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无线局域网的空中接口与媒体接入控制

   无线局域网兴起于计算机工业的发展。随着便携式计算机的迅速普及,基于无线互联共享数据的需求日益增加,为了摆脱传统基于双绞线或同轴电缆的局域网形式,无线局域网技术应时而生。
       无线局域网与陆地移动通信系统等传统的电信网络不同,它源于计算机网,提供计算机终端之间的互联功能,其协议一般只包含底层与传输相关的部分。而电信网络则不同,其协议一般包括了从端到端的一切过程。然而,应当看到,随着移动智能终端和互联网的发展,传统计算机网和电信网网络将逐步融合。
无线局域网
       与陆地移动通信系统的广域覆盖不同,无线局域网的覆盖范围较小,一般在200米以内。无线局域网的迅速发展为移动终端提供了一种便宜、快捷的无线入网方式。本节介绍无线局域网技术,主要包括空中接口技术、组网方式。
 
1. 工作频率
       无线局域网的发展初期,曾出现了多种技术和标准,但发展至今,只有IEEE组织制定的802.11系列标准成为工业界的实际标准,相应产品已经在全球范围内得到广泛应用。区别于有线局域网标准802.3,无线局域网的802.11系列标准制定了无线方面的空中接口标准,主要包含物理层(PHY)和媒体接入层(MAC),对应计算机网络中OSI标准协议模型的物理层和数据链路层。图70显示了IEEE802.11系列标准的发展简短历史。
IEEE802.11标准发展简史
图70   IEEE802.11标准发展简史
      可以看到,当前无线局域网的IEEE802.11标准主要有四个,即802.lla/b/g/n,其工作频段主要有两段,2.4GHz和5GHz段。其中,802.11b/g工作在2.4GHz频段,802.lib是较早的标准,采用了基于直接序列扩频的技术,通信速率最高为11Mbit/s,802.llg釆用了OFDM技术,通信速率最高为54Mbit/s;802.Ila工作在5GHz频段,釆用OFDM技术,最高通信速率为54Mbit/s;802.Un可工作于2.4GHz和5GHz频段,釆用多天线和OFDM技术,最高通信速率可达600Mbit/s。
       2.4GHz段的信道频率分配和5GHz频段的频率分配如表3 所示。
表3     无线局域网2.4G频段信道频率分配
无线局域网2.4G频段信道频率分配
无线局域网的空中接口与媒体接入控制(图4)
     美国联邦通信委员会(FCC)和欧洲电信标准化协会(ETSI)为无线局域网在5GHz频段频率分配如图71所示。
 
无线局域网5GHZ频段划分
图71     无线局域网5GHz频段划分
      由于2.4GHz频段是工业、科学和医疗实验频段(ISM频段),可自由使用,因此这段频谱的应用系统很多,如蓝牙、无线麦克风、微波炉等。可以看到,802.11标准在2.4GHz频段的信道频率间是互相重叠的,每个信道占用22MHz带宽,为避免干扰,相邻小区使用的信道频率间距应大于25MHz。
2. 无线局域网空中接口技术
       无线局域网技术关键集中在对空中接口的制定上,主要包括物理层和媒体接入层。无线局域网协议之间的关系以及与OSI参考模型、TCP/IP参考模型之间的对应关系如图10.72所示。可以看到,无线局域网协议对应的是OSI模型中的物理层和数据链路层,或TCP/IP参考模型中的网络接入层。由于TCP/IP参考模型并不具体定义网络接入层的内容,因此可以包容各种不同物理实现的网络。
(1) IEEE802.11
       IEEE802.11是1997年发布的无线局域网标准,共制定了三种空中接口,分别是802.11FHSS、802.11DSSS和802.11Infrared,其中802.11FHSS和802.11DSSS都工作于2.4GHz频段,分别采用了基于跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)技术,实现了1〜2Mbit/s的通信速率。IEEE802.11标准由于速率低,目前已经很少有相应的产品。
(2) IEEE802.Ila
       IEEE802.Ila是1999年确定的无线局域网标准,工作频段为5GHz的U-NII频段, 
 无线局域网协议
图72   无线局域网协议
       如图10.73所示该频段分成三段:第一段5.15-5.25GHz,带宽100MHz,划分成4个信道,每个信道带宽为20MHz,发射功率限制为50mW;第二段5.25-5.35GHz,带宽100MHz,划分成4个信道,每个信道带宽20MHz,发射功率限制为250mW;第三段5.725〜5.825GHz,带宽100MHz,划分成4个带宽为20MHz的信道,发射信号功率限制为1W。
802.11a使用的频率
图73    802.11a使用的频率
      IEEE802.Ila采用OFDM技术,每个20MHz信道分成300kHz的52个子载波,其中4个子载波作为导频,48个子载波携带数据信息,每个子载波的调制视信道条件可以为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM,釆用卷积码作为信道编码,可支持的信息速率为6、9、12、18、24、36、48、54Mbit/s。
(3) IEEE802.11b
      IEEE802.Ub是1999年发布的标准,是802.11DSSS协议的兼容增强版,支持信息速率1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s,11Mbit/s,兼容IEEE802.11DSSS标准中的1Mbit/s、2Mbit/s信息速率。802.lib工作在2.4-2.4835GHz频段,该频段被划分成13个重叠的22MHz带宽的信道,由于总的带宽仅有83MHz,因此该频段内不重叠的信道最多有3个。 
     IEEE802.11b采用直接序列扩频技术,码片速率为11Mbit/s,采用CCK调制方式实现扩频,可获得高达5.5Mbit/s、11Mbit/s的信息速率。
(4) IEEE802.llg
       IEEE802.llg是2002年发布的标准,是802.11b在2.4GHzISM频段上的扩展版本。802.llg采用OFDM作为调制方式,可支持与802.Ila一样的信息速率。为了实现与802.lib的兼容,802.llg还可支持802.lib中釆用DSSS/CCK的调制方式。然而,当802.llg的AP节点中同时有802.lib.802.llg的设备时,由于802.lib设备不能理解802.llg的信号,因此可能将其当成噪声或非802.11b的信号,从而发起通信,干扰正常的802.llg的设备通信。为避免这种情况,802.llg利用载波侦听机制(RTS/CTS)对802.llg通信时进行信道保留,通知802.11b设备在信道保留时不发起通信,从而减小相互之间的干扰。
(5) IEEE802.lln
       IEEE802.lln标准是802.11标准的补充版本,其主要目的是提高无线局域网的空中传输信息速率。802.lln标准的讨论起于2003年末,至2005年有61个提案,经过协调,最终在2006年合并成一个联合工作组,形成初稿,2009年形成第三次修改稿。
       802.lln采用多种物理层技术来提高信息速率,主要包括:多天线技术(空时编码、空分复用、波束成型)、信道带宽可绑定至40MHz、LDPC信道编码、OFDM调制。在媒体接入层(MAC)中,802.lln采用帧聚合、反向数据协议等技术减小信令开销,提高信息吞吐量。802.lln的理论支持速率最高可达600Mbit/s。
基于空分复用的802.lln的发射机框图如下图10.74所示,信息经过信道编码后并行成多路输出,然后每路信息经过交织、QAM调制、结合多天线使用模式的空时编码、()FDM调制,然后各自通过天线并行发送。
 
 
802.11n发送框图
图74    802.lln发送框图
3. 无线局域网媒体接入控制
      802.11媒体接入层定义了两种媒体共享接入方式:即基于分布协调功能(DCF)的方式和基于轮询协调功能(PCF)方式。
(1)DCF方式
       DCF方式是基于载波侦听/载波碰撞检测(CSMA/CA)方式的一种无线信道共享接入方式,主要工作于具有AP和多个STA的无线局域网中。DCF的工作方式是基于随机竞争使用无线信道的方式,任何STA要发送信息前,需要先侦听相应载波信道上是否已经有其他终端发送信息,当侦听到信道空闲一段时间(D1FS)后,STA终端再随机产生一个时延,如果信道仍然空闲,才占用信道进行发送。如图10.75示意了4个STA之间互相竞争信道发送数据的情况。
DCF接入方式
                                 图75  DCF接入方式
(2)PCF方式
       PCF方式是802.11定义的一种可选接入模式,不很常用。PCF方式只能工作于固定接入方式,需要AP作为协调媒体的接入。PCF有两个工作阶段:竞争阶段(CP)和非竞争阶段(CFP)。在CP阶段,各STA采用DCF方式竞争使用信道;在CFP阶段,AP通过轮询方式控制各STA的发送。