802.11 PHY协议基础

通信系统模型

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  • 信源：产生需要传递给信宿的比特信息。

  • 调制器：将比特信息通过一系列调制方法“放置在”电磁波上，生成调制信号。

  • 信道：调制信号从发送端传递给接收端经过的传输媒介。

  • 解调器：从调制信号中 “提取出”比特信息，是调制器的逆过程。

  • 信宿：接收比特信息。

通信质量指标

  • 有效性：传输效率，可用通信速率来评估。
  • 可靠性：传输质量，可用误符号率来评估。
  • 安全性：通信安全，涉及加密解密技术。

注：有效性和可靠性不可兼得，需要两者权衡

涉及参数

  • 频率：通信载波频率。目前WiFi使用的频率段包括2.4G、5G和6G。
  • 带宽：信号占用频带宽度。带宽越大，速率越高。
  • 功率：发射信号强度。提高功率可提高传输质量，但会加强对其他通信链路的干扰。
  • 速率：每秒传输的比特数量。一般以Mbps/Gbps为单位。
  • 天线数量：可使用多跟天线进行信号发射和接收，一般接收天线数量要大于有效发射天线数量。

802.11协议

协议发展

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频段信道

2.4G：2.4GHz-2.483GHz共83MHz的频段划分成13个信道，每个信道带宽22MHz。

5G：国内使用三个频段，共13个信道

  1. 5.150GHz-5.250GHz
  2. 5.250GHz-5.350GHz
  3. 5.725GHz-5.850GHz

5GHz信道中心频率与信道编号N的关系如下：

信道中心频率=5000+5×N(MHz)；(N=0, 1, …, 199)

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MAC层

MAC层，即Medium Access Control，顾名思义其主要工作就是：

  1. 通过管理帧对设备接入进行管控；
  2. 通过信道接入规则对信道使用权进行分配，有序管理多终端，进行信道分时使用；
  3. 通过控制帧对PHY层的通信过程进行管理调度，实现数据的有效传输；

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有线和无线数据帧格式最重要的区别在于七层模型的下两层，802.11标准仅限于物理层(PHY)和媒介访问控制(MAC)

物理层对应于OSI模型中的最低层，MAC和OSI第二层的下层相对应，该层和逻辑链路控制(LLC)层构成了OSI的第二层

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mac层的通信过程

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11n技术

  • AMSDU
  • BA
  • MCS速率表

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11ac技术

  • 频分复用（OFDMA）技术

  • 上行MU-MIMO

一条空间流的MCS速率表

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帧聚合

对比

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A-MSDU：多个MSDU帧聚合为一个802.11帧中进行传输

  • 子帧的DA都是发往同一个RA和同一个TID
  • 由ADDBA协商是否支持
  • HT Qos字段中标记是否为AMSDU

单个MPDU传输多个MSDU帧。稀释MAC帧头开销，但所有MSDU只用一个FCS较验，一个MSDU错误，整个聚合帧全错；

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A-MPDU：多个MPDU帧聚合为一个无线帧中进行传输

  • 均为QOS数据
  • 所有子帧的RA相同
  • 属于同一TID

单个PPDU传输多个MPDU帧。稀释前导、PHY帧头开销，每个MPDU帧都有各自的MAC层信息，能单独进行FCS较验，一个出错不影响其他聚合帧。

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802.11网络

802.11定义了网络系统、系统中涉及的角色，规定了说话方式：

STA：站点（Station），802.11里一般指非AP设备。

AP：接入点（Access Point），提供访问DS服务的设备。

BSS：基础服务集（Basic Service Set），完成规定操作加入同一服务的逻辑集合，对应的标识称为BSSID。

DS：分布式系统（Distribution System），用于将多个BSS和LAN组成一个扩展服务集。

ESS：扩展服务集（Extended Service Set），由一个或多个相关BSS组成的服务集合，对STA来说，在链路控制层只表现为一个逻辑BSS。

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以太帧&无线帧

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  • Sequence Control：帧序号，控制帧类型无此部分。

  • QoS Control：802.11e协议新增，QoS（Quality of Service）数据帧携带，用于载荷数据的优先级控制。

  • HT Control：802.11n协议新增，用于处理链路信息控制。

  • Frame Body：帧载荷部分，长度从最小0字节到协议限定的最大允许值。

  • FCS：帧校验（Frame Check Sum），覆盖MAC header、Frame Body的32-bit CRC校验。

各层之间传输使用的服务数据

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无线吞吐量

数据链路层效率

什么是 【信道利用率】与【空时】？

  • 信道利用率（Channel Utilization）是指信道非空闲时间所占的比例。

    信道空闲是通过接收机进行检测的，其过程称为CS/CCA（Carrier Sense/Clear Channel Assessment），一共有两种机制同时进行检测：

    1. CCA-ED：即Energy-Detection CCA，通过检测信道能量强度进行判决——如果信道能量强度高于一定阈值，则认为是信道繁忙；
    2. CCA-SD：即Signal-Detection CCA，通过对信号的自相关性进行检查来判别当前信号是否是802.11报文——如果通过自相关性检验，则认为是信道繁忙；

  • 空时（Airtime）是指报文在信道（空口）中占用的时长

    受到报文长度、PHY速率等影响，空时会发生改变，通过无线抓包，可以对报文的空时进行统计分析，明确信道的分配情况。

信道利用率受到什么影响？

  1. Self BSS（本BSS）的Tx/Rx空时；（My Tx/Rx）
  2. Overlapping BSS（其他同信道BSS）的Tx/Rx空时；(OBSS Tx/Rx)
  3. Self BSS在Tx/Rx时与OBSS同时Tx形成冲突所浪费的空时情况；（竞争冲突/隐藏节点）
  4. 各类干扰造成的空口占用；（Interference）