无线个人区域网WPAN 802.11局域网的MAC层协议 CSMA/CA

802.11物理层

802.11局域网的MAC层协议

无线局域网的特殊问题

CSMA/CA协议（Colision Avoidance)

802.11的MAC层

CSMA/CA协议的原理

为什么信道空闲还要再等待

虚拟载波监听

争用窗口

二进制指数退避算法

退避计时器

802.11的退避机制

CSMA/CA算法归纳

信道预约

CASM/CA协议的基本流程图

802.11的物理层

802.11的物理层有以下几种实现方法

直接序列扩频DSSS
正交频分复用OFDM
跳频扩频FHSS（已很少用）
红外线IR(已很少用）

802.11局域网的MAC层协议

无线局域网不能简单地搬用CSMA/CD协议，因为

碰撞检测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，但接收到的信号强度往往会远小于发送信号的强度，在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费巨大
即使能够实现碰撞检测的功能，并且在发送数据时检测到信道是空闲的时候，在接收端仍然有可能发送碰撞

无线局域网的特殊问题

隐蔽站问题

暴露站问题

CSMA/CA协议（Colision Avoidance)

无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议

改进的办法是把CSMA增加一个碰撞避免功能

802.11就使用CSMA/CA协议，在使用CSMA/CA的同时，还增加使用停止等待协议

802.11的MAC层

帧间间隔IFS

所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧，这段时间的通称是帧间间隔IFS（InterFrame Space)

帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型，高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权

若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级就只能再推迟发送，这样就减少了发送碰撞的机会

两种常用的帧间间隔 SIFS和DIFS

CSMA/CA协议的原理

欲发送数据的站先检测信道。在802.11标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。
通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。
当源站发送它的第一个 MAC帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间DIFS后就可发送。

为什么信道空闲还要再等待

这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。

如有，就要让高优先级帧先发送

虚拟载波监听

虚拟载波监听 (Virtual Carrier Sense) 的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会

“虚拟载波监听”是指：其他站实际上并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据

所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间

当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。 n NAV 指出：必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态

争用窗口

信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。

在信道从忙态转为空闲时，为了避免几个站同时发送数据（一旦发送就要把一帧发送完，不能中途停止），各站就要执行退避算法，以减少发生碰撞的概率。

802.11 使用二进制指数退避算法

二进制指数退避算法

退避计时器

802.11的退避机制

CSMA/CA算法归纳

信道预约

为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题，802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约

预约的好处

使用 RTS 帧和 CTS 帧会使整个网络的通信效率有所下降。但与数据帧相比，开销不算大。
相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多

虽然如此，协议还是设有三种情况供用户选择：

使用 RTS 帧和 CTS 帧；
当数据帧的长度超过某一数值时才使用 RTS 帧和 CTS 帧（显然，当数据帧本身就很短时，再使用 RTS 帧和 CTS 帧只能增加开销）；
不使用 RTS 帧和 CTS 帧。
虽然协议经过了精心设计，但碰撞仍然会发生

CASM/CA协议的基本流程图