无线局域网的关键技术

CSMA/CD的工作过程
设备发送数据 停止发送等待 随机时间 有 发送 检测冲突 没有 设备发送结束
设备监听网络 没有 检测活动 有 等待继续监听
CSMA/CD形象地概括为用“先听后说”
或“边听边说”的方法来共享传输介质的。先 听后说就是在发送帧前，各站都要先监听线路 是否空闲，若没有空闲则等待，直到线路空闲 时才开始发送。边听边说就是在该站开始发送 以后，需要继续监听至少一个往返传输信号的 时间，判断是否发生冲突，一旦发生冲突，就 需要告知总线上各站并立即停止发送。所有的 以太网，不论其速度或帧类型是什么，都使用 CSMA/CD。
CSMA/CA与CSMA/CD
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，与以太网络所用的 碰撞检测CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)变成了碰撞 避免(Collision Avoidance)，这一字之差是很大 的。因为在无线传输中感测载波及碰撞侦测都 是不可靠的，感测载波有困难。另外通常无线 电波经天线送出去时，自己是无法监视到的， 因此碰撞侦测实质上也做不到。
点协调功能（PCF） 分布式协调功能（DCF） CDMA/CA 用于无竞争服务 用于竞争服务， 是PCF的工作的基础
分布式协调功能（DCF）
分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF），是 在IEEE802.11协议标准中规定的访问 控制方法，也是无线局域网最基本的 访问控制方法，分布式协调功能采用 带冲突避免的载波侦听多路访问 （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ， CMA/CA）。
MAC子层的功能
介质访问控制（MAC）作为 局域网的关键技术之一，完全决 定局域网的网络性能（诸如吞吐 性能与迟延性能）等等。而无线 局域网（WLAN）由于其传输介 质以及移动性等特点，采用与有 线局域网有所区别的MAC层协 议。
MAC子层的功能 (2)
IEEE802.11的MAC子层的功能是为用 户提供可靠的数据传输，实现共享介质访问 的公平控制。这里主要介绍MAC子层的两 个主要功能：分布式协调功能（DCF）和点 协调功能（PCF）。
无线局域网的关键技术
• 无线局域网（WLAN）— —原理、技术与应用
• 作者： 刘乃安 李晓辉 张联峰 王多华 何广 法 • 出版社：西安电子科技 大学出版社
OSI将网络通信协议体系分为7层。局域网协议 标准结构主要包括物理层、数据链路层。体系的底层 称为物理层，网络所采用的不同的传输介质，对应不 同的物理层，如双绞线或光缆。体系的第二层为数据 链路层（Data link Sub-layer，DLL）,因为局域网的 介质访问比较复杂，所以数据链路层分为两层，数据 链路层的上半部为逻辑链路控制子层(Logical Link Control Sub-layer，LLC)，负责将数据正确的发送 到物理层，在数据链路层的下半部为介质访问控制子 层 (Media Access Control，MAC)，负责控制与连 接物理层的物理介质。有线和无线局域网的不同主要 是体现在物理层和数据链路层，所以我们要讨论的关 键技术也集中在这两层。
CSMA/CA
冲突检测
CSMA/CA的工作过程
客户端希望发送数据 网络分配矢量=0 是 检测介质 （进行信道评估） 否 信道是否空闲？ 是 数据帧开始发送 随机退避时间 否
是否发生冲突？
没有冲突发生 正常传输数据
载波侦听与网络分配矢量
• CSMA/CA协议的最基本行为就是载波侦听。
• 在无线局域网中，站点确定无线介质的占 用状态并不是一件非常容易的事，站点单 纯在物理层难以实现有效的载波侦听。因 此，802.11标准使用物理载波侦听和虚拟 载波侦听两种方法，并综合这两种得到的 结果判定无线介质的占用状态。
信 信
源
信 源 编 码
信 道 编 码
载 波 调 制
微波信道
载 波 解 调
信 道 解 码
信 源 解 码
缩
噪声源
发端基带信号
频带传输信号
收端基带信号
扩频传输技术的系统
信
源
信 源 编 码
信 道 编 码
载 波 调 制
扩 微波信道 频
解
扩
载 波 解 调
信 道 解 码
信 源 解 码
信
缩
噪声源
发端基带信号
频带传输信号
直接序列扩频系统工作模型
直扩扩展器 数据 扩展频谱信号 扩展频谱信号 解调器 直扩扩展器 数据 调制器
伪随机数源
伪随机数源
载波振荡器
载波振荡器
发射端
接收端
载波调制技术
调制的定义是把输入信号变换为适合于通过信 道传输的波形。调制是一个物理层的功能，是一个 无线电收发器准备将数字信号转换成传输微波的一 个过程，或者说是把数字信号映射到模拟形式的过 程，以便使该信息能够在信道中传输。调制是通过 一个可控制的方式改变振幅、频率和相位使载波增 加数据的过程。每个数字通信系统都包含一个调制 器来完成这个任务。与调制密切相关的是与之相反 的过程——解调，接收机通过解调来恢复传输的数 字信息。
正交调幅QAM
无线局域网数据链路层技术
在OSI参考模型中，数据链路层位于第二 层。通用的标准定义将该层分为两个分离的 子层： 介质访问控制子层（Media Access Control，MAC），简称为MAC子层。该层 设置的准则只有在网络上的设备传送信息时 才涉及到。 逻辑链路控制子层（Logical Link Control，LLC），简称为LLC子层。该层提 供各设备之间初始（逻辑链路）的连接。
补码键控（CCK）
补码键控（CCK）是由64个8比特长的 码字组成。作为一个整体，这些码字具有 自己独特的数据特性，即使在出现重要噪 声和多经干扰（如接收由某个建筑物内的 多个无线反射导致的干扰）的情况下，接 收方也能够正确地予以区别。 IEEE802.11b规定速率为5.5Mbps 时使用 补码键控（CCK），对每个载波进行4比特 编码。当速率为11Mbps时，对每个载波进 行8比特编码。
直接序列扩频传输技术 DSSS
直接序列扩频传输技术（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS） 是直接采用具有高码率的扩频码序列的 各种调制方式在发射端扩展信号的扩展 频谱技术，然后在接收端用相同的扩频 码序列去进行解码，把被扩展的扩频信 号还原成原始的信息。
DSSS中编码类型主要有3种 • 分组二进制卷积（Packet Binary Convolutional Coding ，PBCC） • 补码键控（Complementary Code Keying，CCK） • 巴克码（Barker Code）序列
巴克码（Barker Code）序列
巴克码序列将信源与一定的伪随机码进行整 合，每个巴克码序列表示一个数据比特（1或0）， 它将被转换成可以通过无线方式发送的波形符号。 例如，在发射端将“1”用11001000110，将“0”用 00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，在 接收机处只要把收到的序列是11001000110恢复成 “1”，00110010110恢复成“0”，这就是所谓的解 扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理 增益达到10dB以上，从而有效地提高整机信噪比。 在IEEE802.11的规定中，11码片巴克码序列应用于 1MHz和2Mhz 的调制。
计算机网络的通信方式有很多种，总起 来分为点到点通信和广播通信两大类。点到点 通信是指网络中每两个连接设备间存在一条物 理信道，某个设备发出的数据为信道另一端的 设备独自接收。点到点通信网络没有信道竞争， 也不存在信道的访问控制问题。广播通信指网 络中所有设备共享一条信道，某一设备发出的 数据其他设备都能收到。在广播通信网络中， 由于共享信道引起访问冲突，因此首先必须解 决信道控制问题。
共享信道分配方法
把单信道分配给多个竞争信道的用户 使用，通常有两种分配方法：
1) 静态分配方法——传统的分配方法， 它将单个信道划分后分配给多个用户。 2）动态分配方法——用动态的方法为每 个用户站点分配信道使用权，在无线局 域网中动态分配方法有争用和预约两种。
争用和预约
争用方法属于随机访问技术，也就是 所有的站点都可以争用介质。实现起来 简单，对轻负载和中等负载的系统比较 有效，适合于突发式通信。预约的方法 指的是将传输介质上的时间分割成时间 片，网上的用户站点如果需要发送数据， 必须事先预约能够占用的时间片，这种 技术适合大数据流的通信。
举例
PBCC编码技术
分组二进制卷积码（PBCC）在IEEE802.11b 中是一个可选方案，它使用一个64位的二进制卷 积码(BCC)和一个掩码序列来进行二进制卷积编码， 分组二进制卷积码(PBCC)与补码键控（CCK）是 编码方式上不一样。分组二进制卷积码（PBCC） 增加了3dB的增益，相当于发射功率提高了一倍。 因此，在实际应用中，补码键控(CCK)只能达到 11Mbps传输速率。而分组二进制卷积码（PBCC） 可以达到22Mbps传输速率。这也就是我们常说的 IEEE802.11b+的技术。
物理级侦听
• 802.11标准在物理级中使用了信道空闲评估 （clear channel assessment——CCA）技术对物 理信道进行侦听，这是物理层载波侦听的功能， 用以确定WM的当前占用状态。 • 具体的CCA方法与物理层采用的技术密切相关。例 如：在使用DSSS技术的物理层执行CCA的方式，通 常是检测到DSSS信号且ED超限，其中的接受能量 检测超限是对接收天线收到的信号能量进行检测 并据此做出相应的判断。
收端基带信号
跳频技术FHSS
直接序列扩频技术DSSS
跳频扩频传输技术 FHSS
跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)是一种频率的活跃性将数据 扩展的扩频传输技术，这个技术只在IEEE 802.11种做了规定，在实际应用中已经很少见 到，所以我们只对一些主要的概念进行说明， 频率的活跃性指的是微波在射频应用的频率波 段中突然改变传输频率的能力。 采用跳频扩频传输技术（FHSS）的无线局 域网支持1Mbps和2Mbps。在1Mbps时采用的 调制方式是两相高斯频移键控（2GPSK），在 2Mbps时采用的调制方式是四相高斯频移键控 （4GPSK）。
无线局域网的物理层关键技术
无线局域网传输技术
红外线传输技术
2.4GHz/5GHz微波传输技术
编码技术
复用技术
调制技术
DSSS
Barker Code
FHSS
OFDM
GFSK
BPSK
QAM
QPSK DQPSK
CCK
PBபைடு நூலகம்C DBPSK 2GFSK 4GFSK 16QAM
24QAM
微波数字通信的系统模型
尽管CSMA/CD 在有线局域网中取得了巨大的 成功，然而它的冲突检测机制并不适合无线局域网 的通信环境，无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。
•CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站 数据的同时还必须不间断地检测信道，但 在无线局域网的设备中要实现这种功能就 花费过大。 •即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且 当我们在发送数据时检测到信道是空闲的， 在接收端仍然有可能发生碰撞。
多进多出（Multiple-Input Multiple-Output， MIMO）方式是指在发射端和接收端，分别使用多个 发射天线和接收天线。 通过使用多台发射机或接收 机来增加吞吐量和可靠性，将这种多经效应问题变 成积极的因素。
反射物 发 射 机 d) 多进多出（MIMO） 接 收 机
MIMO + OFDM技术 采用多输入多输出（MIMO）系统是提高 频谱效率的有效方法。 OFDM系统不但减小 了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利 用率。因此将MIMO技术与OFDM技术相结合 是适应下一代无线局域网发展要求的趋势。研 究表明，在衰落信道环境下，OFDM系统非常 适合使用MIMO技术来提高容量。
复用技术——OFDM技术
正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ， OFDM）技术。较传统的WLAN技术， OFDM具有更高的频谱利用率，以及良 好的抗多径干扰能力。它不仅增加了系 统容量，更重要的是它能更好地满足多 媒体通信要求。
多进多出（MIMO）技术