由IEEE定义的无线局域网规范称为 IEEE 802.11 ，本规范涵盖物理层和数据链路层。

IEEE 802.11 定义了两个MAC子层：分布式协调功能 DCF 和点协调功能 PCF ，图14.3显示了两个MAC子层、LLC子层和物理层之间的关系。现在重点讨论MAC后面将讨论物理层的实现。

IEEE在MAC子层定义的两种协议之一被称为分布式协调功能 distributed coordination function, DCF 。DCF使用CSMA/CA第三部分计算机网络 数据链路层(12) 多路访问)作为访问方式。无线LAN以下三个原因无法实现CSMA/CD：

1. 为了检测冲突，网站必须能够同时发送数据并接收冲突信号意味着建立站点的费用很高，并且增加了带宽需求。
2. 因为隐藏的站点问题 the hidden station problem ，可能检测不到冲突。在稍后讨论这个问题。
3. 站点间的距离可以很大，信号衰减会使得一端的站点无法侦听到另一端的冲突。

图14.4说明了用于无线LAN的CSMA/CA的处理流程图，会简要解释这些步骤。

图14.5表示按时间进行的数据交换和控制帧。

1. 在发送一个帧之前，源站点通过检视载波频率的能量级来侦听介质。 a. 在通道空闲之前，通道使用带有补偿 back-off 的持续策略 persistence strategy。 b. 站点发现通道空闲之后，它等待一个称做分布式帧间间隔 distributed interframe space, DIFS 的时间周期，然后就发送一个叫做请求发送 the request to send, RTS 的控制帧。
2. 接收到RTS，并等待一个称做短帧间间隔 short interframe space, SIFS 的短暂时间后，目的站点就向源站点发送一个叫做清除发送 the clear to send, CTS 的控制帧，这一控制帧表示目的站点准备接收数据。
3. 在等待一个与 SIFS 相等的时间后，源站点就发送数据。
4. 在等待一个与 SIFS 相等的时间后，目的站点发送确认，说明已经接收到帧。在这个协议中，由于没有任何方法、检查它的数据是否已经成功到达目的站点，所以确认还是需要的。另一方面，在CSMA/CD中，没有冲突就是向源站点表示数据已经到达。

如果一个站点获得访问，那么其他站点如何推迟发送它们数据的时间呢?换句话说，这一协议的冲突避免 collision avoidance 是如何实现的？其关键是一个叫做 NAV 的特性。

当一个站点发送 RTS 帧时，它包含了需要占据通道的时间 When a station sends an RTS frame, it includes the duration of time that it needs to occupy the channel 。受这一传送所影响的站点建立一个叫做网络分配矢量 network allocation vector, NAV 的、用于避免冲突的定时器，该定时器指出在允许这些站点检测通道是否空闲之前，还必须要经过多长时间。每当一个站点访问系统并且发送一个 RTS 帧时，其他站点就启动它们的 NAV 。换句话说，对任何一个站点，在检查物理介质是否空闲之前，首先要检查它的 NAV 是否过期。图14.5说明了 NAV 的概念。

握手时的冲突——在 RTS 或 CTS 控制帧正在发送时，这一期间叫做握手周期 handshaking period ，如果产生了冲突会发生什么情况？两个或更多的站点会在同一时刻试图发送 RTS 帧，这些控制帧可能会相互冲突。但是，由于没有检测冲突的机制，因此发送方在它没有从接收方收到 CTS 时，就会以为产生了冲突，于是采取补偿策略 back-off strategy 并重新发送。

点协调功能 point coordination function, PCF 是一种可以在基础设施网络中（不在特别网络中）实现的可选访问方式。它在DCF之上实现，主要用于对时间敏感的传输。

PCF 是集中式的、无竞争的轮询访问方式。AP对那些可以被轮询的站点进行轮询。站点依次被轮询，将数据发送给AP。为了给予 PCF 高于 DCF 的优先级，已定义了另一套帧间间隔：PIFS 和 SIFS 。SIFS 与 DCF 中的一样，但是 PIFS (PCF IFS) 比 DIFS 短。这意味着如果同时一个站点想只使用 DCF ，而一个AP想使用 PCF ，那么 AP有优先权。

由于 PCF 的优先级高于 DCF ，只使用 DCF 的站点可能得不到对介质的访问。为了避免这种情况，设计了重复间隔来覆盖无竞争 PCF 和基于竞争 DCF 的通信。重复间隔 repetition interval 会持续地重复，它开始于一个称为信号帧 beacon frame 的特殊控制帧。当站点听到信号帧时，它们会在重复间隔的无竞争周期内启动它们的 NAV 。图14.6给出了重复间隔的一个例子。

在重复间隔中，PC（点控制方）可以发送轮询帧、接收数据、发送ACK 、接收ACK或者做任何这些动作（802.11使用捎带）的组合。在无竞争周期结束时，PC发送 contention-free end, CF end 无竞争结束帧，允许基于竞争的站点能使用介质。

无线环境噪声很多，被毁坏的帧必须进行重传。因此，协议建议要分段，就是将一个大的帧分割为多个更小的帧。这种「用更小的帧代替大帧的方法」在传输时更加有效。

MAC层包含 9 9 9 个字段，见图14.7。

• 帧控制 FC 。该字段为 2 2 2 字节，它定义了帧的类型和一些控制信息。表14.1描述了它的子字段，其中的 Pwr mgt 置 1 1 1 表示站点处于电源管理模式。后面会讨论每一个帧类型。
• D 。在除了一个类型以外的所有帧类型 all frame types except one 中，本字段定义了用于设置 NAV 值的传输间隔时间 the duration of the transmission 。在一个控制帧 control frame 中，这个字段用来定义帧的 ID 。
• 地址。有 4 4 4 个地址字段，每个有 6 6 6 字节。每一个地址字段的含义，取决于 to DS 和 from DS 子字段的值，后面要讨论。
• 序列控制 sequence control 。本字段定义帧的序列号，以用于流量控制。
• 帧主体。长度可以在 0 ∼ 2312 0\sim 2312 0∼2312 字节之间，包含了基于「FC 字段中定义的类型和子类型」的信息。
• FCS 。长度为 4 4 4 字节，包含一个CRC-32的差错检测序列。

由 IEEE 802.11 定义的无线局域网有三种类型的帧，它们是管理帧、控制帧和数据帧 management frames, control frames, and data frames 。

• 管理帧用于在站点和接入点之间初始化通信。

• 控制帧用于访问通道和对帧的确认。图14.8说明了它的格式。 对于控制帧来说，FC 字段中 type 子字段的值是 01 01 01 ，帧的 subtype 字段的值如表14.2所示。

• 数据帧用于携带数据与控制信息。

IEEE 802.11 的寻址机制说明了四种情况，由 FC 字段的两个标记 from DS, to DS 定义，每一个标记可能是 0 0 0 或 1 1 1 ，于是就定义四种不同的情况，MAC帧的四种地址（地址 1 1 1 ~ 地址 4 4 4 ）的解释取决于这些标记的值，见表14.3 。 注意：地址 1 1 1 总是下一个设备的地址 To DS ，而地址 2 2 2 总是前一个设备的地址 From DS 。如最后的目的站点没有被地址 1 1 1 定义的话，地址 3 3 3 就是最后目的站点的地址。 如果起始源站点的地址与地址 2 2 2 不同的话，那么地址4就是起始源站点的地址。

• 情况一 00 00 00 ：此时， To DS = 0 并且 From DS = 0 。这表明该帧既不是发往一个分布式系统 To DS = 0 ，也不是来自一个分布式系统中 From DS = 0 。该帧是从BSS中的一个站点到另一个站点，而不经过分布式系统。需要给原始的发送方站点发送ACK帧。地址见图14.9。
• 情况二 01 01 01 ：此时， To DS = 0 而 From DS =1 。这表示该帧从一个分布式系统中来 From DS = 1 。该帧从一个AP来，到一个站点去。ACK 帧将被发送到AP。地址见图14.9。注意，地址 3 3 3 包含该帧的原始发送方地址（在另外的BSS中）。
• 情况三 10 10 10 ：此时， To DS = 1 而 From DS = 0 。这表示该帧要发送到一个分布式系统中去 To DS = 1 。该帧是从一个站点发往AP。ACK将被发送到原始站点。地址见图14.9。注意，地址 3 3 3 包含该帧的最终目的地址（在另外的BSS中）。
• 情况四 11 11 11 ：此时，To DS = 1 并且 From DS = 1 。这种情况说明分布式系统也是无线的，帧在一个无线分布式系统中，从一个AP发送到另一个AP。如果分布式系统是一个有线局域网，这里就不需要定义地址，因为在这些情况下，帧的格式就是有线局域网帧（如以太网）的格式。这里需要四个地址定义原始发送方、最终的目的地和两个中间AP。图14.9说明了这一情况。

在前面已经提到了隐藏站点问题和暴露站点问题，现在对这些问题以及它们的影响进行讨论。

图14.10给出了隐藏站点问题的一个例子。站点 B B B 有一个传输范围，由左边椭圆示出，这个范围中的每一个站点都能听到站点 B B B 传送的信号。站点 C C C 有一个传输范围，由右边椭圆示出，这个范围中的每一个站点都能昕到站点 C C C 传送的信号。站点 C C C 在站点 B B B 的传输范围之外，站点 B B B 在站点 C C C 的传输范围之外。 但是，站点 A A A 既在站点 B B B 的范围之内，也在站点 C C C 的范围之内，它能听到 B B B 或 C C C 传送的任何信号。假定站点 B B B 发送数据给站点 A A A 。在这个传输中，站点 C C C 也有数据要发送给站点 A A A 。但是，站点 C C C 在 B B B 的范围之外，来自 B B B 的传输不能到达 C C C 。因此， C C C 认为介质是空闲的。站点 C C C 发送它的数据给 A A A ，这就导致了冲突，因为这个站点同时收到来自 B B B 和 C C C 的数据。

在这种情况下，我们说站点 B B B 和 C C C 对于 A A A 来说是互相隐藏的。因为冲突的可能性，隐藏站点降低了网络的能力。隐藏站点问题的解决方法是使用前面提到的握手帧 RTS 和 CTS ，CSMA/CA握手中的 CTS 帧可以避免来自隐藏站点的冲突 。图14.11显示来自 B B B 的 RTS 消息到达 A A A ，而没有到达 C C C 。但是，因为 B B B 和 C C C 都在 A A A 的范围内，CTS 消息（包含从 B B B 到 A A A 的数据传输期间）到达了 C C C 。站点 C C C 知道一些隐藏站点正使用通道，就限制传输直到这个期间结束。

现在考虑前一种情况的相反情况：暴露站点问题。在这个问题中，当通道实际上可用时，站点被限制使用该通道。在图14.12中，站点 A A A 向站点 B B B 传送。站点 C C C 有一些数据要发送给站点 D D D ，这应该可以发送、而不会干扰到从 A A A 到 B B B 的传输。但是，站点 C C C 暴露给了 A A A 的传送，它听到 A A A 在发送，这样被限制了发送。换句话说， C C C 太保守，浪费了通道的能力。

这种情况下，握手消息 RTS 和 CTS 不能帮上忙。为什么？考虑情况如下：

• 站点 C C C 听到来自 A A A 的 RTS ，但是没有听到来自 B B B 的 CTS 。
• 站点C在听到来自 A A A 的 RTS 后，能等一段时间以致来自 B B B 的 CTS 到达 A A A ，然后它发送 RTS 给 D D D ，说明它需要和 D D D 通信。
• 站点 B B B 和 A A A 可能都听到这个 RTS ，但是站点 A A A 在发送状态，而不是在接收状态。
• 然而，站点 B B B（还是 D D D ？）以 CTS 响应。问题就在这儿。如果站点 A A A 开始发送它的数据，站点 C C C 由于冲突不能听到来自站点 D D D 的 CTS ，它就不能发送它的数据给 D D D ，它会保持暴露直到 A A A 结束它的数据发送，如图14.13所示。

我们讨论六个规范，如表14.4所示。 除了红外线以外，所有实现都工作在工业的、科学的、和医学的 ISM 频带，定义了三个范围 902 ~ 928MHz, 2.400 ~ 4.835GHz, 5.725 ~ 5.850GHz 中的三个许可的频带，如图14.14所示。

IEEE 802.11 FHSS 使用了【计算机网络】第二部分 物理层和介质(6)中讨论的跳频扩频 FHSS 方法。FHSS使用 2.40GHz ISM 频带。这个频带被分成 79 79 79个 1MHz 的子频带（以及一些防护频带），由伪随机数字生成器选择调频序列。这个规范中的调制技术可以是二电平 FSK 或四电平 FSK（ 1 1 1 或 2 2 2 位/彼特) ，这使得数据速率是 1 1 1 或 2 Mbps 2\textrm{Mbps} 2Mbps ，如图14.15所示。

IEEE 802.11 DSSS 使用【计算机网络】第二部分 物理层和介质(6)中讨论的直接序列扩频 DSSS 方法。DSSS使用 2.40GHz ISM 频带。这一规范的调制技术是在 1 Mbaud/s 1\textrm{Mbaud/s} 1Mbaud/s 下的 PSK 。系统允许 1 1 1 位或 2 2 2 位/波特（BPSK 或 QPSK) ，其数据速率是 1 1 1 或 2 Mbps 2\textrm{Mbps} 2Mbps ，如图14.16所示。

IEEE 802.11a OFDM 描述了在一个 5GHz ISM 波段上的正交频分多路复用 orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM 的信号产生方法。OFDM 和【计算机网络】第二部分 物理层和介质(6)中讨论的 FDM 类似，其主要区别是，在给定的时间内，所有的子波段都由一个源使用。各个源在数据链路层访问时，相互竞争。

频带被划分为 52 52 52 个子频带，其中有 48 48 48 个子频带每次发送 48 48 48 个位组，另外 4 4 4 个子频带用于控制信息。方案与ADSL类似，如【计算机网络】第二部分 物理层和介质(9) 使用电话网络和有线电视网进行数据传输讨论的那样。将频带划分为子频带可以减少干扰的影响。如果随机地使用子频带，则还可以增加安全性。

OFDM 使用 PSK 和 QAM 进行调制。通用的数据速率是 18 Mbps 18\textrm{Mbps} 18Mbps（PSK）和 54 Mbps 54\textrm{Mbps} 54Mbps（QAM）。

IEEE 802.11b DSSS 描述了在一个 2.4GHz ISM 波段上产生信号的高速率直接序列扩频 high-rate direct sequence spread spectrum, high-rate DSSS, HR-DSSS 方法。HR-DSSS 和 DSSS 类似，区别在于它们的编码方法。HR-DSSS 的编码方法叫做补码键控 complementary code keying, CCK ，CCK编码将 4 4 4 位或 8 8 8 位编码成一个CCK符号。

为了与 DSSS 向后兼容，HR-DSSS 定义了四种数据速率： 1 ,   2 ,   5.5 ,   11 Mbps 1,\ 2,\ 5.5,\ 11 \textrm{Mbps} 1, 2, 5.5, 11Mbps 。前两种使用与 DSSS 相同的调制技术。 5.5 Mbps 5.5\textrm{Mbps} 5.5Mbps 版本使用 BPSK ，其传输速率在 1.375 Mbaud/s 1.375 \textrm{Mbaud/s} 1.3