WLanDCF-MAC协议
无线局域网及IEEE 802.11协议
4.10 无线局域网及IEEE 802.11协议WLAN在无线网络中的位置WWAN：Wireless WAN WMAN：Wireless MANWLAN：Wireless LAN WPAN：Wireless PANWLANWLAN (Wireless Local Area Network ) 是指传输范围在100米左右的无线网络，它的推动联盟为Wi-Fi Alliance （目前都以Wi-Fi 产品的称呼来形容802.11 的产品），可用于单一建筑物或办公室之内，需要使用WLAN的场合主要包括：(1)不方便架设有线网络的环境;(2)使用者时常需要移动位置;(3)临时性的网络。
802.11 WLAN主要面向两种应用类型：(1) 接入：无线站点通过无线接入设备访问企业网络(2) 中继：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼(LAN)与大楼(LAN)之间的数据传输WLAN 协议----IEEE 802.11在实际使用上，通常会将WLAN和现有的有线局域网结合，不但增加原本网络的使用弹性，也可扩大无线网络的使用范围，目前最热门的WLAN 技术就是IEEE的802.11及其相关标准。
❑IEEE 802.11(1997.6)，1或2Mbps，工作在2.4GHz频段或使用红外(IR)❑IEEE 802.11a(1999), 54Mbps，12个信道，最多8个互不重叠，工作在5GHz频段❑IEEE 802.11b(1999.9), 11Mbps ，11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段❑IEEE 802.11g(2003.6), 54Mbps，11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段（802.11g兼容802.11b）同一空间多信道的使用增加了带宽Blue = 11Mb/s(channel 1)Total Bandwidth=33Mb/s!!Green = 11Mb/s(channel 6)Red = 11Mb/s(channel 11)无线局域网WLAN 的组成两种类型的WLAN ：1. Infrastructured 网（有固定基础设施的网络）2. Ad Hoc 网（特定网络，或称自组网络，无固定基础设施）BSS （基本服务集）Infrastructured 网(基础设施网)有AP(Access Point, 接入点)，无线站点通信首先要经过APAd Hoc 网（无线自组网）IBSS (Independent BSS ，独立基本服务集)，无AP ，站点间直接通信）IBSSBSSESS（扩展服务集）属Infrastructured 网( DS:分配系统，AP：接入点，SSID：ESS扩展服务集标识符。
WLAN基本与基础知识
WLAN标准族（二）
标准编号 IEEE 802.11k IEEE 802.11m IEEE 802.11n IEEE 802.11o IEEE 802.11p IEEE 802.11q IEEE 802.11r IEEE 802.11s IEEE 802.11t IEEE 802.11u IEEE 802.11v
OFDM（正交频分复用）
每个载波间的频率是正交的，也就是说在每个载波频率 的峰值上其它所有载波的幅度为零；
这样各个载波可以重复排列，有效地提高频谱的利用 率；
优点：具有频谱资源灵活配置、抗多径衰落、带宽扩展 性强、频谱利用率高等；
缺点：峰均比过高、对频率要求高、处理复杂； 在WiFi、WiMax、3GPP LTE、3GPP2 UMB、
5725 5745 5765 5785 5805 5825 5850 MHz
WiFi使用频率
由于信道衰落等条件限制，目前WLAN多用 2.4GHz频率；
ISM（Industrial、Scientific、Medical）频段 使用无需申请、无需缴纳频率占用费；
在我国2.4GHz设备的使用，要求满足《信部 无[2002]353号》文件；
j, k)2
Q(i,
j, k) Q0 (i,
j, k)2
j1 k 1
52Lp P0
Nf
Lp 分组长度； N f 被测量帧的数目；
I0 (i, j, k),Q0 (i, j, k)复平面上第i个帧的第j个OFDM符号的第k个子载波的理想符号点； I (i, j, k),Q(i, j, k)复平面上第i个帧的第j个OFDM符号的第k个子载波的检测点；
其他使用2.4GHz ISM频段的设备
蓝牙设备 无绳电话 ZigBee 遥控设备 视频监控 。。。。。。
WSN_第五章 MAC 协议
Wireless Sensor Networks
Akyildiz/Vuran
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IEEE 802.11
IEEE 802.11, “无线局域网的MAC协议与PHY规范,” 1999
原为WLANs而开发
Wireless Sensor Networks
Akyildiz/Vuran
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基础知识回顾
基本的 CSMA/CA (数据流图)
监测信道，直到当前传输结束。
Wireless Sensor Networks
Akyildiz/Vuran
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基本的 CSMA/CA
一旦当前传输结束，节点持续监测IFS时间。
若该时间段信道空闲，节点使用二进制指数退避方案进行退避，保持监测信道。
退避方案 节点选取一个随机时隙数作为计数器的初始值。
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CSMA/CA中存在的问题
隐藏终端问题（Hidden terminal problem） 暴露终端问题（Exposed terminal problem）
Wireless Sensor Networks Akyildiz/Vuran
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26
隐藏终端问题
A
B
DATA
节点A感知到信道空闲，开始传输数据
C-D传输与A-B传输实际上不会发生冲突
Wireless Sensor Networks Akyildiz/Vuran
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带RTS/CTS的分布式无线介质访问控制协议
当检测到信道空闲时间大于DIFS时，发送方传输一个RTS(Request To Send)包。 当检测到信道空闲时间大于SIFS时，接收方回应一个CTS(Clear To Send)包。 传输数据。 RTS/CTS为数据传输预留信道，冲突仅发生在控制包传输阶段。
第7章 无线局域网的逻辑链路控制与链路性能
DCF两种机制的吞吐率
1) 归一化系统吞吐率
DCF的延迟性能
室外WLAN的覆盖范围
二、PCF协议性能分析
三、二节 LLC层差错控制
• CSMA/CA采用离散时间(mscrete-time)退避算法， 退避的最小时间间隔为一个时时间(Slot Time) ：
• CSMA/CA采用的二进制退避算法是指:当终端检 测到信道空闲时间DIFS或发生了碰撞，会首先按 照均匀分布规则，从[0，W-l]中选取一个值作为退 避时间。W就是退避窗口，通常取决于碰撞的次 数，在帧的第一次传输时，W等于最小碰撞窗口， 每次不成功传输都会使得W增加一倍，直到增至 最大碰撞窗口。
• 通常，随机访问机制都有一种不稳定特性，即随 着输入负载的上升，系统的吞吐率上升，直到一 个最大值(最大吞吐率)。之后，输入负载的进一 步上升会使得系统吞吐率急剧下降。从实际的角 度考虑，很难令系统保持在最大吞吐率的工作状 态。为了分析DCF在系统过负载的情况下的性能， 我们用“饱和吞吐率”(SaturationThroughput)这 一参数来表征输入负载足够大时系统的吞吐率维 持在一个什么样的程度。
•
• • • • •
为了方便分析，我们作如下假设: · 信道为理想信道，不考虑传输错误，即忽略信道 噪声造成的比特错误及其弓起的帧错误，而只是 考虑协议本身的性能;并且认为电子发送冲突所造 成的任意长度的帧重叠都将引起帧差错，必须被 重发。 · 小区内的站点数目足够多(大于10)但有限，认为 所有站点的报文分组到达(包括新分组到达和重发 分组到达)过程是泊松过程。 · 无论帧传输多少次，其碰撞概率恒定且相互独立。 · 不考虑隐藏终端问题和信道捕获效应。 · 每个终端始终有帧要发送，即系统的输入处于饱 和状态，每个终端的输出队列始终非空。 · 站点的移动是有限的，忽略站点发送和接收数据 分组，以及控制帧时的位置变化。这是由于 IEEE802.11没有考虑节点移动性造成的。
IEEE_802.11无线协议中文
5350 [MHz]
中央频率 =5000 + 5*信道号 [MHz]
149 153 157 161 信道
8 + 4 个非重叠信道
5725 5745 5765 5785 5805 5825 [MHz] 16.6 MHz
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OFDM的基本原理
子载波之间正交
子载波频率间隔紧密 每个子载波的功率谱密度的尖峰发生在其他子载波功率的零点. 子载波间隔 (∆f) 等于1/Ts (符号传输周期) 例如 802.11a
天花板反射可用于整个房间的覆盖范围
不能穿越墙壁
更容易确保安全防止窃听 不同的房间之间干扰极少
室内环境将遭受红外背景辐射
阳光和室内光 一个红外接收器周围的辐射如噪声般出现A 需要高功率发射器
受限于关系到人眼的安全和过度的电力消耗
有限的范围
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IEEE 802.11b
扩展的 802.11 DSSS
子载波之间正交
子载波频率间隔紧密
频率选择性衰减
弱子载波上的强衰减通过贯穿子载波的前向纠错(回旋编码)来处理 Coded OFDM编码正交频分复用
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IEEE 802.11a中的OFDM
带 52个已用子载波的OFDM 48 个数据+ 4 个引导 (加上12个虚拟子载波) 312.5 kHz 间隔 (= 20MHz/64)
基本服务组 (BSS)
STA1
BSS1 入口 访问点 分布式系统
访问点
入口
ESS BSS2
访问点
分布式系统
WSN的MAC协议
WSN信道监听与判定
WSN的MAC协议总结
1
二进制指数退避算法原理
点协调功能PCF (Point Coordinate Function) IEEE 802.11 WLAN标准 MAC层采用两种接入机制
（时 （频 （码 分 分 分 多 多 多 ）址 ）址 ）址 TDMA CDMA FDMA
TRAMA协议
BMA协议
混合型MAC协议
混合型MAC协议
解 决 竞争型MAC协议 能量效率不高 分配型MAC协议 不能较好地适应网络 拓扑结构变化问题
Z-MAC协议
基于CSMA/TDMA机制的混 合型MAC协议。在低网络负 载时协议采用CSMA机制访问 信道，以降低延时提高信道 利用率；在高负载时切换至 TDMA模式，规避冲突和串扰。
Funneling-MAC协议 IEEE 802.15.4 MAC协议
③ 当退避计数器值为 0 时， 该节点才能发送数据分组，而退避计数器只有在信 道空闲时才递减， 其他节点成功发送1 次计数器的值就减 1，一旦信道被检测为 忙， 计数器值停止变化，当信道重新空闲了一定的帧间隔长度后，才重新递减。
上式中Random( )为均匀分布在[0，CW-1]范围内伪随机数， CW（Contention Window，竞争窗口）
可选的
分布式协调功能DCF (Distributed Coordinate Function)
强制的
支持和控制节点访问信道
802.11多采用DCF竞争共享信道
目前，基于802.11的无 线局域网大多采用DCF 控制节点对信道的访问
CSMA/CA机制
克服隐藏 终端问题
无线局域网MAC层QoS机制论述
无线局域网MAC层QoS机制论述摘要：无线局域网由于技术简单、成本低廉并能提供高速率的数据传输而得到广泛的应用，如何在有限的网络资源和不稳定的物理介质前提下在MAC层提供有效QoS服务,成了无线网络研究界的一个新的课题。
本文分析并总结了当前在无线局域网提供QoS的技术难点和主要的QoS提供策略,对现存的QoS提供机制从两个角度进行了分类和概括,最后指明了MAC层QoS研究的发展方向。
关键字：无线局域网，QoS，802.11，802.11eAbstract WLAN is widely applied due to its simplicity, low-cost and high-speed data transmission. what we can do to provide effective QoS support at MAC layer is an important research issue. In the light of recent QoS research on WLAN at MAC layer, this paper summarizes the difficulties and principles of QoS provisioning for WLAN. Taxonomy of the existing QoS schemes is given which guides the analysis of various QoS protocols and mechanisms. Finally, this paper pointed out the research trend of QoS MAC schemes for WLAN.Keywords WLAN, QoS, 802.11, 802.11e引文由IEEE组织制定的802.11标准体系是当前最为广泛使用的WLAN技术,但是就802.11协议本身来说并不直接对QoS具有支持,这已经成为802.11网络不能被QoS要求高的多媒体无线应用(如VOIP, DTV)所接受的主要原因。
无线局域网的服务质量保障
无线局域网的效劳质量保障随着无线网络上流量的剧增，用户在享受宽带无线接入的同时，对于有效、鲁棒的效劳质量〔QoS〕保障的需求也越来越突出。
QoS的实现首先要精确区别每个网络应用的类型，其次要恰当地分配网络资源，如带宽和相对优先级等。
早期的QoS研究主要针对有线网络，在网络层以上提供效劳质量保障。
如综合效劳/资源预约〔IntServ/RSVP〕、区分效劳〔DiffServ〕、多协议标签交换(MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)、约束路由(CBR)、子网带宽管理(SBM)等。
但是上述的QoS机制并不能直接应用于无线网络中，主要有2个原因：首先，无线传输与有线传输有很大区别，在无线传输中，串扰和多径传播将导致衰落和色散，因此无线网络具有数据传输率低而误码率高的特点。
而WLAN为了保证灵活性和兼容性，协议标准只制订MAC层和PHY层标准，从而造成网络上层的QoS与无线链路层的别离，最终导致QoS无法得到充分发挥；其次，随着无线接入技术的开展，异质网络的应用将越来越普及，各种应用一般会经过无线接入、有线骨干网传输、无线接入的传输途径，在这种情况下，紧紧依靠传统的有线网络QoS机制已经无法提供端到端的效劳质量保障，迫切需要一种能够针对无线信道的特点，在无线链路层媒体访问控制〔MAC〕子层提供网络业务的区分、优先级控制、资源分配等的QoS控制和保障，从而使无线网络和有线网络的QoS进行整体规划。
为无线网络添加QoS的802.11e标准迟迟没有在IEEE获得批准，虽然很多厂家声称支持802.11e，但是由于没有统一的标准，设备间的互通性很难保证，使得部署具有QoS保障的WLAN网络非常困难。
Wi-Fi联盟从IEEE 802.11e无线局域网QoS标准草案中提取出一局部创立了无线多媒体WMM〔Wireless MultiMedia〕标准，为Wi-Fi联盟的设备提供互通性认证，对于WLAN QoS网络的部署发挥了积极的作用。
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CSMA／CA的MAC(多址接入)部分又可以分为两类：基本方案和RTS／CTS (Request To Send／Clear To Send)方案。
下面讨论RTS／CTS方案。
当采用RTS／CTS方案时，如果一个节点有数据需要发射，首先检测信道是否空闲：
(1)如果信道空闲且空闲持续时间的长度达到DIFS(分布式的帧间间隔)，节点则首先发射一个RTS分组来预约信道，然后目标接收节点应答一个CTS组。
(2)如果信道非空闲，或空闲持续时间小于DIFS，则节点进入冲突避免(CA)状态。
当节点接收到CTS 分组后，开始发射DATA分组，最后目标接收节点再应答一个ACK分组。
由于RTS分组(长度为44字节)之间的冲突对网络性能造成的损害要远远小于DATA分组(长度为2346字节)之间的冲突所造成的损害，因此，采用RTS／CTS方案可以提高网络的性能。
但是，当DA TA分组的长度较小时，就需要考虑发射RTS ／CTS所造成的开销。
CSMA／CA的CS(载波检测)部分包括物理层的载波检测和MAC层的虚拟载波检测。
前者主要是检测其他节点造成的信道物理状态的变化。
后者则通过使每个节点都各自维持一个NA V(网络分配矢量)参数来实现。
当一个节点(如A)收到其他节点发射的RTS、CTS和DATA分组时，从这些分组的头部提取出该数据交换序列剩余的持续时间来更新A自己的NA V。
根据NA V的值，A的MAC层就能够知道当前的数据传送活动将在什么时候结束。
因此，采用虚拟载波检测的主要目的是为了在多跳Ad hoc网络中防止出现隐终端问题。
此外，在许多节省能量消耗的方案中，虚拟载波检测机制对于确定节点应该何时从“睡眠"状态“醒来"而进入到“活跃”状态也是非常重要的。
CSMA／CA中的CA(冲突避免)部分比较简单：当节点接收到新的数据发送任务时，首先检查载波检测的结果，如果信道空闲且持续时间超过DIFS时间，则立即发送该分组；如果信道非空闲或空闲持续时间小于DIFS时间，则随机选择一个退避时间之后执行随机退避；在退避的过程中如果信道非空闲则暂停随机退避过程，而当信道转为空闲且持续时间超过DIFS时间之后再恢复随机退避过程，并在随机退避计数器的数值递减为O时立即发送RTS分组。
当RTS-CTS握手失败或DA TA-ACK握手失败时，发射节点则认为发生了分组接收冲突事件，进而执行冲突解决：增大随机退避窗口的数值，随机选择退避时间并执行随机退避过程。
如果RTS-CTS连续握手失败的次数达到一定的数值，则认为目标节点已不可达，此时发射节点丢弃分组并向路由层报告链路失效。