1、2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣1IEEE 802.11标准n标准概述n物理层nMAC2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣2nIEEE 802.11标准制定具有如下好处：设备互操作性产品的快速发展便于升级，保护投资价格降低 2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣3nIEEE 802.11逻辑结构 每个站点应用的IEEE 802.11标准的逻辑结构中包括一个单一的MAC层和多个PHY中的一个。LLCMAC跳频PHY直扩PHY红外PHY2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景
2、小荣景小荣4nIEEE 802.11 MAC层 MAC层在LLC层的支持下为共享介质物理层提供访问控制功能（寻址，访问协调，帧校验序列生成等）MAC的协议为：CSMA/CA2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣5IEEE 802.11物理层IEEE802.11无线局域网标准的物理层协议建议了三种实现方式，分别是无线局域网标准的物理层协议建议了三种实现方式，分别是无线电波方式下的无线电波方式下的直接序列扩频（直接序列扩频（DSSS）、）、跳频扩频（跳频扩频（FHSS）和红外和红外线（线（IR）方式，在方式，在2.4GHz波段波段（全球统一的（全球统一的ISM波段）
3、上进行操作。波段）上进行操作。直接序列扩频（直接序列扩频（DSSS）物理层物理层直接序列扩频（DSSS）物理层规定了两种不同进制的差分相移键控调制方式以及要求的数据传输速率：利用差分四进制相移键控（DQPSK）调制方式，数据传输速率2Mbit/s；利用差分二进制相移键控（DBPSK）调制方式，数据传输速率1Mbit/s。跳频扩频（跳频扩频（FHSS）物理层物理层跳频扩频（FHSS）物理层与直接序列扩频（DSSS）物理层相比，有低成本、低功率消耗、强抗信号干扰能力的优点。基于IEEE 802.11的跳频扩频方式利用无线电从一个频率跳到另外一个频率来发送数据信号，在移动到一个不同的频率之前，在每个
4、频率上传输若干位数据信息。跳频系统的输出载频以一种随机的方式跳跃。跳频系统的实施会逐渐便宜而且不像直接序列那样消耗太多的频率资源，所以更加适用于移动式应用。红外线（红外线（IR）物理层物理层红外线（IR）物理层描述了一种在850到950nM波段运行的调制类型，用于小型设备和低速率连接的数据传输应用。这种红外线介质的基本数据速率是利用十六进制脉冲位置调制（16PPM）的1Mbit/s速率和利用四进制脉冲位置调制（4PPM）的2Mbit/s增强速率。基于红外线设备的峰值功率被限定为2W。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣6nIEEE 802.11拓扑结构独立基本
5、服务集（IBSS）网络基本服务集（BSS）网络扩展服务集（ESS）网络ESS(无线)网络 基本服务集（BSS）:BSS提供一个覆盖区域，使BSS中的站点保持充分的连接，一个站点可以在BSS内自由移动，但离开了该BSS,就不能与其他站点连接。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣7LMS1MS2MS32022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣8LLMS1MS2中心站中心站(CS)在集中控制组网方式下，由于信道资源的分配、MAC控制都采用集中控制方式，中心站可根据网内业务量的具体情况改变控制策略及参数，使网络性能（吞吐量、延迟等）趋于最佳
6、，信道利用率可大大提高。另外，该方式下的中心站还起信号中继作用，可有效延长网内移动站间的通信距离。这种方式的主要缺点是中心站的引入使得BSA结构复杂，且中心站的故障会导致全网工作瘫痪。在集中控制组网方式下，BSA内须设置一个中心控制站点来完成MAC控制及信道分配等功能。网中的各站点在中心站点的协调下与其它站点通信。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣9BSS1BSS2有线骨干网有线骨干网DistributionSystemAPAPESS网络结构示意图网络结构示意图若干个独立结构的BSS网络经接入点AP通过有线骨干网与其它BSS网络相连，便构成多小区的无线局域网
7、络，即ESS网络。扩大了通信范围，通信距离可达到几km。部分重叠BSS：这类配置在一个已定义区域内提供邻接覆盖。自然分离BSS：对这种情况，配置不提供邻接覆盖。IEEE802.11没有指定BSS间距离的限制。自然配置BSS：这对于提供一个冗余的或高操作性的网络是必要的。ESS(无线无线)中不是所有的中不是所有的AP接入到有线网络上，而是存在接入到有线网络上，而是存在没有接在有线网络上，该没有接在有线网络上，该AP与距离最近的与距离最近的AP通信通信2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣10nIEEE 802.11服务站点服务和分布式系统服务站点服务：认证服务和不
8、认证服务，加密等分布式服务：结合、分离、分布、集成、重新结合 2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣11物理层结构与主要功能物理层结构与主要功能物理层结构物理层结构媒体访问控制子层（MAC Sublayer）物理层汇聚子层（PLCP Sublayer）物理媒体依赖子层（PMD Sublayer）物理服务访问点（PHY SAP）物理媒体依赖服务访问点（PMD SAP）物理层（P L）IEEE802.11物理（物理（PHY）层结构层结构 IEEE 802.11 标准规定的物理层协议可以分为一般物理层管理和物理层汇聚过程、物理媒体依赖两个子层（图中未示出物理层管理）。
9、2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣12物理层结构与主要功能物理层结构与主要功能物理层结构物理层结构 物理层管理（物理层管理（PhysicalLayerManagement）：物理层管理与物理层管理与MAC层管理相连，为物理层提供管理功能。层管理相连，为物理层提供管理功能。物理层汇聚子层（物理层汇聚子层（PLCP）：媒体访问控制（媒体访问控制（MAC）子层和物理子层和物理层汇聚（层汇聚（PLCP）子层通过物理层服务访问点（子层通过物理层服务访问点（SAP）利用原语进行通利用原语进行通信。信。MAC发出指示后，发出指示后，PLCP就开始准备需要传输的媒体协议数据
10、单就开始准备需要传输的媒体协议数据单元（元（MPDU）。）。PLCP也从无线媒体向也从无线媒体向MAC层传递接收帧。层传递接收帧。PLCP为为MPDU附加字段，形成一种合成帧，字段中包含物理层发送器和接收附加字段，形成一种合成帧，字段中包含物理层发送器和接收器所需的信息。器所需的信息。IEEE802.11标准称这个合成帧为标准称这个合成帧为PLCP协议数据单元协议数据单元（PPDU）。）。PPDU的帧结构提供了工作站之间的帧结构提供了工作站之间MPDU的异步传输，因的异步传输，因此，接收工作站的物理层必须同步每个单独的即将到来的帧。此，接收工作站的物理层必须同步每个单独的即将到来的帧。物理媒体
11、依赖（物理媒体依赖（PMD）子层子层：在：在PLCP下方，下方，PMD支持两个工作支持两个工作站之间通过无线媒体实现物理层实体的发送和接收。为了实现以上功站之间通过无线媒体实现物理层实体的发送和接收。为了实现以上功能，能，PMD需直接面向无线媒体，并对帧传送提供调制和解调。需直接面向无线媒体，并对帧传送提供调制和解调。PLCP和和PMD之间通过原语进行通信，控制发送和接收。之间通过原语进行通信，控制发送和接收。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣13物理层结构与主要功能物理层结构与主要功能物理层主要功能物理层主要功能物理（物理（PHY）层的主要功能包括：层的主
12、要功能包括：载波侦听载波侦听（CS）功能；功能；信号发送信号发送（TX）功能；功能；信号接收信号接收（RX）功能。功能。物理层操作2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣14DSSS物理层的汇聚物理层的汇聚(PLCP)子层子层直接序列扩频直接序列扩频(DSSS)物理层物理层直接序列扩频(DSSS)物理层具有较大的传输距离和较高的数据速率，但其实现成本与设备功耗较高。DSSS物理层的物理层的PLCP协议数据单元（协议数据单元（PPDU）的组成的组成 PLCPPreamblePLCPHeaderPPDUPSDU比特：比特：1281688168VariableOctet
13、sSYNCSFDSignalServiceLengthFCSMPDUPLCP层服务数据单元PLCP帧适配头帧适配头PLCP帧前导码帧前导码直接序列扩频（DSSS）物理层的 PLCP帧PLCP层协议数据单元（PPDU），由一个PLCP前导码（同步码SYNC和帧起始定界符SFD）、PLCP适配头（信号Signal、服务Service、长度Length和帧校验序列FCS）和MAC层协议数据单元MPDU所组成。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣15DSSS物理层的汇聚物理层的汇聚(PLCP)子层子层直接序列扩频直接序列扩频(DSSS)物理层物理层 同步序列（SYNC
14、）：该字段由0和1交替组成，用于提醒接收器有潜在可接受的信号存在。接收器检测SYNC后，就开始与输入信号进行位同步。帧起始定界符（SFDStart Frame Delimiter）：该字段的内容定义了一个帧的开始。该字段的位模式一般如下：1111001110100000。信号（Signal）：该字段表明发送器/接收器用来调制与解调信号的方法及数据速率。1997年6月版IEEE 802.11规定该字段的两个可能的值是：1Mbit/s DSSS为00001010；2Mbit/s DSSS为00010100。长度（Length）：该字段的值是一个无符号的16位整数，用于表示发送MPDU所需的微秒数。
15、接收器利用该字段提供的信息确定帧的结束。帧校验序列（FCSFrame Check Sequence）：该字段包含基于CCITT的CRC-16校验算法的16位CRC码。CRC-16的生成多项式G（x）=X16+X12+X5+1。CRC校验在发送工作扰频之前进行。物理层并不检查PSDU中是否存在差错。MAC层将基于FCS对差错进行检测。PLCP服务数据单元（PSDU）：PSDU实际上是MAC层发来的MPDU，其大小可以从0位到最大尺寸，最大尺寸由MIB中的aMPDUMaxLenght参数设定。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣16FHSS物理层的汇聚物理层的汇聚
16、(PLCP)子层子层跳频扩频跳频扩频(FHSS)物理层物理层跳频扩频(FHSS)物理层具有较低成本、低功耗和较强的抗信号干扰能力，但是其通信距离一般比DSSS要小一些。PLCPPreambleWhitenedPSDUPLCPHeaderPPDU比特：比特：801612416VariableOctetsSYNCSFDPLWPSFHeaderErrorCheckWhitenedMPDUPLCP层服务数据单元PLCP帧适配头帧适配头PLCP帧前导码帧前导码FHSS物理层物理层PLCP协议数据单元（协议数据单元（PPDU）帧格式帧格式 FHSS物理层的PLCP协议数据单元（PPDU）（也被称为PLCP
17、帧）由PLCP帧前导码、适配头和经过扰码器漂白化的MPDU（Whitened PSDU）构成。PLCP帧的各组成字段内容及含义 2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣17FHSS物理层的汇聚物理层的汇聚(PLCP)子层子层同步序列（同步序列（SYNC）：该字段由该字段由0和和1交替组成，用于提交替组成，用于提醒接收器有可接受的信号存在，并从中获得接收位时钟。醒接收器有可接受的信号存在，并从中获得接收位时钟。帧起始定界符（帧起始定界符（SFDStartFrameDelimiter）：该字该字段的内容常是段的内容常是0000110010111101，用于表示一个帧的
18、开始。，用于表示一个帧的开始。PSDU的长度（的长度（PLWPSDULengthWord）：该字段该字段以字节为单位明确以字节为单位明确PSDU的长度。的长度。PLCP信号字段（信号字段（PSFPLCPSignalingField）：用于用于明确帧的明确帧的WhitenedPSDU部分的数据速率。部分的数据速率。PPDU的前导码的前导码和适配头一般以和适配头一般以1Mbit/s发送，而帧的余下部分可以不同的发送，而帧的余下部分可以不同的数据速率发送，数据速率由数据速率发送，数据速率由PSF字段给出。字段给出。PLCP帧的帧的PSF字段由字段由4比特构成，比特构成，bit0恒为恒为0，bit1、
19、bit2和和bit3意义如下：意义如下：2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣18红外线红外线(IR)物理层物理层红外线红外线(IR)物理层的汇聚物理层的汇聚(PLCP)子层子层IR物理层具有最低成本和最强的抗无线电信号干扰能力，但是其通信距离一般认为是最小的，且有很强的方向性。PLCPPreamblePSDUPLCPHeaderPPDUSlots：57-7343321616VariableSYNCSFDDataRateDCLevelAdjustLengthFCSMPDUPLCP层服务数据单元PLCP帧适配头帧适配头PLCP帧前导码帧前导码红外线（红外线（IR）
20、物理层物理层PLCP帧格式帧格式2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣19红外线红外线(IR)物理层物理层红外线红外线(IR)物理层的汇聚物理层的汇聚(PLCP)子层子层PLCP帧 同步序列（SYNC）：该字段由相继时隙内交替出现的脉冲组成。标准规范SYNC字段的最小长度为57个时隙，最大为73个时隙。帧起始定界（SFDStart Frame Delimiter）：内容指明一帧的开始。数据速率（Data Rate）：该字段明确了PMD将用来发送的数据速率。基于IEEE 802.11有两种可能的值：000（1Mbit/s）,001(2Mbit/s)。DC电平调节（
21、DC Level Adjustment）：该字段的位形式使接收工作站能够稳定信号的DC级别。两种数据速率的对应的本字段位形式如下：1Mbit/s：00000000100000000000000010000000 2Mbit/s：00100010001000100010001000100010 长度（Length）：该字段的值是一个无符号的16位整数，用于指明发送该PPDU所需的微秒数。接收器将利用这个信息来判断帧的结束。帧校验序列（FCSFrame Check Sequence）：该字段包含一个16位的CRC码。CRC-16的生成多项式是G（x）=X16+X12+X5+1。PLCP服务数据单元
22、（PSDU）：它是MAC层发送的MPDU，其长度在02500字节之间。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣20MAC层层 媒体访问控制媒体访问控制 加入网络连接加入网络连接 数据验证和保密数据验证和保密 1无线媒体访问控制无线媒体访问控制在帧发送前，MAC须首先利用以下某方式获得网络连接：具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（CSMA/CA）媒体访问控制（MAC）方式，IEEE 802.11规范称为分布式访问控制方式（DCF）。基于不同服务优先级别的集中式轮询（Polling）访问控制，IEEE 802.11规范称为中心网络控制方式（PCF）。DCF和PCF都能
23、在同一个BSS中提供并行的可选择的竞争和无竞争访问期。2加入网络连接加入网络连接工作站的电源打开之后，它在验证和连接到合适的工作站或访问点之前，首先检测有无现成工作站和访问点（AP）可供加入。工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程。加入一个BSS或ESS之后，工作站从访问点（AP）接收服务组标识符（SSID：Service Set Identifier）、时间同步函数（TSF：Timer Synchronization Function）、计时器的值和物理安装参数等。3提供认证和保密服务提供认证和保密服务IEEE 802.11标准提供两种认证服务，用于增强802.11网络的安全性能：开
24、放系统认证（Open System Authentication），是一种默认的认证服务。仅仅宣布与其他站和AP的连接请求。共享密匙认证（Shared Key Authentication），它包含更加严格的帧交换，以确定响应工作站是可信的。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣21MAC帧结构帧结构IEEE802.11标准中把无线局域网的标准中把无线局域网的MAC帧分为三帧分为三种类型：种类型：管理信息帧管理信息帧控制信息帧控制信息帧数据信息帧数据信息帧 MAC管理信息帧负责在工作站和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务。当工作站和AP之间建立连接和
25、认证之后，控制信息帧为数据信息帧的发送提供辅助功能（请求或确认等）。数据信息帧的功能是向目的工作站传送数据信息（如MSDU媒体服务数据单元），转交给逻辑链路控制（LLC）子层。2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣22MAC帧结构帧结构MAC帧主体框架结构帧主体框架结构IEEE802.11定义了MAC帧格式的主体框架结构，无线局域网中发送的各种类型的MAC帧都采用这种帧结构。站一旦形成正确的帧之后，MAC层将帧传给物理层汇聚处理子层（PLCP）。FrameDurationAddrAddrAddrSequenceAddrFrameFCSControlID123Co
26、ntrol4Body字节：字节：22666260-23124 MAC帧由最长帧由最长30字节的字节的帧适配头帧适配头、长度可、长度可变（变（02312字节）的字节）的帧体信息帧体信息和和4字节的字节的帧校验序列帧校验序列（FCS）组成。组成。IEEE802.11MAC帧一般框架结构帧一般框架结构 2022-12-22移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣23MAC帧主体框架结构帧主体框架结构FrameDurationAddrAddrAddrSequenceAddrFrameFCSControlID123Control4Body字节：字节：22666260-23124 一一.MAC帧
27、的主要字段帧的主要字段 Duration/ID（持续时间/标志）：在这个域内包含发送站请求发送持续时间的数值，值的大小取决于帧的类型。通常每个帧一般都包含表示下一个帧发送的持续时间信息。网络中的各个站都通过监视帧中这一字段，来推测前边的发送站尚需占用的时间，推迟自己的发送。Frame Control（帧控制）：这个字段载有在个工作站之间发送的控制信息。它又可划分为若干子字段，子字段结构说明如下页：Addr 1，2，3，4（地址 1，2，3，4）：包含不同类型的地址，地址的类型取决于发送帧的类型。这些地址类型可以包含基本服务组标识（BSS-ID）、源地址、目标地址、发送站（AP）地址和接收站（A
28、P）地址。各段地址长度均为48位，且有单独地址、组播地址和广播地址之分。Sequence Control（序列控制）：该字段最左边的4位由分段号子字段组成，这个子字段标明一个特定的媒体服务数据单元（MSDU）的分段号。第一个分段号为0，后面的发送分段的分段号依次加1。该字段的后面12个位是序列号子字段，从0开始，对于每一个发送的MSDU子序列依次加1。一个特定的MSDU的每一个分段都有相同的序列号。站在数据接收时，可通过监视序列号和分段号来判断是否为重复帧。Frame Body（帧体）：这个字段的有效长度可变，所载的信息取决于发送帧的类型。如果发送帧是数据帧，那么该字段会包含一个LLC数据单元
29、。MAC管理和控制帧会在帧体中包含一些特定的参数。如果帧不需要承载信息，那么帧体字段的长度为0。接收站可以从物理层适配头的一个字段判断帧的长度。FCS（帧校验序列）：发送工作站的MAC层利用循环冗余码校验法CRC对帧前边诸字段内容运算，计算一个32位的FCS，并将结果存入这个字段。MAC层利用下面的覆盖MAC头所有字段和帧体的生成多项式来计算FCS：G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1结果的高阶系数放在字段中，形成最左边的位。接收端也利用相同的CRC校验，检查接收帧中是否有数据传输发生的差错。2022-12-22移动通信
30、重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣24MAC帧主体框架结构帧主体框架结构二二.MAC帧的帧控制字段帧的帧控制字段MAC帧中的帧控制字段（2字节）划分为11个子字段，主要用来定义一个MAC帧的类型，是管理信息帧、控制还是数据信息帧。ProtocolVersionType Sub-typeToDSFromDSMoreFragRetryPwr.Mgmt.MoreDataWEPOrder 2bit2bit4bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit MAC帧中的帧控制（帧中的帧控制（FrameControl）字段的子字段结构划分字段的子字段结构划分 Protocol
31、Version（协议版本）：用两比特（bit1，bit0）表示MAC协议版本。对于当前标准，协议版本为0。因此，除非未来的新协议版本与过去的协议版本不兼容，协议版本字段将一直保持为0。TypeType（帧类型）：用两比特（bit3，bit2）表示帧的类型。这个字段表明当前的帧是管理帧、控制帧还是数据帧。表示方法如表5.1所示。bit3，bit2 0，0 0，1 1，0 1，1帧类型帧类型管理帧控制帧数据帧保留表表5.1MAC帧的类型帧的类型 Subtype(帧子类型)：用四比特（bit7，bit6，bit5，bit4）表示帧的类型的进一步从功能上的划分。这个字段说明帧的具体功能，如表5.2所示
32、。ToDS（到分布式系统）：只有一个位，发往分布式系统的帧，该字段置1，其它的帧则置0。例如某帧若是发往另一个AP的无线电小区里的时候，要对该字段设置为1。FromDS（来自分布式系统）：也是只有一位，发自分布式系统的帧的该字段置1，其他的帧置0。当某帧从一个AP发送到另一个AP时，To DS和From DS字段都要置1。MoreFrag（更多分段）：只有一位的字段，如果同一个MSDU还有其他分段存放在后继的帧中，该字段置1。Retry（重发）：只有一个位。对于重发帧，该字段置1；其它帧置0。PowerManagement（电源管理）：该字段指明发送工作站在完成目前的帧交换序列之后的电源管理模式。如果工作站进入睡眠模式，MAC层将该字段置1；置0则表示工作站处于激活模式。MoreData（更多数据）：如果某工作站还有MSDU要发往处于节能模式的工作站，那么发送工作站将该字段置1；其他种类的发送则置0。WEP（加密）：本字段置1表示向接收工作站声明，帧体（Frame Body）已经被WEP算法加工过了（数据已经用密钥加密）；其他情况本字段置0。Order（排序）：所有采用严格顺序服务级别的数据帧，该字段置1。表明这些须按顺序处理。
