-
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< br>移动通信技术
802.11b/g/n
协议
一、
符合
I
EEE
的移动通信技术
二、
802.11
四种主要物理组件
1.
工作站
(Station)
构建网络
的主要目的是为了在工作站间传送数据。
所谓工作站,
是指配备
无线网络接口的计
算设备,即支持
802.11
的终端设备。如安装了无线网卡的
PC
,支持
WLAN
的手机等。
2.
接入点
(Access Point)
802.11
网络所使用的帧必须经过转换,
方能被传递至其
他不同类型的网络。
具备无线至有线
的桥接功能的设备称为接入
点,
接入点的功能不仅于此,
但桥接最为重要。
为
STA
提供基于
.....
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802.11
的接入服务,
同时将
802.11mac
p>
帧格式转换为以太网帧,
相当于有限设备和无线设备
的桥接器。
3.
无线媒介
(Wireless Medium)
802.11
标准以无线媒介在工作站之间传递帧。其定义的物理层不只一种
,
802.11
最初标准
化了两种射频
物理层
(2.4GHz
和
5GHz)<
/p>
以及一种红外线物理层。
4.
分布式系统
(Distribution System) <
/p>
当几个接入点串联以覆盖较大区域时,彼此之间必须相互通信以掌握移动式工作站的行踪。
分布式系统属于
802.11
的逻辑组
件,
负责将帧传送至目的地,
将各个
A
P
连接起来的骨干网
络。
三、
无线局域网的网络类型
Infrastructure
网络架构可以实现多终端共用一个
AP
。
需要
AP
提供接入服
务,
AP
负责基础结构型网络的所有通信。这种网路可以提供丰富的应用,较多
的
STA
接入数量。
Ad-h
oc
网络没有有线基础设施,
网络节点由移动主机构成,
无线网卡之间的
通讯,不需要通过
AP
。一般是少数几个
STA
为了特定目的而组成
的一种暂时性
网络,又称特设网络。
......
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载
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802.11-
基础结构网络的架构
注意:
?
BSS(basic
service set)
基本服务集由能互相通信的
STA<
/p>
组成,是
802.11
网络提供服务的基
本单元;
?
ESS
扩展网络由多个
BSS
构成,
是采用相同
SSID
的多个
BSS
形成的更大规模
的虚拟
BSSS
,是为了解决单个
BSS
覆盖范围小的问题而定义的;
?
<
/p>
SSID
(服务集标识)
,标识一个
p>
ESS
网络,相当于网络的名称;
?
BSSID
是
AP
的
MAC
地址,用来标识
AP
管理的
BSS
。
BSS
和
ESS
的关系如下图:
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/p>
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802.11-
自组织网络的架构
四、
802.11-
层次和功能
各种
PHY
层技术的区别在于不同的编码调制方式、不同的速率以及不同的
PHY
< br>层帧格式。
?
802.11
基本物理层(
2.4
GHz
频段)
?
DSSS
:
1, 2 Mbps
?
FHSS
:
1, 2 Mbps
?
IR
:
1, 2 Mbps
?
802.11b
(
2.4
GHz
频段)
?
HR/DSSS
< br>:
DBPSK
:
1,
DQPSK
:
2 Mbps
,
CCK
:
5.5
,<
/p>
11 Mbps
?
802.11g
(
2.4GHz
p>
频段)
--ERP
(
Extended Rate PHY
)
?
ERP-
DSSS/CCK
:
1, 2, 5.5, 11 Mbps
?
ERP-
OFDM
:
6,9,12,18,24,36,48,54
Mbps
?
ERP-PBCC(<
/p>
可选
)
:
22,
33 Mbps
?
DSSS-OF
DM(
可选
)
:
6,9,12,18,24,36,48,54 Mbps
?
802.11n
(
2.4GHz
< br>、
5GHz
频段)
?
MIMO-OFDM
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/p>
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802.11
与
ISO
对比
802
.
1
1
协议主要工作在
ISO
协议的最低两
层上。
802.11
PHY
分层结构
物理层管理实体
p>
PLME
(
Physical Layer
Management Entity
)
与
MAC
层管理相连,
上层通过该
模块对
PHY
进行管理、
控制,
主要是
PHY
MIB
寄存器。
< br>......
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物理层汇聚过程
p>
PLCP
(
Physical Layer
Convergence Procedure
)子层
规定如何将
MAC
层协议数据单元
(MPDU)
映射为合适的物理层帧格式,可以理解为
PHY
层的编码和封包过程。
物理媒介相关
PMD
(
Physical Medium
Dependent
)子层
直接与无
线媒介发生关联,主要是最底层涉及编码、调制和无线收发的部分。
MSDU
:
MAC Service
Data Unit
,
MAC
层业务数
据单元。这是最原始的待发数据信息;
MPDU
:
MAC Protocol
Data Unit
,
MAC
层协议数
据单元。将
MSDU
按一定帧结构包装后的待
< br>发数据信息;
PSDU
:
PLCP Service
Data Unit
,
PLCP
子层业
务数据单元。实际就是从
MAC
层传来的
MPDU
信息
PPDU
:
PLCP
Protocol Data Unit
,
PLCP
子层协议数据单元。
将
PSDU
< br>按照特定的帧格式进行数
据封装后的数据包,这也是最终将经由物理介质发送出去
的数据封装。
PLCP
子层将
MAC
层传来的数据
MPDU
转换为
PSDU
,
然后,
p>
加上
PLCP
头
(
PLCP Header
)
信息和前导
码
(
Preamble Code
)<
/p>
就构成了
PPDU
数据帧结构。
IEEE
定义了两种前导码和头信
息组成的
p>
PPDU
帧结构:长前导码(
Long P
reamble
)和头信息组成的长
PPDU
< br>帧以及短前导
码(
Short Preamble
)和头信息组成的短
PPDU
帧。
802.11
的物理帧结构分为前导信号
(
Preamble
)
、
信头
Header
和负载
Payload
。
Preamble
主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据,
传输进行时告知其
它移动台以免冲
突,
同时传送同步信号及帧间隔。
Preamble
完成,
接收方才开始接收数据。<
/p>
Header
在
Preamble
p>
之后
用来传输一些重要的数据比如负载长度、
传输速率、
服务等信息。
由于数据率及要传
< br>送字节的数量不同,
Payload
的包长变化很大,可
以十分短也可以十分长。
在一帧信
号的传输过程中,
Preamble
和
Header
所占的传输时间越多,
Payload
用的传输
时间就越少,传输的效率越低。
在接收
PPDU
数据包时,需要
CCA
(
Clear Channel Asses
sment
)
:空闲信道评估,它的作
用是
PHY
根据某种条件来判断当前无线介质是处于忙还是空闲
状态,并向
MAC
通报。高速
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PHY
至少应该按照下面三个条件中的一个来进行信道状态评估:
-
CCA
模式
1
:
根据
接收端能量是否高于一个阈值进行判断。
如果检测到超过
ED<
/p>
(能量
检测,
Energy Detec
tion
)阈值的任何能量,
CCA
都
将报告介质当前状态为忙。
p>
-
CCA
模式
2<
/p>
:定时检测载波。
CCA
启动一个
3.65ms
长的定时器,在该定时范围内,
如
果检测到高速
PHY
信号,就认为信
道忙。如果定时结束仍未
检测到高速
PHY
信号,就认为
信道空闲。
3.6
5ms
是一个
5.5Mbps
速率的<
/p>
PSDU
数据帧可能持续的最长时间。
-
CCA
模式
3
:上述两种模式的混合。当天线
接收到一个超过预设电平阈值
ED
的高速
PPDU
帧时,认为当前介质为忙。
当接收机收到一个
PPDU
时,必须根据收到的
SFD
< br>字段来判断当前数据包是长
PPDU
还
< br>是短
PPDU
。
如果是长
PPDU
,
就以
1M
bps
速率按
BPSK
编码方式对长
PLCP
头信息进行解调,
否则以
2Mbps
速率按
QPSK
编码方式对短
PLCP
头信息
进行解调。
接收机将按照
PLCP
头信
息
中的信令
(
SIGNAL
)
字段和业务
(
SERVICE
)
字段确定
< br>PSDU
数据的速率和采用的调制方式。
五、
IEEE
802.11b/g/n
标准对比表
2.4Ghz
频段还有其他应用包括蓝牙无线连接,手机甚至微
波炉,这个频段应用的干扰
会进一步限制
WLAN
用户的可用带宽。
......
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/p>
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1
802.11b
?
扩展的
D
SSS
;
?
动态变速
—
1
,
2
,
5.5
,
11Mbit/s
,取决于
SNR<
/p>
,
BPSK
、
Q
PSK
、
CCK(5.5,11)
,<
/p>
用户数据传输率最大达到
6Mbit/s;
?
频率
--
3
非重叠
ISM
频带,自由
2.4Ghz ISM
频段;
?
传输范围
--
户外
300m
,室内
30m
最大数据传输率要在室内
10m
内;
?
安全
—
WEP
802.11b
数据传输率
2
802.11g
?
使用
DSSS
从
1Mbps<
/p>
到
5.5Mbps
—
与
802.11b
相同
?
使用
OF
DM
从
6Mbps
到
< br>54Mbps
—
与
802.11
a
相同
?
与
802.11b
向后兼容
?
当
802.11b
站点存在时
(
只是相关
)
吞吐量严重降低,这是由于
802.11b/g
混合模式互用机制的开销造成的
?
802.11b
< br>站点不能解译
OFDM
帧,所以
CS
失败
?
前传输
CTS
:在
DSSS
模式
(
低速
)
中发送
CTS
来设定
p>
NAV
?
RTS/CTS
:处理隐藏终端
?
两种时槽时间
(
短
/
长
)
?
为性能提升进行的专有扩展
?
封包突发
?
信道绑定
3
802.11n
?
数据传输率支持
< br>1
、
2
、
5.5
、
6
、
9
、
12
、
18
、
24
、
36
、
48
、
54Mbps
;
?
正交频分复用
(OFDM)
、多输入
/
多输出<
/p>
(MIMO)
和通道捆绑
(CB)
,高达
4
个空间流;
?
扩展信道
40Mhz
;
?
更短的保护间隔:
400ns
代替了
800ns
—
最大
600Mbps
?
MAC
开
销减少,更高效的数据传输率;
?
3
非重叠
ISM
频带,频率为
2.4Ghz
;
?
12
非重
叠需要许可证的国家信息基础设施
(UNII)
频道,
5Ghz
频带;
?
向后兼容。
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802.11n
OFDM
调制方法、编码和数据率
六、
频谱划分
WiFi
< br>总共有
14
个信道,如下图所示:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
IEEE 802.11b/g
标准工作在
2.4G
频段,频率范围为
2.400
—
2.4835GHz
,共
83.
5M
带宽
划分为
14
个子信道
每个子信道宽度为
22MHz
相邻信道的中心频点间隔
5MHz
相邻的多个信道存在频率重叠
(
如
1<
/p>
信道与
2
、
3<
/p>
、
4
、
5
信道有频率重叠
)
在只允许
11
个频道的地区,整个频段内只有
3
个(
1
、
6
< br>、
11
)互不干扰信道
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2.4GHz
中国信道划分
802.11b
和
802.11g
的工作频段在
2.4GHz
(
2.4GHz-2.4835GHz
)
,其可用带宽为
83.5MHz
,
中国划分为
13
个信道,
每个信道带宽为
22MHz
。
北美
/FCC
2.412
-2.461GHz(11
信道
)
欧洲
/ETSI
2.412
-2.472GHz(13
信道
)
日本
/ARIB
2.412-
2.484GHz(14
信道)
七、
802.11
物理层关键技术
IEEE802.11
无线局域网络采用微蜂窝,
微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网
络。其关键技术大致有三种:
DSSS
、
CCK
技术和<
/p>
OFDM
。每种技术皆有其特点,
目前,
扩频调制技术正成为主流,
而
OFDM
技术由于其优越的传输性能成为人们
关注的新焦点。
1
DSSS(
直序扩频
)
DSSS
的基本运作方式:通过精确的控制将
RF<
/p>
能量分散至某个宽频频段。扩
频器将窄频输入信号的振幅平坦分布
至较宽的频段;
接收时原始信号可以通过相
关器还原,只要逆转
整个扩频程序即可。
DSSS
系统采
用了每秒一千一百万的碎片率。原本
DS PHY
将碎片流分为一系
列
11
位的
Barker word
,每秒传
送一百万个。每个
word
当中,编码一或两个位
所以速率为
1.0 Mbps
或
2.0
Mbps
。
DSSS
(直接序列)工作于
2.4GHz
频段,采用
BPSK
和
QPSK
两
种调制方式,
对应
1Mbps
和
2Mbps
两种速率。
PLCP
子层
PLCP
子层从
MAC
层获取
MPDU
封包,增加
PLCP
前导和帧头,转化为
PPDU
封包进行
传输。
PPDU
帧格式如下:
各个域作用:
SYNC
:同步序列
128bit
,为全‘
1
’<
/p>
,用于同步发射器和接收器;
SFD
:帧起始符
16bit
,为“
0x05CF
”
,用于
接收器识别一个帧的开始。
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p>
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Signal
域:
接收器通过该字段识别后面
MPDU
p>
封包所用的调制方式和速率,
0x0A
表示
1Mbps
,
0x14
表示
2Mbps
Service
域:该域保留,设置为全‘
0
p>
’
。
Length
域:该域用于表示传输当前帧所需的时间,是一个
16
位无符号整数,单位是微秒。
扰码
整个
PPDU
需要经过扰码器进行扰码,
其目的是使数据尽量的随机化,使频谱呈现类似
白噪声的特性,从而增强抗衰落的能力。
发送和接收过程
PPDU
的前导和帧头必须采用
p>
BPSK
调制(
1Mbps
)
,
MPDU
的调试方式从上
层传递下来
的
TXVECTOR
决定,
并将
Signal
域设置为相应的值。接收端从
Signal
域获知
MPDU
的调制方
式并按照相应的调制方式进行解调。
PMD
子层
发送模块
扩频
DSSS
将源数据的一个
bit
扩展为一个序列,以较高的码片速率对
较低的数据
比特率进行编码,达到扩频的目的。
DSSS
采用
11
位
Bark
er
序列作为扩频码,将
0
用序列
p>
{1}
代替,
1
用
序列
{}
代替,频谱扩展
11
倍。
调制
DSSS
提供了
2
种调制方式:
DBPSK
p>
和
DQPSK
。两种调制方式都是差分调制
,
即利用后一个波形与前一个波形的相位差表示信源符号。
DB
PSK
一个载波符号编
码
1
个码片,码片对应的符号相位如下表;
DQPSK
一个载波符号编码
2
个码片。
相比
DB
PSK
,
DQPSK
可提供两倍的速率
,但是抗多径干扰能力更差(时间差
造成的时延是相位差编码机制的天敌)
。
接收模块
......
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/p>
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