IEEE 802.11無線區域網

IEEE802.11概述

實際上，基於TCP/IP、滿足ISO制定的LAN規範的WLAN很早就誕生了，我們所熟知的由美國夏威夷大學開發的、基於CSMA/CD的第一個乙太網(Ethernet)——夏威夷大學高級連接網路(ALOHA，AdvancedLinkageOfHAwaiiuniversity)就是VHF波段的WLAN。因為夏威夷大學的多個校區相距很遠，當時惟一可選的方式就是無線電通信技術。當然，當時的技術沒法考慮移動，設備過大，校園計算機數據傳輸也無須移動。以後在LAN技術成熟后的WLAN也是不支持移動的，一般在樓頂上架設天線實現樓與樓之間的互聯，在樓內設備之間通過安裝像支持X.25協議的無線Modem或Modem卡實現互聯。

雖然ISO-OSI/RM提出來了，但世界各大廠商並沒有按照執行，造成無論是有線LAN還是WLAN，都是各自為政，自定標準和制式，無法兼容，這中間著名的系統有IBM的系統網路結構(SNA，SystemNetworkArchitecture)、DEC公司的數字網路結構(DNA，DigitalNetworkArchitecture)、NOVELL公司的網際互聯及特定互聯協議(IPX/SPX，InterconnectiveProtocol&SpecialProtocolwithanyothers)等，但支持最多的是由美國國防部組織提出並在網際網路的前身—高級研究計劃署網路(ARPANet，AdvancedResearchProjectAgency’sNetwork)上得到成功應用的TCP/IP協議標準，TCP/IP成為事實上的國際標準。ITU和IEEE兩大組織趁熱打鐵，在大家呼喚統一的時候，以TCP/IP為藍本、ISO-OSI/RM為基礎，吸納了SNA、DNA、IPX/SPX等的公共特性，制定了IEEE802.3系列協議，對從功能到外部介面規格等給出了完整規範的定義，為網際網路的迅猛發展奠定了根本性的基礎。

在IEEE802.3協議中有關X.25等無線接入的電氣特性等也有相應的規定，但非常簡單粗糙，很多有關WLAN的功能都沒有定義，特別是沒有關於移動性方面的定義。

但IEEE吸取了上次制定802.3協議成功的經驗和ISO制定OSI/RM七層LAN模型的經驗教訓，自1990年代初開始討論醞釀有關WLAN的802.11協議，盡量滿足和兼顧已有系統，同時更放眼未來，所以直到1998年才最終制定出了姍姍來遲的802.11協議。

嚴格地說，802.11協議只是對802.3協議的補充，主要體現在對物理層以及數據鏈路層的MAC子層的定義和補充，因為802.3所對應的TCP/IP協議當時就是針對不太可靠的通道定義的，因此，在數據鏈路層的高級數據鏈路控制規程(HDLC)或同步數據鏈路控制規程(SDLC)中對糾錯編碼等有詳細的規定，在傳輸層及更高層也都有提高可靠性的措施。802.11協議根據其物理層所使用的頻段不同，又分為802.11a和802.11b，兩者的工作原理和規範一致。下面首先介紹802.11的工作原理和具體規範，然後再進行兩者之間比較。

定義

IEEE802.11無線區域網是指基於IEEE802.11標準的無線區域網。

IEEE802.11的工作原理

圖1給出了802.11的原理結構，前面我們曾經提到IEEE802.11協議富有遠見，主要體現在：它所採用的不是純通道競爭使用機制，而是將每個工作周期設計為一個超幀，中間分為無競爭期和競爭期兩部分。兩個階段所採用的策略不同，面向不同的業務。

無競爭業務和競爭業務的劃分是在對CSMA/CA改進的基礎上，從MAC子層上提出來的。CSMA技術是在ALOHA的基礎上改進獲得的，純ALOHA由於過度的碰撞使通道利用率只能達到18.4%，時隙ALOHA通過設置時隙，使通道利用率最大達到36.8%，CSMA技術是在時隙ALOHA基礎上，通過規定每個想發送的站點首先偵聽通道，空閑則發送，有載波則表示忙，需等待。

CSMA技術又分為堅持CSMA(最大利用率0.5)和非堅持CSMA(最大利用率0.8)。在CSMA基礎上再增加碰撞檢測功能，一旦有碰撞則立即停止發送，可使通道利用率大於0.8。但是對WLAN，CSMA/CD無法使用，因為WLAN中的無線終端存在遠近效應而引起站點隱藏，使發送站無法做到邊發邊收。而CSMA/CA是一種比較有效的方法，CSMA/CA有多種實現方式，在無線環境中可採用發送請求發送幀/允許發送幀(RTS/CTS)的方式。在A向B發送前，首先發送RTS幀，B空閑則立即回送CTS幀，則A可以向B發送，而同時另一個C也受到該CTS，表示B忙，必須等待，直到C發出的RTS由B回送CTS為止，表示此時B空閑，C可以發送給B。

RTS/CTS解決了由於遠近效應引起的站點隱藏問題，即實現了站點暴露。當然，雖然RTS/CTS幀很短，但也存在衝突問題，特別是無線通道的干擾也會造成它們無法正確接收，而使CTS失效，為此在許多WLAN方案中常常將IP、IPX協議作為數據報，直接放入MAC幀中，雖然數據報無須確認，但丟失的信息在傳輸層重傳會影響通信性能，因此在IEEE802.11中僅僅作為可選項。

圖1無線區域網標準802.11

接收站點在收到數據幀后回送一個應答確認幀確認(ACK)，這樣，一個數據幀的發送過程為RTS(A)/CTS(B)/DATA(A)/ACK(B)，當然對小於100Byte的數據幀，採用RTS/CTS反而降低網路的吞吐率，增加時延，因此在802.11中RTS/CTS也是作為一個可選功能存在的。

此外對於WLAN，還可以採用DSMA/CD技術，實現移動台與基站在上行鏈路上的動態共享。DSMA/CD與CSMA/CD相似，主要由於無線上行通道無法採用邊聽邊發來實現碰撞檢測，故需由基站來檢測碰撞，並生成一個指示由碰撞所造成發送失敗標誌的數據分組，通過下行鏈路發送給各用戶，由此用戶可判斷發送是否成功。

802.11的超幀設計，分別定義了支持同步業務以及時限業務的無競爭方式和支持非同步業務的競爭方式。無競爭方式就是中心協調方式(PCF，PointCoordinationFunction)。PCF方式中將時間域劃分為各個超幀，在無競爭期採用與光纖分散式數據介面(FDDI，FiberDistributedDataInterface)LAN類似的主控站(AP)輪詢，某個時刻允許某個站點發送；在競爭期，則採用CSMA/CA方式，即分佈協調方式(DCF，DistributedCoordinationFunction)。時限業務對實時數據和話音業務至關重要。

（1）基本型CSMA/CA。

IEEE802.11的MAC採用基本的CSMA/CA時演演算法非常簡單：當監聽到某個通道空閑時間超過一個幀間間隔(IFS，Inter-FrameSlot)則立即開始發送；否則堅持偵聽直到通道空閑超過IFS，選擇隨機退避時延進入退避；退避結束后如果通道空閑則立即發送，否則繼續上述過程，並按二進位指數增加選擇退避時延。基本的CSMA/CA利用物理層提供的載波監測指示信號(CS)監測通道忙閑。IEEE802.11的MAC對應有三種接入優先順序，IFS也不同。

a．short優先順序：需要立即響應業務(如MAC的ACK幀、PCF輪詢響應幀等控制幀)的優先順序，其IFS最小，稱為SIFS。

b．PCF優先順序：PCF接入時的優先順序，其IFS居中，稱為PIFS。

c．DCF優先順序：DCF接入時的優先順序，其IFS最大，稱為DIFS。

（2）增強型CSMA/CA。

為增強CSMA/CA對非同步業務傳輸的可靠性，IEEE802.11的MAC在基本型CSMA/CA基礎上增加了MAC確認機制，即增強I型CSMA/CA=基本型CSMA/CA+ACK。

由此可實現MAC層的幀丟失監測和重發，減少因傳輸層重發而對通信性能的影響。為進一步彌補無線環境下不便檢測衝突的缺點，降低站點隱藏問題，減少衝突概率，源宿之間還可以用short優先順序發送RTS/CTS幀。RTS/CTS中的duration欄位由除目的站以外的各站點用於設置自己的網路分配矢量(NAV，NetworkAllocationVector)，以確定通道將被佔用的時間。這樣，載波監測功能可以通過監測、維護CS和NAV來實現。即增強II型CSMA/CA=基本型CSMA/CA+ACK+RTS/CTS。

IEEE802.11的MAC要求DCF方式必須支持基本型CSMA/CA，增強型CSMA/CA為可選。

（3）延遲接入和退避演演算法。

發站檢測到通道忙時會延遲接入，監測到通道空閑時間大於IFS后選擇一個退避時間進入退避狀態，退避演演算法為二進位指數演演算法，可解決處於延遲階段的多個站點的競爭問題。

（4）防止重幀。

由於引入了確認和重發，因此802.11MAC有可能重幀，即收站同時收到相同的多個幀。為此802.11MAC採用幀中的媒體分組數據單元身份標識(MPDU-ID，MediaPacketDataUnit’sIDentification)域來防止重幀現象。收站堅持一個MPDU-ID，拒絕接收具有相同MPDU-ID的其他幀。

（5）DCF的執行。

由於通道忙而使無競爭期的起點和長度都發生變化，並引起超幀的擴展，但無論如何，DCF非同步業務都要等到PCF完成之後才能獲得訪問通道的權利。

（6）AP的輪詢。

AP以PCF優先順序向參與無競爭業務的站發送下行數據幀(CF-Down，ContentFrameofDown-link)，使用幀頭的控制域輪詢比特進行輪詢，若被輪詢到的站有緩衝數據，則檢測到SIFS后立即發送。若AP發出輪詢后PIFS內沒有響應，AP恢復控制通道，發送下一個輪詢。被輪詢的站無須對CF-Down進行確認。

（7）網同步。

WLAN的每個站都有自己的時鐘，所謂網同步，即這些時鐘之間進行同步。WLAN分為有中心和無中心兩種結構，有中心WLAN由AP控制網的同步，周期性地發送含自身時鐘信息的信標幀，蜂窩內所有與該AP相連的站根據該信標幀修改自己的時鐘。對於無中心WLAN，每個站都承擔著定期發送信標幀的職責，每個站根據收到的信標幀對自己時鐘進行調整。實現全網的定期同步。利用同步可用於實現以下功能：

a．節能管理，允許移動台關閉，直到下一個信標幀來臨為止。

b．物理層管理，當物理層使用跳頻擴頻時，網同步可用於確定跳頻定時。

c．支持時限業務，利用網同步完成超幀定時等。

信標幀是定時發送，但也必須遵循CSMA/CA通道基本接入原則。因此確定“信標間隔”只是預計發送時刻。信標含時戳、信標間隔、發送者物理網址(MAC地址)等內容，以廣播方式發送。

IEEE802.11a和IEEE802.11b的比較

（1）IEEE802.11的物理層定義

IEEE802.11a和IEEE802.11b的主要區別在於關於物理層的定義上。為此，我們首先從整個IEEE802.11的物理層的定義開始。WLAN的物理層主要是通過調製電磁波的幅度、頻率或相位來傳輸信息，整個連續的電磁波頻譜包括從無線電波、紅外、可見光到紫外、X射線、g射線等，紫外以上頻譜由於對人體有害而沒有使用。ITU-R目前已經從長波定義到亞毫米波，具體見表1。

表1關於無線電頻段的定義

目前，VHF以上頻段用於無線通信，陸地公共移動通信主要分佈於VHF和UHF頻段，其中只有2.400～2.482GHz屬於國際公認的可以自由使用的工業/科學/醫學頻段(ISM，bandofIndustry,Scientific&Medical)，此外美國還有902～928MHz、5.725～5.850GHz兩個ISM頻段。紅外屬於THF以上頻段，目前還沒有嚴格定義和限制。無線電頻段中，ISM頻段是無須向當地政府申請就可自由免費使用的頻段，而其他頻段則必須申請批准后才能使用。因此，目前IEEE802.11的無線電頻段由習慣到正式規範都是ISM頻段。此外，其他支持TCP/IP的WLAN技術則是利用FM廣播的副載波或電視行掃描或幀掃描的時間間隙進行單向/雙向的計算機數據通信業務，如網際網路瀏覽、E-mail等業務。

IEEE802.11物理層在定義無線電通信時，主要考慮採用直接序列頻譜擴展(DSSS，Direct-SequenceSpectrum-Spreading)和跳頻頻譜擴展(FHSS，Frequency-HopSpectrum-Spreading)，以提高數據傳輸的可靠性。通過擴頻可以獲得相應的擴頻增益，當然要以佔用更大的頻帶為代價。

DSSS通過將數據用偽隨機雜訊直接調製擴展頻譜，再用對應頻段的載波調製。FHSS則是將時間域分成若干個時隙，數據以幀的形式在每個時隙上用同一個載波調製發送，不同的時隙採用不同的載波，載波的選取一般在一個頻率範圍內按隨機順序抽取。無論是DSSS，還是FHSS對同步有很高的要求。DSSS和FHSS的性能可以從以下幾個方面進行比較：

①抗大幅窄帶干擾。DSSS在相關解擴時，對於可與有用信號相比擬的平均干擾有很強的抗干擾能力，但幅度遠大於信號的干擾會導致系統性能嚴重惡化，發生頻繁的丟幀現象；FHSS通過選擇跳變方案，避開干擾頻率來避免干擾，一般此類干擾對FHSS影響不大。

②抗衰落。頻率選擇性衰落只能在少部分頻譜上產生衰落，因此DSSS由於有很寬的頻譜，幾乎不受影響；FHSS將會受到比較嚴重的影響，因為FHSS的信號實際頻帶不寬，通過快速跳變可以部分解決問題，當然成本也相應上升。

③抗多徑干擾。多徑干擾不但會引起頻率選擇性衰落，還會造成時延和脈衝展寬。對於DSSS，只要多徑時延大於碼片寬度，就不會有太大影響；FHSS則必須通過快速跳變、分集接收等措施來克服。

④遠近效應。當兩個站點之間存在第三個站點並同時收發，則會造成干擾幅度遠大於信號幅度的遠近效應。遠近效應對DSSS系統影響較大；對FHSS系統影響較小。

⑤同步。DSSS必須實現偽隨機碼元之間的同步才能實現解擴；而FHSS只要在規定時間內與該時隙的載波同步即可實現解擴解調，顯然簡單得多。

⑥組網能力。擴頻技術屬於多址技術，即CDMA，兩者都有很強的組網能力，同樣情況下FHSS要高於DSSS。

⑦信號處理。DSSS適合於相干解擴解調，比較簡單；而FHSS採用非相干解調，性能不如DSSS。

⑧安全保密性。兩者都不錯，但DSSS可以淹沒在雜訊中而不影響接收，FHSS則隱蔽性差一些。

⑨穩定性。由於DSSS對時鐘要求太高，技術上實現比FHSS複雜的多，其產品的穩定性不是很好。

表2DSSS和FHSS的性能比較

無線系統的多址技術最早採用的是模擬頻分多址，通過不同的載波/副載波實現不同的通道；數字系統最早採用時分多址，通過將時間域分割為若干個時隙，每個時隙對應為一個通道；上面介紹的擴頻技術屬於碼分多址，不同的擴頻調製碼本身，或其所對應的載波作為通道。目前最新的多址技術是利用智能天線形成自適應多波束，每個波束對應一個通道，從而實現空分多址。

（2）IEEE802.11a和IEEE802.11b的比較

IEEE802.11a和IEEE802.11b的定義主要根據其功能分工的不同，在物理層上進行不同的定義。主要功能區分是工作距離和帶寬。兩者都可以看成對原先定義的802.11標準的擴展和補充，802.11一開始定義的速率是1～2Mbit/s，兩者都超過了它。

IEEE802.11b由Apple公司提出，並因其與原802.11在速率上兼容，很快得到批准而成為國際標準。它定義為用於室內(≤100m)或室外近距離(≤500m)的WLAN，因此其發射功率有嚴格限制，一般室內≤10mW，室外≤100mW；發射天線一般尺寸比較小；數據帶寬分為1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s、11Mbit/s等多種可選的速率，最大不超過11Mbit/s，根據通道情況自動選擇；調製方式就是上面介紹的DSSS或FHSS；工作頻率為2.4GHz的ISM頻段。

IEEE802.11a定義為室外大距離(≥500m)WLAN，一般工作距離為5km，最大可達100km；發射功率≥1W，工作距離越大，發射功率越大；天線尺寸比較大，一般都是固定在大樓頂上，少數通過車載實現野外移動，但工作時必須固定不動；數據總帶寬≥20Mbit/s，典型為54Mbit/s，根據網路規模載波等有所不同，已知有達到160Mbit/s的數據帶寬；通過採用OFDM技術，進一步提高頻率利用效率；工作頻率為5.6～5.8GHz的ISM波段。IEEE802.11a比IEEE802.11b又進一步考慮了與WATM或ATM的兼容性，因此在其對外AP上提供了25Mbit/s的ATM基本速率和10Mbit/s的乙太網基本速率的兩種介面。

實際上，當時IEEE802.11定義時考慮了分層WLAN的想法，即上層為可與高速骨幹網或城域網連接的IEEE802.11a系統(簡稱A系統)，下層為IEEE802.11b系統(簡稱B系統)或普通有線LAN。其關係可以用圖2來描述。

當然，A系統和B系統都可以單獨使用，或分別與有線LAN或網際網路連接。

圖2A系統與B系統及普通LAN的關係