（通信与信息系统专业论文）ieee+80211dcf性能分析与优化.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着无线局域网( w l a n ) 的广泛应用，在无线网络中传输实时多媒体业务( 如 视频、音频等) 的需求也越来越大，在无线局域网中提供质量保证服务( q o s ， o u a l i t yo fs e r v i c e ) 已经成为一项重要的极具挑战性的任务。同有线网络相比，无 线网络在性能和服务质量方面还有很大差距，实时业务对于诸如带宽、延迟、延 迟抖动等网络服务参数有更加严格的要求，要为实时业务提供可靠的有质量保证 的服务，实现介质共享的m a c 层协议是一个非常重要的因素。因此，对i e e e8 0 2 1 l m a c 协议的性能分析和改进，以及与m a c 有关的服务质量问题的研究具有非常重 要的现实意义。 本文简要介绍了无线局域网的背景、概念、优势、应用前景和无线局域网的 多个标准，以及i e e e 8 0 2 1 1 中的d c f 机制。详细介绍了i e e e 8 0 2 1 1 所使用的传输技 术、基本网络拓扑、协议体系等，较全面地讨论了当前基于d c f 的各种q o s 机制。 本文的研究工作主要基于i e e e 8 0 2 11 标准，通过对分布式协调功f l ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n , d c f ) 的详细阐述，指出传统的d c f 机制只能支持尽力而为 ( b e s te f f o r t ) 的服务，而时延敏感的语音和图像业务等要求更好的服务方式，由 于无线局域网的高移动性、高误码率以及建立在竞争机制上的媒介接入方式，使 得q o s 的实现相当困难。接下来本文通过对退避时延算法的研究，提出了一种降低 站点等待d i f s 时间的退避算法，并且为了减小竞争窗口频繁变化所带来的传输效 率的降低，修改了成功传输的站点及发生冲突的站点侦听信道的机制，当节点发 现信道忙时，不会选择随机退避，而是在t s 时间间隔后再次侦听信道状态，因此 由于选择相同退避时隙而造成冲突的概率减小，从而增加了吞吐量，降低了平均 延时。 同时，为了更好地为实时业务提供q o s 保证，本文提出一种带优先级的访问机 制，以支持实时业务流。优先级主要由帧间距区分。由于考虑到在高负载的情况 下对高优先级和低优先级业务的不公平的带宽分配，我们采用动态的优先级来防 止低优先级业务饥饿，使低优先级的业务也能得到很好的服务。 仿真实验表明，该机制不但能够为实时业务提供高吞吐率和较小的平均延迟， 而且也是一种较公平的q o s 机制。在此基础上文章还介绍了被广泛使用的仿真工具 n s 2 及仿真方法。最后，本文对i e e e 8 0 2 1 l 中d c f 的研究进行了展望。 关键词：无线局域网( w l a n ) ，分布式协调功能( d c f ) ，服务质量( q o s ) ， 媒体访问控制( m a c ) ，c s m a c a 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er i s i n g p o p u l a r i t yo fw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) ，t h e r e q u i r e m e n to ft r a n s m i t t i n gr e a l t i m em u l t i m e d i at r a f f i c ( s u c ha sv i d e o ，a u d i o ) i nt h e w i r e l e s sn e t w o r k sb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t s u p p o r t i n gq u a l i t y o f s e r v i c e ( q o s ) i nw l a n h a sb e e na ni m p o r t a n tc h a l l e n g i n gt a s k i nc o m p a r i s o nw i t l lt h e w i r e n e t w o r k s ，t h ep e r f o r m a n c e a n d q o s o fw i r e l e s sn e t w o r k sh a s g r e a t d i s p a r i t y r e a l t i m ea p p l i c a t i o n si m p o s es t r i c t e rr e q u i r e m e n t so ns e r v i c ep a r a m e t e r s ，s u c h d a t ar a t e ，d e l a ya n dd e l a yj i t t e r t op r o v i d er e l i a b l ea n dg u a r a n t e e ds e r v i c e sf o rt h e s e a p p l i c a t i o n s ，t h em e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o li so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r s i np e r f o r m a n c ea n dq o sp r o b l e mo fw i r e l e s sn e t w o r k s s oi ti ss i g n i f i c a n tt ot h e p e r f o r m a n c eo fi e e e8 0 2 i1m a cp r o t o c o l ，a n dt h eq o sp r o b l e mt h a tr e l a t et om a c p r o t o c o li nt w i r e l e s sn e t w o r d s i nt h i st h e s i st h ea u t h o ri n t r o d u c e sb r i e f l yt h eb a c k g r o u n d ，c o n c e p t s ，a d v a n t a g e s ， a p p l i c a t i o nf u t u r ea n dm a n ys t a n d a r d so fw l a n ，a n dt h ed i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n0 9 c f ) m e c h a n i s m sp r o v i d e di ni e e e8 0 2 1 1 t h ea u t h o ra l s oi n t r o d u c e di n d e t a i lt h et e c h n i q u eo ft r a n s m i s s i o n ，b a s i cn e t w o r kt o p o l o g ya n dp r o t o c o ls y s t e m t h e n v a r i o u sd c fb a s e dq o ss c h e m e sa r ed i s c u s s e d o u rr e s e a r c hw o r kb a s e so ni e e e8 0 2 11s t a n d a r d t h r o u g hp r e s e n t i n gt h ed e t a i l s o f t h ed c fm e c h a n i s m s ，w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h et r a d i t i o n a ld c fm e c h a n i s m s c a r l o n l yp r o v i d et h e b e s te f f o r t s e r v i c e ，t h o s et i m e s e n s i t i v et r a f f i cs u c ha sv i d e oa n d a u d i or e q u i r eb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e , b u ti ti sb e c a u s ew i r e l e s sl a nh a v et h eh i g h m o b i l i t y , h i 曲b i te r r o rr a t ea n dc h a n n e la c c e s ss c h e m eb a s e do nc o n t e n t i o nm o d e ，t o r e a l i z eq o sm e c h a n i s mb e c o m e sd i f f i c u l t t h e nt h i sp a p e rr e s e a r c ho nt h eb a c k o f f a r i t h m e t i c , a n dp r o p o s es c h e m et or e d u c ed i f so v e r h e a d t o a v o i dr e d u c i n gt h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yf o rt h es a k eo ff r e q u e n tc h a n g eo fc o n t e n t i o nw i n d o w , w e m o d i f i c a t i o nt h em e c h a n i s mo f s e n s i n gt h e c h a n n e lf o rn o d ew i t hs u c c e s s f u l t r a n s m i s s i o no fap a c k e ta n dn o d ei n v o l v e di nc o l l i s i o n w h e n e v e ran o d es e n s et h e c h a n n e la n di f i tf i n d st h ec h a n n e lb n s y , t h en o d ed o n tc h o o s et h er a n d o mb a e k o f f a n di t w i l lw a i tf o rt sb e f o r es e n s i n gt h ec h a n n e la g a i nf o rd i f sp e r i o d w er e d u c et h ec h a n c e o ft w on o d e ss e l e c t i n gt h es a l l eb a c k o f fs l o t s ow eg e th i g h e rt h r o u g h p u ta n dr e d u c e t h ea v e r a g ed e l a y a tt h es a m et i m e ，t os u p p o r t i n gq o sf o rr e a l t i m et r a f f i c ，w e p r o p o s e da 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p r i o r i t y - b a s e da l g o r i t h m e t i c t h ep r i o r i t yi sb a s e do nf r a m es p a c e i nv i e wo ft h ef a c t t h a tb a d w i d t hi sa l l o c a t e du n f a i r l yb e t w e e nh i g hp r i o r i t yt r a f f i c sa n dl o wp r i o r i t y t r a f f i c s ，w ep r o v i d ed y n a m i cp r i o n t yt op r e v e n ts t a r v a t i o ni nl o wp r i o r i t yt r a f f i c sa n d o f f e rb e t t e rs e r v i c ef o rl o wp r i o r i t yt r a f f i c s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e i l f yt h a tt h em o d i f i e ds c h e m ei sn o to n l yp r o v i d eh i g h e r t h r o u g h p u ta n dl o w e ra v e r a g ed e l a y , b u ta l s of a i r t h i sp a p e ra l s og i v es i m p l ei n s t r u c t i o n t ot h es i m u l a t i o nt o o l ss u c ha sn s 2a n di t ss i m u l a t i o nm e t h o d f i n a l l yw ep r o s p e c tt h e f u t u r eo f t h ed c fi ni e e e 8 0 2 1 1 k e yw o r d s ：w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ( d c f ) ，o u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，m e d i a a c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ， c s m a c a i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 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谢意。 学位论文作者签名：王桐签字日期：z 唧 年彳月 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：王柯 导师签名： 签字日期：z 0 0 7 年多月乡日 彩c 陟 签字日期：z 归7 年乡月多e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 2 1 世纪的头十年，通讯产业正处于一个有趣的转折点上。2 0 世纪可以被称 作“有线世纪”，有数以百万计公司的铜制电缆、光缆被架设到了家庭、办公大楼， 以及街道的地下和上方，甚至是海洋底下。2 l 世纪则在迅速地成为“无线世纪”。 与上一世纪不同的是，使用无线技术的动机已经不再是话音，而是数据了。这一 转变一直是向用户发布特有服务的许多不同技术的推动力。无线局域网作为主流 的无线宽带接入技术之一，以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成 功和迅速的发展，特别是近年来随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数 据终端以及多媒体终端的广泛应用，为了实现任何人在任何时间、任何地点均能 实现数据通信的目标，要求传统的多媒体应用( 如v o w l a n 、模拟音视频设备与提 供数字音视频的p c 设备之间的无线桥接等) 业务的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s c r v i c * ) i n 1 题变得日益突出。但是在无线传输中，由于串扰和多径传播而导致的衰 落和色散使无线网络数据传输率低且误码率高( 同有线网络相比) ，这使得在有线网 络中网络层以上提供q o s 的做法与无线信道的特点脱节，无法达到预期的效果。 另一方面，采用从无线接入到有线骨干网传输再到无线接入的异质网络连接的传 输途径正逐渐普及，在这种情况下，仅靠传统的有线网络q o s 机制已经无法提供 端到端的服务质量保障。于是迫切需要一种能够针对无线信道的特点，在无线链 路层m a c 子层提供网络业务的区分、优先级控制、资源分配等的q o s 控制和保 障机制，从而对无线网络的o o s 进行整体规划。 近年来，关于无线网络服务质量问题的研究备受关注，已提出了许多关于保 证实时业务通信服务质量的无线网络协议，其主要针对媒体访问控n ( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层提出无线q o s 算法。 1 1 研究背景 随着i n t c r n c t 应用的迅猛发展，以及便携机、p d a ( p e r s o n a ld a t aa s s i s t a n t ) 等移动智能终端使用的日益增长，给广大用户提供了诸多便利( 随时随处自由接 入i n t c r n c t 、能享受更多的业务、安全且有保障的网络) ，成为发展的必然。在接入 速率和适应环境上与3 g 技术互为补充的无线局域网迅猛发展，成为新一代高速无 线接入网络。 1 1 1 无线局域网简介 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频( r f ) 技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能，网 重庆大学硕士学位论文i 绪论 络所需的基础设旋不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能够随着需要移动或变化，使 得无线局域网络能利用简单的存取构架让用户透过它达到”信息随身化、便利走天 下n 的理想境界。无线局域网使用无线信道来接入网络，为通信的移动化、个人化 和多媒体应用提供了潜在的手段，并成为宽带接入的有效手段之一。无线局域网 技术具有传统局域网无法比拟的灵活性。无线局域网的通信范围不受环境条件的 限制，网络的传输范围大大拓宽，最大传输范围可达到几十公里。在有线局域网 中，两个站点的距离在使用铜缆时被限制在5 0 0 米，即使采用单模光纤也只能达 到3 0 0 0 米，而无线局域网中两个站点间的距离目前可达到5 0 公里，距离数公里 的建筑物中的网络可以集成为同一个局域网。 无线局域网被看作传统有线网络的延伸，在某些环境还可以替代传统的有线 网络。与之相比，无线局域网有以下显著的益处： 移动性：在服务区域，无线局域网用户可随时随地访问信息； 设备安装快速、简单、灵活：无线局域网系统消除布线的繁琐工作，网络 可遍及有线网络不能到达的地方； 减少投资：无线网络减少了布线的费用，应用在频繁移动和变化的动态环 境中，投资回报高； 扩展能力：无线局域网可组成多种拓扑结构，容易从少数用户的对等网络 模式扩展到上千用户的结构化网络。 无线局域网的这些特点使其广泛的应用于很多领域：希望在企业内部获得 传统有线网络之外的移动功能的专业人士或高级商业管理人员。需要能够在 整个站点内或选定的区域内灵活而频繁地改变局域网布线的业主所有者和i t 董 事。任何其地点因建筑物或预算的限制( 如建筑物是老旧的、空间是租赁性的 或地点是临时性的) 而不适于使用局域网布线的公司。任何需要灵活地且节约 成本地来达到视野内建筑物到建筑物桥接设备联接的公司，这些公司可以通过无 线k n 避免昂贵的挖沟布线、线路租赁或走线问题。 目前，无线局域网络的典型应用包括医院、学校、金融服务、制造业、服务 业、公司应用、公共访问等。 无线局域网有两种基本配置方法： 对等模式( a dh o c 模式卜- j 塞种模式包含有2 台或2 台以上的个人电脑， 这些个人电脑均配备有无线网卡，但没有连接到有线网络上( 图1 1 ) 。它主要是用来 在没有基础设施的地方快速而轻松地构建无线局域网，如会议中心或远程会场。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 且 且 无线终端 无线终端 且 图1 1 对等模式 f i g1 1 a d h o c m o d e 无线终端 客户机朋艮务器( 基础设施网络) 模式可提供完全分布的数据连接，这种 模式通常由连接到一个中央集线器的多台个人电脑组成。而集线器是作为连接到 有线网络资源的桥梁( 图1 2 ) 。 且茴 ” 且回 无线终稿无线终端 图1 2 客户机服务器( 基础设施网络) 模式 f i g 1 2c l i 以e r v 目( i n f r a s t r u c t u r e ) m o d e 3 回且 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 2 无线局域网中的0 0 s 研究 随着网络多媒体技术的飞速发展，i n t e m e t 上的多媒体应用层出不穷，如口电 话、视频会议、视频点播( v o d ) 、远程教育等多媒体实时业务、电子商务在i n t e x n c t 上传送等。i n t e r a c t 已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息 的综合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的q o s 要求，q o s 通常用带宽、 时延、时延抖动和分组丢失率来衡量。各种应用对服务质量的需求在迅速增长。 随着无线网络上流量的剧增，用户在享受宽带无线接入的同时，对于有效、 鲁棒的服务质量( q o s ) 保障的需求也越来越突出。q o s 的实现首先要精确区别每 个网络应用的类型，其次要恰当地分配网络资源，如带宽和相对优先级等。早期 的q o s 研究主要针对有线网络，在网络层以上提供服务质量保障。如综合服务资 源预约( i n t s e r v r s v p ) 1 1 、区分服务( d i f f s e r v ) 嘲、多协议标签交换( m p l s ) t 、 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 4 1 、约束路由( c b r ) 嘲、子网带宽管理( s b m ) 【6 】等。但 是上述的q o s 机制并不能直接应用于无线网络中，主要有2 个原因：首先，无线 传输与有线传输截然不同，在无线传输中，串扰和多径传播将导致衰落和色散， 因此无线网络具有数据传输率低而误码率高的特点；而w l a n 和w p a n ( 无线个 域网) 等为了保证灵活性和兼容性，协议标准一般只制订m a c 层和p i t y 层规范， 从而造成网络上层的q o s 与无线链路层的分离，最终q o s 无法得到充分发挥；其 次，随着无线接入技术的发展，异质网络的应用将越来越普及，各种应用一股会 经过无线接入、有线骨干网传输、无线接入的传输途径，在这种情况下，紧紧依 靠传统的有线网络q o s 机制已经无法提供端到端的服务质量保障，迫切需要一种 能够针对无线信道的特点，在无线链路层媒体访问控制( m a c ) 子层提供网络业 务的区分、优先级控制、资源分配等的q o s 控制和保障，从而使无线网络和有线 网络的q o s 进行整体规划。 当前对无线网络中q o s 支持的研究，主要集中在q o s 模型、q o s 媒体访问控 制( m a c ) 、q o s 路由以及q o s 资源预留信令协议等几个方面。通过q o s 模型来 确定q o s 目标，规定媒体访问控制、路由和信令协议的功能。再通过后三者各自 的具体实现，互相协作，共同来完成q o s 支持的目标。与有线网络不同，媒体访 问控制协议在无线网络协议体系中占有极其重要的地位，所有的上层q o s 协议都 依赖于它的实现。由于i e e e 8 0 2 1 1 是目前应用最为广泛的无线网络标准，因此， i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层协议成为当前探讨无线q o s 机制的焦点之一。 1 2 研究目的 无线网络的传输介质是空气，无线电波在空气中传播，很容易受到多方面的 因素影响，如路径损耗，无线信道特有的衰落现象，其它电磁波的干扰，环境和 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 障碍物的影响，无线节点的运动等等，因此无线网络相对于有线网络，具有信号 传播距离有限，链路状况不稳定，带宽资源非常有限等特点。特别在现阶段，多 媒体应用越来越广泛，因此要求对实时业务提供q o s 保障，在无线网络中提供对 实时业务的支持，就是尽量满足实时业务的特性，主要通过为实时业务提供优先 级服务来实现。目前许多研究已提出了很多改善i e e e 8 0 2 1 1 无线网络协议的机制。 其中一些建立在集中控制的基础上，需要有一定的基础设施的支持，这对无线网 络的结构存在限制。另一些建立在分布式控制的基础上，相对比较灵活，而且适 应性更强。但是，这些机制主要侧重于退避算法上，对实时业务的支持还不够， 另外在划分实时业务优先级的同时很少顾及公平性的问题，鉴于无线网络的有限 带宽，提供q o s 支持的开销不宜过大，各业务流之间的公平性也很重要。 正因为这样，有一个能够充分、有效的提高无线信道利用率的介质访问协议， 就显得尤为重要，对i e e e8 0 2 1 1d c f 的性能进行分析与评价，目的是要根据分析 结果来合理地调整系统参数，完善协议的运行机制，从而实现对协议性能的改进， 使系统在吞吐量、延时、公平性等方面实现优化。 l - 3 论文的工作及章节结构 本文对i e e e8 0 2 1 l b 协议的m a c 层进行了详细的分析和研究，介绍了m a c 协议中基于载波侦听多路访问加冲突避免( c s m m c a ) 的分布式网络访问控制方式 ( d c f ) 和集中式网络访问控制方式( p c f ) 重点阐述了d c f 功能中的关键技术：载波 侦听机制c s m a c a ，r t s c t s d a t a a c k 四次握手协议、差错恢复机制，重点研 究了建立在i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层协议基础上的多种q o s 机制，提出了一种在改进 退避算法基础上的带优先级调度机制，并结合一种确保公平性的算法，以能够为 实时业务提供较好的q o s 支持，同时使得低优先级业务也能得到很好的服务。论 文的主要工作包括以下几个方面： 对无线局域网的现状和发展作了介绍。 详细介绍了i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层协议，以d c f 工作方式为重点，分析了无线信 道接入机制，各无线站点采用虚拟载波检测机制判断信道的忙闲状态，决定何时 发送数据包，完成信道纠错等功能。 分析了建立在i e e e 8 0 2 1 1 d c f 机制基础上的目前几种颇具代表性的q o s 机制。 提出了一种在改进退避算法基础上的带优先级调度机制，并结合一种确保公平 性的算法，以能够为实时业务提供较好的q o s 支持，同时使得低优先级业务也能 得到很好的服务。 利用网络仿真软件n s 2 对改进后的i e e e 8 0 2 1 l d c f 机制进行仿真，并验证该 机制所提供的良好性能。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本文第二章着重介绍了i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层体系结构，详细阐述了d c f 工作 机制。第三章详细讨论了当前建立在i e e e 8 0 2 1 l d c f 机制基础上的几种颇具代表 性的q o s 机制，并比较各自的特点。第四章作者提出了一种在改进退避算法基础 上的带优先级调度机制和公平性的算法，并用仿真试验验证了新机制对实时业务 q o s 支持的有效性及公平性。第五章是本文得出的结论以及对未来工作的展望。 6 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 i i m a c 层协议d c f 机制详述 2i e e e 8 0 2 1i m a c 层协议d c f 机制详述 作为局域网领域的全球公认机构，i e e e 8 0 2 委员会在过去的2 0 多年中对局域 网制定了许多标准。i e e e 8 0 2 1 1 委员会于1 9 9 0 年开始着手制定无线局域网标准， 经过7 年的努力，于1 9 9 7 年6 月推出了全球第一步公认的w l a n 标准，也就是 我们正在讨论的i e e e 8 0 2 1 1 。以下将以i e e e 8 0 2 1 i b 为例进行分析。 2 1 无线局域网标准及i e e e 8 0 2 1 l b 协议 2 1 1 无线局域网标准 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同 的应用。正因为此，使得无线接入技术出现了百家争鸣的局面。在众多的无线接 入标准中，无线局域网标准更成为人们关注的焦点。无线局域网现有的标准有很 多，例如：i e e e 8 0 2 1 1 1 7 1 ，h i p e r l a n t 8 1 ，h o m e r f l 9 1 ，b l u e t o o t h t l 0 1 等。但是应用最为广 泛的是i e e e 8 0 2 1 l 家族。 q i e e e 8 0 2 1 1 家族 1 9 9 0 年，i e e e 8 0 2 标准化委员会成立i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组的任务为研究i m b i t s 和2 m b i t s 数据速率、工 作在2 4 g h z 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月公布 了该标准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义物理层和媒体访问控制 规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。8 0 2 1 1 标准中物 理层定义了数据传输的信号特征和调制。在物理层中，定义了两个射频( r f ) 传 输方法和一个红外线传输方法，r f 传输方法采用扩频调制技术来满足绝大多数国 家工作规范。在该标准中r f 传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在 2 4 0 0 0 g h z 2 4 8 3 5 g h z 频段。直接序列扩频采用b p s k 和d q p s k 调制技术，支 持1 m b i t s 和2 m b i t s 数据传输速率。跳频扩频采用2 4 电平g f s k 调制技术，支 持1 m b i t s 数据传输速率，共有2 2 组跳频图案，包括7 9 个信道。红外线传输方法 工作在8 5 0 n m 9 5 0 n m 段，峰值功率为2 w ，支持的数据传输速率为1 m b i t s 和 2 m b i t s 。 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制订的一个w l a n 标准，主要用于解决办公室局域网和 校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达 到2 m b i v s 。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以8 0 2 1 1 标准 很快被8 0 2 1 i b 所取代。1 9 9 9 年9 月，8 0 2 1 l b 被正式批准。该标准规定w l a n 工作频段为2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z ，数据传输速率达到11 m b i t s ，传输距离控制在 7 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层协议d c f 机制详述 5 0 1 5 0 英尺。该标准是对8 0 2 1 1 的一个补充，采用补偿编码键控调制方式，采 用点对点模式和基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况 在1 l m b i t s 、5 5 m b i t s 、2 m b i t s 、1 m b i t s 的不同速率间自动切换，它改变了无线 局域网的设计状况，扩大了无线局域网的应用领域。 8 0 2 1 l b 已成为当前主流的无线局域网标准，被多数厂商所采用，所推出的产 品广泛应用于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场合。然而随着网络应用 中视频、语音等关键数据传输需求越来越多，速率问题将会成为8 0 2 1 l b 进一步发 展的主要障碍。此外8 0 2 1 i b 使用的是i s m 2 4 g h z 波段，而家用微波炉、蓝牙芯 片和无绳电话( 在北美) 也都使用这个波段，所以相对8 0 2 1 l a 而言，8 0 2 1 l b 还 面临着更多的干扰源。此外8 0 2 1 l b 存在的安全问题也不容忽视，目前主要通过 w e p ( 有线等效加密) 加密协议来弥补这一缺陷，i e e e 也正在开发另外一个标准 8 0 2 1 l i 来专门解决无线局域网中的安全问题。 1 9 9 9 年8 0 2 1 l a 标准制订完成，该标准规定w l a n 工作频段为5 1 5 g h z 5 8 2 5 g h z ，数据传输速率达到5 4 m b i t s 或7 2 m b i t s ，传输距离控制在1 0 1 0 0 m 。 该标准也是8 0 2 1 1 的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用的独特 扩频技术和q p s k 调制方式，可提供2 5 m b i t s 的无线a t m 接口和1 0 m b i t s 的以太 网无线帧结构接口，支持多种业务如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多 个用户，每个用户可带多个用户终端。 虽然8 0 2 1 l a 在技术上和出台时间上都占有优势，但由于技术成本过高，缺乏 价格竞争力，经济规模始终无法扩大，加上5 g h z 并非免费频段，在部分地区面临 频谱管制的问题，市场销售情况一直不理想。除了成本问题，8 0 2 1 l a 最大的缺陷 就是无法与8 0 2 1 l b 兼容，使它在市场上的扩展大受限制，8 0 2 1 l g 的出现也给它 带来极大的压力。 2 0 0 3 年6 月1 2 日，i e e e 正式推出8 0 2 1 l g 标准，7 月2 8 日，通过、矾一f i 认 证的8 0 2 1 1 9 产品上市。该标准提出拥有8 0 2 1 l a 的传输速率，安全性较8 0 2 1 l b 好，采用两种调制方式：8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 与8 0 2 1 i b 中采用的c c k ，做到 了与8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 的兼容。8 0 2 1 l g 的兼容性和高数据速率弥补了8 0 2 1 l a 和 8 0 2 1 i b 各自的缺陷，一方面使得8 0 2 1 i b 产品可以平稳地向高数据速率升级，满 足日益增加的带宽需求；另一方面使得8 0 2 1 l a 实现与8 0 2 1 l b 的互通，克服了 8 0 2 1 l a 一直难以进入市场主流的尴尬，因此8 0 2 1 l g 一出现就得到众多厂商的支 持。 即将推出的8 0 2 1 i n 标准同时支持2 4 g h z 5 g h z 双频带操作与2 0 m h z 4 0 m h z 通道，能向后兼容于当前的8 0 2 1 l a b 幢网络，并采用空间多任务( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 11 m a c 层协议d c f 机制详述 技术，能支持l 4 个数据串流，以提升传输能力，i e e e 8 0 2 1 l n 计划采用m i m o 与o f d m 相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线 局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里( 并且能够保障1 0 0 m b p s 的传输速 率) 。i e e e 8 0 2 1 l n 标准全面改进了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。 8 0 2 1 l i 标准结合8 0 2 1 x 中的用户端口身份验证和设备验证，对无线局域网的 m a c 层进行修改与整合，定义了严格的加密格式和鉴权机制，改善无线局域网的 安全性。 除了以上提到的8 0 2 1 1 家族之外，其实还有许多其它的8 0 2 1 l x 规范是用来补 充与强化整个8 0 2 1 1 家族之用，下表简述8 0 2 1 l x 家族的所有相关规范。 表1 18 0 2 1i x 相关规范内容 t a b l ei 18 0 2 1 l xc r i t e r i o n 8 0 2 1 l x 规范规范内容说明 初始规范，确立2 4 g h z 频段、2 m b p s 传输，及f h s s ( 跳频) 、d s s s 8 0 2 1 l ( 直扩) 等抗干扰方式 8 0 2 1 l a 5 g h z 运作频段，最高传输5 4 1 v l b p s 8 0 2 1 1 b 2 4 0 h z 运作频段，最高传输11 m b p s 有成立工作小组( t a s kg r o u p ) 旨在制订无线桥接运作标准，但最后将标 8 0 2 1 l e 准追加到既有的8 0 2 1 1 中，成为8 0 2 1 l d 追加跨国自适应性机制，透过自动扫描机制，调整至该国度、地域所准 8 0 2 ，1 1 d 允的频段、功率 追加频宽、流量管理机制，即q o $ ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，让影音传输能即 8 0 2 1 l e 时、定量，让多媒体应用保有顺畅度，w i f i 联盟将此称为w l v l m ( w i - f i m u l t i m e d i a ) 追加l a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 协定，即是无线存取点( a e e e 8 s 8 0 2 1 l fp o i n t ；a p ) 问的沟通协定，以实现跨a p 的漫游效果，让用户端能平顺、 无形地切换存取区域 8 0 2 1 l g2 4 g 运作频段，最高传输5 4 m b p s 与欧洲规定的h i p e r l a n 2 进行协调的修订标准，因应欧洲、美国于5 g h z 8 0 2 1 l h频段上的规划、运用差异。类似的还有8 0 2 1 6 ( w i m a x ) ，其8 0 2 1 6 b 即是为了与w i r e l c s s m 雕a n 协调所制订 9 重庆大学硕士学位论文2 i e e e s 0 2 1 i m a c 层协议d c f 机制详述 续上表 存取与传输安全机制没，由于此标准未定案前，w i - f i 联盟已先行暂代地 8 0 2 1 1 i提出比w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 更高防护力的w p a ( w i - f i p r o t e c t e da c c e s 8 ) ，因此8 0 2 1 l i 也被称为w a p 2 欧洲与美国在5 g h z 以上的频段运用不同，日本也同样不同，日本从 4 9 g h z 开始运用，功率也不相同，例如同为5 1 5 g h z - 5 2 5 g h z 频段，欧 8 0 2 1 l j 洲允许2 0 0 m w 功率，日本允许1 6 0 r o w 功率。为因应日本区域的运用差 异而制订8 0 2 1l j 无线资源管理，让频段、信道，载波等更灵活动态地调整、调度，使有 8 0 2 1 i k 限的频段在整体运用效果获得提升 由于( 1 1 1 ) 字样与安全规范的( 1 1 i ) 容易混淆，并且很像( 1 l1 ) ，因此被 8 0 2 1 1 1 放弃编列使用 8 0 2 1 l m针对过去的标准进行维护 8 0 2 1 i n 提升传输速度，目标突破1 0 0 m b p s 针对v o w l a n ( v o i c e o v e r w l a n ) 而制定，更快速的无线跨区切换， 8 0 2 1 1 0 以及让语音比数据有更高的传输优先级 针对短距离传输及传输工具( 如：火车) 内使用而有的制订，最初的设 定是在3 0 0 m 传距内能有6 m b p , 传速。为此还多出两个新创缩写：d s r c 8 0 2 1 l p 及w a v e ，d s r c 即d e a i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s w a v e 则是 w i r e l e s sa c c e s si nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t s 8 0 2 1 l q 制订支援v l a n ( v i r t u a ll a n ，虚拟局域网) 的机制 8 0 2 1 l r 漫游表现提升，允许更快的越区切换，用户可更快速地漫游 制订与实现目前最先进的m e s h 网路，提供自主性配置、自主性修复等能 8 0 2 1 l s 力 h i p e r l a n 系列 h i p e r l a n 是欧盟在1 9 9 2 年提出的一个w l a n 标准。2 0 0 0 年，