IEEE 802.11 Tutorial
Mustafa Ergen
ergen@eecs.berkeley.edu
University of California Berkeley
June 2002
Abstract
This document describes IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) Standard. It describes IEEE
802.11 MAC Layer in detail and It briefly mentions IEEE 802.11a, IEEE 802.11b physical layer standard and
IEEE 802.11e MAC layer standard.
Contents
1 Overview 4
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Medium Access Control 10
2.1 MAC Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 MAC Frame Exchange Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Dealing with Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 The Hidden Node Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Retry Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.4 Basic Access Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.5 Timing Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.6 DCF Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.7 Centrally Controlled Access Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.8 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.9 Control Frame Subtypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.10 Data Frame Subtypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.11 Management Frame Subtypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.12 Components of the Management Frame Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.13 Other MAC Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 MAC Management 28
3.1 Tools Available to Meet the Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 Authentication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 Association . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.3 Address Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.4 Privacy MAC Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.5 Power Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1
3.1.6 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Combining Management Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 Combine Power Saving Periods with Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Preauthentication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 MAC Management Information Base 36
4.1 Station Management Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 MAC Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 The Physical Layer 41
5.1 Physical Layer (PHY) Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2.1 DSSS PLCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2.2 Data Scrambling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.3 DSSS Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2.4 Barker Spreading Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2.5 DSSS Operating Channels and Transmit Power Requirements . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3 The Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3.1 FHSS PLCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3.2 PSDU Data Whitening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.3 FHSS Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.4 FHSS Channel Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4 Infrared (IR) PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.1 IR PLCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.2 IR PHY Modulation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.5 Geographic Regulatory Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6 Physical Layer Extensions to IEEE 802.11 51
6.1 IEEE 802.11a - The OFDM Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.1.1 OFDM PLCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.1.2 Data Scrambler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.1.3 Convolutional Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.4 OFDM Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.5 OFDM Operating Channels and Transmit Power Requirements . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.6 Geographic Regulatory Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2 IEEE 802.11b-2.4 High Rate DSSS PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2.1 HR/DSSS PHY PLCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2.2 High Rate Data Scrambling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2.3 IEEE 802.11 High Rate Operating Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2.4 IEEE 802.11 DSSS High Rate Modulation and Data Rates . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2
3
6.2.5 Complementary Code Keying (CCK) Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2.6 DSSS Packet Binary Convolutional Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2.7 Frequency Hopped Spread Spectrum (FHSS)Inter operability . . . . . . . . . . . . . . . 56
7 System Design Considerations for IEEE 802.11 WLANs 57
7.1 The Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.2 Multipath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.3 Multipath Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.4 Path Loss in a WLAN System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.5 Multipath Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.6 Es/No vs BER Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.7 Data Rage vs Aggregate Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.8 WLAN Installation and Site Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.9 Interference in the 2.4 GHz Frequency Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.10 Antenna Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8 IEEE 802.11 PROTOCOLS 62
8.1 Overview of IEEE 802.11 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.2 IEEE 802.11E MAC PROTOCOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.2.1 Enhanced Distribution Coordination Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.2.2 Hybrid Coordination Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
