[技术干货] 无线传感网络概要和zigbee开发实战(六)短距离无线通信技术之一WIFI

WIFI应该是大家最不陌生的短距离无线通信技术。在现代的智能家居中,常使用wifi这种技术传递信息,上报数据,下发指令。

简介

  1.Wi_Fi(Wireless Fidelity)俗称无线宽带

  Wi-Fi的来源: 1999年时各个厂商为了统一兼容802.11标准的设备而结成了一个标准联盟,称为Wi-Fi Alliance,而Wi-Fi这个名词,也是他们为了能够更广泛的为    人们接受而创造出的一个商标类名词,也有人把它称作"无线保真"。 正确读音[wai] [fai]

  

   2.Wi-Fi  Direct

      Wi-Fi Direct标准是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接。与蓝牙技术类似,这种标准允许无线设备以点对点形式互连,而且在传输速度与传输距离方面则比蓝牙有大幅提升。 也就是wifi必须有无线路由器,Wi-Fi Direct则不需要无线路由器就可以实现2台设备连接传输数据 . Wi-Fi Direct与传统Wi-Fi非常不同,传统Wi-Fi通常会创建一个无线局域网以让客户端设备访问互联网。而Wi-Fi Direct在客户端设备本身间运作,这些设备可以包括笔记本电脑、智能手机、电视和打印机等。像现在手机中常使用大容量文件传递就是使用的这种wifi技术,我们俗称它为“快传”。



    3.IEEE 802.11 MAC协议

      IEEE 802.11 MAC协议分为分布式协调功能(Distributed Coordination Function, DCF)和点协调功能(Point Coordination Function,PCF)两种访问控制方式,其中DCF方式是IEEE 802.11协议的基本访问控制方式。

      在DCF工作方式下,载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供,虚拟载波侦听由MAC层提供。

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         IEEE 802.11 MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrame Space,IFS),用来提供访问无线信道的优先级:


       (1)SIFS (short IFS):最短帧间间隔。


       (2)PIFS (PCF IFS):PCF方式下节点使用的帧间间隔。


       (3)DIFS (DCF IFS):DCF方式下节点使用的帧间问隔。

      



         根据CSMA/CA协议,当节点要传输一个分组时,它首先侦听信道状态。如果信道空闲,而且经过一个帧间间隔时间DIFS后,信道仍然空闲,则站点立即开始发送信息。如果信道忙,则站点始终侦听信道,直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候,节点进一步使用二进制退避算法,进入退避状态来避免发生碰撞。

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    802.11MAC退避机制:

    节点使用二进制退避算法确定好退避时间后,启动退避定时器并进入退避状态。

    CWmax=2mCWmin

         退避时间

    C=(int)rand(0-1)(2i-1CWmin)

      在退避状态下,若信道空闲则进行计时,当退避定时器计时达到退避时间后结束退避状态;若在达到退避时间前信道忙,则中止退避计时器中止并继续侦听信道,直到信道持续空闲DIFS后再继续退避定时器的计时,退避状态结束后,节点就接入信道开始发送数据。

      若多个节点都进入退避阶段,则退避时间最小的节点将会成功竞争信道,通过这种退避算法接入信道,能够减少节点间数据碰撞的机率。


     随机退避时间按下面公式进行计算:

     退避时间=Random()×aSlottime                               

     其中,Random()是在竞争窗口[0,CW]内均匀分布的伪随机整数;CW是整数随机数,它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间;aSlottime是一个时         槽时间,包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。


      网络节点在进入退避状态时,启动一个退避计时器,当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下,只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙,退避计时器中止计时,直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时,利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。

  

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   802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中,当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时,必须向源节点发送一 个应答帧(ACK),确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突,目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧,不能用于组播和广播报文传输。

   


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   3.   802.11协议比较

          

标准号

IEEE 802.11b

IEEE 802.11a

IEEE 802.11g

IEEE 802.11n

标准发布时间

19999

19999

20036

20099

工作频率范围

2.42.4835GHz

5.1505.350GHz

5.4755.725GHz

5.7255.850GHz

2.42.4835GHz

2.42.4835GHz

5.1505.850GHz

非重叠信道数

3

24

3

15

物理速率(Mbps

11

54

54

600

实际吞吐量(Mbps

6

24

24

100以上

频宽

20MHz

20MHz

20MHz

20MHz/40MHz

调制方式

CCK/DSSS

OFDM

CCK/DSSS/OFDM

MIMO-OFDM/DSSS/CCK

兼容性

802.11b

802.11a

802.11b/g

802.11a/b/g/n

  4.wifi技术特点

(1)无线电波的覆盖范围相对较广。


(2)传输速度非常快,符合个人和社会信息化的需求。


(3)厂商进入该领域的门槛比较低, 设备价格低廉。


(4)信号功率小,绿色健康。


(5)工作在2.4GHz的IMS 频段,全球统一。

  

   5.wifi的主要技术

    

     (1)CSMA/CA

       (2)直序扩频:直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式,英文全称Direct Sequence Spread Spectrum,简称直扩方式(DS方式)。直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展开的扩频信号还原成原来的信号。

       (3)OFDM技术:Orthogonal Frequency Division Multiplexing即正交频分复用技术,将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。

       (4)MIMO技术:Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,是空分多址(SDMA)的基础。

   


    6.wifi的拓扑结构

       无中心结构

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       有中心结构

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在单片机和嵌入式开发中,我们会经常使用到wifi模块,我们常用的wifi模块应该是ESP8266,一般都是直接在上面做SDK包,现在,wifi模块价格已经非常低廉,广泛应用在生产生活的各个方面。