（三）DCF机制详解_上篇

综述

802.11中规定了两类媒体访问控制机制，PCF(点协调功能)和DCF（分布协调功能）。DCF是基于竞争机制，提供分布式接入，多个分布式无线节点抢同一资源，PCF使用无竞争模式，提供有中心控制的轮询式接入，所有的带宽分配（传输时间片）都由一个全局的Point控制。PCF是以DCF作为基础扩展的，802.11中PCF与DCF可以兼容工作。在PCF模式中，两者的兼容实际上是基于一种交替工作的机制，即PCF和DCF各占据一段时间，交替进行工作。该交替周期即是CFP重复周期（CFP repetition interval），在该周期内，包含CFP和CP两个部分。

这篇文章主要介绍DCF机制，DCF机制是基于CSMA/CS载波侦听冲突避免的多址接入协议。利用载波侦听和冲突避免技术来防止单一共享信道的冲突，同时通过四次握手机制完成分布式数据业务的信道接入，基本解决暴露终端和隐藏终端的问题。
DCF主要包含四个核心机制：
1.载波侦听机制
2.帧间间隔机制
3.随机退避机制
4.基于 RTS/CTS 的四次握手机制

1.载波侦听机制

载波侦听机制分为物理载波侦听和虚拟载波侦听，任意一个指标指示信道繁忙，则信道繁忙。

1.1物理载波侦听机制

物理层相关背景：

1.1.1 CCA概述

物理载波监听采用三种信道空闲检测方式，能量检测、载波检测和能量载波混合检测，统称为CCA。CCA工作模式由PHY MIB的属性：dot11CCAModeSupported来指出。

１. 能量检测(ED):对接收信号的能量大小进行判断，当接收的功率大于物理层规定的阈值ED_threshold时，就认为信道被占用。
２. 载波检测(CS) : 检测信道中是否存在高速PHY信号，PMD层将会识别该信号的preamble部分，展开运算得出SQ值衡量信号质量，如果信号质量超过设定阈值，认为信道存在PHY高速信号，信道被占用。其中，802.11中的preamble部分采用特定的序列所构造，该序列对于发送方和接收方都是已知的，其用来做帧同步以及符号同步。在实际监听过程中，节点会不断采样信道信号，用其做自相关或者互相关运算，其中自相关在基于OFDM的802.11技术中常用，比如802.11a，而互相关在基于DSSS技术中常用，比如802.11b。
在直接序列扩频DSSS技术的物理层中，PMD层对接收信号与本地的伪随机码(PN码)进行运算比较，如果其值超过某一极限，就认为信道被占用。
３. 能量和载波混合检测(ED & CS)
在802.11中根据具体物理层使用的技术来决定检测技术的采用。DSSS技术结合了能量检测和载波检测，而FHSS则仅采用载波检测技术。混合检测中，任意一种被检测到超限，就认为信道正在被占用。

1.1.2 CCA实现过程

1.802.11能量检测实现过程
当物理层接收到信号，它首先对该信号的能量展开归一化处理，得到RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信号的强度指示。并在PMD层生成原语PMD_RSSI.indicate将RSSI提供给PLCP层，PLCP再把RSSI传递给MAC层。PLCP层通过原语PMD_RSSI.request将阈值ED_THRESHOLD传递给PMD层，其中，阈值是从MIB中获得。若RSSI的值超过阈值，则PMD层将原语PMD_ED.indicate的参数设置为enable通知PLCP层中，则PLCP层原语PHY_CCA.indication(STATE)的中的参数值值则为BUSY，通知MAC层信道繁忙。
2.802.11载波检测实现过程
CCA启动一个3.65ms长的定时器，在该定时范围内，如果检测到高速PHY信号，就认为信道忙。如果定时结束仍未检测到高速PHY信号，就认为信道空闲。3.65ms是一个5.5Mbps速率的PSDU数据帧可能持续的最长时间。
简单的说，当物理层接收到信号，根据preamble部分得出SQ信号质量，在PMD层生成原语PMD_SQ.indicate(SQ)来通知PLCP层，实时更新参数SQ的值。当SQ的值超过了阈值参数CS_THRESHOLD，PMD层向PLCP层发送原语PMD_CS.indicate(enable)，通知PLCP层信道检测到PHY高速信号，正在解析该数据包，信道被占用。
备注：
RSSI：RSSI是接收到的射频能量的测量值（但不是能量的本身值）。RSSI值范围0~255，RSSI值随PHY Preamble部分的能量单调递增。因此RSSI值可以只选取PHY Preamble（前导码）的测量就行了。
PMD_RSSI.indicate：该可选的原语可由PMD产生，用于向PLCP提供接收到的信号强度。该原语有一个参数：RSSI，它是高速PHY接收的射频能量的测量值，长度为0-8bit。RSSI和SQ作为CCA机制的部分一起协同使用。

1.2虚拟载波侦听机制

虚拟载波侦听机制由MAC提供， 802.11标准使用网络分配向量NAV实现虚拟侦听。MAC帧中的Dur/ID字段中存放着的“持续时间”，对接收到的信息判断信道将被占用的时间，确定自身的发送需要延迟的时间。
NAV可以理解为一个Timer定时器用来定义当前链路还需要被占用多久，开始值是最后一次接收到的帧的持续时间，倒计时至0结束。每一个监听的Sta都使用该NAV定时器，数据通信时，占领信道的Sta会通过帧中的duration字段来告知其他Sta我还需要用多久，而未获取信道资源的Sta通过对比收到包中的duration值来更新自身NAV的值。
更新条件
1、只有收到包的duration值大于本身的NAV timer才被更新；
2、该帧并非发往本工作站，即该更新NAV的站点是侦听栈。
*当NAV值为0，且物理载波监听表明信道空闲时，才认为当前链路为空闲状态。

上图标出了三类距离范围：传输范围、载波侦听范围、载波监听带

针对不同的距离范围，节点更新自身NAV的值也不同，传输范围内的节点可以接收CTS并且正确解析其中的duration，据此更新NAV；载波监听带内的节点可以接收CTS但不能正确解析其中的duration，此时节点采用延时EIFS的策略。

2.帧间间隔机制

提供访问媒介的不同优先级
SIFS 短帧间隔 < PIFS PCF帧间隔 < DIFS DCF帧间隔 < EIFS 扩展帧间隔

2.1slot time

时隙是指一个时间片段，在CSMA/CA中，节点竞争接入信道之前需要经过相应的随机回退（backoff）过程，其中backoff过程就是由很多个时隙所组成的。

A Slot Time= a CCA Time（CCA时间）＋a Rx/Tx turnaround Time（发送接收天线转换时间）＋a Air Propagation Time（传播延迟）＋a MAC Processing Delay（MAC层处理延迟）

2.2 SIFS, Short Interframe Space(SIFS)

在802.11系列无线局域网中SIFS是固定值，SIFS是最小的帧间 间隔，因此采用SIFS的节点具有访问无线链路的最高优先级。它等于节点从发送状态切换到接收状态并能正确解码所需要的时间，或者从接收状态转为发送状态所需要的时间，在SIFS过期后可能发送的数据包包括ACK、CTS帧，不同标准中规定的SIFS值不同。

A SIFS Time= a RXRF Delay（射频延迟）＋a RXPLCP Delay（物理层头部接收延迟）＋a MAC Processing Delay（MAC层处理延迟） + a RxTx Turnaround Time（发送接收天线转换时间）

2.3DIFS, DCF Interframe Space(DIFS)

在DCF协议中，节点在开始发送数据之前需要监测信道是否空闲。如果信道已经空闲，则节点仍需等待DIFS段时间才开始发送数据；而如果在DIFS时间段内任一时刻信道被监测为忙，则节点不得不推迟它的数据发送。DIFS和SIFS间的计算关系如下：

               DIFS = SIFS + (2 * Slot time)

2.4PIFS, PCF Interframe Space(PIFS)

PCF使得AP等待PIFS而不是DIFS时间以访问信道，由于DIFS > PIFS > SIFS，因此AP总比普通节点具有更高的访问信道的优先级。

                     PIFS = SIFS + Slot time

####2.5 EIFS, Extended Interframe Space(EIFS)
在前一帧出错的情况下，发送节点不得不延迟EIFS而不是DIFS时间段后再发送下一帧。

 EIFS = Transmission time of Ack frame at lowest basic rate(1Mb/s) + SIFS + DIFS

####2.6DSSS 物理层特征
此处附上DSSS 物理层特征，通过PLME－CHARACTERISTICS原语提供，在初始化的时候，原语生成，为层管理实体提供物理层特性参数。IEEE 802.11中定义的DSSS 物理层的特征见下表：

随机退避机制以及基于 RTS/CTS 的四次握手机制写在下一篇介绍中，文章篇幅太长看得难受。