IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks

1. IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks 指導教授：郭文興 教授 學生：楊舒智

2. 目 錄 • ABSTRACT ( 摘要 ) • Introduction ( 介紹 ) • Frequency Allocation ( 頻率分配 ) • Interference and Reliability ( 干擾和可靠性 ) • Security ( 安全性 ) • Power Consumption ( 功率消耗 ) • Human Safety ( 人類方面的安全 ) • Mobility ( 流通性 ) • Throughput ( 傳輸量/傳輸能力 )

3. 目 錄 • DESCRIPTION OF THE IEEE 802.11 DRAFT STANDARD ARCHITECTURE ( IEEE 802.11 草案所描述的標準架構 ) • PHYSICAL LAYER ( 實體層 ) • MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER ( MAC子層 ) • DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( DCF ) • POINT COORDINATION FUNCTION (PCF)

4. 目 錄 • SIMULATION MODEL • AD HOC NETWORK MODEL • INFRASTRUCTURE NETWORK MODEL • SIMULATION RESULTS I • AD HOC NETWORK • THE EFFECT OF RTS ON MAXIMUM DATA THROUGHPUT ( RTS對最大數據傳輸量的影響 ) • EFFECT OF FRAGMENTATION_THRESHOLD ON MAXIMUM DATA THROUGHPUT ( FRAGMENTATION_THRESHOLD 對最大數據傳輸量的影響 ) • EFFECT OF MSDU LENGTH ON DATA THROUGHPUT ( MSDU的長度對於資料傳輸量的影響 )

5. 目 錄 • SIMULATION RESULTS II • INFRASTRUCTURE NETWORK • THE EFFECT OF VOICE PAYLOAD LENGTH ON PERFORMANCE ( 語音payload長度對性能的影響 ) • THE EFFECT OF POLLING SCHEME ON PERFORMANCE ( 輪詢方案對於性能的影響 ) • IMPACT OF THE NUMBER OF VOICE STATIONS ON PERFORMANCE ( stations的數量對於性能的影響 ) • CONCLUSION

6. ABSTRACT • 這篇文章解釋了IEEE 802.11 的協議，特別強調了介質存取控制層( MAC )。 • IEEE 802.11 網路能使用集中式協調功能來達到有限時間內流量傳遞的要求。

7. Introduction • 無線網路打破了一般使用網路上面的一些限制，某些地方無線網路的使用將會比有線網路實用許多。 • 若無線網路必須要達到和有線網路一樣的服務和能力，將會使無線網路面臨一些挑戰和限制。

8. 無線網路面臨的一些挑戰和限制 • Frequency Allocation ( 頻率分配 )： 無線網路的操作要求為全部的用戶在一個共同的頻帶上運作。 • Interference and Reliability ( 干擾和可靠性 )： 同時傳輸(兩個訊息共同使用相同的頻帶或更多)將可能引起無線通信的干涉(例如：衝突)。

9. 無線網路面臨的一些挑戰和限制 • Security ( 安全性 ) ： 無線網路的傳輸介質相對來說較難被獲得。 當無線網路做了加密時，通常會增加它的花費並且減少它的性能。 • Power Consumption ( 功率消耗 ) ： 無線設備應該要便於移動和攜帶，因此通常有提供動力的電池，且必須有效率的運用能源。 • Human Safety ( 人類方面的安全 ) ： 目前尚未確定無線電波對人類會造成哪些影響，因此網路設備傳送時的功率應該減到最小。對於紅外線(IR)WLAN的系統來說，紅外線傳輸時必須防止對視力方面的危害。

10. 無線網路面臨的一些挑戰和限制 • Mobility ( 流通性 ) ： 無線網路主要的優勢之一是機動性方面的自由。因此，設計上必須滿足傳送邊界之間的資料移交，並且可運送到移動中的用戶。 • Throughput ( 傳輸量/傳輸能力 )： WLANs的能力必須能夠媲美有線網路。為了能夠同時支援多次傳送，常常會應用spread spectrum techniques擴頻技術。

11. DESCRIPTION OF THE IEEE 802.11 DRAFT STANDARD ARCHITECTURE ( IEEE 802.11 草案所描述的標準架構 ) • Ad hoc 網路或稱Independent Basic Service Set Network（IBSS Network），其中ST為工作站，工作站與工作站之間，藉由無線媒介在工作站的發射功率所及區域來收送資訊。而這些工作站的功率涵蓋區域便形成無線區域網路的基本服務區（Basic Service Set；BBS ），換言之每一個BSS就是一個Ad hoc 網路。

12. DESCRIPTION OF THE IEEE 802.11 DRAFT STANDARD ARCHITECTURE ( IEEE 802.11 草案所描述的標準架構 ) • Ad-hoc網路目前兩種無線區域網路應用架構模式之一，一群電腦接上無線網路卡，即可相互連接，資源共享，無需透過Access Point。 • Infrastructure 目前兩種無線區域網路應用架構模式之一，透過此種架構模式，即可達成網路資源的共享，此應用需透過 Access Point。 • Access Point 傳統的有線區域網路與無線區域網路之橋樑，因此任何一台裝有無線網路卡之PC 均可透過 AP 去分享有線區域網路甚至廣域網路之資源。除此之外，AP 本身又兼具有網管之功能，可針對接有無線網路卡之 PC 作必要之控管。

13. DESCRIPTION OF THE IEEE 802.11 DRAFT STANDARD ARCHITECTURE ( IEEE 802.11 草案所描述的標準架構 ) • IBSS 一種特殊的 Ad-hoc LAN 的應用，稱為 Independent Basic Service Set（IBSS），一群電腦設定相同的 BSS 名稱，即可自成一個 group，而此 BSS 名稱，即所謂 BSSID。 • DS（Distribution System） 一個AP與相連接的區域網路組成 DS。 • ESS（Extended Service Set） 同一個區域網路可能同時安裝許多AP，由所有AP構成的 BSS 與 DS 共同組成 ESS。

14. DESCRIPTION OF THE IEEE 802.11 DRAFT STANDARD ARCHITECTURE ( IEEE 802.11 草案所描述的標準架構 ) • ESS也能提供閘道供無線用戶存取，就像網際網路那般的有限網路模式。這是透過一個“portal”來達成。 • portal是將IEEE 802.11網路和非IEEE 802.11的網路結合在DS上。如果網路架構為IEEE 802.X的時候，portal的合併功能就像bridge一樣；它可以在不同的frame形式之間提供範圍擴展和翻譯。 • 圖2說明一個簡單的ESS架構，它由2個BSS、1個DS、1個portal所組成。

15. PHYSICAL LAYER ( 實體層 ) • IEEE 802.11 草案詳述了3個不同的實體層成就︰ • 跳頻技術(FHSS) • 直接序列展頻技術(DSSS) • 紅外線(IR)。

16. 何謂跳頻（Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS） • 跳頻技術在同步、且同時的情況下，接受兩端以特定型式的窄頻載波來傳送訊號。FHSS 所展開的訊號可依照特別的設計來規避雜訊。 • 使用 75 個以上的跳頻訊號、且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔。此為藍芽採用的技術。

17. 何謂直接序列展頻技術（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS） • 為一種連續擴頻調變方式。其方式為將原來訊號「1」或「0」，利用10個以上的chips代表「1」或「0」位，使得原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率。 • 一般來說，DSSS由於是採用全部的頻帶傳送資料，故速度較快，且未來可開發出更高傳輸頻率的潛力也較大。其技術適用於固定環境中、或對傳輸品質要求較高的應用，所以無線廠房、無線醫院、網絡社區及分校連網等應用，大部份都採用DSSS無線技術產品。

18. 紅外線(IR) • IR頻帶只是為了室內使用而設計的，並且使用nondirected的傳輸來運作。 • IR被用來使stations能夠接收到單點連線流程line-of-site並且反應傳輸。

19. MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER ( MAC子層 ) • MAC子層負責波段配置程序，定址協議數據單元( protocol data unit；PDU )、frame格式化、檢查錯誤、碎裂fragmentation和重組reassembly。 • Hint:在網路與通訊的領域方面，frame可以說是一個傳送資料的單位，當電腦要在一個傳輸媒介上傳送一個資料時，必須分割成許多基本的單位，每一個基本單位都要加上一些傳送的來源和目的地所屬的傳送的區塊，加上這些資訊之後的區塊，便稱之為一個frame，實際在網路上傳送的資料便是以一個frame為單位。

20. MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER ( MAC子層 ) • IEEE 802.11 支援3種不同的frames：management frames, control frames, 以及 data frames。 • Management frames被AP用來對於stations結合與分解、同步、認證與取消認證。 • Control frames被拿來用在競爭時期contention period (CP)之間的信號交換，以在CP期間做實際的確認，並且結束免競爭時期contention-free period (CFP)。

21. MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER ( MAC子層 ) • Data frames則被用在CP和CFP期間的傳輸，並且在CFP期間可以將輪詢法和acknowledgments作結合。 • HINT：ACK(Acknowledgement)通訊裝置的一種訊號，接收端回應 ACK代表確認, 若回應 NAK 代表發生問題。 • HINT：輪詢在多點連接或點到點連接的線路上，一次請求一個資料站傳送資料的過程。為避免衝突，確定執行狀態或確定資料收發的準備狀況等而對設備進行的輪流查詢。

22. MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER ( MAC子層 ) • 圖3說明了標準IEEE 802.11 frame形式。如果植入了Wired Equivalent Privacy (WEP)，資料區段frame body (媒介擷取服務單元MAC service data units；MSDU)，將是個可變長度的區塊，包含了數據的payload和7個八位位元組的加密/解密。 • HINT：無線網路標準加密技術（Wired Equivalent Privacy，WEP）是一種各機構用來加密無線區域網路流量所倚賴的主要機制。

23. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • 圖4中提到了MAC結構，DCF直接存在於實體層上方並且支援了競爭的服務。 • DCF是一個基本的存取方法，它可以支援非同步的數據傳輸。全部的station都必須支援DCF。DCF僅僅在ad hoc網路中運作，或與PCF共存在infrastructure網路之中。 • 每個含有MSDU傳送佇列的station必須為了使用波段而競爭。一旦MSDU被傳送之後，則必須為了之後的frames存取波段的問題重新進入競爭。競爭服務促使全部的station能夠公平的存取波段。

24. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • 載波多重存取/碰撞偵測協定（CSMA/CD）目前區域網路中乙太網路在使用的資料存取控制方式。電腦在網路上傳遞封包時，同一條線上不能同時傳送兩個存在的封包，所以這個協定定義了碰撞偵測的法則，以定義兩個封包碰撞時的解決方式。因此CSMA/CD 常產生網路瓶頸，所以較不適宜傳送封包比較大資料，它比較適合封包小且非常定時的資料流量。 • 載波偵測多次存取/碰撞避免協定 （CSMA/CA） 是（CSMA/CD）的一種改良協定，它適於較低速的區域網路傳輸，資料傳輸之前會先檢查網路上是否有其它傳輸動作，若沒有，才啟動目前傳輸工作，以避免網路傳輸時的封包發生衝突 (Collision) 。 • CSMA/CD 的傳輸效率較佳, 但硬體成本比較高。CSMA/CA 的傳輸效率較差, 但硬體成本比較低。

25. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • DCF使用CSMA/CA的原則，不使用CSMA/CD的原因，是因為一個station不能在傳送的時候去使用一個發生衝突的波段。 • IEEE 802.11中，載波偵測執行於兩種介面中： • 實體載波感測physical carrier sensing • 虛擬載波感測virtual carrier sensing

26. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • 實體載波感測經由偵測所有封包來查出其他IEEE 802.11 WLAN用戶的存在。並且透過來自其他來源的訊號強度來查出波段的活動。 • 虛擬載波感測則是在來源站發送MPDU資訊的期間，藉由RTS/CTS（Ready To Send/Clear To Send）及 data frames而執行。 • Duration field指出了在當前的frame結束的這段時間，這個波段將被利用來完成 data frame 或 management frame 的成功傳輸。 • BSS中的stations使用duration field內的資訊來調節它們的網路向量配置network allocation vector (NAV)。 • HINT：NAV就是第三者收到其他 stations 間的 RTS 時，可以估算出要保留多少時間，給要傳輸的 stations 來使用，這一段時間稱為NAV

27. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • 存取無線介質的優先順序是藉由封包傳送的時間間隔interframe space (IFS)控制的。 • IFS有3段的間隔標準：SIFS 短間隔、PIFS 中間隔、DIFS 長間隔。SIFS在傳播媒介中有較高的優先權。

28. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • 由於BSS裡的一個來源站無法聽到它自己的傳送，當衝突發生時，來源繼續傳送MPDU。如果MPDU是大的(例如：2300個八位位元組)，許多波段的頻寬會因為MPDU而被浪費掉。 • RTS和CTS control frames可以被station用在傳送MPDU之前預先保留波段的頻寬，並且在衝突發生時，讓浪費掉的頻寬降到最低。

29. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • 大型MSDUs可以要求碎裂化以增加傳輸的可靠性。為了確定是否進行碎裂，MPDUs 與一個易處理的參數Fragmentation_Threshold互相比較。 • 當MSDU被打碎時，全部的碎片會被連續的傳送，如圖7。

30. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION ( 分散式協調功能 ) • CSMA/CA避免衝突的部分被透過一個隨機的backoff程序來執行。假如有個station，它有要傳送的一個frame，但它最初偵測到波段正在忙碌中，station將會等待一次的DIFS，直到波段變成閒置狀態， 然後計算隨機backoff時間。

31. POINT COORDINATION FUNCTION (PCF) • 集中式協調功能 (Point Coordination Function, PCF)被網路協調者 (Point Coordinator,PC) 掌控並且以輪詢 (polling)的方式安排工作站傳送訊框的時機及順序。由於工作站傳送的時間可事先安排，因此可提供保証傳送延遲的服務。

32. POINT COORDINATION FUNCTION (PCF) • CFP重複間隔(CFP_Rate)用來決定PCF發生的頻率。 • CFP重複間隔起源於beacon frame，它是經由AP來傳送的。 • 最大容量的CFP被一個易於管理的參數CFP_Max_Duration所決定。CFP_Max_Duration的最小值為傳送兩個最大尺寸的MPDU所必須花費的時間，包括overhead、最初的beacon frame、和免競爭週期結束CF-End 的 frame。

33. POINT COORDINATION FUNCTION (PCF) • 圖10說明station和station之間在CFP期間內的frame傳輸情形。 • Fragmentation碎裂化and reassembly重裝 也提供了一個Fragmentation_Threshold value，以用來確定MSDUs在傳輸之前是否有被打碎。

34. SIMULATION MODEL • ad hoc網路中的全部stations被假設為非同步的數據用戶。 • infrastructure網路在CP裡面運作非同步的資料，而在CFP裡面運作封包化語音。

35. SIMULATION MODEL • 對於ad hoc網路和infrastructure網路的模擬，採用一個burst error 模型來描繪傳輸波段衰退的情形。 • 一個二階連續時間的Markov chain用來代表burst error 模型。G(Good)代表波段在良好的狀況下，以非常低的錯誤率來運作(稱為BERgood)。B(Bad)代表波段正在衰退並且在一個較高的出錯率下運作(稱為BERbad)。從G轉換為B的轉換率為α，而從B轉換為G的轉換率為β。 • HINT：在學術研究上對於一種狀態轉換到另一種狀態的過程中具有移轉機率(Transition Probability)者，而且此種轉換機率可以依據其緊接的前次狀態而推算出來，即稱為馬可夫過程,一連串的此種轉換過程則稱為馬可夫鏈(Markov Chain )。

36. AD HOC NETWORK MODEL • 模擬期間，如果發生衝突或是位元錯誤以致影響frame的傳輸，retransmission轉傳將根據backoff程序發生。 • 對於比RTS_Threshold小的MSDUs而言，retransmissions的數量侷限於Short_Retry_Limit的限制。 • 對於比RTS_Threshold大的MSDUs而言，retransmissions的最大數量取決於Short_Retry_Limit。

37. INFRASTRUCTURE NETWORK MODEL • 在CFP期間的輪詢方案使用一種循環的排程演算法cyclical scheduling algorithm，每個station根據輪詢表相繼的輪詢。 • 聲音的流動使用ON/OFF來模擬，當stations傳送的時候為ON，接收的時候為OFF。那些在ON或OFF狀態的時間量以指數的方式分佈。

38. SIMULATION RESULTS -AD HOC NETWORK

39. THE EFFECT OF RTS ON MAXIMUM DATA THROUGHPUT ( RTS對最大數據傳輸量的影響 )

40. EFFECT OF FRAGMENTATION_THRESHOLD ON MAXIMUM DATA THROUGHPUT ( FRAGMENTATION_THRESHOLD 對最大數據傳輸量的影響 ) • 此圖對於BERbad值的大小應該相反才對 (10的-3和10的-6對調；10的-4和10的-5對調)

41. EFFECT OF MSDU LENGTH ON DATA THROUGHPUT ( MSDU的長度對於資料傳輸量的影響 )

42. SIMULATION RESULTS -INFRASTRUCTURE NETWORK • Infrastructure網路數據流量透過CFP，而語音流量透過CP來傳輸。 • 模擬的結果是利用4個beacon期間的CFP重複間隔完成的。5個聲音流量在同一個時間進行(總共有10個stations)，總聲音傳輸量大約是272kb/s。這是由各個station以64 kb/s 的速率傳輸，並且波段狀況為42.5%的狀態時(ON)，所計算出的結果(使用之前提到的ON/OFF model)。(640*0.425=272)

43. THE EFFECT OF VOICE PAYLOAD LENGTH ON PERFORMANCE ( 語音payload長度對性能的影響 )

44. THE EFFECT OF VOICE PAYLOAD LENGTH ON PERFORMANCE ( 語音payload長度對性能的影響 )

45. THE EFFECT OF POLLING SCHEME ON PERFORMANCE ( 輪詢方案對於性能的影響 )

46. THE EFFECT OF POLLING SCHEME ON PERFORMANCE ( 輪詢方案對於性能的影響 )

47. IMPACT OF THE NUMBER OF VOICE STATIONS ON PERFORMANCE ( stations的數量對於性能的影響 )

48. CONCLUSION • 這項研究主要的貢獻包括一項對於運作在共同的CFP重複區間內的DCF和PCF，做了詳細的研究。 • Model包含了一個爆發錯誤的波段所帶來的影響，當多條路徑衰退的時候，這是一個典型的無線環境下很平常的經歷。 • 最後的貢獻包括在特定時間內，將閒置的station從輪詢表中剔除的方案。

49. CONCLUSION • 從研究得到的結論有︰ • 假如平均MSDU長度大於500個八位位元組時，DCF傳送的效率相當快。 • 基於我們的假設和模擬的model，PCF可以傳輸封包化語音。不過，由於延遲問題，語音封包系統必須應用到回音消除器。 • 當語音payload長度大約為200個八位位元組時，資料和語音流量都能夠被正常的接收。 • 當一個傳送語音封包的station下一次輪詢的時間內沒有任何的資料要傳送，station應該立即被輪詢表剔除，以便剩餘的頻寬可以分配到其他的stations。