（信号与信息处理专业论文）ieee80211无线局域网性能表现——跨层模型系统仿真与实验验证.pdf

ie e e 8 0 2 1 1 无线局域网性能表现 跨层模型，系统仿真与实验验证 摘要 随着无线通信技术的发展，提供移动i n t e m e t 接入的无线网络正 逐步改变人们的生活。以前对w l a n 的研究大部分集中于某一层的 协议的改进，分析和以仿真为基础的性能研究，主要将精力放在某一 层的性能与提升对整个w l a n 网络性能的影响，而较少考虑到以 w l a n 网络为整体，以各层分析与协作的角度入手，跨层分析w l a n 网络的整体性能；也没有以大型的实验为基础的对w l a n 系统性能 的研究和以跨层分析，多层协作为视角来分析w l a n 系统的性能表 现的工作。为了对实际的w l a n 网络的部署和应用提供实验数据， 为实际w l a n 网络的优化提供依据，我们搭建w l a n 实验网络，以 实际的w l a n 网络整体为研究对象，充分模拟实际的用户的各种使 用状况进行实验，对w l a n 网络的整体性能进行了分析和研究，并 通过数据模型的构建和分析，计算机仿真研究了基于t c p 协议的 w l a n 性能表现。 在以往的观念和仿真研究中，并且以往的观点普遍认为随着接入 用户的增多，m a c 层的d c f 系统吞吐量会急剧下降。但在很多的系 统仿真中，并没有考虑到物理层用户信道多样性的影响，事实上，在 物理层表现出来的用户信道多样性会比较明显的减小吞吐量的下降； 并且运行于w l a n 之上的t c p 协议调整网络使d c f 处于两到三个 无线终端的有效竞争下，使w l a n 可以达到很大的吞吐量，即使在 饱和负载下。有实验表明，在8 0 2 1 1 的w l a n 中当接入的无线终端 处于中等负载数量时，系统的吞吐量会有显著的下降，但我们同样发 现，在这种状况下，系统吞吐量的显著下降很大程度上是因为动态速 率调整机制的开启而造成对碰撞和系统噪声的混淆，从而主动降低传 输速率，而并非系统容量的下降。另有观念认为，因为前向的t c p 数据包和回传的a c k 包碰撞，会显著增大误帧率，从而产生w l a n 系统的吞吐量的显著下降。 我们通过实际的应用规模的实验，避免了以往大多数研究只针对 w l a n 一层的独立实验和研究，将w l a n 系统这个由各层有机合作 的整体作为研究对象，澄清了以往对w l a n 系统性能的模糊观念， 证明了通过各层的协作，基于t c p 的w l a n 可以达到很高的性能表 现，并且证明了t c p 的前向数据包和a c k 包的碰撞，通过d c f 的 自我调整机制和t c p 协议的反馈控制机制的调整，并没有对整个 w l a n 系统的性能产生太大的负面影响。 第二，通过跨层模型的构建，对动态速率传输，d c f ，t c p 的跨 层数据模型的分析，包括a r f d c f ( 物理层与m a c 层) 性能联合 分析，t c p d c f ( 传输层与m a c 层) 的联合分析，以数据模型的构 建对本文的理论做了支持。 第三，通过使用计算机系统仿真，对t c p o v e r - w l a n 进行了仿 真，从w l a n 网络的碰撞率，上下行吞吐量，时延，丢包数，公平 性，抖动等关键网络参数入手，对t c p o v e r - w l a n 进行了评估，并 与实际的系统实验结果进行对照分析，验证了我们的结论。 关键词：无线局域网，t c p o v e r - w l a n 性能，碰撞，延迟，抖动，系 统仿真，t c p 与u d p 比较 i i p e r f o r m a n c ea n a l y s i s0 fi e e e 8 0 2 1 1 、l a n ： c r o s s l y a e rm o d e l ，s y s t e ms i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a b s t r a c t w i d e s p r e a dd e p l o y m e n to fi n f r a s t r u c t u r e 亿m n sh a sm a d ew i f i a ni n t e g r a lp a r to ft o d a y si n t e m e ta c c e s st e c h n o l o g y p a s tr e s e a r c hh a s f o c u s e do no n e 1 a y e rp r o t o c o l e n h a n c e m e n t a n a l y s i s a n d s i m u l a t i o n b a s e dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nw i t h o u ts h 伍c i e n tc o n s i d e r a t i o n f o rt h ee v a l u a t i o nf r o mc r o s s i n gl a y e rv i e w , a l s ow i t h o u ts u f f i c i e n t c o n s i d e r a t i o nt os e et h e 、礼a n sw i r e l e s sn e t w o r ka so n e a n de v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c ef r o mc r o s s 1 a y e rc o l l a b o r a t i o n a l s od i dn o th a v e 亿a n p e r f o r m a n c es t u d yb a s e do ne x p e r i m e r i to fp r a c t i c a ls c a l e i no r d e rt o p r o v i d ee x p e f i m e n t a l d a t at ot h ea c t u a ln e t w o r kd e p l o y m e n ta n d a p p l i c a t i o n ，f i n dt h ea c t u a lp e r f o r m a n c eo fc r o s sl a y e ri m p a c t ，w et a k ea f r e s hl o o ka ti e e e8 0 2 1 l l a n sa n du s i n ge x p e r i m e n t ，s i m u l a t i o n ，a n d a n a l y s i sd e m o n s t r a t ei t sp e r f o r m a n c ea n dv a s tp o t e n t i a l s w ba l s os h o w t h a tt c p o v e r - 厂i ，a na c h i e v e sh i g ht h r o u g h p u te v e ni nt h es a t u r a t i o n r e g i m ei nt h ed e n s ee n v i r o n m e n t ，f a c i l i t a t e db yt h es e l f - r e g u l a t i n go f d c fa n dt c pf e e d b a c kc o n t r 0 1 t h ef o c u so ft h i sp a p e ri so nm ，a np e r f o r m a n c ei nh o ts p o t s ， w h i c hi st h ed o m i n a n tm o d eo f ，a nu s a g et o d a y , i nw h i c hw ec o n c e r n t h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nf r o mc o n t e n t i o n b a s e dm u l t i p l ea c c e s st h e m o s t i ns e v e r a lr e s p e c t s ，t h e r ea r ea m b i g u i t i e sa b o u tt h ep e r f o r m a n c eo f 、礼a n s ，f o re x a m p l e ，s o m er e s e a r c hs h o wt h a tt h e8 0 2 1 1w l a n p e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l yd e c l i n e sw h e nt h eo f f e r e dl o a di si n c r e a s e d b e c a u s ed c fs y s t e mt h r o u g h p u ts i g n i f i c a n t l yd e c l i n e s b u tw es h o wt h a t t h ea n a l y s i sd i dn o tc o n s i d e rt h ee f f e c to f p h y s i c a l1 a y e rc h a n n e ld i v e r s i t y t h a tm i t i g a t e st h r o u g h p u td e g r a d a t i o n a n ds o m ev i e ws h o wt h a tf o r w a r d t c pd a t at r a f f i cc a nc o l l i d ew i t hr e v e r s ea c k n o w l e d g m e n tt r a f f i c ， s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s i n gt h ef r a m ee r r o rr a t ea n dd e c l i n i n gt h e 、礼a n i i i p e r f o r m a n c e b u ti nt h ep r a c t i c a ls c a l ee x p e r i m e n ta n ds y s t e ms i m u l a t i o n ， w es h o wt h a tt h i sp o t e n t i a lt c pd a t 铡k c kc o l l i s i o np r o b l e md o e sn o t m a t e r i a l i z ed u et ot h es e l f - r e g u l a t i n ga c t i o n so fd c fa n dt c pf e e d b a c k c o n t r 0 1 t l l i sp a p e r , w i t ht h eh e l po fp r a c t i c a ls c a l ee x p e r i m e n t ，c l a r i f ys o m e o ft h ea m b i g u i t i e ss u r r o u n d i n g ，a np e r f o r m a n c e ，i n c o r p o r a t i o no ft h e i m p a c to fc r o s sl a y e rc o o p e r a t i o n w ep r o v et h a tt c p o v e 卜、，a n p e r f o r m a n c e ，w i t ht h ec r o s sl a y e rc o o p e r a t i o n ，a c h i e v eh i g ht h r o u g h p u t ， e v e nu n d e rs a t u r a t e dc o n d i t i o n sw h e r et h en u m b e ro fw i r e l e s ss t a t i o ni s v e r yl a r g e w _ ea l s os h o wt h a tt c p - o v e r - w l a np r o w e s si sf a c i l i t a t e db y t h es e l f - r e g u l a t i n ga c t i o n so fd c fa n dt c pf e e d b a c kc o n t r o l ，w h i c h io i n t l yd r i v et h es h a r e dr e s o u r c e sa ta ne f f e c t i v el o a do ft w ot ot h r e e w i r e l e s ss t a t i o n s a sac o n s e q u e n c e ，t h et c pd a t a a c kc o l l i s i o nd o e sn o t m a n i f e s ta sar e a lp e r f o r m a n c ec o n c e m t c p o v e r - 、礼a na l s om i t i g a t e s p e r s i s t e n t u n f a i m e s sd u et o p h y s i c a ll a y e r c h a n n e l d i v e r s i t y a n d t h r o u g h p u td e g r a d a t i o ns t e m m i n gf o r md y n a m i cr a t es h i f t i n g w ea l s oc o n f i r m e do u rc o n c l u s i o nu s i n gm a t h e m a t i c sm o d e lo f a r f d c fm o d e l t c p o v e r - d c fm o d e la n ds y s t e ms i m u l a t i o n w e s i m u l a t e dt h et c p o v e r - w l a n s y s t e m a n d a n a l y z e d t h e k e y p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ec o l l i s i o nr a t e ，t h r o u g h p u to fu p l i n k a n dd o w n l i n k ，d e l a y , p a c k e td r o p p i n gr a t e ，f a i m e s s ，j i t t e ra n ds oo n ，a n d a n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t st og e tt h ea c c u r a t e c o n c l u s i o n k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t c p - o v e r w l a np e r f o r m a n c e ， e x p e r i m e n t a t i o nv e r s u ss i m u l a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若奄不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 蕴籀日期：2 堡皇：；：丛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文碣于倨密范围，适用本授权书。 本人签名：二览短】日期：趁竺；! ! 笸 导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 随着无线网络的发展，人们对无线通信的需求越来越高，要求在任何时间， 地点都能与他人进行高速，实时，高质量的通信。用移动终端来获取信息服务已 成为无线网络发展的必然趋势。并且由于硬件技术和信号传输，处理等技术的发 展，并随着无线传输的带宽越来越大，数据传输速率越来越高，使得无线传输的 多业务能力成为可能。作为无线通信的一个重要组成部分，无线局域网技术在近 年来得到了高速发展和广泛应用。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结 合的产物。利用射频技术，取代原来的双绞铜线构成的局域网络，网络所需的基 础设施不必再埋于地下或隐在墙里，也能够随需移动或变化。无线局域网能利用 简单的存取架构使用户通过它方便的接入，为通信的移动化，个人化和多媒体应 用提供了良好的手段，成为宽带接入的有效手段之一。 1 2 无线局域网简介 目前，无线局域网有很多协议标准，如i e e e8 0 2 1 1 ，h o m e r f ，h i p e r l a n ， 蓝牙( b l u e t o o t h ) 等。可将众多标准分为两个发展方向：一为以高速传输应用为 主，如i e e e8 0 2 1 l g ，i e e e8 0 2 1 l m 二为一低速短距离的应用为主，如蓝牙和 h o m e r f 。其中，i e e e 8 0 2 1 l 系列适用于局域网，并且稳定性较高，得到了极大 的发展。而蓝牙，h o m e r f 等移动性强，体积小，适合移动电话，p d a 等设备 的短距离互连，并且形成了无线个人区域( w p a n ，w h i e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ) ，但速率较慢。从发展趋势来看，i e e e8 0 2 1 1 协议系列更有统一无线 局域网标准的趋势。 无线局域网是指以无线信道作为通信手段，无线设备通过无线信道进行资源 共享和信息交换的局域网络。无线局域网的地理覆盖范围通常涵盖数十米到数 百米，可应用在商务中心，图书馆，机场大厅，咖啡厅等地方。 无线局域网具有所有无线网络的一些共同特征，比如方便的联接方式和灵活 的使用方式，用户可以自由移动；降低了对建筑物和物理设施的依赖性，增加了 网络技术的应用领域；加强了通信的个人化，为增值服务市场提供了广阔的平台 阻1 。无线局域网的发展是蜂窝移动通信系统和有线局域网得以充分发展后才逐渐 加快进程的。蜂窝系统具有移动灵活的优点，但带宽较低，而局域网拥有较宽的 带宽资源，却没有移动的灵活性。无线局域网正是二者完美的平衡点。在目前众 多的无线局域网标准中，最成功的为i e e e8 0 2 1 1 。在商业市场上，几乎所有的 主流厂商都提供了对该协议的支持。各大通信运营商也相继提供了无线局域网的 公共接入服务，使得无线局域网成为无线接入服务的重要力量。i e e e 8 0 2 1 1 已经 成为无线局域网的工业标准。 随着越来越多的i e e e8 0 2 1 1 系统得以部署，i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网在当前 移动通信的发展中占据越来越重要的地位。下一代网络的架构要将数据，话音， 流媒体等业务纳入一个统一的多媒体网络。这是目前第二代通信系统向第三代和 第四代系统过渡的规划。无线局域网与传统的蜂窝无线系统具有相当多的互补 性，且自身也具有大量优点来满足下一代无线通信的要求。 1 3 论文的主要贡献和创新 通过实验，我们证明了运行于w l a n 之上的t c p 达到了可观的吞吐量，即 使在无线终端数量十分庞大的饱和负载下，系统吞吐量仍然没有出现经验认为的 显著下降。其原因在于8 0 2 1 1d c f 的自我调整机制( s e l f - r e g u l a t i n g ) 和t c p 的 反馈控铝t j ( t c pf e e d b a c kc o n t r 0 1 ) l 拘共同作用，使得所有的无线终端能够有效的利 用和共享无线频段。并且，这两种机制的共同作用，有效的减小了t c p 的d a t a 包和a c k 包的碰撞对无线网络性能产生的不良影响。同时，实验数据也可证明， 运行于w l a n 之上的t c p 协议有效减少了由物理信道的多样性而产生的持续的 不公平性，使所有的无线终端都能够获得无线资源的使用权。同时也明显的减弱 了由动态速率调整( d y n a m i cr a t es h i f t i n g ) 隋1 而产生的系统吞吐量的下降。在某 些实验中，w l a n 网络在中等负载中，出现系统吞吐量的显著下降，这种情况 大部分由于内置于w l a n 网卡中的动态速率( d y n a m i cr a t es h i f t i n g ) 调整机制的 影响。在这种机制下，网卡不能有效的区分碰撞和噪声。根据反馈减小发包速率 在传输距离较远或者信道噪声较大时，可以提高信噪比，减小误帧；但在通常的 热点布置的w l a n 中，碰撞是引起误帧的主要因素，在这种情况下自动调整速 率则会不必要的影响系统的吞吐量。由实际测量数据显示，t c p 对此种情况有较 好的改善作用。 通过对跨层数据模型的引入，对a r f d c f ( 物理层的a r f 动态速率调整和 m a c 层的d c f 机制) 的性能联合分析，对t c p d c f ( 传输层和m a c 层) 的联 合分析，以数据模型的构建对本文的理论作了支持。 并且，通过计算机系统仿真，对基于t c p 的w l a n 网络的碰撞率，上下行 吞吐量，时延，丢包数，网络公平性，抖动等参数入手，对t c p o v e r - w l a n 进 行评估，并与实际的实验结果对照以相互印证。 2 1 4 本文组织形式 论文余下部分分为四章。第二章简要回顾了w l a n 网络标准的发展，主要 介绍i e e e 8 0 2 1 1 标准序列，包括i e e e8 0 2 1 l b g a n ，并对i e e e8 0 2 1 1 e i h f 进行 了简要介绍。 第三章对无线局域网进行了介绍，并重点对其关键技术进行了说明。其中简 要介绍了无线局域网的优点，局限性，常用的拓扑结构及i e e e 8 0 2 1 1 x 的协议体 系，并对无线局域网的信道特性进行了描述；接下来重点对于无线网络m a c 协 议进行了说明，并详细解释了i e e e 8 0 2 1 l x 的无线媒体接入协议，它的d c f 访 问机制，可选的r t s c t s 访问机制，帧间隙和点协作模式p c f 。 第四章分析了t c p 协议，尤其是它优异的网络传输调控及保护能力，分析 了t c p 的拥塞控制机制及对无线局域网网络性能的调控，对下文对 t c p o v e r - w l a n 性能的分析做好理论基础。 第五章解释了动态传输速率，d c f ，t c p 等物理层，m a c 层，传输层相互 作用的跨层数据模型，对a r f d c f ( 物理层和m a c 层) 联合影响下的w l a n 系统性能进行了分析，对t c p o v e r - d c f ( 传输层与m a c 层) 联合作用下的w l a n 系统性能作了详细计算。在数据模型上对文章理论提供支持。 第六章对w l a n 系统实验状况进行了说明，包括实验系统的拓扑，网络构 建；基于t c p 的w l a n 系统性能实验项目，包括单a p , 双a p 集中式拓扑的w l a n 系统性能表现，限定终端接入速率，限定a p 接入速率下的w l a n 系统性能表 现；并在实验网络上搭建f t p 服务，以应用层服务的手段检测基于t c p 的w l a n 网络性能。 第七章使用计算机仿真对运行于w l a n 之上的t c p 效用进行分析。仿真实 现基于t c p 的w l a n 系统，并对系统性能的关键指标，如碰撞率，上下行吞吐 量，时延，上下行丢包数，网络公平性，抖动性等性能参数随接入负载的增加的 变化趋势进行了仿真评估；并且将基于t c p 和u d p 的w l a n 系统性能表现进 行了对比，显示了t c p - o v e r - w l a n 的令人惊异的能力。 第八章对全文进行了总结。 第二章w l a n 网络标准 2 1w l a n 网络标准发展 人类采用无线通信技术进行通信的历史己经非常久远了，但真正使用无线通 信技术来实现计算机通信，也只有三十多年的历史。 进入2 0 世纪7 0 年代，人们开始进行无线电技术与网络融合的研究。1 9 7 1 年夏威夷大学创造基于封包式技术的无线电通信网络一a l o h i 畸e t ，是最早的无 线局域网。到2 0 世纪8 0 年代，随着以太网的迅猛发展，w l a n 技术和设备开 始兴起，早期产品传输速率在1 9 2 k b p s 与1 m b p s 之间。到今天，w l a n 技术在 传输速率、稳定性、安全性等方面都取得了长足的进步，并被广泛地应用到各种 网络中羽。 w l a n 技术和协议从业务类型来分类，有面向连接的业务和面向非连接的 业务两类。面向连接的业务主要用于传输语音等实时性较强的业务，一般采用基 于t d m a 和a t m 的技术，主要标准有h i p e r l a n 2 和b l u e t o o t h ( 蓝牙) 等。面向 非连接的业务主要用于高速数据传输，通常采用基于分组和i p 的技术，这类 w l a n 以i e e e 8 0 2 i i x 最为典型。有些标准可以适用于面向连接的业务和面向非 连接的业务，采用的是综合语音和数据技术。 我国国内对于w l a n 的研究起步较晚，至2 0 0 3 年，宣布了无线局域网介 质访i 商- j ( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范以及无线局域网介质访问( m a c ) 和物理层 ( p h y ) 规范：2 4 g h z 频段较高物理层扩展规范，对应于g b l 5 6 2 9 1 1 协议标准。 相对于i e e e 8 0 2 1 l 系列标准，g b l 5 6 2 9 1 1 协议更注重于w l a n 数据传输中的 加密技术。由于支持g b l 5 6 2 9 1 1 系列标准的设备较少，目前在我国组建w l a n 网络普遍地仍基于i e e e 8 0 2 1 1 系列标准口1 。 2 2i e e e8 0 2 1 1 标准序列 1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 1 标准的制定是无线局域网发展的里程碑。i e e e 8 0 2 1 1 标 准定义了单一的媒体接入控制( m a c ) 层和多样的物理层，其物理层标准主要 有i e e e8 0 2 1 i b ，a 和g 。 4 2 2 1i e e e8 0 2 1 1 b 1 9 9 9 年9 月正式通过的i e e e8 0 2 1 l b 标准是i e e e8 0 2 1 1 协议标准的扩展。 它可以支持最高1 1 m b p s 的数据速率，运行在2 4 g h z 的i s m 频段上，采用的调 制方式是补码键控c c k 。随着用户不断增长的对数据速率的要求，c c k 调制方 式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高 的数据速率并达到扩频的目的，选取的码字的速率就要更高，并且对接收端的 r a c k 接收机要求有更复杂的结构，较难实现。 8 0 2 1l b + 一个非正式的标准，称为增强型8 0 2 1l b 。8 0 2 1l b + 跟8 0 2 1 l b 完 全兼容，只是采用了数据包二进制卷积编码( p b c c ，p a c k e t b i n a r yc o n v o l u t i o n a l c o d i n g ) 数据调制技术，所以，能够实现高达2 2 m b p s 的通信速率。 2 2 2i e e e8 0 2 1 l a i e e e8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频段上，使用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 调制技术可支持5 4 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 l b 两个标准都存在着各自的优缺点，8 0 2 1 1 b 的优势在于价格低廉，但 速率较低( 最高1 1 m b p s ) ；而8 0 2 1 l a 优势在于传输速率快( 最高5 4 m b p s ) ，但 价格较高。另外，8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 1 b 工作在不同的频段上，不能工作在同一a p 的网络里，因此两者不能兼容。 2 2 3i e e e8 0 2 1l g 为了解决上述问题，2 0 0 3 年7 月8 0 2 1 1 工作组批准了8 0 2 1 l g 标准。该标 准有以下两个特点：其在2 4 g h z 频段使用o f d m 调制技术，是数据传输速率提 高到2 0 m b p s 以上；i e e e 8 0 2 1 l g 标准能够与8 0 2 1 l b d ew i f i 系统可以平滑地向 高速无线局域网过渡，延长了8 0 2 1 1 b 产品的使用寿命，降低了用户的投资。 2 2 4i e e e8 0 2 1 i n i e e e8 0 2 1 l n 计划将w l a n 的传输速率从8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 的5 4 m b p s 增 加到1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为继8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l g 之后无线局域网标准上的又一重大进展。和以往的8 0 2 1 1 标准不同，8 0 2 1 1 n 协 议为双频工作模式( 包括2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频段) ，保证了前向兼容。 i e e e s 0 2 1 1 n 计划采用多输入多输出( m i m o ) 与o f d m 相结合，使传输速 率成倍提高。8 0 2 1 1 n 全面改进了8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物理层标准，同时也采 用新的高性能无线传输技术提升m a c 层的性能，优化数据帧结构，提高网络的 吞吐量性能。 2 2 5i e e e 8 0 2 1 1e 随着用户的增多，视频，语音等实时业务在w l a n 中也将得到满足。这些 实时业务要求w l a n 的m a c 层能够提供可靠的分组传输，传输时延低且抖动 较小。8 0 2 1 1 e 对目前的8 0 2 1 1m a c 协议进行改进，使其可以支持具有q o s 要 求的应用。 普通的8 0 2 1 1 无线局域网m a c 层有两种工作方式，d c f 和p c f ，但是没 有对数据源和数据类型进行区分。因此，i e e e 对d c f 和p c f 在q o s 的支持功 能方面进行增补，通过设置优先级，既保证大带宽应用的通信质量，又能够向下 兼容普通8 0 2 1 1 设备h 1 。 2 2 6i e e e 8 0 2 1 l i 8 0 2 1 l i 是为解决w l a n 安全认证问题而制订的新安全标准。w l a n 在保证 安全方面很重要的一环就是认证。由于8 0 2 1 l i 与m a c 层上的功能有关，认证 协议在传输层，i e e e 不负责管理，而今市场上体供的解决方案则是使用8 0 2 1 x ， 同时将精力集中在比较容易实施的服务器协议上，因此出现了许多认证协议。 8 0 2 h i 或增强型安全网络h 1 ( e s n ) 是为加强安全性而对现有8 0 2 1 1 标准进 行优化的方案。为加强认证，它引用了几种重要的管理算法以及动态的会话密匙 ( s e s s i o nk e y ) ，新的加密算法有高级认证标准( a e s ) 和当时密匙集成协议 ( t k i p ，t e m p o r a lk e yi n t e g r i t yp r o t o c 0 1 ) 等。安全咨询分析师认为现行的无 线加密协议一有线对等保密( w e p ，w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 技术过于脆弱， 只要检查一个信息包的简单样品就能破解加密资料的密钥：而不久将出台的基于 r c 4 的t k i p 是由几家重要的密码团体开发的，安全性较高，市场上的现有设备 可以升级到此版本。但从长远来看，采用a e s 加密的分组密码是更为安去的方案， 它将替代w e p 和r c 4 。为优化性能，a e s 对硬件要求更高，而且许多情况下，基 于a e s 的加密可能无法升级，因此a e s 将目标锁定在将来的w i - f i 设备上。 8 0 2 i x 、t k i p 及基于a e s 的加密构成8 0 2 1 1i 新安全标准的主要部分。 6 2 2 7i e e e8 0 2 1l h 8 0 2 1 l h 是欧洲制订的、工作在5 g h z 频段的无线标准，目的是减少对同处 于5 g h z 频段的雷达的干扰，该标准计划在2 0 0 3 年第2 季度完成。8 0 2 1 l h 涉及 两种技术，一种是动态频率选择( d f s ) ，即接入点不停地扫描信道上的雷达，接 入点和相关的基站随时改变频率，最大限度地减少干扰，均匀分配w l a n 流量； 另一种技术是传输功率控f 1 l j ( t p c ) ，总的传输功率或干扰将减少3 d b 。 2 2 8i e e e8 0 2 u f 8 0 2 1 l f 是为解决漫游问题而制订的接入点之间的协议。为了支持用户从一个 点接入到另一个接入点，8 0 2 1 1 标准不限制接入点之间的通信，为此允许不同分 布式系统之间灵活运作( 如连接接入点的有线骨干网) 。但漫游时不同提供商提供 的接入点可能无法互通，8 0 2 1 l f 就是专门针对接入点之间的漫游而制订协议，它 能为接入点之间支持8 0 2 。1 1 分布式系统功能提供必要的交换信息h 3 。在接入点设 计中加入8 0 2 1 l f 就能彻底消除产品选择的限制，确保不同提供商产品的互操作 性。 7 第三章无线局域网概述及其关键技术 3 3 无线局域网的特点 3 3 1 无线局域网的优点 无线局域网利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输，可以作为传统 有线网络的延伸( e x t e n d ) ，补充( c o m p l e m o a t a r y ) 或替代( a l t e r n a t e ) 眵1 。无 线局域网有以下优点： 1 ，移动性 移动性分为用户移动性和用户设备移动两类。在无线局域网中，无线局域网 设备的移动又可分为不移动或固定( f i x e d ) ，半移动( n o m a d i c ) 或便携式 ( p o r t a b l e ) 移动和全移动( m o b i l e ) 。目前的无线局域网系统一般只支持固定， 半移动和慢速移动。 此外，从网络层次上讲，移动又分为链路层移动和网络层移动。链路层移动 又称为越区切换( h a n d o f f ) 或散步( w a l k i n g ) ，网络层移动也称为漫游( r o a m i n g ) 。 2 ，灵活性( f l e x i b i l i t y ) 安装容易，使用简便，组网灵活，无线局域网可以将网络延伸到线缆无法连 接的地方，并可方便地增减，移动和修改设备。无线局域网的组网方式灵活多样， 可以通过基础结构( i i l 觚咖c t l l r e ) 接入骨干网，也可以自组网( a dh o c ) 可以 组成单区网和多区网，还可以在不同的网间进行移动。 3 ，可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) 在适当的位置放置或添加接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 或扩展点( e x t e n dp o i n t ， e p ) ，就可以满足扩展组网的需要。 4 ，经济型( s a v i n g ) 无线局域网可以用于物理布线困难或不适合进行物理布线的地方，节省了缆 线及其附件的费用；省区布线工序，可快速组网；对于临时需要网络的地方，无 线局域网可以低成本地快速实现；对于需要频繁重新布线或更换地方的场合，无 线局域网可以节省长期费用。 3 3 2 无线局域网的局限性 无线局域网的局限性有些是低层技术方面的问题n 1 ，需要设计者在研发过程 中加以考虑；有些为应用层面的问题，需要使用者在应用是加以克服。 1 ， 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 有线局域网的信道误比特率可优于l o e 一9 ，这样就保证了通信系统的可靠性 和稳定性。无线局域网采用无线信道进行通信，而无线信道是一个不可靠信道， 存在各种干扰和噪声，从而引起信号的衰落和误码，进而导致网络吞吐性能的下 降和不稳定。此外，由于无线传输的特殊性，还可能产生“隐藏终端”，“暴露终 端 和“插入终端”等现象，影响系统的可靠性。 2 ，带宽与系统容量 由于频率资源有限，无线局域网的信道带宽远小于有线网的带宽，由于无线 信道有限，即使可以复用，无线局域网的系统容量通常也要比有线网的容量小。 因此，无线局域网的一个重要发展方向就是提高系统的传输带宽和系统容量。 3 ， 兼容性( c o m p a t i b i l i t y ) 与共存性( c o e x i s t e n c e ) 兼容性包括多个方面：无线局域网要兼容现有的有线局域网；多种无线局域 网标准的兼容，如i e e e 8 0 2 1 l b 对i e e e 8 0 2 1 1 的兼容，i e e e 8 0 2 1 l g 对 i e e e 8 0 2 1 l b 的兼容。 共存性也包括多个方面：同一频段的不同制式或标准的无线网的共存，如 2 4 g h z 频段的w l a n 和蓝牙系统的共存；不同频段，不同制式或标准的无线网 的共存，如2 4 g h z 和5 8 g h z 频段w l a n 的共存，无线局域网与g p r s 系统的 共存等。 4 ， 覆盖范围 无线局域网的低功率和高频率限制了其覆盖范围。为了扩大覆盖范围，需要 引入蜂窝或微蜂窝网络结构，或者通过中继与桥接等其他措施来实现。 5 ， 干扰 外界干扰可对无线信道和无线局域网设备形成干扰，无线局域网系统内部也 会形成自干扰；同时，无线局域网系统还会干扰其它无线系统。 6 ， 安全性 其中一个是信息安全，即保证信息传输的可靠性，保密性，合法性和不可篡 改性。在w l a n 中，鉴于无线电波不能局限于网络设计的范围内，因此有被偷 听和恶意干扰的可能性。 7 ，多业务与多媒体 现有的无线局域网标准和产品主要面向突发数据业务，而对于语音业务，图 像业务等多媒体业务的适应性很差，需要开发保证多业务和多媒体的服务质量的 相关标准和产品。 8 ，移动性 无线局域网虽然可以支持站的移动，但对大范围移动的支持机制还不完善， 9 也还不能支持高速移动。即使在小范围的低速移动过程中，性能还要受影响。 3 4 无线局域网的组成结构 图3 - 1 ：无线局域网的物理结构 无线局域网由站( s t a t i o n ，s t a ) ，无线介质( w i r e l e s sm e d i u m ，w m ) ，基站 ( b a s es t a t i o n b s ) 或接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 和分布式系统( d i s t r i b u t i o n s y s t e m ，d s ) 等几部分组成。 l ，站s t a ( s t a t i o n ) 站也称主机( h o s t ) 或终端( t e m m a a l ) ，是无线局域网最基本的组成单元。 网络就是进行站间数据传输的，我们把连接在无线局域网中的设备称为站【3 】。 站在无线局域网中通常用作客户端( c l i e n t ) ，它是具有无限网络接口的计算设备。 站包括以下几个部分：终端用户设备，无线网络接口，网络软件。 2 ，无线介质 无线介质是无线局域网中站与站之间，站与接入点之间通信的传输介质。在 这里指的是空气，它是无线电波和红外线传播的良好介质。 3 ，无线接入点a p ( a c c e s s p o i n t ) 无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。无线接 入点是一种特殊的站，它通常处于b s a 的中心，