无线局域网基本原理及技术
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• 扩频技术主要又分为频率跳频技术（FHSS） 及直接序列扩频技术（DSSS）两种方式。
跳频技术 FHSS
• 跳频技术是依靠快速地转换传输的频率来实现的，每一个时间段内使用的频 率
• 和前后时间段的都不一样，所以发送者和接收者必须保持一致的跳变频率， 这
• 样才能保证接受的信号正确。
• 跳频技术可以避开许多干扰的出现，包括某些工作在特定频率下的信号，这 样
• 各种IFS的作用也不相同。SIFS是IEEE 802.11中规定的最小的IFS， 用于满足所有需要立即响应的服务，如发送ACK帧、CTS（Clear to Send）帧以及主机对PCF机制中的轮询作出的应答帧。PIFS用于 PCF机制中，无线接入点AP在媒体空闲达到PIFS时间以后，获得媒 体的控制权，宣布CFP（Contention Free Period，无竞争期间）的 开始。在无竞争期间，AP监听到媒体空闲时间达到PIFS时间以后， 可以继续发送下一帧。DIFS用于DCF机制中，是发送数据帧和管理 帧时使用的时间间隔。
空闲时避退时间计数器做减1计数，媒体忙时则停止计数。 4. 在避退时间计数器减到零后，主机立即发出数据帧。 5. 发出数据帧后，如果在规定的时间内没有收到ACK，表明数据帧发送
无线局域网基本原理及技 术
内容 1. 无线局域网的概念 2. 无线局域网的标准 3. 无线局域网的技术 4. 无线局域网的应用
1. 无线网络的概念
传统有线网络 数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是 别的有线介质。
无线网络 数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它 无线介质。 信号在空气中传播，可以被任何人接收。
CSMA/CA协议
• 以DCF中的数据帧发送为例，CSMA/CA协议的算法过程如下： 1. 发送主机监听媒体，如果媒体空闲达到DIFS时间，主机立即发出数
据帧。 2. 如果媒体忙，则等待媒体空闲时间达到DIFS以后，进入避退过程。 3. 主机根据避退算法选择一个避退时间，并设置避退时间计数器。媒体
Barker sequence Transmitted data
1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 01 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 00 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1
802.11MAC层
1. 802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个 用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性。802.3协议冲突的 检测采用CSMA/CD 方式，而在802.11无线局域网协议中，采用了新的协议
IEEE802.11a: QAM/OFDM
IEEE802.11g: DBPSK、DQPSK、QAM/OFDM、PBCC、CCK
什么是展频
• 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信 号所占有的频带宽度远大于所传信息必需 的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立 的码序列来完成，用编码及调制的方法来 实现的，与所传信息数据无关；在接收端 则用同样的码进行相关同步接收、解扩及 恢复所传信息数据
CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
2. 另一个的无线MAC层问题是“隐藏终端”问题。为了解决这个问题，802.11在
MAC层上引入了一个新的Send/Clear to Send(RTS/CTS)选项，间接解决了
什么是ISM
• 该频段是依据全球性国际组织美国联邦通 讯委员会(FCC)所定义出来，适用于全球各 I地SM 来使用，无需授权使用。
工业（Industrial）、科学（Scientific）与医疗（Medical） ISM频段
欧1 美2 日3
1
2 3 4 6 8 10 GHz
20 30 40 60 100
加入网络
• 在一个基础结构网络中，如果一个新的站 点想要加入该BSS，则需要获取该BSS的 ID、TSF等参数
• 两种获取参数的方法
– 被动扫描：站点对每一个信道进行监听，寻找 其希望加入的BSS的AP发出的信标帧
– 主动扫描：站点发送包含有该站希望加入的 SSID信息的探询帧百度文库
• 发现了希望加入的BSS的AP后，进行认证 和其他连接工作
无线数据网分类
无线数据网的种类 无线个人网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线网桥、 无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。
*无线个人网 主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问 本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。
IEEE 802.11的无线局域网标准
802.11a
802.11b
802.11g
标准确立日期 1999．9
1999．9
仍在开发
工作频段
5.150-5.350 GHz 2.400-2.483GHz 2.400-2.483GHz
5.470-5.850 GHz
频宽 580MHz
83.5MHz
83.5MHz
• DCF：分布式访问控制方式，类似于IEEE 802.3以太网的线路争用协议
• PCF：中心网络控制方式，一个无竞争访 问协议，适用于访问节点安装有点控制器 的网络
• DCF和PCF能够在同一个基本服务组 （BSS）中提供并行的可选的竞争和无竞 争访问期
IEEE 802.11 帧间隔
IEEE 802.11 帧间隔
• 为了尽量避免冲突，IEEE 802.11标准规定了不同的IFS（InterFrame Space，帧间间隔），分别是SIFS（Short InterFrame Space，短帧 间隔）、PIFS（PCF InterFrame Space，PCF帧间隔）和DIFS （DCF InterFrame Space，DCF帧间隔）。各种IFS的长短各不相同， 它们之间的关系满足：DIFS>PIFS>SIFS。
互不重迭 频道数量
数据速率
13（U.S）
19（Europe） 6，9，12，18， 24，36，48， 54Mbps
3
1，2，5.5， 11Mbps
3
6，9，12，18， 24，36，48， 54Mbps
UDP数据吞量 30.9Mbps
7.1Mbps
16.4Mbps
无线局域网模型
IEEE 802 LAN标准系列
在编码过程，如果要传送的数据是0的话，数列不变；如果传送的数据是1的话，
数列就相反。
在相同的吞吐量下，直扩技术需要比跳频技术更多的能量；但以消耗能量为代
价，它也能达到比跳频技术更高的吞吐量，802.11b能达到5.5Mbps和11Mbps
就
就是采用HR/DSSS技术。
Scrambled data
0
1
802.11物理层
1. 802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范， 无线传输的频道定义在2.4GHz的ISM波段内，这个频段，在各个国际无线管 理机构中，例如美国的USA，欧洲的ETSI和日本的MKK都是非注册使用频段。
2. 802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequency hopping spread spectrum)和DSSS(direct sequence spread spectrum) 技术，需要指出的是，FHSS和DHSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这 两种技术的设备没有互操作性。
“hidden node”问题。由于RTS/CTS需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，
一般只是在那些大数据报上采用(重传大数据报会耗费较大)。
3. 802.11MAC子层提供了另两个强壮的功能，CRC校验和包分片。
CRC校验是指在802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校 验位，这和Ethernet中通过上层TCP/IP协议来对数据进行校验有所不同。 包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这项技术 大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。
*无线局域网 主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主 要技术为802.11系列。
*无线网桥 主要用于大楼之间的联网通讯，典型距离几公里。
*无线城域网和广域网 覆盖城域和广域环境，主要用于Internet/email访问，但提供的带宽比无线局域网技 术要低很多。目前典型的技术是GRPS和CDMA。
0
Time slot
直接序列扩频技术 DSSS
直扩技术是把使用11位的chipping－Barker序列来将数据编码并发送的技术。
发
送端通过spreader把chips（就是一串的二进制码）添加入要传输的bit流中，
称
为编码；然后在接受端用同样的chips进行解码，就可以得到原始数据了。
802.11协议中是使用Barker序列号来作为这个chips的，规定为10110111000，
4. 另外几个部分： a. 802.11e ------- 提高和管理网络的QoS的能力； b. 802.11f ------- 采用IAPP协议，可以在不同的厂商的无线局域网内
实现访问互操作，保证网络内访 问点之间信息的互换。
c. 802.11i ------- 增强WLAN的安全和鉴别机制。
无线介质访问
宽带无线 PHY OSI层1
定义了介质访问控制(MAC)和物理层的操作，包括 MAC子层、MAC服务和协议以及三个物理层
无线局域网基本构架
infrastructure 网络
AP
AP 有线网络
AP: Access Point AP
ad-hoc 网络
IBSS
•IBSS (Independent Basic Service Set)
• 采用跳频后的802.11无线信号就只会丢失这个频率下的信息，损失不大；如
果8
• 想分7 享带宽，也可以采用不同的调频次序来实现。
Signal 1 {2,7,4,5}
• 弱点6 ：速度慢，只能达到1Mbps。
5
Frequency slot
4
3
Work 1 {6………}
2
1
Signal 2 {4,3,1,7}
802.11物理层示意图
MAC层
For 802.11a
正交频分多路技术OFDM
高速DS HR/DS
物
理
直序展频 DSSS PHY
For 802.11b
层
跳频展频 FHSS PHY
红外技术 IR PHY
PHY层
调制技术
IEEE802.11: DBPSK、DQPSK、FSK
IEEE802.11b: DBPSK、DQPSK、CCK
3. 802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理层增加了 两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这个目标，DSSS被选作该标准的 唯一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和1Mbps和2Mbps的802.11 DSSS系统互操作。
4. 802.11b采用了动态速率调节技术，来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连 接速度来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以11M的全速运行，然而，当 用户移出理想的11M速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这 把速度自动按序降低为5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想环境的话， 连接速度也会以反向增加直至11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对 用户和其它上层协议产生任何影响。
•由数个无线工作站所级组成做 点对多点运用的区域网络。
BSS
•BSS (Basic Service Set)
•同一台AP及数台无线工作站 所组成的局域网
ESS
•ESS(Extended Service Set) •一个或多个以上的 BSS即可被定义成一 个Extended Service Set ( ESS )，用户 可在ESS上漫游及存 取BSS系统中的任何 资料，其中Access Points必须设定相同
IEEE 802.2 逻辑链路控制(LLC)
OSI层2
IEEE 802.3 IEEE 802.4 IEEE 802.5 IEEE 802.11 IEEE 802.15 IEEE 802.16 MAC
Ethernet Token Bus Token Ring WLAN
WPAN
BWA
以太网 令牌总线 令牌环 无线局域网 蓝牙
跳频技术 FHSS
• 跳频技术是依靠快速地转换传输的频率来实现的，每一个时间段内使用的频 率
• 和前后时间段的都不一样，所以发送者和接收者必须保持一致的跳变频率， 这
• 样才能保证接受的信号正确。
• 跳频技术可以避开许多干扰的出现，包括某些工作在特定频率下的信号，这 样
• 各种IFS的作用也不相同。SIFS是IEEE 802.11中规定的最小的IFS， 用于满足所有需要立即响应的服务，如发送ACK帧、CTS（Clear to Send）帧以及主机对PCF机制中的轮询作出的应答帧。PIFS用于 PCF机制中，无线接入点AP在媒体空闲达到PIFS时间以后，获得媒 体的控制权，宣布CFP（Contention Free Period，无竞争期间）的 开始。在无竞争期间，AP监听到媒体空闲时间达到PIFS时间以后， 可以继续发送下一帧。DIFS用于DCF机制中，是发送数据帧和管理 帧时使用的时间间隔。
空闲时避退时间计数器做减1计数，媒体忙时则停止计数。 4. 在避退时间计数器减到零后，主机立即发出数据帧。 5. 发出数据帧后，如果在规定的时间内没有收到ACK，表明数据帧发送
无线局域网基本原理及技 术
内容 1. 无线局域网的概念 2. 无线局域网的标准 3. 无线局域网的技术 4. 无线局域网的应用
1. 无线网络的概念
传统有线网络 数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是 别的有线介质。
无线网络 数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它 无线介质。 信号在空气中传播，可以被任何人接收。
CSMA/CA协议
• 以DCF中的数据帧发送为例，CSMA/CA协议的算法过程如下： 1. 发送主机监听媒体，如果媒体空闲达到DIFS时间，主机立即发出数
据帧。 2. 如果媒体忙，则等待媒体空闲时间达到DIFS以后，进入避退过程。 3. 主机根据避退算法选择一个避退时间，并设置避退时间计数器。媒体
Barker sequence Transmitted data
1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 01 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 00 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1
802.11MAC层
1. 802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个 用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性。802.3协议冲突的 检测采用CSMA/CD 方式，而在802.11无线局域网协议中，采用了新的协议
IEEE802.11a: QAM/OFDM
IEEE802.11g: DBPSK、DQPSK、QAM/OFDM、PBCC、CCK
什么是展频
• 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信 号所占有的频带宽度远大于所传信息必需 的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立 的码序列来完成，用编码及调制的方法来 实现的，与所传信息数据无关；在接收端 则用同样的码进行相关同步接收、解扩及 恢复所传信息数据
CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
2. 另一个的无线MAC层问题是“隐藏终端”问题。为了解决这个问题，802.11在
MAC层上引入了一个新的Send/Clear to Send(RTS/CTS)选项，间接解决了
什么是ISM
• 该频段是依据全球性国际组织美国联邦通 讯委员会(FCC)所定义出来，适用于全球各 I地SM 来使用，无需授权使用。
工业（Industrial）、科学（Scientific）与医疗（Medical） ISM频段
欧1 美2 日3
1
2 3 4 6 8 10 GHz
20 30 40 60 100
加入网络
• 在一个基础结构网络中，如果一个新的站 点想要加入该BSS，则需要获取该BSS的 ID、TSF等参数
• 两种获取参数的方法
– 被动扫描：站点对每一个信道进行监听，寻找 其希望加入的BSS的AP发出的信标帧
– 主动扫描：站点发送包含有该站希望加入的 SSID信息的探询帧百度文库
• 发现了希望加入的BSS的AP后，进行认证 和其他连接工作
无线数据网分类
无线数据网的种类 无线个人网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线网桥、 无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。
*无线个人网 主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问 本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。
IEEE 802.11的无线局域网标准
802.11a
802.11b
802.11g
标准确立日期 1999．9
1999．9
仍在开发
工作频段
5.150-5.350 GHz 2.400-2.483GHz 2.400-2.483GHz
5.470-5.850 GHz
频宽 580MHz
83.5MHz
83.5MHz
• DCF：分布式访问控制方式，类似于IEEE 802.3以太网的线路争用协议
• PCF：中心网络控制方式，一个无竞争访 问协议，适用于访问节点安装有点控制器 的网络
• DCF和PCF能够在同一个基本服务组 （BSS）中提供并行的可选的竞争和无竞 争访问期
IEEE 802.11 帧间隔
IEEE 802.11 帧间隔
• 为了尽量避免冲突，IEEE 802.11标准规定了不同的IFS（InterFrame Space，帧间间隔），分别是SIFS（Short InterFrame Space，短帧 间隔）、PIFS（PCF InterFrame Space，PCF帧间隔）和DIFS （DCF InterFrame Space，DCF帧间隔）。各种IFS的长短各不相同， 它们之间的关系满足：DIFS>PIFS>SIFS。
互不重迭 频道数量
数据速率
13（U.S）
19（Europe） 6，9，12，18， 24，36，48， 54Mbps
3
1，2，5.5， 11Mbps
3
6，9，12，18， 24，36，48， 54Mbps
UDP数据吞量 30.9Mbps
7.1Mbps
16.4Mbps
无线局域网模型
IEEE 802 LAN标准系列
在编码过程，如果要传送的数据是0的话，数列不变；如果传送的数据是1的话，
数列就相反。
在相同的吞吐量下，直扩技术需要比跳频技术更多的能量；但以消耗能量为代
价，它也能达到比跳频技术更高的吞吐量，802.11b能达到5.5Mbps和11Mbps
就
就是采用HR/DSSS技术。
Scrambled data
0
1
802.11物理层
1. 802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范， 无线传输的频道定义在2.4GHz的ISM波段内，这个频段，在各个国际无线管 理机构中，例如美国的USA，欧洲的ETSI和日本的MKK都是非注册使用频段。
2. 802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequency hopping spread spectrum)和DSSS(direct sequence spread spectrum) 技术，需要指出的是，FHSS和DHSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这 两种技术的设备没有互操作性。
“hidden node”问题。由于RTS/CTS需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，
一般只是在那些大数据报上采用(重传大数据报会耗费较大)。
3. 802.11MAC子层提供了另两个强壮的功能，CRC校验和包分片。
CRC校验是指在802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校 验位，这和Ethernet中通过上层TCP/IP协议来对数据进行校验有所不同。 包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这项技术 大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。
*无线局域网 主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主 要技术为802.11系列。
*无线网桥 主要用于大楼之间的联网通讯，典型距离几公里。
*无线城域网和广域网 覆盖城域和广域环境，主要用于Internet/email访问，但提供的带宽比无线局域网技 术要低很多。目前典型的技术是GRPS和CDMA。
0
Time slot
直接序列扩频技术 DSSS
直扩技术是把使用11位的chipping－Barker序列来将数据编码并发送的技术。
发
送端通过spreader把chips（就是一串的二进制码）添加入要传输的bit流中，
称
为编码；然后在接受端用同样的chips进行解码，就可以得到原始数据了。
802.11协议中是使用Barker序列号来作为这个chips的，规定为10110111000，
4. 另外几个部分： a. 802.11e ------- 提高和管理网络的QoS的能力； b. 802.11f ------- 采用IAPP协议，可以在不同的厂商的无线局域网内
实现访问互操作，保证网络内访 问点之间信息的互换。
c. 802.11i ------- 增强WLAN的安全和鉴别机制。
无线介质访问
宽带无线 PHY OSI层1
定义了介质访问控制(MAC)和物理层的操作，包括 MAC子层、MAC服务和协议以及三个物理层
无线局域网基本构架
infrastructure 网络
AP
AP 有线网络
AP: Access Point AP
ad-hoc 网络
IBSS
•IBSS (Independent Basic Service Set)
• 采用跳频后的802.11无线信号就只会丢失这个频率下的信息，损失不大；如
果8
• 想分7 享带宽，也可以采用不同的调频次序来实现。
Signal 1 {2,7,4,5}
• 弱点6 ：速度慢，只能达到1Mbps。
5
Frequency slot
4
3
Work 1 {6………}
2
1
Signal 2 {4,3,1,7}
802.11物理层示意图
MAC层
For 802.11a
正交频分多路技术OFDM
高速DS HR/DS
物
理
直序展频 DSSS PHY
For 802.11b
层
跳频展频 FHSS PHY
红外技术 IR PHY
PHY层
调制技术
IEEE802.11: DBPSK、DQPSK、FSK
IEEE802.11b: DBPSK、DQPSK、CCK
3. 802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理层增加了 两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这个目标，DSSS被选作该标准的 唯一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和1Mbps和2Mbps的802.11 DSSS系统互操作。
4. 802.11b采用了动态速率调节技术，来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连 接速度来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以11M的全速运行，然而，当 用户移出理想的11M速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这 把速度自动按序降低为5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想环境的话， 连接速度也会以反向增加直至11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对 用户和其它上层协议产生任何影响。
•由数个无线工作站所级组成做 点对多点运用的区域网络。
BSS
•BSS (Basic Service Set)
•同一台AP及数台无线工作站 所组成的局域网
ESS
•ESS(Extended Service Set) •一个或多个以上的 BSS即可被定义成一 个Extended Service Set ( ESS )，用户 可在ESS上漫游及存 取BSS系统中的任何 资料，其中Access Points必须设定相同
IEEE 802.2 逻辑链路控制(LLC)
OSI层2
IEEE 802.3 IEEE 802.4 IEEE 802.5 IEEE 802.11 IEEE 802.15 IEEE 802.16 MAC
Ethernet Token Bus Token Ring WLAN
WPAN
BWA
以太网 令牌总线 令牌环 无线局域网 蓝牙