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title: 802.11 協議(續)|第九週
tags: 無線與行動網路導論
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無線網路的效能評估
下禮拜會講題目
或者可以改成做更複雜的作業
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# Coordinated Functions：DCF 跟 PCF


- PCF：Point Coordinated Function
- point 就是指 Access point，很常使用的另一個 AP 的名詞
- 是在 DCF 之上擴充的功能，他是疊在 DCF 上面的
- 之前也有提到他是選用的，所以不一定會有
- 性質類似 Centralized coordination
- 也就是之前學過的細胞網路
- DCF：Distributed Coordinated Function
- 就是上周提到的 CSMA/CA

## PCF

基本上沒要做什麼特定的事情就是跑 DCF，如果要開始做 PCF 就會特別給個區間。
PCF 又叫 Contention-free period，代表那個時段都由 AP 來控制，其他人先等等。


橫軸是時間

### 週期性

PCF 是有週期性的，AP 會固定時間區段執行 PCF 這件事情。
但也不是說死死的週期性，要開始 PCF 的時候一樣要監聽一段 IFS，而這個 IFS 就是上週提到的 PIFS。

所以可以知道 PCF 還是以 DCF 為主，如果遇到傳到一半的 DCF 是要等他傳完的，也因此可以在上圖看到後面的週期有延後；但是其他週期就不會，會照著原來的時間，如下圖：


>老師有說 PCF 延後不會超過傳輸一個 data 的長度。

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# 資源調控 / Scheduling

AP 控制了那個時段，他會在那個時段調配頻段這項資源，方法就是之前提到的 Polling，也就是 AP 會去 Poll device。

那 AP 要怎麼知道要 Poll 哪些裝置？答案是 AP 會持有一個 Pollable Station 的 list。

## Pollable station

所謂的 Pollable station 是能夠在 PCF 時段，「回應 CF-Poll」的裝置；或者說他是在 PCF 時段需要傳輸 MSDU(MAC SDU) 的裝置。
要成為這種裝置，他會設標頭的 more data 為 1，就好像跟 ap 說我是要傳資料的。

MSDU 是 mac layer 的一個 packets。
這裡 CF 前綴的代表是 PCF 裡頭的動作，下面會有例子。

## Piggyback

其實有 CF 前綴的封包還有很多種，這些標頭是可以互相組合的：


可以看出行為就只有兩大類：手機上傳，跟 AP 下傳。

- AP DL：
- DATA、CF-ACK、CF-POLL，這三種
- 所以總共組合就有 7 種
- MS UL：
- DATA、CF-ACK，這兩種
- 所以總共組合就有 3 種

上面個別的五個是基本的動作，然後前面有提到 Piggy 這件事，也就是標頭會有混合的可能。
要注意只有 AP DL 的動作可以互相搭配，MS 的 UL 動作可以互相搭配，畢竟是不同的人傳輸的。

所以雙方會持有對應表，去判別那些可能：

- MS 端就要能夠判別 7 種標頭
- 因為從 AP 來的內容有 Data、CF-ACK、CF-Poll 三種
- AP 端就要能夠判別 3 種標頭
- 因為從 MS 來的內容有 Data、CF-ACK 兩種

下面是一些例子：

- Data + CF-Poll
- Data + CF-ACK
- Data + CF-ACK + CF-Poll

# 內部架構

接下來介紹 PCF 內發生了甚麼事。

## Control frames / Beacon 和 CF-End 封包

### Beacon

告訴大家這裡有個 AP ，以及跟大家說在接下來會是 PCF 時段，由我來分配資源。
也就是說 Beacon 是在 PCF 開頭會傳的封包，並且它的功能是讓其他人知道 PCF 要發生了，還有發生多久；這樣聽到的設備就會去設置 NAV。
而這個 NAV 是一個最大的等待時間，但是可以被提早結束，這就是 CF-End 的功能。

### CF-End

告訴大家 PCF 結束了，如果有提早結束的話，大家就不會傻傻等完整個 NAV。

### PIFS

長度會小於 DIFS 的原因，是避免 AP 搶不到時段執行 PCF。


1. 首先可以看到 Piggyback ，AP 傳了資料給 1 號手機，還同時進行 Polling
- 也就是說標頭同時含有 Data 跟 CF-Poll
2. 然後 1 號手機因為被 Poll 所以傳了資料，還有剛剛收到資料後確認用的 Ack
- 也就是說標頭同時含有 Data 跟 CF-ACK
3. 接下來換 AP 除了回傳剛剛 1 號手機的 ACK，還傳資料給 2 號手機，又 Poll 了 2 號手機
- 也就是說標頭同時含有 Data 、 CF-ACK 跟 CF-Poll
- 然後 2 號也傳了 CF-ACK 跟 DATA
- 接下來 AP 也對 3 號做一樣的事情
4. 但是 3 號手機似乎沒有聽到 Poll
- 所以當 AP 監聽超過 PIFS ，他就會換下一個裝置
5. 然後最後 4 號也傳完了，AP 也發現沒有要做的事了，所以除了傳 ACK 回去，還傳了 CF-End
- 這樣其他裝置聽到後，就會解除 NAV

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# 802.11 的其他功能

接下來介紹 802.11 的其他功能

# Registration

前面有提到 AP 會週期性的執行 PCF，或著說週期性的傳 Beacon 封包，有一個作用是「保持時間的同步」，還有「保持跟裝置間的「連接 / associations」」。
這樣子裝置連過一次後，之後要連就會自動連上這個 AP。

- AP 跟裝置之間建立「association」，裝置「registers/註冊」到 AP
- 裝置會發送「Request」，而 AP 會回傳「Response」
- 只有註冊後的裝置才能傳輸資料


第一次的要建立聯繫，術語叫做 association，之後重複連的時候就是屬於 re-association


下面是張大圖


裡面的 Probe 就是代表一個探測的用意，請見下方。
可以看到除了 association，還有 authentication。

## Probe Request 跟 IAPP/Roaming

- IAPP： Inter Access-Point Protocol
- 這是各個 AP 之間的 protocol
- 目的是讓你可以很快的換到另一個 AP，也就是 handoff 的部分
- 但是是指 L2 的換手，L3的換手是 IP 的部分

要加快 L2 的換手，就是要減少延遲，而延遲的來源有下面情況：

- 再次的做 authentication：
- 上面提到過的認證步驟，如果沒有 IAPP，換了一個 AP 就要重新認證
- 而且有可能認證是由資料庫認證的，不是由 AP 認證的，速度更慢
- 聽到 beacon 的時間：
- 像是你聽到的是快結束的 Beacon
- 那麼會因為無法完整辨識這是個 Beacon，你就要等到下一次的beacon
- 聽不同 channel 的延遲：
- 就是去搜尋不同頻段的 AP
- 當你要連線的時候，會去檢查周圍的 AP，但他們有可能在不同的頻段
- 同時還要順便檢查能量大小，然後挑能量大的
- 還有時候可能找了很多頻段都沒找到 AP

Probe request 就是用來探測周圍的 AP，也就是上面第三點搜尋 AP 的導致延遲的部分。

而有了 IAPP，你就可以在屬於同個群組的 AP 間移動，或者說「漫遊/Roaming」。


可以看到筆電移動到中間點的時候，發現原先連線的 AP 強度變弱了，所以他廣播了一個 Probe request ，看看哪個信號比較強的 AP 會回他，然後他就會在這些當中選信號強的人。

- 可以看到右邊的第 3 號 AP 回應了他

然後因為這三個 AP 之間是有支援 IAPP 的，所以可以看到筆電做的是 re-association，而不是重新建立認證、連結。

:::warning
前面雖然看到 PCF 時段 AP 時間都被塞滿滿似乎很忙，都一直在傳，那這樣有時間處理 Probe 嗎？
答案是其實不是所有時間都會像上面那麼忙，而不忙的時候就可以處理；或是在 DCF 的時候也可以處理。
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## Beacon

這個封包裡面同時載有很多重要的東西，像是 BSS-ID、traffic indication map(TIM) 等等。TIM 下面會提到

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# 能源管理 Power Management

雖然電子產品各方面進步速度都很快，也就是俗稱的摩爾定律，但是電池的速度卻很慢。
而且由於大部分時間，手機都是接收「突發的訊號」，其他時間都是待機，如果待機時間都持續開著，那麼會很耗電。
因此，省電很重要；而目前已知最有效的省電方法，就是關掉他，或者說進入休眠模式。
>休眠只有下行

## 架構

- STA 有兩種狀態
- Active mode (AM)
- 就是平常的接收時的狀態
- Power-save (PS) mode
- 就是上面提到的休眠狀態
- PS Mode
- 要休眠的時候會傳一個封包，在 FC 有個地方可以設成 1，告知 AP 進入了 PS
- AP 知道 STA 進入 PS Mode 之後，如果有資料要給他，會先幫他暫存起來
- 也就是當作 STA 的 Buffer
- 但是總不能一直擱著，所以他收到之後就會叫醒該 STA，叫他起來收資料
- 因此前面提到的周期性 Beacon，又發揮了作用
- STA 雖然在 PS Mode，但是他會跟隨 Beacon 的週期，去聽 Beacon 的內容
- 又叫 Timing Synchronization Function (TSF)
- 當然為了要聽清楚所以會早一些些時間起來
- Power Save Poll 封包
- STA 起來後，會傳輸這個封包告知 AP，他準備好了
- 這樣 AP 就可以把資料交給他了
- 有點像是對 Beacon 的 ACK；當然 AP 收到 PS Poll 也會傳一個 ACK

## Traffic Indication Map / TIM

這就是用來叫醒 STA 的東西，會存在 Beacon 裏頭。記錄了目前哪些 STA 有暫存的資料。
所以如果 STA 發現他在名單裡面，他就會開始回到 Active。
回到 Active 後會傳輸 PS Poll。但是這個 Poll 跟之前的性質不太一樣，之前是 AP 去 Poll 裝置，這裡的則是告訴 AP，我準備好接收資料了。

## Paging

這個概念出現在很多地方，像 802.11 就是 TIM 的部分；是個 L2 的機制。
就是會有個休眠模式 Sleep mode / dormant mode。
搭配有人幫你暫存資料，然後叫你起來的機制。

像是在 Cellular Network 當中有個 Paging area：
- 手機 Active 時候會精準知道自己在哪個 Cell
- 跨過 Cell 邊界時就會切換所在的 Cell，這在醒著的時候是必要的
- 但是到了休眠的時候，如果還這樣做就會很耗電
- 休眠模式：依靠 Paging area
- 會是多個 Cell 為一個 Cluster，而手機在定位時，就會換成要跨過 Cluster 邊界才會進行定位
- 如果要叫醒手機，此時由於 BS 只能知道該 MS 在某個 Cluster，但是並不知道在哪個 Cell
- 所以會進行廣播來叫醒他

因此這是個取捨，看是要大的 Paging area，但是花很大力氣叫醒他，或是要較小的 Paging area，雖然花小力氣叫醒他，但是他要更頻繁的進行位置更新。

:::info
之後在 GSM 的時候會提到這件事，敬請期待
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# TIM 和 DTIM

## TIM / Traffic Indication Map

就是上面提到的那個用來叫醒 STA 的 MAP。

## DTIM / delivery traffic indication map

是用於 Multicast 跟 Broadcast。

- Multicast 是傳給一群人
- Broadcast 是傳給所有人
- 原本 TIM 是只對一人


可以看到上面有前面講的「提早一點點」的部分。

聽 TIM 的地方，如果等了太久沒有聽到，各家廠商會制定某些演算法，決定看到底發生了什麼事，像可能會醒來看看還在不在 AP 的範圍內。

## Ad hoc Traffic Indication Map / ATIM

這是裝置之間的傳輸，如果兩人都休眠，他們會互相規定何時要一起起來
但是現在很少用了，現在很少裝置間連線

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# QoS Enhancement 和 Security

這是在兩個版本中做出的改善

- IEEE 802.11e：QoS
- IEEE 802.11i：Enhanced security

## Security

### Open System authentication 開放系統認證

在 request/response 這兩個過程中，會分享一個 Key，這個 Key 是個 40-bit 的密碼
request/response 前面的 Probe、Authentication、Association 三大步驟都有
>但怎麼跟維基說的不太一樣

### Wired Equivalent Privacy (WEP)

這是較舊版本的 WIFI 採用的安全協議。
會有個 40-bit 的 Key 會跟原本要傳的訊息信行 XOR，產生 key sequence。
但容易受攻擊 Attack 影響 [WIKI](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%9C%89%E7%B7%9A%E7%AD%89%E6%95%88%E5%8A%A0%E5%AF%86)
所以被之後出現的 WPA 給取代掉了

### Wi-Fi Protected Access (WPA)

[可惡沒聽到](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/WPA#WPA%E5%92%8CWPA-2%E4%BC%81%E6%A5%AD%E7%89%88%E4%B8%AD%E7%9A%84EAP%E7%A8%AE%E9%A1%9E)

## QoS：EDCA / Enhanced distributed channel access

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Qos / Quality of Service。
QoS 是一種控制機制，它提供了針對不同使用者或者不同資料流採用相應不同的優先級，或者是根據應用程式的要求，保證資料流的效能達到一定的水準。
[By Wiki](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%9C%8D%E5%8A%A1%E8%B4%A8%E9%87%8F)
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一般來說 Qos 也分兩大種，一種是有保證會送到的。
另一種是不確定你收不收的到的，而這種會去做差異化 differentiation ，就是有分優先程度。

差異化就是會根據傳輸的資料分成不同類別 Traffic Classes，各自有不同的優先程度。
然後在各個類別內，資料又可以各自分優先程度；所以就長的像 Multiple Priority Queue。


>Access Category 簡寫為 AC

方法像是：
- 分配不同的 CW min 跟 max
- 以 AIFS/Arbitration IFS 取代 DIFS
- 讓優先度較高的有較小的 AIFS，較低的則有較大的 AIFS


- Transmit Opportunity (TXOP)
- 老師說很像前面提到的 PCF
- 如果一個裝置搶到了 TXOP ，那麼在那個時段都只可以他傳
- 但是問題是發生在速度很慢的 MS 上
- 當初 RBO 確保的是公平的機率去使用頻段，但是速度慢的人，會傳很久
- **也就是在使用時間上是不公平的**
- 所以會限制速度慢的人傳的時間，然後讓快的人就可以多傳一些時間

Hybrid coordination function (HCF) 取代 PCF。

### Access Categories

就是上面在 EDCA 提到的區分不同優先程度用的。
在 EDCA 架構下有四種 AC，其中對應四種不同的 CW 和 AIFS 組合


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# 其他有趣的 Enhancement

## 802.11s - Mesh 網路

通常是家裡很大才會用到。有個名詞叫 Multihop relay ，一個 hop 就是從一個 Mesh 跳到另一個裝置，所以三個裝置間如果是一條線連接，那麼就有可能有 3 個 hop。

- Mesh Portal
- 接向 ADSL 線的主機台
- Mesh Point / MP
- relay 中繼 用的 Mesh
- Mesh AP
- 在 STA 眼裡他扮演著 AP 的角色


### routing

由 aodv 改來的，總之就是找出mesh之間的最短路徑。

總之以後會講更多，這裡先知道 802.11 有支援這回事。

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沒錯，後面有一週就在講 Multihop relay
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## 802.11p - WAVE 車用網路

Wireless Access for the Vehicular Environment

最一開始是美國開始的，車跟車之間要通訊，減少車禍。

但現在還沒普及，因為大家都在等他普及後才要買這種車。

要用於車子，首先建 association 的速度要快，然後要處理都卜勒效應，像是比較長的 preamble 之類的物理層的改進。

有 9 成內容是跟現在是很像的，只不過多了車子相關的部分。

### 常見的情景

- V2V
- 車跟車之間，像是告訴我現在煞車了
- 或是車隊會使用
- V2I 或 I2V
- I 是 infrastructure，另一個名字是 Network (V2N/N2V)
- 就是網際網路跟車子間有連線，像是告訴你哪裡塞車，周圍有什麼等等

802.11p 的對手是現在 4G 跟 5G。

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接下來算額外的資訊

- 802.11aa
- 處理 BSS 的 overlap
- Reliable multicast
- 802.11af
- TV white space ，電視頻段的空白處
- 電視也是用無線的頻譜在傳輸，這種古老的技術，都佔用了很好的頻譜
- 所以 WiFi 就想也用用這個頻段
- 因為電視有很多情境都有空白片段
- 像是晚上，根本沒有節目
- 然後現在數位電視壓縮率變好，空間變大
- 802.11ah
- 有個低頻的頻段 Low frequency band 可以用
- 但是他頻寬沒有很大，所以只能傳低能耗、低資料率的東西
- 用於物聯網
- 802.11ac
- 其中有個重要的技術是 MIMO
- 現在速度的大要進就是因為這個多個天線的技術 MIMO
- 因為背後的某些數學，會讓多個天線，就看起來好像通道變成了那麼多倍
- 想知道細節要修數位通信，或研究所的課
- Multi user MIMO
- 因為要達到 MIMO 就是兩端都要相同數目的天線，但手機可能天線比較少，所以會拉多隻手機一起湊數
- 802.11ad
- 家用環境，近距離，快速傳輸的用途

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可以修的課：數位通信
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