Wi-Fi: PHY層的frame結構

 802.11 PHY層使用突發(bursted)傳輸或封包。每個封包包含前置碼、標頭和負載資料

• Preamble: 允許接收機獲得時間&頻率同步，估算通道特徵以實現均等。這是一個位元序列，接收機觀察然後鎖定到傳輸其餘部分
• Header:提供封包配置有關的訊息，ex: 格式、data rate..等等
• Payload Data:包含傳輸的用戶負載數據。

802.11標準規定了Frame的類型，在頂層分成三種功能

1. 管理幀
2. 控制幀
3. 數據幀

每個幀包含一個MAC header, Payload, 幀校驗順序(FCS)，某些幀不見得有payload。

MAC Header的前兩bytes構成一個幀的control field，指明幀的形式和功能。

Control field分成下列sub-field:

• Protocol Version: 2bits, 表示協議版本
• Type: 2bits, 指明WLAN幀的類型 
• Sub Type: 4bits, 進一步區分各個幀
• ToDS / FromDS: 1bit for each, 表明數據幀是否指向分布系統
• More Fragments: 當封包分成多個幀傳輸時會設置，除了最後一個幀之外
• Retry: 當幀要求重傳時設置Retry bit. (set 1 -> 消除重複的frames)
• Power Management: 幀交換結束後指明發送方的功率管理狀態
• More Data: 用來緩衝分布式系統中收到的幀
• WEP: 處理完的幀 WEP bit 會被修改. (被解密後 -> 1 ; 沒有設置加密則已經是 1)
• Order:  只有在採用"strict ordering" 時會設置

接著兩個bytes預留給Duration ID field，這個字段可以用三種其中一種型式:

1. Duration
2. Contention-Free Period (CFP) 無競爭式週期
3. Association ID (AID)

MAC frames最多有四個address field，每個field可以乘載一個MAC地址，這些欄位是用來記錄基本服務區 ID (BSS Identifier, BSSID)

起始位址(Source Address, SA)

目的地位址(Destination Address, DA)

傳送器位址(Transmitter Address, TA)

接收器位址(Receiver Address, RA)

至於哪一個欄位存放何種位址，隨不同訊框型態而異。

其中目的位址(DA) 可以是個別或群播位址，也可以是該訊框的最終目的；

起始位址(SA) 是產生此訊框的工作站位址；

傳送器位址(TA) 是指無線媒介上傳送此訊框的位址

接收器位址(RA)則是指在無線媒介上接收此訊框的位址；

其中 TA 與 RA 大多屬於存取點（AP）位址。

Sequence Control field : 2 bytes, 用於識別訊息順序，消除重複幀。前4 bits是fragmentation number, 後12 bits是sequence number

Frame Body field: 0-2304 bytes，包含更高層的資訊，長度可變。

Frame Check Sequence (FCS):是最後4 bytes, 通常稱為循環冗員校驗 (CRC)，允許校驗幀的完整性。當基站收到一個幀時，會計算幀的FCS去和收到的幀進行比較，如果匹配則表示傳輸過程中沒有失真。

Wi-Fi的通道分配和頻譜遮罩

 Channel Allocations:

• 2.4GHz: 802.11b/g/n/ax
• ISM Band
• 分成14個相隔5MHz的通道
• 其中有三個不重疊的通道: ch1 -> 2412 GHz / ch6 -> 2437 GHz  / ch11 -> 2462 GHz 
• 同頻干擾嚴重，進而降低傳送速率。

• 5GHz: 802.11a/n/ac/ax
• Unlicensed National Information Infrastructure (UNII) Band
• 更高的頻段通道干擾較少
• 有22個不重疊通道

spectrum mask: 規定各通道中允許的功率分配

(a)

(b)

(a)圖中是802.11b標準使用的spectrum mask (b)圖是802.11a/g/n/ac/ax使用的OFDM spectrum mask

OFDM實現更密集的頻譜效率。

Overlapping Channels

相鄰的通道會有RF能量互相重疊，spectrum mask限制了特定頻率偏移位置上的輸出功率，使信號衰減至對任何其他通道最小的干擾。

通道重疊使ISM band使用的複雜度提升，實際上每個通道都會占用多條重疊通道，802.11n 40MHz重疊更多，因此有可能干擾802.11b/g的存取點。使用802.11n 40MHz時，存取點必須偵聽傳統設備，提供共存機制。

Wi-Fi的協定架構

 Protocol Architecture Overview:

OSI (Open Systems Interconnection) model 是由 ISO (International Organization for Standardization)開發的，主要是描述信息是如何從一台連網電腦執行應用程序到另一台連網電腦執行應用程序的分層模型，主要定義了網路通訊過程中的七個不同層別。

WLAN從IEEE 802.3的駔先 - pre-IEEE Ethernet specification 開始，802.11標準包含了無線網路的協定和操作，僅處理OSI model的最底兩層 - PHY層和MAC層。目標是將802.11系列標準向後相容並且MAC層都互相兼容。因此802.11系列標準只會在PHY層特徵有所區別。

MAC層: 提供了在實體網絡之間傳輸資料的功能和過程方法以及去檢測並盡可能糾正那些可能會發生在PHY層中的錯誤。並且對不同種類的PHY層提供存取競爭式(contention-based)和非競爭式(contention free)的交通。

MAC層主要分成MAC sub-layer和 MAC Management sub-layer。前者定義了存取機制和封包形式，後者則定義了電源管理、安全性(security)和漫遊(roaming)服務。

 PHY層:  定義了裝置的電氣和物理規範，尤其是定義了裝置和傳輸媒介之間的關係。主要的功能及提供的服務有:

1. 通訊媒介的建立連接和終止連接。
2. 參與在通 訊過程中，使通訊資源能有效率的在多個使用者之中進行分配
3. UE內的表示數位資料與通過通訊通道傳輸的響應訊號之間的調變或轉換。這些是通過物理電纜(銅纜和光纖)或通過無線電鏈路運行的信號

PHY層分成三個子層:

• PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) : adaption layer，負責CCA機制，並為不同的PHY層建立數據包。
• PMD (Physical Medium Dependent): 規範調變和編碼技術
• PHY management layer: 處理類似頻道調整的問題管理

Station management sub-layer: 負責協調MAC層和PHY層之間的互動。

 

Wi-Fi 基本介紹

INTRODUCTION:

Wi-Fi聯盟定義Wi-Fi裝置為基於IEEE 802.11標準上任何WLAN(Wireless Local Area Network產品。由於Wi-Fi聯盟將其產品指定為“ Wi-Fi Certified”，因此每個品牌的產品都可以在基本服務水平上進行互操作。

IEEE 802.11是用於實現WLAN通信中MAC層和PHY層的規範。 802.11系列是一系列無線調變技術。 這些標準為使用Wi-Fi品牌的無線網絡產品提供了基礎。 802.11使用的射頻頻譜段因國家地區而有不同。

IEEE 802.11-1997 or Legacy Mode: 1~2 Mbit/s

• FHSS (Frequency-hopping spread spectrum operating)
• DSSS (Direct-sequence spread spectrum operating)

IEEE 802.11b:

• 操作頻段: 2.4GHz 
• DSSS調變技術
• 極限原始數據速率為11Mbit/s
• 2000年初開始使用
• 相較legacy mode吞吐量提高，成本降低
• 缺點是隨著Wi-Fi普及，同頻干擾變成主要的問題。

IEEE 802.11a

• 操作頻段: 5GHz 
• 使用52個子載波的OFDM調變技術
• 極限原始數據速率為54Mbit/s，吞吐量通常會產生20Mbit/s
• 穿透力較差 (訊號強度的路徑損耗與訊號頻率的平方成正比)。
• 抗干擾能力強
• 較高RF增益和較小體積的天線
• 當時剛發行時，因為5G元件製造上的困難造成較差的效能表現
  加上更便宜的802.11b已被廣泛使用，因此802.11a並不被大眾接受。儘管如此需要提高網路傳輸容量和可靠性的企業仍會使用，因此漸漸被大家接受

IEEE 802.11g

• 操作頻段: 2.4GHz 
• OFDM調變技術
• 極限原始數據速率為54Mbit/s
• 硬體可以和802.11b後向相容
• 該標準在2003年1月快速被消費者接受使用，但導致了與城市地區使用/密度擁擠的問題。為避免同頻干擾在某些國家獨立三個不互相重疊的通道 (US: ch1/6/11 with 25MHz separation; Europe: 1/5/9/11 with 20MHz separation)
• 仍存在旁瓣干擾，儘管干擾較小

IEEE 802.11n

• 該標準改進WLAN範圍、可靠性、吞吐量。在PHY層優化訊號處理及調變技術以利用多個天線和更寬的通道; 在MAC層，協議擴展可以更有效的利用可用頻寬
• 2.45/GHz皆可操作
• High Throughput (HT): 極速可達600Mbps
• PHY層-40MHz 通道;  MAC層 - frame aggregation
• MIMO(multiple-input multiple-output); 多天線同調比起單天線解決更多資訊，在一個頻寬通道內同時傳送多個獨立的資料串
• 同時資料串的數量受限於鏈路兩側使用的最小天線數量。 

IEEE 802.11ac:

• 在2014年初發行，該標準支援20/40/80MHz通道
• VHT(Very High Throughput)
• 操作頻段: 5GHz
• MU-MIMO
• 更多MIMO空間串流 (up to 8)
• 更寬的RF頻寬(80M+80MHz和160MHz)
• 支援更高階的調變(256-QAM)
• 400ns 短的保護區間
• Space Time Block Coding (STBC)
• Low Density Parity Check (LDPC)

IEEE 802.11ax