IEEE 802.11 MAC层规范-世讯电科融合通信

IEEE 802. 11 标准的关键在于 MAC 层，MAC 层位于物理层之上，首要的任务就是控制介质访问，网络性能的优劣主要由 MAC 协议决定。 IEEE 802. 11 中定义了两种控制介质访问的方法：分布式协调功能( Distribu ted Coordination Function, DCF ) 和点协调功能( Point Coordination Function, PCF) 。DCF 提供了基千竞争的信道访问机制，而 PCF 则提供了无竞争的信道访问机制。
IEEE 802. 11 标准定义了 3 种类型的帧：管理帧、控制帧和数据帧。通过定义不同的帧间隔时间( Inter- Frame Space, IFS) 来区分对介质访问的优先级。一个节点通过载波监听机制确定介质处于空闲状态，并且持续空闲达到特定的间隔时间才能进行发送，高优先级的数据帧所等待的时间短，所以更容易占有介质。
IEEE 802. 11 标准定义了以下 4 种长短不同的帧间间隔，分别是 SIFS(Short Inter-Frame Space) 、PIFS( PCF Inter-Frame Space) 、 DIFS (DCF Inte r- Frame Space) 和 EIFS(Extended Inter-Frame Space) , 帧间间隔示意图如图一所示。

图一帧间间隔示意图

(1) SIFS 为最短的帧间间隔，用来控制帧的传输。
(2) PIFS 提供了仅次于 SIFS 的接入优先级，主要被 PCF 模式用在无竞争操作中。
(3) DIFS 是竞争式服务中等待时间最短的帧间间隔，如果介质空闲时间大于
DIFS, 则站点即可尝试发送。
(4) EIFS 在 DCF 模式下，帧传输出现错误的时候使用。EIFS 的长度最长，优先级最低。
下面详细介绍DCF 和 PCF 两种访问控制方式。
1) DCF
DCF 是基于载波侦听多路访问／冲突避免 ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA) 的随机访问方法，CSMA/ CA 的载波侦听包括两种载波侦听机制：物理载波侦听( Physic al Carrier Sense) 机制和虚拟载波侦听( Virtual Carrier Sense) 机制，当一种机制报告信道忙，则认为信道忙，否则认为信道处于空闲状态。物理载波侦听机制由物理层提供，在发送帧之前，首先侦听信道，信道忙则推迟，直到信道处于空闲状态。虚拟载波侦听机制由网络分配矢量 NAV 所提供。IEEE 802. 11 的帧中通常会包含一个 duration 位，用来预定一段介质的使用时间，其他站点会据此更新自己的NAV, NAV 的值为0 时，介质处于忙碌状态。
CSMA/ CA 的基本过程如图二所示。站点在发送帧之前，首先通过侦听信道确定是否有其他站点正在发送数据，若处于空闲状态，则等待 IFS 后继续侦听信道，若信道依然空闲，则发送帧。若信道处于忙碌状态，则延迟发送，继续侦听信道，直到当前传输结束。
当前传输结束后，站点延迟另外一个 IFS , 如果信道依旧空闲，站点将启动退避机制，退避计时器的值为从竞争窗口中选择一个随机长度的时间。在退避过程中，若信道状态变忙，则暂停计时器，直到信道空闲时间大千IFS 时继续计时。退避计时器减到0 且信道空闲时，则发送帧。
当站点遇到冲突时，竞争窗口将扩大一倍，若待续冲突，则竞争窗口将不断增大直到最大值。

图二 CSMA/ CA 的基本过程

DCF 包括两种访问模式：基于两次握手的基本接入模式和基千四次握手的RTS/CTS(Request To Send/clear To Send ) 接入模式。
在基本接入模式中，一个站点要发送数据帧时，首先通过侦听信道确定是否有其他节点正在发送数据。如果信道是空闲的并持续 DIFS 时间，这个站点就开始发送。如果信道被侦听到是忙碌状态，这个节点将坚待侦听，直到信道空闲一个DIFS 时间，然后产生一个随机的退避时间，并保存在一个退避计时器中。随后，在每个时隙中，如果信道为空闲状态，退避计时器将减 1 , 当站点退避计时器减到 0 时，这个站点开始发送数据帧。在退避过程中，如果某个时隙中信道状态变为忙碌，退避过程暂时中断，直到信道重新变为空闲状态并持续DIFS 时间后继续计时。接收端成功收到一个数据帧后，经过一个 SIFS 时间，回复一个确认帧( ACK ) , 如果发送端在超时设置的时间内收到ACK , 则认为数据帧发送成功，竞争窗口置为最小值。否则，认为数据帧发送失败并进行重发。基本接入模式的传输示意图如图三所示。
在 RTS/ CTS 接入模式中，站点需要发送一个数据帧时，等待信道空闲并持续DIFS 时间，经过退避时间后，先发送 RTS 帧，接收端收到 RTS 帧后，将在 SIFS 间隔后回复一个CTS 帧，发送端只有成功收到这个CTS 帧后，才能进行数据帧的发送。
RTS 帧和 CTS 帧都包括收发端地址、占用信道时间，其他能够收到 RTS 帧或 CTS 帧的站点将根据该信道占用时间修改其变量 NAV, 并在该段时间内保持沉默。因此 RTS/ CTS 接入模式能够在一定程度上解决隐藏节点问题。接入模式传输示意图如图四所示。

图三基本接人模式的传输示意图

图四 RTS/ CTS 接入模式传输示意图

2 ) PCF
DCF 中各站点对信道的使用权是基于一种随机的竞争，只能提供 Best Effort 服务，没有任何 QoS 保证，无法满足实时业务对延迟和抖动等指标的需求。因此， IEEE 802. 11 标准在 DCF 的基础上定义了PCF。PCF 的基本思想是利用点协调器对站点进行轮询，集中控制介质的访问，通常由接入点担任点协调器。
PCF 将信道的访问时间划分为超帧周期，每个超帧周期包括一个非竞争期 ( CFP ) 和一个竞争期( CP ) , 非竞争期传输实时业务，控制方式为 PCF ; 竞争期传输非实时业务，控制方式为 DCF。
超帧结构如图五所示。在超帧开始时，接入点通过 PIFS 优先级的竞争获得信道的控制权，发送一个含有 CF 参数的信标帧，CF 中含有MIB 中的 CFP 速率，由于 CFP 是通过竞争得到的，所以超帧是可以扩展的，超帧中的 CFP 的起点可变，并且超帧中的CFP 长度可变，但这个长度受 MIB 中的 CFP 最大间隔限制。在系统处于 PCF 期间，负责控制访问的 AP 将接收每个端站的数据，经过给定的时间转移到下一站。除非某个端站被轮询，否则它不允许进行发射，也只有当端站被轮询以后，它们才接收来自无线访问接入点的数据。由于 PCF 按预定的方式给每个端站确定了一个发射顺序，因此保证了每条数据流的最大延迟。

图五超帧结构

PCF 的不足之处是它的可伸缩性较差，因为是由单一的无线访问接入点来控制媒体访问的，且必须接收所有端站的通信，所以这种做法在较大的网络中效率较低。

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