDM適用于多徑環(huán)境和頻率選擇性衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。6.2WLAN的物理層基于FFT實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)6.2WLAN的物理層OFDM的分組前置結(jié)構(gòu)6.3WLAN的媒體訪問控制層按照WLAN的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)層次劃分，MAC子層是位于物理(PHY)層和邏輯鏈路控制(LLC)子層中間的一個(gè)層次，其目的是在LLC子層的支持下為共享物理媒體提供訪問控制功能。6.3WLAN的媒體訪問控制層MAC子層在LLC層的支持下執(zhí)行尋址、幀產(chǎn)生和幀識(shí)別等功能。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)采用帶有碰撞避免功能的載波偵聽多址接入(CSMA/CA)媒體訪問控制協(xié)議。6.3WLAN的媒體訪問控制層

所謂“載波偵聽”是指具有數(shù)據(jù)發(fā)送要求的站點(diǎn)在數(shù)據(jù)幀被傳輸之前，先由無線設(shè)備對(duì)信道媒體進(jìn)行偵聽，判斷是否有任何其他設(shè)備正在傳輸信號(hào)，即載波。如果信號(hào)傳輸正在進(jìn)行，則該設(shè)備等待一個(gè)隨機(jī)長度的時(shí)間，然后進(jìn)行再次偵聽。若沒有其他的設(shè)備正在使用媒體，該設(shè)備將開始自己的數(shù)據(jù)幀發(fā)送。6.3WLAN的媒體訪問控制層6.3.1MAC層主要功能IEEE802.11無線局域網(wǎng)中所有的站(包括固定站、半移動(dòng)站和移動(dòng)站)和AP都需提供MAC子層服務(wù)。MAC子層服務(wù)主要指在MAC服務(wù)訪問節(jié)點(diǎn)(SAP)與LLC子層之間交換MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)的過程與能力。MAC服務(wù)還包括利用共享無線電波或紅外線傳輸媒體進(jìn)行MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元的發(fā)送與接收。MAC層具有以下主要功能：無線媒體訪問控制、加入網(wǎng)絡(luò)連接和提供數(shù)據(jù)驗(yàn)證和保密。6.3WLAN的媒體訪問控制層1.無線媒體訪問控制在幀發(fā)送之前，MAC必須首先利用以下方式獲得網(wǎng)絡(luò)連接。(1)具有碰撞避免功能的CSMA/CA媒體訪問控制方式，IEEE802.11規(guī)范稱為分布式訪問控制方式(DCF)。(2)基于不同服務(wù)優(yōu)先級(jí)別的集中式輪詢(Polling)訪問控制，IEEE802.11規(guī)范稱為中心網(wǎng)絡(luò)控制方式(PCF)。6.3WLAN的媒體訪問控制層2.加入網(wǎng)絡(luò)連接工作站的電源被打開之后，它在驗(yàn)證和連接到合適的工作站或訪問點(diǎn)之前，首先會(huì)檢測(cè)有無現(xiàn)成的工作站和AP可供加入。工作站通過被動(dòng)或主動(dòng)掃描方式完成上述的搜索過程。加入一個(gè)BSS或ESS之后，工作站從AP接收服務(wù)組標(biāo)識(shí)符(SericeSetIdentifier，SSID)、時(shí)間同步函數(shù)(TimerSynchronizationFunction，TSF)、計(jì)時(shí)器的值和物理安裝參數(shù)等。6.3WLAN的媒體訪問控制層3.提供認(rèn)證和保密服務(wù)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)提供兩種認(rèn)證服務(wù)，用于增強(qiáng)IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)的安全性能。開放系統(tǒng)認(rèn)證(OpenSystemAuthentication)是一種默認(rèn)的認(rèn)證服務(wù)。該服務(wù)僅僅發(fā)布與其他站和AP的連接請(qǐng)求。共享密匙認(rèn)證(SharedKeyAuthentication)包含更加嚴(yán)格的幀交換，以確定響應(yīng)工作站是可信的。6.3WLAN的媒體訪問控制層6.3.2MAC幀主體框架結(jié)構(gòu)MAC幀格式的主體框架結(jié)構(gòu)6.3WLAN的媒體訪問控制層1)FrameControl(幀控制)這個(gè)字段含有在各個(gè)工作站之間發(fā)送的控制信息。2)Duration/ID(持續(xù)時(shí)間/標(biāo)志)在這個(gè)域內(nèi)包含發(fā)送站請(qǐng)求發(fā)送持續(xù)時(shí)間的數(shù)值，值的大小取決于幀的類型。通常每個(gè)幀一船都包含表示下一個(gè)幀發(fā)送的持續(xù)時(shí)間信息。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)站都通過監(jiān)視幀中這一字段，來推測(cè)前邊的發(fā)送站尚需占用的時(shí)間，推遲自己的發(fā)送。6.3WLAN的媒體訪問控制層

3)Addr1-4(地址1～4)地址字段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(shí)(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(dú)地址、組播地址和廣播地址之分。6.3WLAN的媒體訪問控制層4)SequenceControl(序列控制)該字段最左邊的4位由稱為分段號(hào)的子字段組成，這個(gè)子字段標(biāo)明一個(gè)特定的媒體服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)的分段號(hào)。第一個(gè)分段號(hào)為0，后面的發(fā)送分段的分段號(hào)依次加1。該字段的后面12個(gè)位是序列號(hào)子字段，從0開始，對(duì)于每一個(gè)發(fā)送的MSDU子序列依次加1。一個(gè)特定的MSDU的每一個(gè)分段都有相同的序列號(hào)。站點(diǎn)在數(shù)據(jù)接收過程中，可通過監(jiān)視序列號(hào)和分段號(hào)來判斷是否為重復(fù)幀。6.3WLAN的媒體訪問控制層

5)FrameBody(幀體)這個(gè)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(huì)包含一個(gè)LLC數(shù)據(jù)單元。MAC管理和控制幀會(huì)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(gè)字段判斷幀的長度。6.3WLAN的媒體訪問控制層6)FCS(幀校驗(yàn)序列)發(fā)送工作站的MAC層利用循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)法對(duì)幀前邊諸字段內(nèi)容運(yùn)算，計(jì)算一個(gè)32位的FCS，并將結(jié)果存入這個(gè)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(xiàng)式來計(jì)算FCSG(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+16.3WLAN的媒體訪問控制層MAC幀中的幀控制字段6.3WLAN的媒體訪問控制層1)ProtocolVersion(協(xié)議版本)用兩比特(bit1，bit0)表示MAC協(xié)議版本。對(duì)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。2)Type(幀類型)用兩比特(bit3，bit2)表示幀的類型。這個(gè)字段表明當(dāng)前的幀是管理幀、控制幀還是數(shù)據(jù)幀。6.3WLAN的媒體訪問控制層3)Subtype(幀子類型)用4比特(bit7，bit6，bit5，bit4)表示幀的類型的進(jìn)一步從功能上的劃分。4)ToDS(到分布式系統(tǒng))只有一個(gè)位，發(fā)往分布式系統(tǒng)的幀，該字段置1，其他的幀則置0。例如某幀若是發(fā)往另一個(gè)AP的無線電小區(qū)里的時(shí)候，要對(duì)該字段設(shè)置為1。5)FromDS(來自分布式系統(tǒng))也是只有一位，發(fā)自分布式系統(tǒng)的幀該字段置1，其他的幀置0。當(dāng)某幀從一個(gè)AP發(fā)送到另一個(gè)AP時(shí)，ToDS和FromDS字段都要置1。6.3WLAN的媒體訪問控制層6)MoreFrag(更多分段)只有一位的字段，如果同一個(gè)MSDU還有其他分段存放在后繼的幀中，該字段置1。7)Retry(重發(fā))只有一個(gè)位。對(duì)于重發(fā)幀，該字段置1，其他幀置0。8)PowerManagement(電源管理)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。6.3WLAN的媒體訪問控制層9)MoreData(更多數(shù)據(jù))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。10)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。11)Order(排序)所有采用嚴(yán)格順序服務(wù)級(jí)別的數(shù)據(jù)幀，該字段置1。表明這些須按順序處理。6.3WLAN的媒體訪問控制層6.3.3MAC管理信息幀結(jié)構(gòu)管理信息幀格式6.3WLAN的媒體訪問控制層1)連接請(qǐng)求幀(AssociationRequestFrame)

如果某工作站欲登錄連接到一個(gè)AP上，那么它就要向這個(gè)AP發(fā)送連接請(qǐng)求幀。得到AP的許可后，工作站的登錄連接就算成功。2)連接響應(yīng)幀(AssociationResponseFrame)AP收到一個(gè)連接請(qǐng)求幀之后，返回一個(gè)連接響應(yīng)幀，指明是否允許和該工作站建立連接。6.3WLAN的媒體訪問控制層3)再次連接請(qǐng)求幀(ReassociationRequestFrame)如果工作站想和一個(gè)AP再次連接，就向AP發(fā)送此幀。當(dāng)某工作站離開一個(gè)AP的覆蓋區(qū)進(jìn)入另一個(gè)AP的覆蓋區(qū)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生再次連接。站需要和新的AP再次連接，以使AP知道，它要對(duì)從原來的AP轉(zhuǎn)交過來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理。4)再次連接響應(yīng)幀(ReassociationResponseFrame)AP收到再次連接請(qǐng)求幀后，返回一個(gè)再次連接響應(yīng)幀，指明是否和發(fā)送工作站再次連接。6.3WLAN的媒體訪問控制層5)探詢請(qǐng)求幀(ProbeRequestFrame)工作站通過發(fā)送探詢請(qǐng)求幀，以得到來自另一個(gè)工作站或AP的信息(如是否可用等)。6)探詢響應(yīng)幀(ProbeResponseFrame)工作站或AP收到探詢請(qǐng)求幀之后，會(huì)向發(fā)送工作站返回一個(gè)包含自身特定參數(shù)的探詢響應(yīng)幀。6.3WLAN的媒體訪問控制層7)信標(biāo)幀(BeaconFrame)在一個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，AP定期發(fā)送信標(biāo)幀，保證相同物理網(wǎng)中所有工作站的同步。信標(biāo)幀中包含時(shí)戳(TimeStamp)，所有工作站都利用時(shí)戳來更新其時(shí)間同步功能(TSF)計(jì)時(shí)器。8)業(yè)務(wù)聲明指示信息幀(ATIMFrame)有的工作站負(fù)責(zé)緩存發(fā)向其他工作站的幀，前者會(huì)向后者發(fā)送ATIM(AnnouncementTrafficIndicationMessage)幀，接收端立即發(fā)送一個(gè)信標(biāo)幀。隨后，負(fù)責(zé)緩存的工作站將緩存的幀發(fā)往對(duì)應(yīng)的接收者。ATIM幀的發(fā)送使工作站從睡眠轉(zhuǎn)向喚醒，并保持足夠長的“清醒”時(shí)間來接收各自的幀。6.3WLAN的媒體訪問控制層9)分離幀(DiassociationFrame)如果工作站或AP想終止一個(gè)連接，只需向?qū)Ψ焦ぷ髡景l(fā)一個(gè)分離幀即可。當(dāng)使用廣播地址(全為“1”)時(shí)，一個(gè)分離幀可終止與所有站的連接。10)認(rèn)證幀(AuthenticationFrame)工作站通過發(fā)送認(rèn)證幀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站或AP的認(rèn)證。認(rèn)證序列由一個(gè)或多個(gè)(取決于認(rèn)證類型)認(rèn)證幀組成。11)解除認(rèn)證幀(DeauthenticationFrame)當(dāng)工作站想終止安全通信時(shí)，就向工作站或AP發(fā)送一個(gè)解除認(rèn)證幀。6.3WLAN的媒體訪問控制層6.3.4MAC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，控制信息要為數(shù)據(jù)信息幀的發(fā)送提供輔助功能。一次成功數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程6.3WLAN的媒體訪問控制層1.請(qǐng)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。通過MIB中的aRTSThreshold屬性可以將工作站加入RTS幀序列，將幀設(shè)置成一般、從不或者僅僅比一個(gè)特定的長度長。RTS幀的組成格式6.3WLAN的媒體訪問控制層2.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(gè)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。CTS控制幀的格式6.3WLAN的媒體訪問控制層RTS/CTS控制幀的交換可改善由于隱藏站點(diǎn)引發(fā)的訪問碰撞6.3WLAN的媒體訪問控制層3.應(yīng)答(ACK)工作站收到一個(gè)無誤的幀(數(shù)據(jù)幀或管理幀)之后，會(huì)向發(fā)送工作站發(fā)送一個(gè)ACK控制幀，以確認(rèn)幀已經(jīng)被成功地接收。ACK控制幀的格式6.3WLAN的媒體訪問控制層4.節(jié)能輪詢(PSPoll)當(dāng)工作站收到PSPoll控制幀后，會(huì)更新網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)，NAV用于表明工作站多長時(shí)間內(nèi)不能發(fā)送信息，它包含對(duì)媒體未來通信量的預(yù)測(cè)。PSPoll控制格式6.3WLAN的媒體訪問控制層5.無競(jìng)爭終點(diǎn)(CFEnd)CFEnd控制幀標(biāo)明中心網(wǎng)絡(luò)控制方式(PCF)的無競(jìng)爭期的終點(diǎn)。這類幀的Duration字段一般設(shè)置為0。CFEnd控制幀的格式6.3WLAN的媒體訪問控制層6.3.5MAC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)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LLC子層。6.3WLAN的媒體訪問控制層數(shù)據(jù)信息幀的幀格式6.3WLAN的媒體訪問控制層【例6-3】有一臺(tái)連入Internet的AP以及與該AP通信的兩臺(tái)SAT，給出基于RTS/CTS機(jī)制的典型報(bào)文發(fā)送過程。6.3WLAN的媒體訪問控制層報(bào)文發(fā)送過程6.3WLAN的媒體訪問控制層【解】RTS/CTS機(jī)制是一個(gè)工作站申請(qǐng)獨(dú)占另一個(gè)工作站的數(shù)據(jù)接收時(shí)間段的機(jī)制，從而防止不同工作站向同一個(gè)工作站發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致碰撞。當(dāng)STA1希望向AP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，STA1首先向AP發(fā)送RTS請(qǐng)求幀，申請(qǐng)獨(dú)占AP的一個(gè)數(shù)據(jù)接收時(shí)間段。如果AP處于空閑狀態(tài)，則回復(fù)CTS幀，允許STA1向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)AP需要將CTS幀發(fā)送給STA2，則STA2在該時(shí)間段內(nèi)不會(huì)向AP發(fā)送數(shù)據(jù)。STA1收到CTS幀后，就開始向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，AP接收數(shù)據(jù)后，向STA1發(fā)送ACK幀。當(dāng)AP希望向STA2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，AP首先向STA2發(fā)送RTS請(qǐng)求幀，申請(qǐng)獨(dú)占STA2的一個(gè)數(shù)據(jù)接收時(shí)間段。如果STA2處于空閑狀態(tài)，則回復(fù)CTS幀，允許AP向STA2發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)STA2需要將CTS幀發(fā)送給STA1，則STA1在該時(shí)間段內(nèi)不會(huì)向STA2發(fā)送數(shù)據(jù)。AP收到CTS幀后，就開始向STA2發(fā)送數(shù)據(jù)，STA2接收數(shù)據(jù)后，向AP發(fā)送ACK幀。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用6.4.1無線局域網(wǎng)的組成無線局域網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用1.站STA(Station)站(點(diǎn))也稱主機(jī)(Host)或終端(Terminal)，是無線局域網(wǎng)的最基本組成單元。網(wǎng)絡(luò)就是進(jìn)行站間數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，我們把連接在無線局域網(wǎng)中的設(shè)備稱為站。站在無線局城網(wǎng)中通常用作客戶端(Client)，它是具有無線網(wǎng)絡(luò)接口的計(jì)算設(shè)備。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用STA包括以下幾部分:終端用戶設(shè)備無線網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)軟件6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用2.無線介質(zhì)無線介質(zhì)是無線局域網(wǎng)中站與站之間、站與接入點(diǎn)之間通信的傳輸介質(zhì)。在這里指的是空氣，它是無線電波和紅外線傳播的良好介質(zhì)。3.無線接入點(diǎn)無線接入點(diǎn)(AccessPoint，AP)類似蜂窩結(jié)構(gòu)中的基站，是無線局域網(wǎng)的重要組成單元。無線接入點(diǎn)是一種特殊的站，它通常處于BSA的中心，固定不動(dòng)。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用AP基本功能如下:作為接入點(diǎn)，完成其他非AP的站對(duì)分布式系統(tǒng)的接入訪問和同一BSS中的不同站間的通信聯(lián)結(jié)。作為無線網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的橋接點(diǎn)完成無線局城網(wǎng)與分布式系統(tǒng)間的橋接功能。作為BSS的控制中心完成對(duì)其他非AP的站的控制和管理。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用無線接入點(diǎn)是具有無線網(wǎng)絡(luò)接口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，至少要包括以下幾部分:與分布式系統(tǒng)的接口(至少一個(gè))。無線網(wǎng)絡(luò)接口(至少一個(gè))和相關(guān)軟件。橋接軟件、接入控制軟件、管理軟件等AP軟件和網(wǎng)絡(luò)軟件。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用4.分布式系統(tǒng)一個(gè)BSA所能覆蓋的區(qū)域受到環(huán)境和收/發(fā)信機(jī)特性的限制。為了覆蓋更大的區(qū)域，我們就需要把多個(gè)BSA通過分布式系統(tǒng)連接起來，形成一個(gè)擴(kuò)展業(yè)務(wù)區(qū)(ExtendedServiceArea，ESA)，而通過DS互相連接起來的屬于同一個(gè)ESA的所有主機(jī)組成一個(gè)擴(kuò)展業(yè)務(wù)組(ExtendedServiceSet，ESS)。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用無線分布式系統(tǒng)6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用6.4.2無線局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.分布對(duì)等式拓?fù)浞植紝?duì)等式網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立(Independent)的BSS(IBSS)，它至少有兩個(gè)站，是一種典型的、以自發(fā)方式構(gòu)成的單區(qū)網(wǎng)。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用IBSS工作模式6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用【例6-4】建立如圖6-29所示的分布對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。圖6-29基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(BSS)工作模式6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用建立分布對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)就是將多臺(tái)計(jì)算機(jī)置于同一個(gè)局域網(wǎng)中，使得這些計(jì)算機(jī)之間能夠互相通信。組網(wǎng)步驟如下:將每臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP設(shè)置為同一網(wǎng)段的IP，例如計(jì)算機(jī)STA1的IP設(shè)為192.168.1.1，計(jì)算機(jī)STA2的IP設(shè)為192.168.1.2，計(jì)算機(jī)STA3的IP設(shè)為192.168.1.3。將每臺(tái)計(jì)算機(jī)的子網(wǎng)掩碼設(shè)置為相同形式，如255.255.255.0。將每臺(tái)計(jì)算機(jī)置于同一工作組中，例如WORKGROUP。在每臺(tái)計(jì)算機(jī)的共享設(shè)置中選擇啟用網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。此時(shí)，在網(wǎng)上鄰居(XP系統(tǒng))或網(wǎng)絡(luò)(Windows7版本以上系統(tǒng))中就可以看到局域網(wǎng)中的其他計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行通信操作了。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用2.基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式拓?fù)湓赪LAN中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(Infrastructure)包括分布式系統(tǒng)媒體(DSM)、AP和端口實(shí)體。同時(shí)，它也是BSS的分布和綜合業(yè)務(wù)功能的邏輯位置。一個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)除DS外，還包含一個(gè)或多個(gè)AP及0個(gè)或多個(gè)端口。因此，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)WLAN中，至少要有一個(gè)AP。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用在一個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BSS中，如果一個(gè)站要想與同一BSS內(nèi)的另一個(gè)站通信，必須經(jīng)過源站到AP和AP到宿站的兩跳(Hop)過程并由AP進(jìn)行轉(zhuǎn)接。雖然這樣會(huì)需要較多的傳輸容量，增加了傳輸時(shí)延，但比各站直接通信有以下許多優(yōu)勢(shì):基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BSS的覆蓋范圍或通信距離由AP確定。一般情況下，兩站可進(jìn)行通信的最大距離是進(jìn)行直接通信時(shí)的兩倍。BSS內(nèi)的所有站都需在AP的通信范圍之內(nèi)，而對(duì)各站之間的距離沒有限制，即網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)的布局受環(huán)境的限制較小。由于各站不需要保持鄰居關(guān)系，其路由的復(fù)雜性和物理層的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用AP作為中心站，控制所有站點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增大時(shí)網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能和時(shí)延性能的惡化并不劇烈。AP可以很方便地對(duì)BSS內(nèi)的站點(diǎn)進(jìn)行同步管理、移動(dòng)管理和節(jié)能管理等，即可控性(Controllability)好。為接入DS或骨干網(wǎng)提供了一個(gè)邏輯接入點(diǎn)，并有較大的可伸縮性(scalability)。在一個(gè)BSS中，AP所能管理的站的數(shù)量總是有限的。為了擴(kuò)展無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可通過增加AP的數(shù)量，選擇AP合適位置等方法來擴(kuò)展覆蓋區(qū)域和增加系統(tǒng)容量。實(shí)際上，這就是將一個(gè)單區(qū)的BSS擴(kuò)展成為一個(gè)多區(qū)的BSS6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用3.ESS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銭SS是一種由多個(gè)BSS組成的多區(qū)網(wǎng)，其中每個(gè)BSS都被分配了一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)(Identifier)BSSID。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)ESS組成，則每個(gè)ESS也被分配一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)ESSID，所有的ESSlD組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(NetworkID，NID)，用以標(biāo)識(shí)由這幾個(gè)ESS組成的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上是邏輯網(wǎng)段，也就是通常所說的子網(wǎng)。6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用圖6-30ESS無線局域網(wǎng)6.4Wi-Fi組網(wǎng)及應(yīng)用【例6-5】建立如圖6-30所示的網(wǎng)絡(luò)?！窘狻吭摼W(wǎng)絡(luò)其實(shí)是多個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的集合。在該實(shí)例中，AP型號(hào)為TP-LinkTL-WR5