但IEEE吸取了上次制定802.3协议成功的经验和ISO制定OSI/RM七层LAN模型的经验教训，自1990年代初开始讨论酝酿有关WLAN的802.11协议，尽量满足和兼顾已有系统，同时更放眼未来，所以直到1998年才最终制定出了姗姗来迟的802.11协议。

严格地说，802.11协议只是对802.3协议的补充，主要体现在对物理层以及数据链路层的MAC子层的定义和补充，因为802.3所对应的TCP/IP协议当时就是针对不太可靠的信道定义的，因此，在数据链路层的高级数据链路控制规程(HDLC)或同步数据链路控制规程(SDLC)中对纠错编码等有详细的规定，在传输层及更高层也都有提高可靠性的措施。802.11协议根据其物理层所使用的频段不同，又分为802.11a和802.11b，两者的工作原理和规范一致。下面首先介绍802.11的工作原理和具体规范，然后再进行两者之间比较。

定义

IEEE802.11无线局域网是指基于IEEE802.11标准的无线局域网。

IEEE802.11的工作原理

图1给出了802.11的原理结构，前面我们曾经提到IEEE802.11协议富有远见，主要体现在：它所采用的不是纯信道竞争使用机制，而是将每个工作周期设计为一个超帧，中间分为无竞争期和竞争期两部分。两个阶段所采用的策略不同，面向不同的业务。

无竞争业务和竞争业务的划分是在对CSMA/CA改进的基础上，从MAC子层上提出来的。CSMA技术是在ALOHA的基础上改进获得的，纯ALOHA由于过度的碰撞使信道利用率只能达到18.4%，时隙ALOHA通过设置时隙，使信道利用率最大达到36.8%，CSMA技术是在时隙ALOHA基础上，通过规定每个想发送的站点首先侦听信道，空闲则发送，有载波则表示忙，需等待。

CSMA技术又分为坚持CSMA(最大利用率0.5)和非坚持CSMA(最大利用率0.8)。在CSMA基础上再增加碰撞检测功能，一旦有碰撞则立即停止发送，可使信道利用率大于0.8。但是对WLAN，CSMA/CD无法使用，因为WLAN中的无线终端存在远近效应而引起站点隐藏，使发送站无法做到边发边收。而CSMA/CA是一种比较有效的方法，CSMA/CA有多种实现方式，在无线环境中可采用发送请求发送帧/允许发送帧(RTS/CTS)的方式。在A向B发送前，首先发送RTS帧，B空闲则立即回送CTS帧，则A可以向B发送，而同时另一个C也受到该CTS，表示B忙，必须等待，直到C发出的RTS由B回送CTS为止，表示此时B空闲，C可以发送给B。

RTS/CTS解决了由于远近效应引起的站点隐藏问题，即实现了站点暴露。当然，虽然RTS/CTS帧很短，但也存在冲突问题，特别是无线信道的干扰也会造成它们无法正确接收，而使CTS失效，为此在许多WLAN方案中常常将IP、IPX协议作为数据报，直接放入MAC帧中，虽然数据报无须确认，但丢失的信息在传输层重传会影响通信性能，因此在IEEE802.11中仅仅作为可选项。

图1无线局域网标准802.11

接收站点在收到数据帧后回送一个应答确认帧确认(ACK)，这样，一个数据帧的发送过程为RTS(A)/CTS(B)/DATA(A)/ACK(B)，当然对小于100Byte的数据帧，采用RTS/CTS反而降低网络的吞吐率，增加时延，因此在802.11中RTS/CTS也是作为一个可选功能存在的。

此外对于WLAN，还可以采用DSMA/CD技术，实现移动台与基站在上行链路上的动态共享。DSMA/CD与CSMA/CD相似，主要由于无线上行信道无法采用边听边发来实现碰撞检测，故需由基站来检测碰撞，并生成一个指示由碰撞所造成发送失败标志的数据分组，通过下行链路发送给各用户，由此用户可判断发送是否成功。

802.11的超帧设计，分别定义了支持同步业务以及时限业务的无竞争方式和支持异步业务的竞争方式。无竞争方式就是中心协调方式(PCF，PointCoordinationFunction)。PCF方式中将时间域划分为各个超帧，在无竞争期采用与光纤分布式数据接口(FDDI，FiberDistributedDataInterface)LAN类似的主控站(AP)轮询，某个时刻允许某个站点发送；在竞争期，则采用CSMA/CA方式，即分布协调方式(DCF，DistributedCoordinationFunction)。时限业务对实时数据和话音业务至关重要。

（1）基本型CSMA/CA。

IEEE802.11的MAC采用基本的CSMA/CA时算法非常简单：当监听到某个信道空闲时间超过一个帧间间隔(IFS，Inter-FrameSlot)则立即开始发送；否则坚持侦听直到信道空闲超过IFS，选择随机退避时延进入退避；退避结束后如果信道空闲则立即发送，否则继续上述过程，并按二进制指数增加选择退避时延。基本的CSMA/CA利用物理层提供的载波监测指示信号(CS)监测信道忙闲。IEEE802.11的MAC对应有三种接入优先级，IFS也不同。

a．short优先级：需要立即响应业务(如MAC的ACK帧、PCF轮询响应帧等控制帧)的优先级，其IFS最小，称为SIFS。

b．PCF优先级：PCF接入时的优先级，其IFS居中，称为PIFS。

c．DCF优先级：DCF接入时的优先级，其IFS最大，称为DIFS。

（2）增强型CSMA/CA。

为增强CSMA/CA对异步业务传输的可靠性，IEEE802.11的MAC在基本型CSMA/CA基础上增加了MAC确认机制，即增强I型CSMA/CA=基本型CSMA/CA+ACK。

由此可实现MAC层的帧丢失监测和重发，减少因传输层重发而对通信性能的影响。为进一步弥补无线环境下不便检测冲突的缺点，降低站点隐藏问题，减少冲突概率，源宿之间还可以用short优先级发送RTS/CTS帧。RTS/CTS中的duration字段由除目的站以外的各站点用于设置自己的网络分配矢量(NAV，NetworkAllocationVector)，以确定信道将被占用的时间。这样，载波监测功能可以通过监测、维护CS和NAV来实现。即增强II型CSMA/CA=基本型CSMA/CA+ACK+RTS/CTS。

IEEE802.11的MAC要求DCF方式必须支持基本型CSMA/CA，增强型CSMA/CA为可选。

（3）延迟接入和退避算法。

发站检测到信道忙时会延迟接入，监测到信道空闲时间大于IFS后选择一个退避时间进入退避状态，退避算法为二进制指数算法，可解决处于延迟阶段的多个站点的竞争问题。

（4）防止重帧。

由于引入了确认和重发，因此802.11MAC有可能重帧，即收站同时收到相同的多个帧。为此802.11MAC采用帧中的媒体分组数据单元身份标识(MPDU-ID，MediaPacketDataUnit’sIDentification)域来防止重帧现象。收站坚持一个MPDU-ID，拒绝接收具有相同MPDU-ID的其他帧。

（5）DCF的执行。

由于信道忙而使无竞争期的起点和长度都发生变化，并引起超帧的扩展，但无论如何，DCF异步业务都要等到PCF完成之后才能获得访问信道的权利。

（6）AP的轮询。

AP以PCF优先级向参与无竞争业务的站发送下行数据帧(CF-Down，ContentFrameofDown-link)，使用帧头的控制域轮询比特进行轮询，若被轮询到的站有缓冲数据，则检测到SIFS后立即发送。若AP发出轮询后PIFS内没有响应，AP恢复控制信道，发送下一个轮询。被轮询的站无须对CF-Down进行确认。

（7）网同步。

WLAN的每个站都有自己的时钟，所谓网同步，即这些时钟之间进行同步。WLAN分为有中心和无中心两种结构，有中心WLAN由AP控制网的同步，周期性地发送含自身时钟信息的信标帧，蜂窝内所有与该AP相连的站根据该信标帧修改自己的时钟。对于无中心WLAN，每个站都承担着定期发送信标帧的职责，每个站根据收到的信标帧对自己时钟进行调整。实现全网的定期同步。利用同步可用于实现以下功能：

a．节能管理，允许移动台关闭，直到下一个信标帧来临为止。

b．物理层管理，当物理层使用跳频扩频时，网同步可用于确定跳频定时。

c．支持时限业务，利用网同步完成超帧定时等。

信标帧是定时发送，但也必须遵循CSMA/CA信道基本接入原则。因此确定“信标间隔”只是预计发送时刻。信标含时戳、信标间隔、发送者物理网址(MAC地址)等内容，以广播方式发送。

IEEE802.11a和IEEE802.11b的比较

（1）IEEE802.11的物理层定义

IEEE802.11a和IEEE802.11b的主要区别在于关于物理层的定义上。为此，我们首先从整个IEEE802.11的物理层的定义开始。WLAN的物理层主要是通过调制电磁波的幅度、频率或相位来传输信息，整个连续的电磁波频谱包括从无线电波、红外、可见光到紫外、X射线、g射线等，紫外以上频谱由于对人体有害而没有使用。ITU-R目前已经从长波定义到亚毫米波，具体见表1。

表1关于无线电频段的定义

目前，VHF以上频段用于无线通信，陆地公共移动通信主要分布于VHF和UHF频段，其中只有2.400～2.482GHz属于国际公认的可以自由使用的工业/科学/医学频段(ISM，bandofIndustry,Scientific&Medical)，此外美国还有902～928MHz、5.725～5.850GHz两个ISM频段。红外属于THF以上频段，目前还没有严格定义和限制。无线电频段中，ISM频段是无须向当地政府申请就可自由免费使用的频段，而其他频段则必须申请批准后才能使用。因此，目前IEEE802.11的无线电频段由习惯到正式规范都是ISM频段。此外，其他支持TCP/IP的WLAN技术则是利用FM广播的副载波或电视行扫描或帧扫描的时间间隙进行单向/双向的计算机数据通信业务，如因特网浏览、E-mail等业务。

IEEE802.11物理层在定义无线电通信时，主要考虑采用直接序列频谱扩展(DSSS，Direct-SequenceSpectrum-Spreading)和跳频频谱扩展(FHSS，Frequency-HopSpectrum-Spreading)，以提高数据传输的可靠性。通过扩频可以获得相应的扩频增益，当然要以占用更大的频带为代价。

DSSS通过将数据用伪随机噪声直接调制扩展频谱，再用对应频段的载波调制。FHSS则是将时间域分成若干个时隙，数据以帧的形式在每个时隙上用同一个载波调制发送，不同的时隙采用不同的载波，载波的选取一般在一个频率范围内按随机顺序抽取。无论是DSSS，还是FHSS对同步有很高的要求。DSSS和FHSS的性能可以从以下几个方面进行比较：

①抗大幅窄带干扰。DSSS在相关解扩时，对于可与有用信号相比拟的平均干扰有很强的抗干扰能力，但幅度远大于信号的干扰会导致系统性能严重恶化，发生频繁的丢帧现象；FHSS通过选择跳变方案，避开干扰频率来避免干扰，一般此类干扰对FHSS影响不大。

②抗衰落。频率选择性衰落只能在少部分频谱上产生衰落，因此DSSS由于有很宽的频谱，几乎不受影响；FHSS将会受到比较严重的影响，因为FHSS的信号实际频带不宽，通过快速跳变可以部分解决问题，当然成本也相应上升。

③抗多径干扰。多径干扰不但会引起频率选择性衰落，还会造成时延和脉冲展宽。对于DSSS，只要多径时延大于码片宽度，就不会有太大影响；FHSS则必须通过快速跳变、分集接收等措施来克服。

④远近效应。当两个站点之间存在第三个站点并同时收发，则会造成干扰幅度远大于信号幅度的远近效应。远近效应对DSSS系统影响较大；对FHSS系统影响较小。

⑤同步。DSSS必须实现伪随机码元之间的同步才能实现解扩；而FHSS只要在规定时间内与该时隙的载波同步即可实现解扩解调，显然简单得多。

⑥组网能力。扩频技术属于多址技术，即CDMA，两者都有很强的组网能力，同样情况下FHSS要高于DSSS。

⑦信号处理。DSSS适合于相干解扩解调，比较简单；而FHSS采用非相干解调，性能不如DSSS。

⑧安全保密性。两者都不错，但DSSS可以淹没在噪声中而不影响接收，FHSS则隐蔽性差一些。

⑨稳定性。由于DSSS对时钟要求太高，技术上实现比FHSS复杂的多，其产品的稳定性不是很好。

表2DSSS和FHSS的性能比较

无线系统的多址技术最早采用的是模拟频分多址，通过不同的载波/副载波实现不同的信道；数字系统最早采用时分多址，通过将时间域分割为若干个时隙，每个时隙对应为一个信道；上面介绍的扩频技术属于码分多址，不同的扩频调制码本身，或其所对应的载波作为信道。目前最新的多址技术是利用智能天线形成自适应多波束，每个波束对应一个信道，从而实现空分多址。

（2）IEEE802.11a和IEEE802.11b的比较

IEEE802.11a和IEEE802.11b的定义主要根据其功能分工的不同，在物理层上进行不同的定义。主要功能区分是工作距离和带宽。两者都可以看成对原先定义的802.11标准的扩展和补充，802.11一开始定义的速率是1～2Mbit/s，两者都超过了它。

IEEE802.11b由Apple公司提出，并因其与原802.11在速率上兼容，很快得到批准而成为国际标准。它定义为用于室内(≤100m)或室外近距离(≤500m)的WLAN，因此其发射功率有严格限制，一般室内≤10mW，室外≤100mW；发射天线一般尺寸比较小；数据带宽分为1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s、11Mbit/s等多种可选的速率，最大不超过11Mbit/s，根据信道情况自动选择；调制方式就是上面介绍的DSSS或FHSS；工作频率为2.4GHz的ISM频段。

IEEE802.11a定义为室外大距离(≥500m)WLAN，一般工作距离为5km，最大可达100km；发射功率≥1W，工作距离越大，发射功率越大；天线尺寸比较大，一般都是固定在大楼顶上，少数通过车载实现野外移动，但工作时必须固定不动；数据总带宽≥20Mbit/s，典型为54Mbit/s，根据网络规模载波等有所不同，已知有达到160Mbit/s的数据带宽；通过采用OFDM技术，进一步提高频率利用效率；工作频率为5.6～5.8GHz的ISM波段。IEEE802.11a比IEEE802.11b又进一步考虑了与WATM或ATM的兼容性，因此在其对外AP上提供了25Mbit/s的ATM基本速率和10Mbit/s的以太网基本速率的两种接口。

实际上，当时IEEE802.11定义时考虑了分层WLAN的想法，即上层为可与高速骨干网或城域网连接的IEEE802.11a系统(简称A系统)，下层为IEEE802.11b系统(简称B系统)或普通有线LAN。其关系可以用图2来描述。

当然，A系统和B系统都可以单独使用，或分别与有线LAN或因特网连接。

图2A系统与B系统及普通LAN的关系