【itjc8.com】第5章 无线通信网.pdf

第5章无线通信网无线通信网包括面向语音通信的移动电话系统以及面向数据传输的无线局域网和无线广域网。随着无线通信技术的发展，计算机网络正在由固定通信系统向移动通信系统发展，传统的移动电话网也向语音和数据综合传输的移动通信网转变，二者的融合使得Internet变得无所不在，并且更加便捷和实用。本章概述移动电话网的发展历程，并详述无线局域网和无线城域网的体系结构和实用技术，最后展望了新一代移动通信网的发展方向。5.1 移动通信移动电话是最方便的个人通信工具。从第一代(lG)到第三代(3G)移动通信系统都是针对话音通信设计的，只有未来的4G才可能与Internet无缝地集成。但是在2G和3G时代，由于笔记本电脑的迅速普及，通过移动电话网访问Internet已经成为许多用户的选择。5.1.1 蜂窝通信系统1978年，美国贝尔实验室开发了高级移动电话系统(AdvancedMobile Phone System,AMPS),这是第一个具有随时随地通信能力的大容量移动通信系统。AMPS采用模拟制式的频分双工(FrequencyDivision Duplex,FDD)技术，用一对频率分别提供上行和下行信道。AMPS采用蜂窝技术解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。到了1980年中期，欧洲和日本都建立了第一代蜂窝移动电话系统。蜂窝网络把一个地理区域划分成若干个称为蜂窝的小区(Cell)。在模拟移动电话系统中，一个话音连接要占用一个单独的频率。如果把通信网络疫盖的地区划分成一个一个的小区，则在不同小区之间就可以实现频率复用。在图5-1中，一个基站覆盖的小区用一个字母来代表，在一个小区内可以用一组频率提供一组用户进行通话。相邻小区不能使用相同的通信频率，同一字母（例如A)代表的小区可以使用同样的通信频率，使用同样频率的小区之间有两个频率不同的小区作为分隔。如果要增加通信频率的复用程度，可以把小区划分得更小。当用户移动到一个小区的边沿时，电话信号的衰减程度提醒相邻的基站进行切换(handoff)操作，正在通话的用户就自动切换到另一个小区的频段继续通话。切换过程是通过移动电话交140 网络工程师教程（第5版）换局(MTSO)在相邻的两个基站之间进行的，不需要电话用户的干预。图5-l蜂窝通信系统的频率复用5.1.2 第二代移动通信系统第二代移动通信系统是数字蜂窝电话，在世界不同的地方采用了不同的数字调制方式。我国最初采用欧洲电信的GSM(Global System for Mobile)系统和美国高通公司的码分多址(CDMA)系统。l.全球移动通信系统GSMGSM系统工作在9001800MHz频段，无线接口采用TDMA技术，提供话音和数据业务。图5-2所示为工作在900M应频段的GSM系统的频带利用情况。TOM帧959.SMHz I I I I I I I I I 1111111 I 111111 道1124基站到二I:-:I:-:1:-:I:-:I:终端9i4.SMHz I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 1124：二I:n I:I:n I:,i 霄时间 图5-2GSM的TDMA系统图5-2中的每一行表示一个带宽为200kHz单工信道，GSM系统有124对这样的单工信道（上行链路890915M印，下行链路935960MHz),每一个信道采用时分多路(TOMA)方式第5章无线通信网141 可支待8个用户会话，在一个蜂窝小区中同时通话的用户数为124X8=992。为同一用户指定的（上行链路与下行链路之间相差3个时槽，如图中的阴影部分所示，这是因为终端设备不能同时发送和接收，需要留出一定时间在上下行信道之间进行切换。2.码分多址技术美国高通公司(Qualcomm)的第二代数字蜂窝移动通信系统工作在800MHz!);l1f&,采用码分多址(CDMA)技术提供话音和数据业务，因其频率利用率高，所以同样的频率可以提供更多的话音信道，而且通话质量和保密性也较好。码分多址(CodeDivision Multiple Access,CDMA)是一种扩频多址数字通信技术，通过独特的代码序列建立信道。在CDMA系统中，对不同的用户分配了不同的码片序列，使得彼此不会造成干扰。用户得到的码片序列由+l和-1组成，每个序列与本身进行点积得到+1,与补码进行点积得到-1,一个码片序列与不同的码片序列进行点积将得到0(正交性）。例如，对用户A分配的码片系列为CA!(表示1)其补码为CAO(表示O):CA!=(-1,-1,-1,-1)CAo=(+l,+l,+1,+l)对用户B分配的码片序列为Cs1C表示1)其补码为CsoC表示O):Cs1=(+1,-1,+l,-1)Cso=(-1,+1,-1,+1)则计算点积如下：CA1CA1=(-1,-1,-l,-1).(-1,-1,-1,-1)/4=+1 CA1CA0=(一1,1,-1,-1).(+1,+l,+l,+l)/4=-1 CA1.Cs1=(-1,-1,-1,-1).(+1,-1,+1,-l)/4=0 CA1-Cso=(一1,-1,-1,-1).(-l,+1,-1,+1)/4=0 在码分多址通信系统中，不同用户传输的信号不是用频率或时隙来区分，而是使用不同的码片序列来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出预定的码型信号，其他不同码型的信号因为和接收机产生的码型不同而不能被解调，它们的存在类似千信道中存在的噪声和干扰信号，通常称之为多址干扰。在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行控制和转发的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即所谓的频分双工(FDD)技术。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传输相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置不同的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传输何种信息的信道都采用不同的码型来区分。142l 网络工程师教程（第5版）3.第二代移动通信升级版2.5G2.5G是比2G速度快、但又慢千3G的通信技术规范。2.5G系统能够提供3G系统中才有的一些功能，例如分组交换业务，也能共享2G时代开发出来的TOMA或CDMA网络。常见的2.5G系统是通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)。GPRS分组网络重叠在GSM网络之上，利用GSM网络中未使用的TOMA信道为用户提供中等速度的移动数据业务。GPRS是基千分组交换的技术，也就是说多个用户可以共享带宽，适合千像Web浏览、E-mail收发和即时消息那样的共享带宽的间歇性数据传输业务。通常，GPRS系统是按交换的字节数计费，而不是按连接时间计费的。GPRS系统支持IP协议和PPP协议。理论上的分组交换速度大约是170kbps,而实际速度只有3070kbps。对GPRS的射频部分进行改进的技术方案称为增强数据速率的GSM演进CEnhanced Data rates for GSM Evolution,EDGE)。EDGE又称为增强型GPRSC EGPRS),可以工作在已经部署GPRS的网络上，只需要对手机和基站设备做一些简单的升级即可。EDGE被认为是2.75G技术，采用8PSK的调制方式代替了GSM使用的高斯最小移位键控CGMSK)调制方式，使得一个码元可以表示3位信息。从理论上说，EDGE提供的数据速率是GSM系统的3倍。2003年，EDGE被引入北美的GSM网络，支待20200kbps的高速数据传输。5.1.3 绾三代移动通信系统1985年，ITU提出了对第三代移动通信标准的需求，1996年正式命名为IMT-2000(Intema-tional Mobile Telecommunications-2000),其中的2000有3层含义：使用的频段在2000M应附近。通信速率大约为2000kbpsC即2Mbps)。o 预期在2000年推广商用。1999年ITU批准了5个IMT-2000的无线电接口，这5个标准如下。IMT-DS(Direct Spread):即W-CDMA,属千频分双工模式，在日本和欧洲制定的UMTS系统中使用。IMT-MC(Multi-Carrier):即CDMA-2000,属千频分双工模式，是第二代CDMA系统的继承者。IMT-TC C Time-Code):这一标准是中国提出的TD-SCOMA,属千时分双工模式。IMT-SC C Single Carrier):也称为EDGE,是一种2.75G技术。IMT-FT(Frequency Time):也称为DECT。2007年10月19日，ITU会议批准移动WiMAX作为第6个3G标准，称为IMT-2000OFDMA TDDWMAN,即无线城域网技术。第5章无线通信网I 143 第三代数字蜂窝通信系统提供第二代蜂窝通信系统提供的所有业务类型，并支持移动多媒体业务。在高速车辆行驶时支待144kbps的数据速率，在步行和慢速移动环境下支待384kbps的数据速率，在室内静止环境下支待2Mbps的高速数据传输，并保证可靠的服务质量。在3G网络广泛部署的同时，第四代(4G)移动通信系统也在加紧研发。高速分组接入(HighSpeed Packet Access,HSPA)是W-CDMA第一个向4G进化的技术，继HSPA之后的高速上行分组接入(HighSpeed Uplink Packet Access,HSUPA)是一种被称为3.75G的技术，在5MHz的载波上数据速率可达1015Mbps,如采用MIMO技术，还可以达到28Mbps。4G的传输速率应该达到lOOMbps,可以把蓝牙个域网、无线局域网(Wi-Fi)和3G技术等结合在一起，组成无缝的通信解决方案。不同的无线通信系统对数据传输速度和移动性的支待各不相同，如图5-3所示。通信T Wi-Fi 臣WiM赵II(4 G)图5-3通信速率和移动性5.2 无线局域网5.2.1 WLAN的基本概念无线局域网(WirelessLocal Area Networks,WLAN)技术分为两大阵营：IEEE 802.11标准体系和欧洲邮电委员会(CEPT)制定的HIPERLAN(High Performance Radio LAN)标准体系。IEEE802.11标准是由面向数据通信的计算机局域网发展而来，采用无连接的网络协议，目前市场上的大部分产品都是根据这个标准开发的；与之对抗的HIPERLAN-2标准则是基千连接的无线局域网，致力千面向语音的蜂窝电话。IEEE 802.11标准的制定始于1987年，当初是在802.4L小组作为令牌总线的一部分来研究的，其主要目的是用作工厂设备的通信和控制设施。1990年，IEEE802.11小组正式独立出来，专门从事制定WLAN的物理层和MAC层标准的工作。1997年颁布的IEEE802.11标准运行在2.4GHz的ISM(Industrial Scientific and Medical)频段，采用扩频通信技术，支持!Mbps144 网络工程师教程（第5版）和2Mbps数据速率。随后又出现了两个新的标准，1998年推出的IEEE802.11 b标准也是运行在ISM频段，采用CCK(Complementary Code Keying)调制技术，支持llMbps的数据速率。1999年推出的IEEE802.11 a标准运行在U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)频段，采用OFDM调制技术，支持最高达54Mbps的数据速率。2003年推出的IEEE802.1 lg 标准运行在ISM频段，与IEEE802.llb兼容，数据速率提高到54Mbps。早期的WLAN标准主要有4种，如表5-1所示。表5-1IEEE 802.11标准名称发布时间工作频段调制技术数据速率1997年2.4GHzISM频段DB/SK lMbps 802.11 DQPSK 2Mbps 802.l lb 1998年2.4GHzISM频段CCK 5.5Mbps,I!Mbps 802.l la 1999年5GHz U-NII频段OFDM 54Mbps 802.1 lg 2003年2.4GHz ISM频段OFDM 54Mbps IEEE 802.11定义了两种无线网络拓扑结构，一种是基础设施网络(InfrastructureNetworking),另一种是特殊网络(AdHoc Networking),如图5-4所示。在基础设施网络中，无线终端通过接入点(AccessPoint,AP)访问骨干网设备。接入点如同一个网桥，它负责在802.11和802.3MAC协议之间进行转换。一个接入点覆盖的区域叫作一个基本服务区(BasicService Area,BSA),接入点控制的所有终端组成一个基本服务集(BasicService Set,BSS)。把多个基本服务集互相连接就形成了分布式系统(DistributedSystem,DS)。DS支持的所有服务叫作扩展服务集(ExtendedService Set,ESS),它由两个以上BSS组成，如图5-5所示。归(a)基础设施网络(b)Ad Hoc网络图5-4IEEE 802.11定义的网络拓扑结构Ad Hoc网络是一种点对点连接，不需要有线网络和接入点的支持，终端设备之间通过无线网卡可以直接通信。这种拓扑结构适合在移动情况下快速部署网络。802.11支持单跳的AdHoc 网络，当一个无线终端接入时首先寻找来自AP或其他终端的信标信号，如果找到了信标，则AP或其他终端就宣布新的终端加入了网络；如果没有检测到信标，该终端就自行宣布存在于网第5章无线通信网I 145 络之中。还有一种多跳的AdHoc网络，无线终端用接力的方法与相距很远的终端进行对等通信，下面详细介绍这种技术。扩展服务集ESS分布式系统图5-5IEEE 802.11定义的分布式系统5.2.2 WLAN通信技术无线网可以按照使用的通信技术分类。现有的无线网主要使用3种通信技术：红外线、扩展频谱和窄带微波技术。1.红外通信红外线(InfraredRay,IR)通信技术可以用来建立WLAN。IR通信相对千无线电微波通信有一些重要的优点。首先红外线频谱是无限的，因此有可能提供极高的数据速率。其次红外线频谱在世界范围内都不受管制，而有些微波频谱则需要申请许可证。另外，红外线与可见光一样，可以被浅色的物体漫反射，这样就可以用天花板反射来覆盖整间房间。红外线不会穿透墙壁或其他的不透明物体，因此1R通信不易入侵，安装在大楼各个房间内的红外线网络可以互不干扰地工作。红外线网络的另一个优点是它的设备相对简单而且便宜。红外线数据的传输技术基本上是采用强度调制，红外线接收器只需检测光信号的强弱，而大多数微波接收器则要检测信号的频率或相位。红外线网络也存在一些缺点。室内环境可能因阳光或照明而产生相当强的光线，这将成为红外接收器的噪音，使得必须用更高能量的发送器，并限制了通信范围。很大的传输能量会消耗过多的电能，并对眼睛造成不良影响。IR通信分为3种技术：(1)定向红外光束。定向红外光束可以用千点对点链路。在这种通信方式中，传输的范围146 l 网络工程师教程（第5版）取决于发射的强度与光束集中的程度。定向光束IR链路可以长达几千米，因而可以连接几座大楼的网络，每幢大楼的路由器或网桥在视距范围内通过IR收发器互相连接。点对点IR链路的室内应用是建立令牌环网，各个IR收发器链接形成回路，每个收发器支待一个终端或由集线器连接的一组终端，集线器充当网桥功能。(2)全方向广播红外线。全向广播网络包含一个基站，典型情况下基站置千天花板上，它看得见LAN中的所有终端。基站上的发射器向各个方向广播信号，所有终端的IR收发器都用定位光束瞄准天花板上的基站，可以接收基站发出的信号，或向基站发送信号。(3)漫反射红外线。在这种配置中，所有的发射器都集中瞄准天花板上的一点。红外线射到天花板上后被全方位地漫反射回来，并被房间内所有的接收器接收。漫反射WLAN采用线性编码的基带传输模式。基带脉冲调制技术一般分为脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)和脉冲宽度调制(PDM)。顾名思义，在这3种调制方式中，信息分别包含在脉冲信号的幅度、位置和持续时间里。由千无线信道受距离的影响导致脉冲幅度变化很大，所以很少使用PAM,而PPM和PDM则成为较好的候选技术。图5-6所示为PPM技术的一种应用。数据1和0都用3个窄脉冲表示，但是1被编码在位的起始位置，而0被编码在中间位置。使用窄脉冲有利于减少发送的功率，但是增加了带宽。数据I 1 I 1 lololol 1 lolol 1 lol 脉冲1111 Ill Ill 1111 Ill 1111 1 111 Ill I Ill 1 111 I 图5-6PPM的应用IEEE 802.11规定采用PPM技术作为漫反射IR介质的物理层标准，使用的波长为850950nm,数据速率分为IMbps和2Mbps两种。在IMbps的方案中采用16PPM,即脉冲信号占用16个位置之一，一个脉冲信号表示4位信息，如图5-7(a)所示。802.11标准规定脉冲宽度为250ns,则16X250=4s,可见4s发送4位，即数据速率为IMbps。对千2Mbps的网络，则规定用4个位置来表示两位的信息，如图5-7Cb)所示。2.扩展频诺通信扩展频谱通信技术起源千军事通信网络，其主要想法是将信号散布到更宽的带宽上以减少发生阻塞和干扰的机会。早期的扩频方式是频率跳动扩展频谱(Frequency-HoppingSpread Spectrum,FHSS),更新的版本是直接序列扩展频谱CD订ectSequence Spread Spectrum,DSSS),这两种技术在IEEE802.11定义的WLAN中都有应用。0000 0001 0010 1101 1110 1111 0000000000000001 0000000000000010 0000000000000100 0010000000000000 0100000000000000 1000000000000000(a)!Mbps的PPM编码 00 01 IO II.0001 0010 0100 1000(b)2Mbps的PPM编码图5-7 IEEE 802.11规定的PPM调制技术第5章无线通信网Jl47 图5-8表示了各种扩展频谱系统的共同特点。输入数据首先进入信道编码器，产生一个接近某中央频谱的较窄带宽的模拟信号，再用一个伪随机序列对这个信号进行调制。调制的结果是大大扩宽了信号的带宽，即扩展了频谱。在接收端，使用同样的伪随机序列来恢复原来的信号，最后再进入信道解码器来恢复数据。伪随机模式产生器伪随机模式产生器图5-8扩展频谱通信系统的模型伪随机序列由一个使用初值（称为种子Seed)的算法产生。算法是确定的，因此产生的数字序列并不是统计随机的。但如果算法设计得好，得到的序列还是能够通过各种随机性测试，这就是被叫作伪随机序列的原因。重要的是除非用户知道算法与种子，否则预测序列是不可能的。因此，只有与发送器共享一个伪随机序列的接收器才能成功地对信号进行解码。1)频率跳动扩频在这种扩频方案中，信号按照看似随机的无线电频谱发送，每一个分组都采用不同的频率传输。在所谓的快跳频系统中，每一跳只传送很短的分组。在军事上使用的快跳频系统中，传输一位信息要用到很多位。接收器与发送器同步跳动，因而可以正确地接收信息。监听的入侵者只能收到一些无法理解的信号，干扰信号也只能破坏一部分传输的信息。图5-9是用跳频模式传输分组的例子。10个分组分别用几、儿、儿、儿、八、儿、儿、儿、凡、儿共9个不同的频点发送。148 网络工程师教程（第5版）6仕介儿Is儿几丘八I I I I I I I I I I I-呻_._._._ 一一一_._._ 一一I I:)111111111!:-f-.,-.,-1-,-1-1-,-I I I I I I-I I I 斗-._-.1-._-I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I-,-,-,-.-,-,-,-.-,-,-.-I I-I I I I I I I I I I.1 I I I-_.J _.1 _-1-I I I I I I I I I I I I I I I I I I 呤一一一一一一-t-t-t-t-t-于一一一-+-于一一I-I I-I I I I I I I I I I I I I I 1-1-1-,-1-1-1-,-1-1-一II I I I I I-._-._-._-：一：严：-,-,-.,-1-,-,-,-1-,-,-1-:i-1:I I I I I I I I I I I 图5-9频率跳动信号的例子在定义无线局域网的IEEE802.11标准中，每一跳的最长时间规定为400ms,分组的最大长度为30ms。如果一个分组受到窄带干扰的破坏，可以在400ms后的下一跳以不同的频率重新发送。与分组的最大长度相比，400ms是一个合理的延迟。802.11标准还规定，FHSS使用的频点间隔为1MHz,如果一个频点由于信号衰落而传输出错，400ms后以不同频率重发的数据将会成功地传送。这就是FHSS通信方式抗干扰和抗信号衰落的优点。2)直接序列扩频在这种扩频方案中，信号源中的每一位用称为码片的N个位来传输，这个变换过程在扩展器中进行。然后把所有的码片用传统的数字调制器发送出去。在接收端，收到的码片解调后被送到一个相关器，自相关函数的尖峰用千检测发送的位。好的随机码相关函数具有非常高的尖峰旁瓣比，如图5-10所示。数字系统的带宽与其所采用的脉冲信号的待续时间成反比。在DSSS系统中，由千发射的码片只占数据位的1/N,所以DSSS信号的带宽是原来数据带宽的N倍。图5-10自相关函数DSSS的频谱扩展器和自相关检测器第5章无线通信网1149 图5-11所示的直接序列扩展频谱技术是将信息流和伪随机位流相异或。如果信息位是1,它将把伪随机码置反后传输；如果信息位是O,伪随机码不变，照原样传输。经过异或的码与原来的伪随机码有相同的频谱，所以它比原来的信息流有更宽的带宽。在本例中，每位输入数据被变成4位信号位。I输入数据I。I 1。I。伪随机位1001 0110 1001 0100 1010 llOO 1011 0110 传输信号0110 0110 0110 1011 1010 0011 1011 0110 接收信号0110 0110 OllO 1011 1010 0011 1011 0110 伪随机位1001 0110 1001 0100 1010 1100 1011 0110 接收数据I。I I。I。图5-11直接序列扩展频谱的例世界各国都划出一些无线频段，用千工业、科学研究和微波医疗方面。应用这些频段无须许可证，只要低千一定的发射功率（一般为lW)即可自由使用。美国有3个ISM频段(902928MHz、24002483.SMHz、57255850MHz),2.4GHz为各国共同的ISM频段。频谱越高，潜在的带宽也越大。另外，还要考虑可能出现的干扰。有些设备（例如无绳电话、无线麦克、业余电台等）的工作频率为9QOMHzo还有些设备运行在2.4GHz上，典型的例子就是微波炉，它使用久了会泄露更多的射线。目前看来，在5.8GHz频带上还没有什么竞争。但是频谱越高，设备的价格就越贵。3.窄带微波通信窄带微波(NarrowbandMicrowave)是指使用微波无线电频带(RF)进行数据传输，其带宽刚好能容纳传输信号。以前，所有的窄带微波无线网产品都需要申请许可证，现在已经出现了ISM频带内的窄带微波无线网产品。(1)申请许可证的窄带RF。用千声音、数据和视频传输的微波无线电频率需要通过许可证进行协调，以确保在同一地理区域中的各个系统之间不会相互干扰。在美国，由联邦通信委员会(FCC)来管理许可证。每个地理区域的半径为17.5英里，可以容纳5个许可证，每个许可证覆盖两个频率。Motorola公司在18GHz的范围内拥有600个许可证，覆盖了1200个频带。(2)免许可证的窄带RF。1995年，RadioLAN成为第一个引进免许可证ISM窄带无线网的制造商。这一频谱可以用千低功率（幼.SW)的窄带传输。RadioLAN产品的数据速率为lOMbps,使用5.8GHz频带，有效覆盖范围为150300英尺。150 1 网络工程师教程（第5版）Radio LAN是一种对等配置的网络。RadioLAN的产品按照位置、干扰和信号强度等参数自动地选择一个终端作为动态主管，其作用类似千有线网中的集线器。当情况变化时，作为动态主管的实体也会自动改变。这个网络还包括动态中继功能，它允许每个终端像转发器一样工作，使得超越传输范围的终端也可以进行数据传输。5.2.3 IEEE 82.11体系结构802.llWLAN的协议栈如图5-12所示。MAC层分为MAC子层和MAC管理子层。MAC子层负责访问控制和分组拆装，MAC管理子层负责ESS漫游、电源管理和登记过程中的关联管理。物理层分为物理层会聚协议(PhysicalLayer Convergence Protocol,PLCP)、物理介质相关(PhysicalMedium Dependent,PMD)子层和PHY管理子层。PLCP主要进行载波监听和物理层分组的建立，PMD用千传输信号的调制和编码，而PHY管理子层负责选择物理信道和调谐。另外，IEEE802.11还定义了站管理功能，用千协调物理层和MAC层之间的交互作用。LLC 数据链路层站MAC MAC管理尔自PLCP 理物理层PHYPHY管理PMD 图5-12WLAN协议模型1.物理层IEEE 802.11定义了3种PLCP帧格式来对应3种不同的PMD子层通信技术。Cl)FHSS。对应于FHSS通信的PLCP帧格式如图5-13所示。SYNC是0和1的序列，共80位作为同步信号。SFD的位模式为0000110010111101,用作帧的起始符。PLW代表帧长度，共12位，所以帧最大长度可以达到4096字节。PSF是分组信令字段，用来标识不同的数据速率。起始数据速率为lMbps,以0.5的步长递增。PSF=OOOO时代表数据速率为lMbps,PSF 为其他数值时则在起始速率的基础上增加一定倍数的步长。例如PSF=OOlO,则1Mbps+o.5MbpsX 2=2Mbps;若PSF=llll,则1Mbps+0.5MbpsX15=8.5Mbps。16位的CRC是为了保护PLCP头部所加的，它能纠正2位错。MPDU代表MAC协议数据单元。I SYNC(80)I SFD(16)I PLW(12)I PSF(4)I CRC(16)I MPDU(匈96宇节）图5-13用于FHSS方式的PLCP帧第5章无线通信网I 151 在2.4022.480GHz之间的ISM频带中分布着78个IM压的信道，PMD层可以采用以下3种跳频模式之一，每种跳频模式在26个频点上跳跃：co,3,6,9,12,15,18,60,63,66,69,72,75)(1,4,7,10,13,16,19,61,64,67,70,73,76)(2,5,8,11,14,17,20,62,65,68,71,74,77)具体采用哪一种跳频模式由PHY管理子层决定。3种跳频点可以提供3个BSS在同一小区中共存。IEEE802.11还规定，跳跃速率为2.5跳秒，推荐的发送功率为lOOmW。(2)DSSS。图5-14所示为采用DSSS通信时的帧格式，与前一种不同的字段解释如下：SFD字段的位模式为1111001110100000。Signal字段表示数据速率，步长为100kbps,比FHSS精确5倍。例如Signal字段=00001010时，lOXlOOkbps=lMbps;Signal字段=00010100时，20X 100kbps=2Mbps;Service字段保留未用。Length字段指MPDU的长度，单位为s。I SYNC 028)I SFD(16)I Signal(8)I Service(8)I Length 06)I FCS(8)I MPDU I 图5-14用千DSSS方式的PLCP帧图5-15所示为IEEE802.11采用的直接系列扩频信号，每个数据位被编码为11位的Barker码，图中采用的序列为(1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1。码片速率为llMb/s,占用的带宽为26MHz,数据速率为lMbps和2Mbps时分别采用差分二进制相移键控(DB/SK)和差分四相相移键控(DQPSK),即一个码元分别代表1位或2位数据。数据位扩展位I I I I o(I I，码图5-15DSSS的数据位和扩展位ISM的2.4GHz频段划分成11个互相覆盖的信道，其中心频率间隔为5MHz,如图5-16152 1 网络工程师教程（第5版）所示。接入点AP可根据干扰信号的分布在5个频段中选择一个最有利的频段。推荐的发送功率为lmW。图5-16DSSS的稷盖频段(3)DFIR。5-17所示为采用漫反射红外线(DiffusedIR,DFIR)时的PLCP帧格式。DFIR的SYNC比FHSS和DSSS的都短，因为采用光敏二极管检测信号不需要复杂的同步过程。Datarate字段=000,表示1Mbps;Data rate字段=001,表示2Mbps。DCLA是直流电平调节字段，通过发送32个时隙的脉冲序列来确定接收信号的电平。MPDU的长度不超过2500字节。SYNC(57-73)SFD(4)Datarate(3)DCLA(32)Length(16)FCS(16)MPDU 图5-17用千DFIR方式的PLCP帧2.MAC子层MAC子层的功能是提供访问控制机制，它定义了3种访问控制机制：CSM幻CA支持竞争访问，RTS/CTS和点协调功能支待无竞争的访问。1)CSMA/CA协议CSMA/CA类似千802.3的CSM凶CD协议，这种访问控制机制叫作载波监听多路访问冲突避免协议。在无线网中进行冲突检测是有困难的。例如两个站由千距离过大或者中间障碍物的分隔从而检测不到冲突，但是位于它们之间的第3个站可能会检测到冲突，这就是所谓的隐蔽终端问题。采用冲突避免的办法可以解决隐蔽终端的问题。802.11定义了一个帧间隔(InterFrame Spacing,IFS)时间。另外，还有一个后退计数器，它的初始值是随机设置的，递减计数直到0。基本的操作过程如下：(1)如果一个站有数据要发送并且监听到信道忙，则产生一个随机数设置自己的后退计数器并坚持监听。第5章无线通信网I 153(2)听到信道空闲后等待IFS时间，然后开始计数。最先计数完的站开始发送。(3)其他站在听到有新的站开始发送后暂停计数，在新的站发送完成后再等待一个IFS时间继续计数，直到计数完成开始发送。分析这个算法发现，两次IFS之间的间隔是各个站竞争发送到时间。这个算法对参与竞争的站是公平的，基本上是按先来先服务的顺序获得发送的机会。2)分布式协调功能802.11 MAC层定义的分布式协调功能(DistributedCoordination Function,DCF)利用了CSMA/CA协议，在此基础上又定义了点协调功能(PointCoordination Function,PCF),如图5-18所示。DCF是数据传输的基本方式，作用千信道竞争期。PCF工作千非竞争期。两者总是交替出现，先由DCF竞争介质使用权，然后进入非竞争期，由PCF控制数据传输。无竞争服务PCF 图5-18MAC层功能模型为了使各种MAC操作互相配合，IEEE802.11推荐使用3种帧间隔CIFS),以便提供基千优先级的访问控制。DIFS(分布式协调IFS):最长的IFS,优先级最低，用千异步帧竞争访问的时延。PIFS(点协调IFS):中等长度的IFS,优先级居中，在PCF操作中使用。SIFS(短IFS):最短的IFS,优先级最高，用千需要立即响应的操作。DIFS用在前面介绍的CSM幻CA协议协议中，只要MAC层有数据要发送，就监听信道是否空闲。如果信道空闲，等待DIFS时段后开始发送；如果信道忙，就继续监听并采用前面介绍的后退算法等待，直到可以发送为止。IEEE 802.11还定义了带有应答帧(ACK)的CSM凶CA。图5-19所示为AP和终端之间使用带有应答帧的CSM幻CA进行通信的例子。AP收到一个数据帧后等待SIFS再发送一个应答帧ACK。由千SIFS比DIFS小得多，所以其他终端在AP的应答帧传送完成后才能开始新的竞争过程。SIFS也用在RTS/CTS机制中，如图5-20所示。源终端先发送一个“请求发送帧RTS,其中包含源地址、目标地址和准备发送的数据帧的长度。目标终端收到RTS后等待一个SIFS时间，然后发送“允许发送帧CTS。源终端收到CTS后再等待SIFS时间，就可以发送数据154 I 网络工程师教程（第5版）帧了。目标终端收到数据帧后也等待SIFS,发回应答帧。其他终端发现RTS/CTS后就设置一个网络分配矢量(NetworkAllocation Vector,NAV)信号，该信号的存在说明信道忙，所有终端不得争用信道。终端MSAP 阳5-19带有ACK的数据传输SIFS NAY SIFS SIFS 源目标图5-20RTS/CTS工作机制3)点协调功能PCF是在DCF之上实现的一个可选功能。所谓点协调就是由AP集中轮询所有终端，为其提供无竞争的服务，这种机制适用千时间敏感的操作。在轮询过程中使用PIFS作为帧间隔时间。由千PIFS比DIFS小，所以点协调能够优先CSM幻CA获得信道，并把所有的异步帧都推后传送。在极端情况下，点协调功能可以用连续轮询的方式排除所有的异步帧。为了防止这种情况的发生，802.11又定义了一个称为超级帧的时间间隔。在此时段的开始部分，由点协调功能向第5章无线通信网I 155 所有配置成轮询的终端发出轮询。随后在超级帧余下的时间允许异步帧竞争信道。3.MAC管理MAC管理子层的功能是实现登记过程、ESS漫游、安全管理和电源管理等功能。WLAN是开放系统，各站点共享传输介质，而且通信站具有移动性，因此，必须解决信息的同步、漫游、保密和节能问题。1)登记过程信标是一种管理帧，由AP定期发送，用于时间同步。信标还用来识别AP和网络，其中包含基站1D、时间戳、睡眠模式和电源管理等信息。为了得到WLAN提供的服务，终端在进入WLAN区域时，必须进行同步搜索以定位AP,并获取相关信息。同步方式有主动扫描和被动扫描两种。所谓主动扫描就是终端在预定的各个频道上连续扫描，发射探试请求帧，并等待各个AP的响应帧；收到各AP的响应帧后，工作站将对各个帧中的相关部分进行比较以确定最佳AP。终端获得同步的另一种方法是被动扫描。如果终端已在BSS区域，那么它可以收到各个AP周期性发射的信标帧，因为帧中含有同步信息，所以工作站在对各帧进行比较后，确定最佳AP。终端定位了AP并获得了同步信息后就开始了认证过程，认证过程包括AP对工作站身份的确认和共享密钥的认证等。认证过程结束后就开始关联过程，关联过程包括终端和AP交换信息，在DS中建立终端和AP的映射关系，DS将根据该映射关系来实现相同BSS及不同BSS间的信息传送。关联过程结束后，工作站就能够得到BSS提供的服务了。2)移动方式IEEE 802.11定义了3种移动方式：无转移方式是指终端是固定的，或者仅在BSA内部移动；BSS转移是指终端在同一个ESS内部的多个BSS之间移动；ESS转移是指从一个ESS移动到另一个ESS。当终端开始漫游并逐渐远离AP时，它对AP的接收信号将变坏，这时终端启动扫描功能重新定位AP,一旦定位了新的AP,工作站随即向新AP发送重新连接请求，新AP将该终端的重新连接请求通知分布式系统(DS),DS随即更改该工作站与AP的映射关系，并通知原来的AP不再与该工作站关联