Computer Networks v4 cs.sjtu 第 9 章 无线网络 系统互联 无线局域网 无线广域网. ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 1 / 196

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1 第 9 章 无线网络 系统互联 无线局域网 无线广域网 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 1 / 196

2 系统互联 使用数字无线协议, 实现固定或移动数字设备之间无电缆连接的数据传输 如 : 计算机传真机 打印机 键盘 鼠标 无绳电话 PDA 等等 目前较成熟的技术是 Bluetooth Tnbm P22 Fig. 1-11(a) Bluetooth 构架 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 2 / 196

3 Bluetooth 采用低成本的无线广播技术, 用于互联计算和通信设备之间, 并具有小范围 低功耗特点的无线标准在覆盖范围上与无线 LAN 标准 有重叠 Bluetooth 有从物理层到应用层完整的协议栈 IEEE 有一个相类似的标准 , 但仅定义了物理层和数据链路层 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 3 / 196

4 Bluetooth Bluetooth 的结构 Bluetooth 的应用层协议 Bluetooth 的协议栈 Bluetooth 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 4 / 196

5 Bluetooth 的结构 Piconet 是 Bluetooth 系统的基本组成单元 Piconet 1 Piconet 2 S S S S S M S M Active slave S S Bridge slave Tnbm P311 Fig 两个 Piconet 连接构成一个 scatternet ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 5 / 196 S S S Parked slave

6 Piconet 一个 Piconet 中只有一个主机, 最多可有 255 个从机, 但同时只允许有 7 个从机是 active 状态, 其余的都处于 parked 状态一个 Piconet 是以主机为中心的半径为 10 m 的空间范围所谓 parked 状态是除了能接受主机的呼叫并应答之外不能做其它任何操作 Piconet 的核心是一个 TDM 系统, 由主机控制时钟并决定哪一个从机在哪一个时隙内得到通信权限从机只能与主机通信, 从机与从机之间则不允许通信 Bluetooth 系统的一个重要考虑是系统实现成本, 包括芯片成本 系统功耗 处理开销等 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 6 / 196

7 Bluetooth Bluetooth 的结构 Bluetooth 的应用层协议 Bluetooth 的协议栈 Bluetooth 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 7 / 196

8 Bluetooth 的应用层协议 13 applications ( Profiles ) [1,2 为基本协议 ] Name Generic access Service discovery Serial port Generic object exchange LAN access Dial-up networking Fax Cordless telephony Intercom Headset Object push File transfer synchronization Description Procedures for link management Protocol for discovering offered services Replacement for a serial port cable Defines client-server relationship for object movement Protocol between a mobile computer and a fixed LAN Allows a notebook computer to call via a mobile phone Allows a mobile fax machine to talk to a mobile phone Connects a handset and its local base station Digital walkie-talkie Allows hands-free voice communication Provides a way to exchange simple object Provides a more general file transfer facility Permits a PDA to synchronize with another computer Tnbm P312 Fig Bluetooth Profiles ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 8 / 196

9 13 applications 说明 A. 基本协议 1. Generic access: 在主 从之间建立并维护安全的连接 2. Service discovery: 用于发现已由其它设备提供的服务 B. 串行口协议 3. Serial port: 仿真一条串行线路 C. 客户 - 服务器协议 4. Generic object exchange: 定义一个客户 - 服务器关系 D. 网络相关协议 5. LAN access: 允许 Bluetooth 设备连到一个固定网络 6. Dial-up networking: 允许 Notebook 与移动电话连接 7. Fax: 允许无线 FAX 与移动电话连接 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 9 / 196

10 13 applications 说明 E. 电话相关协议 说明 ( 续 ) 8. Cordless telephony: 提供无绳电话与其基站的连接, 将与移动电话合二为一 9. Intercom: 允许两台电话机像步话机一样连接 10. Headset: 提供免提语音通信, 如汽车中的免提电话 F. 保留协议用于两台无线设备之间卡片 图片 数据文件等的交换 11. Object push: 提供简单的交换功能 12. File transfer: 提供更通用的文件传输功能 13. Synchronization: 当外出的 PDA 或 Notebook 记录了新的数据, 回家后进行相关数据的异步更新 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 10 / 196

11 Bluetooth Bluetooth 的结构 Bluetooth 的应用层协议 Bluetooth 的协议栈 Bluetooth 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 11 / 196

12 Bluetooth 的协议栈 原本的 Bluetooth 协议栈并不遵循通常的模型规则 802 委员会对 Bluetooth 的协议构架作了修改, 定义 了一个 协议栈 ( 仅定义了下两层 ) Audio Other LLC Application / Profiles RF comm Telephony Logical link control adaptation protocol(l2cap) Link manager Baseband Physical radio Service discovery Control Application layer Middleware layer Data link layer Physical layer Tnbm P314 Fig Bluetooth 协议构架的 IEEE 版本 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 12 / 196

13 Physical Radio Layer 物理发射层与 OSI 和 802 模型基本一致 完成无线电波的发送和调制 本层最关心的是系统的低成本, 以期得到较大的市场份额 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 13 / 196

14 Physical Radio Layer 的实现 Physical Radio Layer 是一个工作半径仅为 10 m 的低功耗系统, 工作频段为 ISM(Industrial Scientific Medical) 的 2.4 ~ GHz, 实现主 从机之间 bit 的传输整个频段被分为 79 个 1 MHz 的信道调制方式为调频制, 数据速率为 1 Mbps 使用跳频扩频技术,1600 hop/sec, 即周期为 625 µs, 每一跳总有一个使之稳定的过程, 以便定位在一个更好的信道上, 然后有一个的停顿, 用于发送数据由于 Bluetooth(IEEE802.15) 与 使用相同的频段, 所以可能相互干扰, 但似乎很难解决 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 14 / 196

15 Bluetooth 的协议栈 原本的 Bluetooth 协议栈并不遵循通常的模型规则 802 委员会对 Bluetooth 的协议构架作了修改, 定义 了一个 协议栈 ( 仅定义了下两层 ) Audio Other LLC Application / Profiles RF comm Telephony Logical link control adaptation protocol(l2cap) Link manager Baseband Physical radio Service discovery Control Application layer Middleware layer Data link layer Physical layer Tnbm P314 Fig Bluetooth 协议构架的 IEEE 版本 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 15 / 196

16 Baseband Layer Bluetooth 中的基带层在 中得以保留, 但从其 所实现的功能来说, 应分属 802 协议中的数据链路层 和物理层, 所以, 可分为两部分 : 上半部分类似于数据链路层的 MAC 子层 下半部分应属物理层的功能 : 如主机怎样 控制时隙, 怎样为数据帧分配时隙等 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 16 / 196

17 Baseband Layer 的实现 与 MAC 子层类似,Bluetooth 必须把 bit 流组成帧 在每个 piconet 中, 主机定义一系列的 625 µs 的时隙, 并规定主机在偶数序列的时隙内开始发送, 而从机只允许在奇数序列的时隙内开始发送 每次跳频中使其平稳的时间约 250 ~ 260 µs, 即在一个时隙 (625 µs) 中 366 µs 可用于传输数据, 即可传输 336 个 bit 对于单时隙的帧来说, 存取码和头部为 126 bit, 所以尚余 240 bit 可用于有效数据的传输 ( 存取码 72 和头部 54)- 240( 有效数据 )= 259 ( 平稳时间 ) 对于 5 个时隙的帧来说, 包括存取码和头部的 126 bit 在内, 共有 2870 bit 为数据 (2744 为有效数据 ), 很明显, 多时隙帧的有效数据传输率远高于单时隙帧 625 x ( 有效数据 ) = 255 ( 平稳时间 ) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 17 / 196

18 Baseband Layer 的链路 每个帧 over 到逻辑信道上发送称为主从机间的一条 链路 主 从机之间存在两种类型的链路 : ACL 链路 --- 异步面向无连接 (Asynchronous Connection-Less) SCO 链路 --- 同步面向连接 (Synchronous Connection Oriented) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 18 / 196

19 ACL 链路 ACL 链路允许在无规则周期 ( 帧的时隙数不 固定 ) 内通过 L2CAP(Logical Link Control Adaptation Protocol) 层的数据包交换 ACL 链路提供的是尽力而为的流量控制策略, 但不作承诺, 所以, 数据帧可能会被丢失而必须重发一个从机只有一条与主机之间的 ACL 链路 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 19 / 196

20 Baseband Layer 的链路 每个帧 over 到逻辑信道上发送称为主从机间的一条 链路 主 从机之间存在两种类型的链路 : ACL 链路 --- 异步面向无连接 (Asynchronous Connection-Less) SCO 链路 --- 同步面向连接 (Synchronous Connection Oriented) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 20 / 196

21 SCO 链路 SCO 链路用于实时数据的传输, 如电话 (PCM 的语音信道 ) 等每个方向的信道都被定位在固定的时隙上由于 SCO 链路的实时性, 并且前向纠错可提供很高的可靠性, 所以所发送的帧从不需要重发一个从机最多可有三条与主机之间的 SCO 链路每条 SCO 链路的传输速率为 64 kbps, 可作一路 PCM 语音信道之用 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 21 / 196

22 Bluetooth 的协议栈 原本的 Bluetooth 协议栈并不遵循通常的模型规则 802 委员会对 Bluetooth 的协议构架作了修改, 定义 了一个 协议栈 ( 仅定义了下两层 ) Audio Other LLC Application / Profiles RF comm Telephony Logical link control adaptation protocol(l2cap) Link manager Baseband Physical radio Service discovery Control Application layer Middleware layer Data link layer Physical layer Tnbm P314 Fig Bluetooth 协议构架的 IEEE 版本 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 22 / 196

23 Data Link Layer 数据链路层协议由一组相关协议组成, 包括 : Link manager L2CAP Audio 和 Control Link manager 处理设备间逻辑信道的建立, 包括电源管理 认证和服务质量等 Logical Link Control Adaptation Protocol (L2CAP) 的作用是对下层的传输屏蔽上层协议细节, 类似于 802 协议中的 LLC(Bluetooth 自己的 LLC) 子层, 但实现技术不同 Audio 和 Control 分别完成语音和控制, 即应用层可不必通过 L2CAP 而直接得到下层的服务 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 23 / 196

24 L2CAP 子层 L2CAP 子层有三个主要功能 : 从上层来的数据包 ( 分组 ) 最大可达 64 kb, 为了传输, 很可能 必须拆分并组成较小的帧, 而在另一端, 又必须重组成数据分组 多数据源通常都由多路分配器来分时处理, 如一个分组到达目的端后需重组, 则 L2CAP 必须根据其上层协议进行重组, 如 RF comm( 串行端口协议 ) 与 Telephony( 电话协议 ) 是不同的在主 从双方建立链路和正常操作期间, 协商设定允许的最大负载大小, 以在保证小分组设备的处理能力的同时, 尽可能少浪费大分组设备的处理能力 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 24 / 196

25 Bluetooth 的协议栈 原本的 Bluetooth 协议栈并不遵循通常的模型规则 802 委员会对 Bluetooth 的协议构架作了修改, 定义 了一个 协议栈 ( 仅定义了下两层 ) Audio Other LLC Application / Profiles RF comm Telephony Logical link control adaptation protocol(l2cap) Link manager Baseband Physical radio Service discovery Control Application layer Middleware layer Data link layer Physical layer Tnbm P314 Fig Bluetooth 协议构架的 IEEE 版本 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 25 / 196

26 Middleware layer 中间件层是一组不同协议的混合, 包括 : LLC RF comm Telephony Service discovery 等 LLC 是 IEEE 为与其它 802 协议兼容而增加的 Radio Frequency communication(rf comm) 仿真一个标准的串口协议, 以寻找 PC 上的键盘 鼠标 modem 等设备 Telephony 是一个实时的协议, 用于应用层三个面向话音的 Profile, 包括呼叫的建立和中止 Service discovery 用于在网络中定位各种服务 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 26 / 196

27 Bluetooth 的协议栈 原本的 Bluetooth 协议栈并不遵循通常的模型规则 802 委员会对 Bluetooth 的协议构架作了修改, 定义 了一个 协议栈 ( 仅定义了下两层 ) Audio Other LLC Application / Profiles RF comm Telephony Logical link control adaptation protocol(l2cap) Link manager Baseband Physical radio Service discovery Control Application layer Middleware layer Data link layer Physical layer Tnbm P314 Fig Bluetooth 协议构架的 IEEE 版本 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 27 / 196

28 Application layer 应用层的每个协议都由下层协议来完成所指定的通用功能, 如在 Bluetooth 系统中 : 为主 从机之间建立连接 ; 发现服务 ; 仿真某种线路 ; 允许 Bluetooth 设备与固定网络连接等等也有的协议是某些特殊设备专用的协议, 如 headset ( 免提语音设备 ) 等, 它所需要的相关协议可能其它设备都不需要 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 28 / 196

29 Bluetooth Bluetooth 的结构 Bluetooth 的应用层协议 Bluetooth 的协议栈 Bluetooth 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 29 / 196

30 Bluetooth 的幀结构 Bluetooth 的典型帧格式 SCO 和 ACL 类型的帧格式 用于 PCM 语音信道的帧格式 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 30 / 196

31 Bluetooth 的典型幀格式 Bits Access code Header Data Bits Addr Type F A S Checksum 18bit 的头部重复 3 次共 54bits Tnbm P316 Fig 典型的 Bluetooth 数据帧 Access code:72 bits, 标志本数据帧来自指定从机所在的区域内的哪一台主机 ( 可能是两台中的一台 ) Header:54 bits, 详细说明在后 Data:0 ~ 2744 bits, 如帧长为 5 个时隙, 则有效数据可达 2744 bits ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 31 / 196

32 典型幀格式的头部说明 Addr:3 bits, 最多有 8 台设备 Type:4 bits,acl SCO poll null Flow:1 bits, 流控制, 从机不能接收数据时置位 Acknowledgement:1 bit, 捎带确认 Sequence:1 bits, 对检测重发帧的编号, 因为采用的是停 - 等协议, 所以只需 1 bit Checksum:8 bits 18 bits 的头部重复三次, 即 54 bits, 接收端的电路检测这 54 bits, 只要这三个相同的头部中有两个以上相同, 则被接收, 即 54 bits 仅为传输 10 bits 之用, 这在噪声环境中, 对于低功耗 ( 仅 2.5mW) 的设备为减少计算量而增加冗余量是必要的 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 32 / 196

33 Bluetooth 的幀结构 Bluetooth 的典型帧格式 SCO 和 ACL 类型的帧格式 用于 PCM 语音信道的帧格式 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 33 / 196

34 SCO 和 ACL 类型的帧格式 SCO 帧格式中的有效数据长度固定为 240 bits( 单时隙帧 ), 有三种变体, 实际数据长度分别为 和 240 bits( 剩余的用作纠错 ); 但在最可靠版本的格式中实际数据固定为 80 bits, 并与格式的头部一样, 有效数据段中是实际数据 80 bits 的三个 copy ACL 帧格式中的有效数据的长度有多种格式, 包括多时隙帧, 如 5 个时隙的帧, 有效数据长度为 2744 bits ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 34 / 196

35 Bluetooth 的幀结构 Bluetooth 的典型帧格式 SCO 和 ACL 类型的帧格式 用于 PCM 语音信道的帧格式 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 35 / 196

36 用于 PCM 语音信道的帧格式 主机发送数据必须从偶时隙开始, 而从机必须从奇时隙开始, 所以如都使用单时隙帧格式, 则主 从机都得到 800 slot/sec, 如每帧都传输 80 bits( 带冗余 ), 那么两个方向都为 64 kbps, 这正好与一个全双工的 PCM 语音信道相一致, 这也正是跳频的频率选定为 1600 hop/sec 的原因之所在 虽然一个全双工的语音信道包括两个 64 kbps 的速率, 但已使一个 piconet 的 1 Mbps 的带宽完全饱和如采用不带冗余的帧格式, 即 240 bit/slot, 则相当于可支持三条全双工的语音信道, 这意味着允许每台从机最多可有三条与主机之间的 SCO 链路 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 36 / 196

37 第 9 章 无线网络 系统互联 无线局域网 无线广域网 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 37 / 196

38 无线局域网 协议栈和体系结构 物理层 MAC 子层协议 帧结构 的服务 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 38 / 196

39 协议栈和体系结构 协议栈 己推出及正在制定的 8 个标准 IEEE 体系结构 的组网模式 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 39 / 196

40 协议栈 Upper Layer MAC Sublayer Logical Link Control DATA Link Layer Infrared FHSS DSSS a OFDM b HR-DSSS g OFDM Physical Layer Tnbm P293 Fig 部分协议栈 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 40 / 196

41 协议栈和体系结构 协议栈 己推出及正在制定的 8 个标准 IEEE 体系结构 的组网模式 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 41 / 196

42 己推出及正在制定的 8 个标准 a 5GHz(ISM,5.735 ~ 5.860GHz, 共 125M) 频段上的物理层标准 b 2.4GHz(ISM,2.4 ~ GHz, 共 83.5M) 频段上的物理层标准 d 当前 规定的操作只在几个国家是合法的, 该标准扩充了 在其它国家的应用 e 改进和管理 WLAN 的服务质量, 保证多媒体业务的传输 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 42 / 196

43 己推出及正在制定的 8 个标准 f 实现不同厂商 WLAN 之间的互操作, 保证网内访问点之间信息的互操作 g 是 b 的扩充, 通过提高传输率来增强 b 的性能和应用 h 增强 5GHz 频段的 MAC 规范及 a 物理层规范 i 增强 WLAN 的安全和鉴别机制 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 43 / 196

44 协议栈和体系结构 协议栈 己推出及正在制定的 8 个标准 IEEE 体系结构 的组网模式 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 44 / 196

45 IEEE 体系结构 Extended Service Set Distribution System Server Basic Service Set Station Station Access Point Station Station Access Point Station Basic Service Set ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 45 / 196

46 协议栈和体系结构 协议栈 己推出及正在制定的 8 个标准 IEEE 体系结构 的组网模式 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 46 / 196

47 的组网模式 定义了两种组网模式 Ad-Hoc 模式 Infrastructure 模式 基本服务集合 BSS 扩展服务集合 ESS ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 47 / 196

48 Ad-Hoc 模式 早期的 Ad-Hoc 模式用于多个移动主机 ( 无线站点 ) 之间的直接通信, 毋需接到有线网络, 每个站点必须 看 到其它所有站点 目前的 Ad-Hoc 可以与有线网络连接, 移动主机并不要求相互都能 看 到, 当然, 源主机到目的主机至少存在一条通路, 途中的站点 ( 移动主机 ) 同时也将兼作路由器用 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 48 / 196

49 的组网模式 定义了两种组网模式 Ad-Hoc 模式 Infrastructure 模式 基本服务集合 BSS 扩展服务集合 ESS ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 49 / 196

50 基本服务集合 BSS BSS:Basic Service Set, 相当于一个蜂窝 (Cell) BSS 由一组执行相同 MAC 协议 争用同一共享媒体的接入站点组成, 并由一个 BSS-ID 来标识, 通常为网络中无线接入点 AP(Access Point) 的 MAC 地址 BSS 内的移动主机都可以相互通信, 也可通过接入点 AP 接入有线网络, 与有线网络中的站点通信接入点 AP 通常由一个有线网络接口 ( 如 802.3) 和一个无线网络接口组成, 无线网络接口将多个无线站点汇聚到有线网络中 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 50 / 196

51 基本服务集合 BSS( ( 图示 ) 基本服务集合 BSS 由一个 AP 和一组无线站点组成, 通常 AP 包括两个接口, 无线接口用于管理一组无线站点, 另一个接口将作为有线网络的接入 DS(Ethernet) AP ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 51 / 196

52 的组网模式 定义了两种组网模式 Ad-Hoc 模式 Infrastructure 模式 基本服务集合 BSS 扩展服务集合 ESS ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 52 / 196

53 扩展服务集合 ESS ESS:Extended Service Set 扩展服务集合由多个 BSS 通过一个分布式系统 DS(Distribution System) 互联而成, 就像一个逻辑上的局域网一般来说,DS 是一个有线主干局域网, 通常表现为以太网 BSS 之间的通信将通过 DS 实现,BSS 在 LLC 子层上相统一, 至此, 一个移动主机可以漫游在不同的 BSS 之间 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 53 / 196

54 扩展服务集合 ESS ESS ( 图示 ) 扩展服务集合 ESS 将跨越 BSS 的通信, 同时也允许一 台移动主机在不同的 BSS 之间漫游 AP1 DS(Ethernet) AP2 BSS1 BSS2 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 54 / 196

55 无线局域网 协议簇和体系结构 物理层 MAC 子层协议 帧结构 的服务 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 55 / 196

56 物理层 扩频技术 (Spread Spectrum) and FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 56 / 196

57 扩频技术 SS 协议的物理层除使用红外线外, 主要采用扩频 (Spread Spectrum) 技术进行通信 扩频技术最初是为军事及情报部门的需求而开发的, 早期的通信使用固定的频率, 很容易被敌方侦测到并加以窃听或干扰, 扩频技术的基本思想是将携带信息的信号扩散到较宽的频谱带宽上, 接收端必须知道所传播的扩频信号相关参数才能正确地恢复发送信号, 否则它收到的扩频信号将是一片噪声 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 57 / 196

58 扩频系统的一般模型 Input Data Channel encoder Modulator Channel Demodulator Channel decoder Output Data Pseudorandom pattern generator Pseudorandom pattern generator 输入数据首先进入信道编码器, 并产生 模拟信号, 这个模拟信号具有围绕某个 中心频率的 相对较窄的带宽 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 58 / 196

59 扩频系统的一般模型 ( 续 ) 然后这个信号被一个伪随机数字序列进行调制, 通过调制使传输信号的带宽有显著增加, 即频谱被扩展 ; 在接收端, 使用相同的伪随机数字序列对扩频信号进行解调, 最后信号进入信道解码器被还原成数据伪随机数使用一些被称为种子 (seed) 的初始值通过某个算法得到, 在通信过程中, 除非知道算法和种子, 否则不可能推测出这个序列, 因此只有与发送方共享信息的接收器才可能成功地将信号解码 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 59 / 196

60 用于通信的电磁波频段 f(hz) 无线电波微波红外线 可见光 紫外线 X 射线 γ 射线 波长 30km 3km 30m 3m 30mm 3mm 30µm 3µm f(hz) 双绞线卫星通信光通信 AM 同轴电缆 FM TV 微波通信 Tnbm P101 Fig.2-11 用于通信的电磁波频段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 60 / 196

61 物理层 扩频技术 (Spread Spectrum) and FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 61 / 196

62 跳频扩频 FHSS FHSS:Frequency Hopping Spread Spectrum 该标准于 1997 年提出, 工作在 2.4 ~ GHz(ISM 频 段 ) 共 83.5M, 整个频段被分成 79 个 1 MHz 的信道, 采用 调频调制, 传输速率为 1M bps 由一个伪随机数发生器生成一个随机序列, 所有站点都按此随机序列同时跳到相同的频率并作一停顿 (<400ms) 由于入侵者不知道随机序列和停顿时间, 所以具有一定的 安全性 常用于楼与楼之间的连接, 但传输带宽较低 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 62 / 196

63 物理层 扩频技术 (Spread Spectrum) and FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 63 / 196

64 直接序列扩频 DSSS DSSS:Direct Sequence Spread Spectrum 该标准于 1997 年提出, 工作在 2.4 ~ GHz(ISM 频段 ), 传输速率为 1M 或 2M bps, 采用调相调制使用直接序列方式扩频, 原始信号中的一个比特在传输信号中采用 Chipping code( 切片编码 ) 被转换成多个比特 ( 在 中为 11 个 ), 称为 Barker sequence, 这种切片编码将信号扩展到较宽的频带范围, 而这个频带范围与使用的比特数成正比 DSSS 的波特率为 1M, 当一个波特携带 2 个 bit 时, 其传输速率为 2M bps ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 64 / 196

65 物理层 扩频技术 (Spread Spectrum) and FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 65 / 196

66 正交频分复用 OFDM OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing 该标准于 1999 年提出, 工作在 ~ 5.860GHz(ISM 频段 ) 共 125M, 用于第一个高速 WLAN a, 传输速率最高为 54Mbps 不同的信道采用频分多路复用 (FDM) 方式, 但不同的信道在相位上是正交的, a 使用了 52 个频率, 其中 48 个用于传送数据,4 个用于同步 2001 年提出的 g 采用相同的 OFDM, 但工作在 ISM 的 2.4GHz 频段, 速率为 11Mbps ~ 54Mbps ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 66 / 196

67 物理层 扩频技术 (Spread Spectrum) and FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 67 / 196

68 高速直接序列扩频 HR-DSSS HR-DSSS:High Rate Direct Sequence Spread Spectrum 1999 年提出的 b, 工作在 ISM 的 2.4GHz 频段, 传输速率最高为 11Mbps 波特率为 1M, 如一波特携带 1 bit, 传输速率为 1M bps, 携带 2 bit, 为 2M bps, 如采用调相调制, 则波特率将为 1.375M, 并携带 4 bit 和 8 bit, 传输速率将为 5.5M bps 和 11M bps 实际传输速率将根据负载和噪声情况动态调整适应 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 68 / 196

69 FCC 附 :FCC: 和 ISM band Federal Communication Commission 联邦通信委员会 ( 美国 )FCC 对频段的划分作出规定 ISM band Industrial Scientific Medical 频段 (ISM), 该频段毋需经许可就可以使用 美国的三个 ISM 频段 26MHz 83.5MHz 125MHz MHz MHz 332.6mm 323.3mm GHz GHz GHz GHz 125mm 120.8mm 52.3mm 51.2mm Tnbm P107 Fig.2-13 美国的 ISM 频段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 69 / 196

70 物理层协议的比较 协议 ( 规范 ) a b g Bluetooth 调制技术 FHSS DSSS OFDM HR-DSSS OFDM FHSS 频段 (GHz) 2.4~ ~ ~ ~ ~ ~ 物理层最大速率 M bps 1/2 1/ /2/5.5/11 1 覆盖范围 (m) k 价格 高 高 高 高 高 中等 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 70 / 196

71 无线局域网 协议簇和体系结构 物理层 MAC 子层协议 帧结构 的服务 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 71 / 196

72 802.11MAC 子层协议 信号发送半径 隐藏站点和暴露站点 MAC 层结构 PCF 的电源管理 的帧间间隔 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 72 / 196

73 信号发送半径 每个移动主机的发射功率有限, 其发出的信号只能使一定半径范围内的机器能够检测到, 从而存在两种错误的判断 信号发送半径引起的错误判断 1 信号发送半径引起的错误判断 2 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 73 / 196

74 信号发送半径引起的错误判断 1 A 发送报文给 B, 但因 C 在 A 的信号范围之外,C 没有察觉 A 的发射信号, 如果 C 同时也发报文给 B, 则会干扰 B 对 A 信号的接收 (Tnbm P268 Fig. 4-11a) A B C D Radio range ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 74 / 196

75 信号发送半径 每个移动主机的发射功率有限, 其发出的信号只能使一定半径范围内的机器能够检测到, 从而存在两种错误的判断 信号发送半径引起的错误判断 1 信号发送半径引起的错误判断 2 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 75 / 196

76 信号发送半径引起的错误判断 2 如果 B 正发送报文给 A,C 也暴露在 B 的发送信号范围 之内, 如果此时 C 希望发送报文给 D, 但由于 C 检测到 信道上有信号, 就不会发送, 其实, 此时 C 发报文给 D 应该是没有问题的 (Tnbm P268 Fig. 4-11b) A B C D Radio range ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 76 / 196

77 802.11MAC 子层协议 信号发送半径 隐藏站点和暴露站点 MAC 层结构 PCF 的电源管理 的帧间间隔 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 77 / 196

78 隐藏站点 当前 C 正向 B 发送报文,A 也希望向 B 发送, 由于 A 在 C 的信号范围之外, 没有检测到 C 的信号, 于是 就发送, 这可能造成在 B 点处 A 和 C 的信号冲突 Tnbm P296 Fig.4-26a A 和 C 互为隐藏站点 A B C ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 78 / 196

79 暴露站点 当前 A 正向 D 发送报文,B 也希望向 C 发送, 由于 B 在 A 的信号范围之内, 检测到信道正被使用, 于是 就不发送, 其实如 B 向 C 发送是允许的 Tnbm P296 Fig.4-26b D A B C 对于 A 而言 B 为暴露站点 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 79 / 196

80 802.11MAC 子层协议 信号发送半径 隐藏站点和暴露站点 MAC 层结构 PCF 的电源管理 的帧间间隔 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 80 / 196

81 IEEE MAC 层结构 由于发射装置是半双工的, 不可能在发射的同时侦听信道, 所以不 能采用 CSMA/CD, 为此 支持两种工作模式 :DCF 和 PCF MAC Layer Contention-Free Service Point Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) Physical Layer Contention Service DCF:Distributed Coordination Function 分布式协调功能, 用类似 CSMA 的算法解决竞争问题 PCF:Point Coordination Function 点协调功能, 由点协调器采用轮询的方法, 所以没有竞争问题 ( 属可选功能 ) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 81 / 196

82 分布式协调功能 DCF DCF 模型中每个站点都是相互独立的, 没有主从关系, 如同在 Ethernet 中一样, 必须通过竞争获得信道 DCF 采用 CSMA/CA, 即带冲突避让的载波多路侦听 CSMA/CA:CSMA with Collision Avoidance CSMA/CA 采用两种方法侦听信道 : 物理信道侦听 虚拟信道侦听 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 82 / 196

83 物理信道侦听 站点在发送前, 先侦听信道, 如信道忙, 则等待, 直至信道空闲时再发送如侦听到信道空闲, 则发送报文, 并不管发送过程中是否发生冲突, 发送站点都将把报文发送完毕如果发生冲突, 则各冲突站点都将等待一个随机时间后再次尝试发送 ( 使用以太网的二进制指数后退算法 ) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 83 / 196

84 分布式协调功能 DCF DCF 模型中每个站点都是相互独立的, 没有主从关系, 如同在 Ethernet 中一样, 必须通过竞争获得信道 DCF 采 用 CSMA/CA, 即带冲突避让的载波多路侦听 CSMA/CA:CSMA with Collision Avoidance CSMA/CA 采用两种方法侦听信道 : 物理信道侦听 虚拟信道侦听 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 84 / 196

85 虚拟信道侦听 虚拟信道侦听基于 MACAW :Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless, 即带无线冲突避让的多路访问 在正式发送报文前有一个预处理过程, 即发送站与接收站之间先交换两个短帧 (30 字节 )RTS 和 CTS, 并且两个短帧中都包含了发送报文的长度 A RTS Data B CTS ACK C NAV NAV D Time Tnbm P297 Fig.4-27 使用 CSMA/CA 的虚拟信道侦听 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 85 / 196

86 MACAW 协议 CSMAW 的工作原理 CSMAW 对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW 的载波侦听 CSMAW 的数据帧分段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 86 / 196

87 CSMAW 的工作原理 任何移动主机 (A) 在发送报文前先发送一个 RTS (Request To Send) 帧, 接收主机 (B) 如果同意接收, 则返回一个 CTS(Clear To Send) 帧 A 收到 CTS 后就可发送数据帧, 同时启动一个定时器,B 正确地收到数据帧后发一个确认帧 ACK,A 收到 ACK, 则此次发送即告结束 ; 如果 A 在定时器时间 内没有收到确认, 则重新开始前面的过程 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 87 / 196

88 MACAW 协议 CSMAW 的工作原理 CSMAW 对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW 的载波侦听 CSMAW 的数据帧分段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 88 / 196

89 CSMAW 对其它站点的约定 其实 CSMAW 方法是告诫在 A( 发送站点 ) 和 B ( 接收站点 ) 的信号发射范围内的其它站点, 希望其它站点在整个收发期间, 不要干扰, 即所有检测到 RTS 帧的站点 ( 除 B) 均向 A 关闭, 并且保持足够长的时间不发帧, 以保证 A 无冲突地发送数据帧 ; 所有检测到 CTS 帧的站点 ( 除 A) 均向 B 关闭, 并在后继数据到来期间保持沉默, 以保证 B 无冲突地收到数据帧 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 89 / 196

90 MACAW 协议 CSMAW 的工作原理 CSMAW 对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW 的载波侦听 CSMAW 的数据帧分段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 90 / 196

91 暴露站点问题的解决 C 位于 A 的发射区内, 但在 B 的发射区外, 对于 A 而言,C 是暴露站点 C 收到 A 发出的 RTS, 知道 A 的发射范围 A 将向 B 发数据,C 则对自己发出一个 NAV (Network Allocation Vector) 信号以阻止本站向 A 发数据帧, 同时 C 只要不对 A 的接收产生干扰, 就可以随意地在 A 发送数据帧时向除 A 以外的其它站点发送自己的数据帧 C A RTS E B D Tnbm P270 Fig. 4-12a ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 91 / 196

92 MACAW 协议 CSMAW 的工作原理 CSMAW 对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW 的载波侦听 CSMAW 的数据帧分段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 92 / 196

93 隐藏站点问题的解决 D 位于 A 的发射区外, 但在 B 的发射区内, 对于 A 而言,D 是隐藏站点 当 A 发出 RTS 时,D 不能听到, 但是却能听到 B 发出的 CTS, 知道 B 将接收一定长度的数据帧, 此时 D 也将对自己发出一个 NAV 信号以阻止本站向 B 发数据帧, 直到 B 向 A 发送 ACK 为止 B 的发射范围 由于 E 同时暴露在 A 和 B 的发射范围内, 整个过程 E 都能听到, 所以 E 也将对自己发出一个 NAV 信号以阻止本站向 A 或 B 发数据帧, 直到 B 向 A 发送 ACK 为止 C A CTS E B D Tnbm P270 Fig. 4-12b ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 93 / 196

94 MACAW 协议 CSMAW 的工作原理 CSMAW 对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW 的载波侦听 CSMAW 的数据帧分段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 94 / 196

95 CSMAW 的载波侦听 在无线网中如果产生冲突, 要等到传输层发现已经太迟, 在 MACAW 方案中, 由数据链路层发 ACK, 另外又加入载波侦听, 当有其它站点发 RTS 时, 自己就不发 RTS 采用简单的仃 等协议, 发送站只有收到对前一帧的确认后才发下一帧 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 95 / 196

96 MACAW 协议 CSMAW 的工作原理 CSMAW 对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW 的载波侦听 CSMAW 的数据帧分段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 96 / 196

97 CSMAW 的数据帧分段 无线网络存在的一个严重问题是它的噪声干扰远大 于有线网络, 因而通信不可靠, 出错率较高 设 1 位的出错概率为 p, 每帧有 n 位, 则正确接收 1 帧 的概率为 ( 1 p ) n, 随着帧长度的增加, 其正确接收的概率将减小, 对于一个标准最大长度的以太帧 (1518Bytes = 12144bits) 而言, 当 p = 10-6 时, 传输一帧出错的概率约为 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 97 / 196

98 CSMAW 的数据帧分段 ( 续 ) 在 协议中将较长帧分段, 采用发短帧的方法来 解决一旦出错需重发长帧的问题, 将长帧分为一串短帧的发送, 称为 fragment burst A RTS Frag1 Frag2 Frag3 B CTS ACK ACK ACK C NAV D NAV Time Tnbm P298 Fig.4-28 Fragment burst ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 98 / 196

99 IEEE MAC 层结构 由于发射装置是半双工的, 不可能在发射的同时侦听信道, 所以不 能采用 CSMA/CD, 为此 支持两种工作模式 :DCF 和 PCF MAC Layer Contention-Free Service Point Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) Physical Layer Contention Service DCF:Distributed Coordination Function 分布式协调功能, 用类似 CSMA 的算法解决竞争问题 PCF:Point Coordination Function 点协调功能, 由点协调器采用轮询的方法, 所以没有竞争问题 ( 属可选功能 ) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 99 / 196

100 点协调功能 PCF 由基站 (Base Station) 来轮询其它站点, 是否有帧 需要发送, 发送的顺序是受控的, 所以没有冲突发生 基站周期性地广播 ( 次 /s)beacon( 标志 ) 帧,Beacon 帧中包含跳频序列 停顿时间 (FHSS) 和同步时钟等, 以便让其它站点加入轮询服务中 一旦有站点注册 (sign up) 到轮询服务中, 它将得到 带宽中的一个片断, 即能够得到服务质量的保证 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 100 / 196

101 802.11MAC 子层协议 信号发送半径 隐藏站点和暴露站点 MAC 层结构 PCF 的电源管理 的帧间间隔 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 101 / 196

102 PCF 的电源管理 基站可以指定某一台移动站点进入睡眠状态, 以延长移动站点的电源使用时间 某个移动站点进入睡眠状态, 意味着基站将为 所有发送给它的帧进行暂存, 待唤醒后转交 移动站点的睡眠状态由基站或使用者将其唤醒 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 102 / 196

103 802.11MAC 子层协议 信号发送半径 隐藏站点和暴露站点 MAC 层结构 PCF 的电源管理 的帧间间隔 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 103 / 196

104 的帧间间隔 PCF 与 DCF 模式可共存于同一个蜂窝 (cell) 中, 为了保证工作的平稳和公平, 规定了它们的工作顺序, 其实这是一组等价于优先级策略的时延, 它们是 : SIFS - Short InterFrame Spacing PIFS - PCF InterFrame Spacing DIFS - DCF InterFrame Spacing EIFS - Extended InterFrame Spacing ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 104 / 196

105 的帧间间隔 SIFS Control frame or next fragment may be sent here PIFS PCF frames may be sent here DCF frames may be sent here Bad frames recovery done here DIFS ACK EIFS Time Tnbm P299 Fig 的帧间间隔 SIFS DIFS ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 PIFS EIFS 第 9 章无线网络 105 / 196

106 短帧间间隔 SIFS Short InterFrame Spacing 接收站在收到 RTS 后, 须经过一个 SIFS, 然后发回 CTS 接收站在收到数据帧或者收到一个 Fragment 后, 也须经过一个 SIFS, 然后发送 ACK 在 Fragment bust 传输时, 发送站每收到 1 个 ACK 后, 都须经一个 SIFS, 然后再发下一个 Fragment SIFS 取值与物理层有关,DSSS 为 10 µs,fhss 为 28 µs ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 106 / 196

107 的帧间间隔 SIFS Control frame or next fragment may be sent here PIFS PCF frames may be sent here DCF frames may be sent here Bad frames recovery done here DIFS ACK EIFS Time Tnbm P299 Fig 的帧间间隔 SIFS DIFS ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 PIFS EIFS 第 9 章无线网络 107 / 196

108 PCF 帧间间隔 PIFS PCF InterFrame Spacing 一般说来, 在 SIFS 时刻总有一个站点会作出响应, 但如果没有, 而经过了 PIFS 时间间隔, 则可以进入 PCF 模式在此时刻基站可发送 Beacon 帧 ( 该帧包含系统的相关参 数如跳频序列 停顿时间 时钟同步等 ) 或发送轮询帧 这种机制保证了当某个站点在发送完一个数据帧或发送完 一系列的 Fragment 以后, 基站毋需竞争就可以得到信道 PIFS 取值与物理层有关 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 108 / 196

109 的帧间间隔 SIFS Control frame or next fragment may be sent here PIFS PCF frames may be sent here DCF frames may be sent here Bad frames recovery done here DIFS ACK EIFS Time Tnbm P299 Fig 的帧间间隔 SIFS DIFS ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 PIFS EIFS 第 9 章无线网络 109 / 196

110 DCF 帧间间隔 DIFS DCF InterFrame Spacing 随着时间的流逝, 经过了 PIFS 时间间隔, 但基站没有 动作, 又经过了 DIFS 时间间隔, 在此时刻任何一个 站点都可试图获得信道以发送新帧, 即进入 DCF 模式 此时通常使用竞争规则, 如果发生冲突, 则采用二进 制指数后退算法实现冲突避让 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 110 / 196

111 的帧间间隔 SIFS Control frame or next fragment may be sent here PIFS PCF frames may be sent here DCF frames may be sent here Bad frames recovery done here DIFS ACK EIFS Time Tnbm P299 Fig 的帧间间隔 SIFS DIFS ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 PIFS EIFS 第 9 章无线网络 111 / 196

112 扩展的帧间间隔 EIFS Extended InterFrame Spacing 仅在某个站点收到一个错误的或无法识别的帧后, 作出报告时才使用 EIFS 的优先级最低, 是为了避免影响两个站点之间的正在进行的对话, 即必须让双方完成对话 (SIFS), 此后基站没有动作 (PIFS), 甚至也没有任何站点希望获得信道 (DIFS), 然后才给出报告 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 112 / 196

113 无线局域网 协议簇和体系结构 物理层 MAC 子层协议 帧结构 的服务 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 113 / 196

114 帧结构 定义了三种类型的 MAC 帧 : 数据帧 控制帧 管理帧, 各类帧格式有所不同, 其基本格式相同 Bytes Frame Dura Address Address Address Address Check Seq. Data control tion sum bits Version Type Sub Type To DS From DS More Frag Retry PWR More Data WEP Order ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 Tnbm P300 Fig 数据帧格式 第 9 章无线网络 114 / 196

115 Frame control 帧控制域 1 Version 协议版本允许在同一个蜂窝内同时运行两个不同版 本的协议, 对于当前版本的 , 该字段值为 00 Type 帧的类型,00: 管理 01: 控制 10: 数据 Subtype 上述三种类型中的一些特定要求, 例如在控制类型 帧中就包含了 RTS CTS 和 ACK 等子类型 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 115 / 196

116 Frame control 帧控制域 2 ToDS 如为 1, 表示当前帧发往 DS,DS 是指连接不同蜂窝的主干网, 如 Ethernet FromDS 如为 1, 则表示当前帧来自 DS Retry 如为 1, 表示该帧是一个重传帧, 接收站点可根据此标志识别删除重复帧 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 116 / 196

117 Frame control 帧控制域 3 PWR (Power Management) 电源管理, 表示当前帧交换序列完成后, 基站将把接 收站置成睡眠状态或将其从睡眠状态唤醒, 以节约电池消耗 WEP (Wired Equivalent Privacy) 如为 1, 表示该帧已采用 WEP 算法,WEP 采用 RC4 算 法, 这是一种流加密方式, 将一个短密钥扩展成一个无穷伪随机密钥流, 发送端将密钥流和明文进行异或运算, 生成加密后的密文 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 117 / 196

118 Frame control 帧控制域 4 More Fragment 如为 1, 表示当前传输的 MSDU(MAC Service Data Unit) 还有后续分段 More Data 如为 1, 发送站有附加的帧发给接收站 Order 如为 1, 通知接收站严格地按顺序处理所收到的 连续的帧 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 118 / 196

119 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 Address 地址域 地址字段的取值 To DS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address DA SA BSS-ID N/A 0 1 DA BSS-ID SA N/A 1 0 BSS-ID SA DA N/A 1 1 RA TA DA SA 每个地址段都符合 IEEE 标准规定的 48bit 的 MAC 地址 DA: 当前传输帧的最终目的工作站的 MAC 地址 SA: 当前传输帧的起始发送工作站的 MAC 地址 RA: 接收当前传输帧的无线接入点 AP 的 MAC 地址 TA: 发送当前传输帧的无线接入点 AP 的 MAC 地址 第 9 章无线网络 119 / 196

120 其它域 Duration 持续时间 数据帧 确认帧和 NAV 占用信道的时间 Seq. 序列 帧和段的顺序号, 其中 12 位用于帧序号,4 位用于帧内的分段号 Data 数据域 长度可变, 最长可达 2312 字节 Checksum 校验域,32 位 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 120 / 196

121 无线局域网 协议簇和体系结构 物理层 MAC 子层协议 帧结构 的服务 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 121 / 196

122 的服务 定义了 9 项服务, 其中 5 项为分布服务, 用于管理蜂窝内的成员以及不同蜂窝成员之间的交互工作, 另外 4 项为站点安全可靠服务, 用于单个蜂窝内的工作 分布服务 (Distribution service) 站点服务 (Station service) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 122 / 196

123 分布服务 (Distribution service) Association 关联 Disassociation 解除关联 Reassociation 重新关联 Distribution 分发 Integration 整合 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 123 / 196

124 Association 关联 关联即移动主机将自身与基站相连接 当一个移动主机进入某基站的信号范围时, 应该把自己的标识 相关性能 ( 包括数据传输速率, 需要的 PCF 服务 polling 和能源管理等 ) 通报给基站 基站可以接受也可以拒绝, 如果接受, 以后当基站轮询时, 该主机必须能识别 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 124 / 196

125 分布服务 (Distribution service) Association 关联 Disassociation 解除关联 Reassociation 重新关联 Distribution 分发 Integration 整合 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 125 / 196

126 Disassociation 解除关联 解除关联即移动主机或基站之间断开连接 当移动主机关机或者离开某基站前, 应先与 该基站解除关联 基站在断电维护前也应先与连接的移动主机 解除关联 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 126 / 196

127 分布服务 (Distribution service) Association 关联 Disassociation 解除关联 Reassociation 重新关联 Distribution 分发 Integration 整合 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 127 / 196

128 Reassociation 重新关联 重新关联即移动主机在不同的蜂窝之间移动时改变所连接的基站 在移动过程中不应丢失数据 与 Ethernet 相似, 也是采用尽力而为的服务策略 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 128 / 196

129 分布服务 (Distribution service) Association 关联 Disassociation 解除关联 Reassociation 重新关联 Distribution 分发 Integration 整合 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 129 / 196

130 Distribution 分发 决定如何将帧送往目的站点, 如果目的站点与本基站同属一个 BSS, 则可直接传送, 否则将由分布系统 DS 并通过有线网络转发给另一个基站, 其实, 分发功能由 AP 实现 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 130 / 196

131 分布服务 (Distribution service) Association 关联 Disassociation 解除关联 Reassociation 重新关联 Distribution 分发 Integration 整合 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 131 / 196

132 Integration 整合 整合即 网络与非 网络通信时 的地址和报文格式的转换, 即桥接功能 由于蜂窝之间的通信或无线网络与有线网 络 ( 通常是 802.3) 之间的通信必须通过有 线网络, 所以整合功能也由 AP 实现 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 132 / 196

133 的服务 定义了 9 项服务, 其中 5 项为分布服务, 用于管理蜂窝内的成员以及不同蜂窝成员之间的交互工作, 另外 4 项为站点安全可靠服务, 用于单个蜂窝内的工作 分布服务 (Distribution service) 站点服务 (Station service) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 133 / 196

134 站点服务 (Station( service) Authentication 认证 Deauthentication 撤消认证 Privacy 保密 Data delivery 数据的递交 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 134 / 196

135 Authentication 认证 为提高通信的安全性, 该项服务提供身份认证机制, 当移动主机进入某个蜂窝并与基站关联后, 基站便向移动主机发出一个特殊的查询帧, 通过核对已分配给移动主机的密钥 ( 或 password) 来确认该移动主机的合法 性, 并最终同意该主机在蜂窝注册 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 135 / 196

136 站点服务 (Station( service) Authentication 认证 Deauthentication 撤消认证 Privacy 保密 Data delivery 数据的递交 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 136 / 196

137 Deauthentication 撤消认证 当已被认证的移动主机要离开网络时, 必须撤消认证, 不再允许使用原网络 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 137 / 196

138 站点服务 (Station( service) Authentication 认证 Deauthentication 撤消认证 Privacy 保密 Data delivery 数据的递交 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 138 / 196

139 Privacy 保密 处理信息的加密与解密, 采用 RC4 加 密算法 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 139 / 196

140 站点服务 (Station( service) Authentication 认证 Deauthentication 撤消认证 Privacy 保密 Data delivery 数据的递交 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 140 / 196

141 Data delivery 数据的递交 不提供 100% 的可靠性保证, 当需 经过 Ethernet 通信时,Ethernet 也不提供 100% 的可靠性保证, 所以必须由高层协议来负责检查和校正差错, 以保证最终数据递交的正确性 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 141 / 196

142 第 9 章 无线网络 系统互联 无线局域网 无线广域网 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 142 / 196

143 无线广域网 低速宽带无线系统 第一代 : 模拟, 用于话音信道 第二代 : 数字, 用于话音信道 第三代 : 数字, 用于话音信道和数据信道 高速宽带广域无线网 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 143 / 196

144 高速宽带广域无线网 IEEE 标准 与 的比较 的协议栈 的物理层 MAC 子层协议 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 144 / 196

145 IEEE 标准 IEEE 标准是一种 Last mile ( 国内称 最后 1 公里 ) 的无线宽带接入解决方案, 2002 年 4 月 8 日公布正式名称为 :Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems 或称为 :Wireless Metropolitan Area Network 或 :wireless local loop IEEE 标准工作在 10 ~ 66 GHz 频段 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 145 / 196

146 另外两种无线接入方式 LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 工作在 24G ~ 38GHz 频谱, 利用高容量点对多点微波传输, 几乎可以提供任何种类的业务, 速率从 64kbps 到 2Mbps, 最高达 155Mbps 被称为 无线光纤 MMDS(Multichannel Multipoint Distribution Service) 工作在 2.5G ~ 3.5GHz 频段, 可为用户提供点对点 点对多点服 务, 还支持用户终端业务 GSM 短消息 GPRS 电信业务 被称为 WDSL ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 146 / 196

147 LMDS 系统的结构 Telephone Network ISP Tnbm P136 Fig.2-30 LMDS 系统的结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 147 / 196

148 高速宽带广域无线网 IEEE 标准 与 的比较 的协议栈 的物理层 MAC 子层协议 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 148 / 196

149 与 的比较 是固定用户的远距离无线接入标准, 而 是一个无线局域网标准 是为不可移动的整幢大楼提供无线接 入, 而 是将不便布线的大楼内的台式 主机和可移动的笔记本电脑组成一个局域网 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 149 / 196

150 与 的比较 所覆盖的可能是整个城市, 由于信噪比与传输距离有关, 所以 提供多种调制方式, 采用 10 ~ 66 GHz 的微波频段, 并且由于微波经过的是开放的室外空间, 所以 的安全和保密必须考虑 ; 而 采用 2.4 GHz 或 5 GHz 的 ISM 频段, 且用于室内环境, 其安全和保密的要求相对次之由于 采用的载波是 10 ~ 66 GHz 的毫米波很容易被水吸收, 所以与工作在室内环境的 相比, 的差错处理将显得更为重要 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 150 / 196

151 与 的比较 3 对于实时数据传输 ( 如电话等相对持续的多媒体数据流 ) 的服务质量, 支持得较为完美 ; 但 即使在 PCF 模式下 ( 由基站轮询, 没有竞争 ), 也并非是真正的实时模式简而言之, 是比移动电话系统更有应用前景的可能将包括所有移动设备的无线城域网络系统, 当然还必须继续优化本章节将只讨论固定的无线通信 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 151 / 196

152 高速宽带广域无线网 IEEE 标准 与 的比较 的协议栈 的物理层 MAC 子层协议 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 152 / 196

153 的协议栈 IEEE : MAC 及 10 ~ 66 GHz 物理层 P802.16a: 增补方案, 需申请使用许可的频段, 2 ~ 11 GHz P802.16b: 增补方案,Wireless HUMAN, 无需申请使用许可的频段 ISM,5 GHz P802.16c: 增加了系统的互操作性 P802.16d: 2 ~ 11 GHz 互操作性规范 P802.16e: 移动无线城域网的方案 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 153 / 196

154 的协议栈 的协议栈 ( 图示 ) Upper layer Physical medium dependent sublayer Service specific convergence sublayer MAC sublayer common part Security sublayer Transmission convergence sublayer QPSK QAM-16 QAM-64 Data link layer Physical layer Tnbm P305 Fig 的协议栈 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 154 / 196

155 的协议栈说明 物理层 物理介质无关子层 传输汇聚子层 数据链路层 安全子层 MAC 子层公共部分 指定服务汇聚子层 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 155 / 196

156 物理层协议说明 物理介质无关子层 ( 物理层的下部 ) a 工作在 2 ~ 11 GHz, 支持 OFDM b 工作在 5 GHz 的 ISM 频段 传输汇聚子层 ( 物理层的上部 ) 对数据链路层而言, 该子层隐藏了物理层不同的传输技术 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 156 / 196

157 的协议栈说明 物理层 物理介质无关子层 传输汇聚子层 数据链路层 安全子层 MAC 子层公共部分 指定服务汇聚子层 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 157 / 196

158 数据链路层协议说明 安全子层 ( 数据链路层的下部 ) 负责加密 解密和密钥管理 MAC 子层公共部分 ( 数据链路层的中部 ) 主要负责通道管理, 如有效地调度下行信道并用某种规则管理上行信道 为电话和其它多媒体通信提供服务质量的保证 MAC 子层是面向连接的 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 158 / 196

159 数据链路层协议说明 ( 续 ) 指定服务汇聚子层 ( 数据链路层的上部 ) 是与网络层的接口 的 MAC 层可以与面向无连接的分组协议 ( 如 PPP IP 和以太网 ) 和面向连接的 ATM 无 缝地整合 标准中保留了未来可能出现的其他协议接口的 扩展空间, 针对不同的业务需求, 提供多种接口, 以适应 LMDS 全业务系统的特点 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 159 / 196

160 高速宽带广域无线网 IEEE 标准 与 的比较 的协议栈 的物理层 MAC 子层协议 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 160 / 196

161 的物理层 工作在 10 ~ 66 GHz, 采用毫米波 (millimeter wave), 毫米波是直线传送, 方向性强, 而蜂窝通信的无线电波是无方向性 ( 全方位 ) 的 物理层的调制方式 物理层的工作方式 物理层的纠错码 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 161 / 196

162 的调制方式 采用不同的调制方式, 以适应不同传输距离 的需要, 但距离愈远, 其传输速率愈低 QAM-64 (6 bits/baud) 25MHz 时 150M bps QAM-16 (4 bits/baud) 25MHz 时 100M bps QPSK (2 bits/baud) 25MHz 时 50M bps ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 162 / 196

163 的发送环境 Tnbm P306 Fig 的发送环境 QAM-64(6 bit/baud) QAM-16(4 bit/baud) QPSK(2 bit/baud) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 163 / 196

164 三种调制方式 ( 图示 ) QPSK 2bit/baud 90 QAM-16 4bit/baud 90 QAM-64 6bit/baud Tnbm P128 Fig (a) (b) (c) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 164 / 196

165 的物理层 工作在 10-66GHz, 采用毫米波 (millimeter wave), 毫米波是直线传送, 方向性强, 而蜂窝通信的无线电波是无方向性 ( 全方位 ) 的 物理层的调制方式 物理层的工作方式 物理层的纠错码 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 165 / 196

166 物理层的工作方式 物理层被设计成具有高度的灵活性, 以利于优化系统 的整体性能配置, 由于 Internet 的访问是非对称的, 所以 物理层定义了两种双工方式 : TDD(Time Division Duplexing) FDD (Frequency Division Duplexing) 这两种方式均使用突发数据传输格式, 该传输机制支 持自适应的突发业务数据 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 166 / 196

167 时分双工 TDD TDD(Time Division Duplexing) 每个帧都包含 Downstream 与 Upstream 两部分, 各自都由一组时隙组成, 两者之间有一个时隙的间隔 Downstream 和 Upstream 的时隙数可动态调整, 即任一方向的带宽都是动态可调的 Frame 1 Frame 2 Frame 3 Downstream Upstream Guard time Time slot ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 Tnbm P307 Fig 时分双工的帧和时隙 第 9 章无线网络 167 / 196

168 的物理层 工作在 10-66GHz, 采用毫米波 (millimeter wave), 毫米波是直线传送, 方向性强, 而蜂窝通信的无线电波是无方向性 ( 全方位 ) 的 物理层的调制方式 物理层的工作方式 物理层的纠错码 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 168 / 196

169 物理层的纠错码 无线通信中的误码率较高, 通常不采用检错 重发机制, 而采用冗余纠错机制 物理层的纠错码采用 Hamming 编码 的前向纠错 FEC(Forward Error Correction) 传输中有超过一半的 bit 是用于纠错的 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 169 / 196

170 高速宽带广域无线网 IEEE 标准 与 的比较 的协议栈 的物理层 MAC 子层协议 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 170 / 196

171 802.16MAC 子层协议 Security Sublayer Common Part Sublayer Service Specific Convergence Sublayer ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 171 / 196

172 Security sublayer 加密封装协议 密钥管理协议 (PKM) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 172 / 196

173 加密封装协议 负责加密算法在 MAC PDU 数据传输中的应用规则并实现, 对所传输的数据加密, 加密只对 MAC PDU 中的载荷部分, 即 MAC 头部不被加密,MAC 层中的所有其它管理信息在传输过程中也不被加密 通常的加密算法是 : DES(cipher block chaining ) or triple DES( 两个密钥 ) AES ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 173 / 196

174 Security sublayer 加密封装协议 密钥管理协议 (PKM) ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 174 / 196

175 密钥管理协议 PKM 负责基站到用户站 (Subscriber) 之间密钥的安全分发 密钥数据的同步以及业务接入的权限认证, 通过使用基于数字证书的认证方式, 进一步加强 PKM 的安全性能 PKM 采用服务器 / 客户机模型, 一个 SPKM 的客户从基站 ( 即 PKM 的服务器 ) 那里获得授权以及密钥材料,PKM 支持周期性地重新授权及密钥更新 PKM 使用 X.509 数字证书和 RSA 算法 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 175 / 196

176 802.16MAC 子层协议 Security Sublayer Common Part Sublayer Service Specific Convergence Sublayer ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 176 / 196

177 Common Part Sublayer MAC 层的核心部分是共同部分子层 CPS, 它通过 MAC SAP(Medium Access Control Layer Service Access Point) 接收来自汇聚层 (Convergence Sublayer) 的数据, 形成 MAC CPS 层的 SDU(Service Data Unit) 数据包 是 面向连接 的, 即所有用户站点 (Subscriber Station) 的数据业务以及与之相关的 QoS 要求, 都是在面向连接的范畴中来实现的, 每个连接均由一个连接标识符 Connect ID(16 bit) 来唯一地标识 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 177 / 196

178 Common Part Sublayer( 续 ) 一个 MAC 帧总是占用一段连续的物理层定义的时隙, MAC 帧由子帧 (Sub-frame) 组成, 前两个子帧是 Downstream map 和 Upstream map, 用于说明在时隙中的内容和哪些时隙是空的 Downstream map 中包括各种系统参数, 并通告新站点此时可以请求进入下行信道较为简单, 基站只要决定内容放在哪个子帧中 上行信道则由互不相关而又需要接入的用户相互竞 争, 而基站将尽可能根据 QoS 的要求分配 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 178 / 196

179 的 MAC 层是面向连接的 在 和 中,MAC 层是面向无连接的, 而 的所有业务都是面向连接的, 当连接建立时, 都已预定了业务的类型 MAC 层定义了 4 种上行基本业务, 通过这 4 种与 QoS 相关的上行预定业务, 基站可以预期上行数据的吞吐量及处理时间, 并在适当的时间进行查询并分配带宽 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 179 / 196

180 CPS 定义的 4 种上行基本业务 Constant bit rate service Real-time variable bit rate service Non-real-time variable bit rate service Best-efforts service ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 180 / 196

181 Constant bit rate service Constant bit rate service: 恒定速率业务 预定此业务用于在指定时间发送已知大小的数据, 通常对预定此业务的每个连接都将指定时间并分配带宽, 一旦被分配, 则时隙将自动可用, 而不必届时对每个用户进行询问常用于在 T1 信道上传输非压缩的语音数据 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 181 / 196

182 CPS 定义的 4 种上行基本业务 Constant bit rate service Real-time variable bit rate service Non-real-time variable bit rate service Best-efforts service ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 182 / 196

183 Real-time variable bit rate service Real-time variable bit rate service: 实时可变速率业务 预定此业务的用户常用于压缩的多媒体数据的传输和其它软实时的应用在这些应用中带宽可能需要随时调整通常基站在经过一个固定的时间间隔, 轮询相关用户 : 当前需要多少带宽? ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 183 / 196

184 CPS 定义的 4 种上行基本业务 Constant bit rate service Real-time variable bit rate service Non-real-time variable bit rate service Best-efforts service ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 184 / 196

185 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 Non-real real-time variable bit rate service Non-real-time variable bit rate service: 非实时可变速率业务 预定此业务的用户常用于如大文件传输等非实时的数据传输 通常基站会经常但不是定时地轮询相关用户, 此时恒定速率的用户也可以在它的帧上 ( 某一位 ) 置位, 请求一次轮询, 以发送可变速率的流量 如果经过 k 次轮询, 一直没有得到某用户的响应, 则基站将把该站点从轮询队列中取出放入多播组中 而在多播时, 任何某站点都可以响应, 以竞争服务 第 9 章无线网络 185 / 196

186 CPS 定义的 4 种上行基本业务 Constant bit rate service Real-time variable bit rate service Non-real-time variable bit rate service Best-efforts service ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 186 / 196

187 Best-efforts efforts service Best-efforts service: 尽力而为业务 除上述三个之外的业务都是尽力而为的业务预定此业务并非通过轮询, 而是在 Upstream map 中标记时隙以示请求, 并与其它预定此业务的用户进行竞争如果竞争成功, 基站将在下一个 Downstream map 中作出标记如果竞争不成功, 将使用以太网中的二进制指数后退算法, 以减少冲突 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 187 / 196

188 CPS 还定义了 29 种管理信息 CPS 还定义了 29 种管理信息, 用于上下行信道描述 系统接入 注册 连接建立 资源申请 动态服务管 理 接入认证等功能 ( 恕不展开 ) MAC 层的管理信息种类决定了其性能, 在已出台的 IEEE 标准中还预留了部分管理信息域空间, 可增补新的管理信息, 以增强未来 MAC 层的功能 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 188 / 196

189 带宽分配 标准中对每个用户站点 (Subscriber Station) 和每个连接 (Connection) 定义了两种带宽分 配的形式 每个用户站点应综合大楼中所有用户的需求并生成一个总的带宽请求, 当请求被接受, 则根据各用户的实际需要分发带宽 对每个连接, 基站将直接管理 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 189 / 196

190 802.16MAC 子层协议 Security Sublayer Common Part Sublayer Service Specific Convergence Sublayer ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 190 / 196

191 Service Specific Convergence Sublayer 该层取代了 802 标准的 LLC, 是与网络层的接口, 它既适用于无连接的数据报协议 ( 如 :PPP IP Ethernet) 也可用于面向连接的 ATM ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 191 / 196

192 高速宽带广域无线网 IEEE 标准 与 的比较 的协议栈 的物理层 MAC 子层协议 的帧结构 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 192 / 196

193 的帧结构 通用帧 带宽请求帧 Bytes C (a) 0 E C Type I EK Length Connection ID Header Data CRC CRC Bytes (b) 1 0 Type Bytes needed Connection ID 16 8 Header CRC Tnbm P309 Fig (a) 通用帧 (b) 带宽请求帧 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 193 / 196

194 通用帧 EC 载荷是否被加密 Type 帧类型 CI 是否需要整个帧的校验和 因为在物理层已有纠错码, 而且本标准不采用重传方式 ( 特别对实时帧不能重传 ), 所以有时没必要在 MAC 层作差错检查 EK 使用哪个加密密钥 Length 含帧头的整个帧长度 Connection ID 连接标识 Header CRC x 8 + x 2 + x +1 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 194 / 196

195 带宽请求帧 第 1 位为 1 Bytes needed 申请的带宽, 以携带的字节数计量 无数据段和帧校验, 其余与通用帧相同 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 195 / 196

196 第 9 章习题 Tnbm P340 #29 #30 #32 ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn/net330 第 9 章无线网络 196 / 196