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无线局域网IEEE 802.11协议分类

IEEE 802.11协议
IEEE 802.11是美国电气和电子工程师协会IEEE在1997年6月颁布的无线网络标准。它是第一代无线局域网标准之一。IEEE 802.11规定了无线局域网在2.4GHz波段进行操作,这一波段被全球无线电法规组织定义为扩频使用波段。标准的802.11主要用于解决办公室局域网和园区网中用户与用户终端的无线接入,速率最高只能达到 2Mbit/s。
IEEE 802.11标准定义物理层和媒体访问控制规范,允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。IEEE 802.11体系结构如图4-1所示。

 

图4-1 IEEE 802.11体系结构

1.802.11物理层实现方式
IEEE802.11标准中的物理层定义了数据传输的信号特征和调制。
在物理层中,定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法,RF传输方法采用扩频调制技术来满足绝大多数国家工作规范。在该标准中RF传输标准是跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS),工作在2.4000~2.4835GHz频段。
直接序列扩频采用BPSK和DQPSK调制技术,支持1Mbps和2Mbps数据速率。
跳频扩频采用2~4电平GFSK调制技术,支持1Mbps数据速率,共有22组跳频图案,包括79信道。
红外线传输方法工作在850~950nm段,峰值功率为2W,支持数据速率为1Mbps和2Mbps。
2.MAC结构及服务内容
802.11的MAC子层负责解决客户端工作站和访问接入点之间的连接。当一个802.11客户端进入一个或者多个接入点的覆盖范围时,它会根据信号的强弱以及包错误率自动选择1个接入点进行连接。一旦被1个接入点接受,客户端就会将发送接收信号的频道切换为接入点的频段。这种重新协商通常发生在无线工作站移出了它原连接的接入点的服务范围,信号衰减后。其他的情况还发生在建筑物造成的信号的变化或者仅仅由于原有接入点中的拥塞。
无线局域网MAC提供的服务有:安全服务、MAC服务数据单元(MSDU)重新排序服务和数据服务。802.11中的安全服务提供的服务范围局限于站与站之间的数据交换,其内容为:加密、验证、与层管理实体相联系的访问控制。为提高成功发送的可能性,MAC提供了重新排序的服务。只有在节电方式工作下的站,且不处于激活状态,才可先将MSDU缓存起来,等站激活时再突发出去,对缓存数据进行重新排序。
MAC数据服务可使对等LLC实体进行数据单元的交换。本地MAC利用下层的服务将1个MSDU传给1个对等的MAC实体,然后又传给对等的LLC实体。当信道特性限制了长帧传输的可靠性时,可通过增加MSDU成功传输的可能性来增加可靠性。
802.11 MAC子层还提供了CRC校验和包分片功能。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以保证它在传送的时候没有出现错误。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。这在网络十分拥挤或者存在干扰的情况下是一个非常有用的特性,可以减少数据报被重传的概率。MAC 子层负责将收到的 被分片的大数据报进行重新组装,对于上层协议这个分片的过程是完全透明的。
3.CSMA/CA协议
802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似,都是在一个共享介质上支持多个用户共 享资源,发送方在发送数据前先进行网络的可用性检测。802.3协议采用CSMA/CD介质访 问控制方法。然而,在无线系统中设备不能够一边接收数据信号一边传送数据信号。
无线局域网中采用了1种与CSMA/CD相类似的载波监听多路访问/冲突防止协议 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)实现介质资源共享。CSMA/CA利用确认信号来避免冲突的发生,也就是说,只有当客户端收到网络上返回的确认信号后才确认送出的数据已经正确到达目的。CSMA/CA通过这种方式来提供无线的共享访问,这种方式在处理无线问题时非常有效。以CSMA/CA的方式共享无线介质将时间域的划分与帧格式紧密联系起来,保证某一时刻只有1个站点发送,实现了网络系统的集中控制。
因传输介质不同,CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测3种检测信道空闲的方式。
IEEE 802.11协议分类
由于标准的IEEE 802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要,因此,IEEE于1999年8月,又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准。进一步规范了不同频点的产品及更高网络速率产品的开发和应用,除原IEEE802.11的内容之外,增加了基于简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol,SNMP)的管理信息库(Management Information Base,MIB),以取代原OSI协议的管理信息库。另外还增加了高速网络内容。
2001年11月,IEEE又推出第3个新的标准802.11g。尽管目前802.11a和802.11g倍受业界关注,但从实际的应用上来讲,802.11b已成为无线局域网的主流标准,被多数厂商所采用,并且已经有成熟的无线产品推向市场。经过不断开发和研制,现在IEEE 802.11实际是一个协议族,称为802.11x系列标准,包含了一系列无线局域网的协议标准。
1.IEEE 802.11a
IEEE802.11a在整个覆盖范围内提供了更高的速度,规定的频点为5GHz。目前该频段用得不多,干扰和信号争用情况较少。802.11a同样采用CSMA/CA协议。但在物理层,802.11a 采用了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术。
OFDM技术的最大优势是其多途径回声反射,特别适合于室内及移动环境。传输速率为 6Mbit/s~54Mbit/s,支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。OFDM技术将1个无线信道分解成多个子载波同时传输数据,每个子载波的速率比总速率低许多,也就是每个传输符号的时长要长许多,这有利于克服无线信道的衰落,改善了信号质量,提升了整个网络的速度。通过对标准物理层进行扩充,802.11a支持的数据速率最高可达54Mbit/s。
2.IEEE 802.11b
IEEE 802.11b工作于开放的2.4GHz频点,不需要申请就可使用。既可作为对有线网络的补充,也可独立组网,从而使网络用户摆脱网线的束缚,实现真正意义上的移动应用。IEEE 802.11b的关键技术之一是采用补偿码键控CCK调制技术,可以实现动态速率转换。当工作站之间的距离过长或干扰过大,信噪比低于某个限值时,其传输速率可从11Mbit/s自动降至5.5Mbit/s,或者再降至直接序列扩频技术的2Mbit/s及1Mbit/s的速率。但是802.11b标准的速率上限为20Mbit/s,它保持对802.11的向后兼容。
802.11b支持的范围是在室外为300m,在办公环境中最长为100m。当用户在楼房或公司部门之间移动时,允许在访问点之间进行无缝连接。802.11b还具有良好的可伸缩性,最多3个访问点可以同时定位于有效使用范围中,以支持上百个用户。
目前,802.11b无线局域网技术已经在世界上得到了广泛的应用,它已经进入了写字间、饭店、咖啡厅和候机室等场所。没有集成无线网卡的笔记本电脑用户只需插进1张个人计算机存储器卡接口适配器(Personal Computer Memory Card Interface Adapter,PCMCIA)或USB卡,便可通过无线局域网连到因特网。
3.IEEE 802.11g和IEEE 802.11e
IEEE 802.11a与802.11b的产品因为频段与调制方式不同而无法互通,这使得已经拥有 802.11b产品的消费者可能不会立即购买802.11a产品,阻碍了802.11a的应用步伐。2001年,IEEE批准一种新技术802.11g,其使命就是兼顾802.11a和802.11b,为802.11b过渡到802.11a铺路修桥。
它既适应传统的802.11b标准,在2.4GHz频率下提供11Mbit/s的数据速率,也符合802.11a标准,在5GHz频率下提供54Mbit/s的数据速率。802.11g中规定的调制方式包括802.11a中采用的OFDM与802.11b中采用的 CCK。通过规定两种调制方式,既达到了用2.4GHz频段实现IEEE 802.11a 54Mbit/s的数据传送速度,也确保了与IEEE802.11b产品的兼容。
IEEE 802.11e被称为下一代WLAN标准。是WLAN标准方式IEEE 802.11的扩展标准。所谓IEEE 802.11的扩展标准,是在现有的802.11b及802.11a的MAC层追加了服务质量 (Quality of Service,QOS)功能及安全功能的标准。
4.IEEE 802.16
IEEE 802.16是宽带无线协议。802.16工作组成立于1999年,其主要使命是推动固定宽带无线接入系统的发展与应用。IEEE802.16工作组负责对无线本地环路的无线接口及其相关功能制订标准,它包括3个项目组,每个项目组负责不同的方面:802.16.1负责制定频率为10~60GHz的无线接口标准;802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准;802.16.3负责制定频率范围在2~10GHz之间并获得频率使用许可的无线接口标准。2001年12月,IEEE批准通过了802.16标准,802.16也被称为“WirelessMAN”。
802.16协议结构体系
802.16协议标准是按照3层结构体系组织的。
⑴物理层
物理层协议主要是关于频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输率和时分复用结构等方面的。对于从用户到基站的通信,该标准使用的是“按需分配多路寻址一时分多址”(DAMA—TDMA)技术。按需分配多路寻址(Demand Assigned Multiple Access,DAMA)技术是一种根据多个站点之间的容量需要的不同而动态地分配信道容量的技术。时分多路技术可以根据每个站点的需要为其在每个帧中分配一定数量的时隙来组成每个站点的逻辑信道。通过DAMA—TDMA技术,每个信道的时隙分配可以动态地改变。
⑵数据链路层
在该层上IEEE 802.16规定的主要是为用户提供服务所需的各种功能。这些功能都包括在介质访问控制MAC层中,主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。MAC协议规定基站或用户在什么时候采用何种方式来初始化信道,并分配无线信道容量。位于多个TDMA帧中的一系列时隙为用户组成一个逻辑上的信道,而MAC帧则通过这个逻辑信道来传输。IEEE 802.16.1规定每个单独信道的数据传输率范围是从2Mbit/s到155Mbit/s。
⑶会聚层
在MAC层之上是会聚层,该层根据提供服务的不同而提供不同的功能。对于IEEE 802.16.1来说,能提供的服务包括数字音频/视频广播、数字电话、异步传输模式ATM、因特网接入、电话网络中无线中继和帧中继。

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