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论文题目：无线局域网关键技术研究 摘要 姓名t 夏劲伟 导师：曹秀英教授 学校：东南大学 无线通信技术和计算机网络技术的结合产生了无线局域网技术。作为网络技术的一 个分支，无线局域网技术对于网络技术的发展起着重要的作用 本文首先阐述了无线局域网的概念、结构和协议标准，研究了无线局域网物理层的 原理和传输关键技术，对d s s s 和f h s $ 做了定性比较分析，并用o p n e t 仿真研究了 这两种方式对集中式网络( b 鼹) 性能的影响，得出了在不同的场合使用不同的传输方 式的结论。 m a c 层技术在整个无线局域网中起着很关键的作用，它的性能在很大程度上决定 了整个无线局域网的性能。本文的另一个研究重点就是围绕m a c 层来展开的。本文研 究了无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 标准以及m a c 层所使用的关键技术，并简要介绍了i e e e 8 0 2 1 1 0 对m a c 层性能的改进。建立m a r k o v 链对i f 8 0 2 1 l m a c 层进行了理论分析， 仿真了不同参数对系统吞吐率的影响 甩o p n e t 对拓扑结构为独立基本服务集( 玎眵s ) 的网络进行了仿真。分析了仿真 结果，利用“协议开销”的概念将最优的吞吐量和数据传输率两个变量联系起来从而 可以在实际中测出不同数据传输率的协议开销，继而通过调整业务量来达到最优接着 还仿真了在i b s s 网络中，不同速率的接入点对整体网络性能的影响结果表明网络中 存在一个阈值，当低速站点数超过此阈值时，网络的性能急剧下降。 详细分析了i e e e8 0 2 1 1 m a c 层的二进制退避协议，指班原协议在进行冲突处理上 的不足，并结合树型分解算法( 1 s a ) 和快速分解算法( f c r ) ，提出一种改进的树型冲 突分解算法( i t s a ) 并用m a t l a b 仿真了c s m a c a 协议和改进的树型冲突分解算 法通过仿真比较，该算法能够很大的提高i e e e8 0 2 1 1 系统性能 最后介绍了无线局域网m a c 层的a e s 安全加密技术。在已有开发平台上研究了 a e s 设计方案，提出在m a c 层和p h y 层之间进行a e s 加密解密模块设计最优。 在总结和展望部分对目前已完成的工作进行了总结和概括，对下一步工作进行了分 析与展望。 【关键词】i e e e8 0 2 1 1m a c 层d s s sf h s sc s m a c aa e s 树型分解算 法 a b s t r a c t t h ek e y t e c h n i q u er e s e a r c ho fw i r e l e s sl a n w r i t t e nb yx i a j i n w e i s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i r e l e s sl a ni sd e v e l o p i n rw i t l at l a cd e v e l o p m e n to fn e t w o r k sa n dw i r e l a s s c o m m u n i c a t i o n s a sa nb r a n e l ao fn e t w o r kt e c h n o l o g i e s , w l a np l a y s 锄i m p o r t a n tm l c i nt h i st h c s i s , t h ee o n c e l mo fw i r e l e s sl a na n dt h cr e l a t e dt e e i m o l o g i 鹳a n ds t a n d a r d s mi n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h i b l l li tr e s e a r c h e st h cp r i n c i p l ea n d 曲屺k e yt r a n s m i s s i o n t e e l m i q u e o fp i i y s i c sl a y e ri nw i r c l c s sl a n m o l r c o v c l , t h et r a n s m i s s i o nt e e l m i q u eo fd s s sa n df h s s a a n a l y z e dc o m p a r a t i v e l yi nq u a l i t y h at h ef o u r t hc h a p t e r , t h ci n f l u e n c e so ft h et w ok i n d so f t r a n s m i s s i o nt ot h ep e r f o r m a n c eo fi n f i t 毯t r u c t u r cn c t w o r k , 批i m i t a t e db yo p e n e r a f t e ， t h a t 眦咖c l l - d ct h a tt h ed i 彘r e n tp h y s i 璐l a y e r sms u i t a b l ef o rd i f f c r c l l to e e a s i o n s m a cl a y e rt e c l m i q u cp l a y sak c yr o l ei nw l a na n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l c w i 托l e 娼l a nd e p e n d s0 1 1i tt os o i n cc x t c n t s oa n o t h e ri m p o r t a n tp a r to ft h i st h e s i si st h e r c s e a , r c ho fh l a cl a y e r i e e e8 0 2 1 1p r o t o c o l s , t h ek e yt e e l m i q u c sa n di e e e8 0 2 1 1 e p f 删, c s p c e i a l t yt b ei m p r o v e m e n tp e r f o r m a n c ef o rm a cl a y e r , a r cb r i e f l yi n t r o d u c e d a n d t i r o s 匝e e8 0 2 1 lm a cl a y e rp r o t o c o l sa i r ca n a l y z e di nt h e o r y , t os i l l d yw h e t h e rd i f f e r e n t o a r a m c t c r sh a v ei n f l u e n c e st os y s t e mt h r o u g h p u t 1 1 心a j a a l y s i s s i t u si nm s s i si m i t a t e db yo p e n f r b a s e d0 1 1t h ei m i t a t i o ni r c s u i t s ，w c 啪t o m b i 鹏t h eo p t i m a lt h r o l i g h p u tt ot l l cs p c c dr a t eo fd a t a 虹a n s m i s s i o qb yo o n c e p to f l 删o e o i 卵啊妇卫，p r o t o c o ls l 瞻n d i n g si nd i f f e r e n ts p e l lr a t e so fd a t at r a n s m i s s i o n 啪b t m e a s w c d 缸p r a c t i c e a n dw em a ym o d i f yl o o r t f o l i ow i t hi tt om a t c hb e s t t h ci n f l u e n c e so f d i f f 盯e r ts o r c , ia c c c s sp o i n t st ot h ew h o l en c t w o r ka 托i m i t a t e di ni b s s a n dt h er e s u l t ss h o w t h a tt h e r ei sat h r e s h o l dv i i u ce x i s t i n gi nn e t w o r k , a n di ft h en u m b e ro fl o ws p c e c lr a t es t a t i o n a 【c c e d st h et l a r c s h o l 正t h ec a p a b i l i t yo fn e t w o r kd c s e 黜l ss h a r p l y 1 口m t h c r m o r e ，t h eb i n a r yb a e l t o l lm a c h a n i s mi n 删巳e 踟晓1 1m a cl a y e ri s 锄| a l y z c d , l c t a i l 饯n , a n dt h e nt h i st h e s i sp o i n t so u tt h es h o r t a g eo fe o i l s i o nd i s p o s a li l lf o r m e rp r o t o c o l s b a s e d0 1 1 1k c c s h a p c da r i t h m e t i c ( 1 s a ) a n df a s tc o l l s i o na r i t h m c t i c 0 2 c a ) ，ak i n do fi m p r o v e 证 e o l l s i o nd i s p o 髓la r i t h m e t i ci s o r c s e n t e d , w h i c h i sc a l l e d i m p r o v e dt r e e - s l a a p c d 缸i t b 嘶c t i c | f 玎葛a ) f o rf u r t h e rr 黜a r e h , c s m a c ap r o t o c o l sa n dn s aa 咒i m i t a t e db y m 棚a b b a s e d0 1 1i m i t a t i o nr e s u l t s , i td r a w sac o n c l u s i o nt h a tt h en 喇a r i t h m e t i cc a 丑 i m p 口r o v et l a c r 6 d 咖a i 瞄o f 正e e8 0 2 1 1s y s t e mg r c a n y a ti a s t , a e sc n e r o y t i o nt e c h n i q u e si nw ia nm a c i a y e a r e c i t e d b a s e do rs t u d y i n g a e s d c s i g n e ds c h e m e ：o i lf o r m e rd e s i g n e dp l a t f o r m t h eo p t i m a lm o d u i ed e s i g n so fa e s e n e r y p t i o na n dd e e r y p t i o nb e t w e e nm a cl a y e ra n dp h yl a y e ra 托p u tf o r w a r d i nt h ee n d , t h i st h e s i ss t m a m a l i z c st l i ew o r ka c c o m p l i s h e d , a n dg i v e ss 0 1 q i i e s u g g e s t i o n sa b o u tt h ef u r t h e r w o r k k e y w o r c t s i i e e e s 0 2 1 1m a c l a y 口；d s s s ；f i t s s ；c s m a c a ；a e su c c - s h a l , c a a r i t l l m e t i e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它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 签名碑一必 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括干q 登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名： 第一章绪论 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展，人们对网络通信的需求也越来越商摆脱有线网络的束缚，实现随 时随地可以与任何人进行自由通信一直是人们孜孜以求的且标无线局域网( w h - e l e s sl o c a la r e a l 蝴i m v e r k s , w u 蝌) 是实现移动网络的关键技术之一它是无线通信技术和计算机网络技术这两大 技术相融合的产物。随着i f _ e e 等国际机构对于无线局域网标准的制定，市场上无线局域网产品的蓑 容性大大提高，这极大的促进了无线局域网产品和市场的发展大量低价位无线局域网产品的出现， 使得越来越多的用户考虑使用无线局域同产品来满足应用上的需要 i 1 无线局域网概要“瑚 广义的来设，无线脯网就是利用无线通信技术和计算机网络技术的优点，实现在局部区域内 以无线( w v s l u s ) 媒体或介质( m 耐i 帆) 进行通讯的无线网络 无线局域网按照传输媒质的不同可分为l 射频( h d i of f e q u c y 。r f ) 无线电波和光波两类 射频无线电波主要使用无线电波和微波( m i c r o w a n e ) ，光波主要使用红外线由此。无线局域网可 ；分为基于无线电的无线局域同和基于红外线的无线局域网两大类 无线局域掰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仲、 补充或替代和有线眄相比较而言，无线局域网的主要优点是t 移动锰 移动性意噱着无线局域同的通信范围不再受环境条件的限制，可以移动移动性分为移动 用户和用户设备移动两类w 1 a n 设置允许用户在任何时问在网络覆盖的范围内访问网络数 据，而不需要指定明确的访问地址无线局域网系统能够为用户提供了无处不在的网络接入功 能，使用户可以很方便地获取信息目酋，无线局域罔一般只支持用户终端的固定、半移动和 慢速移动t 低成本 无线网络可以使用在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；省去布线工序，可以快速组网，可以节省人员费用，在一些桩时需要网络的地方，无线 局域网可以低成本地快速实现 灵活性 无线局域网安装容易，使用简便，组网方式灵活多样，可以按照用户的需求方便的增减、 移动和修改设备也可以通过基础结构接入骨干同也可以自组网，还可以组成单区嘲，并且 实现在不同嗣间进行移动 可伸缩性 无线局域同有多种配置方式，能够根据需要灵活选择在适当的位置放置或添加接入点或 扩展点就可以满足扩展同络的需要它能够胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大 型网络 间接提高i ：作效率 1 东南大学颈士论文 由于w l a n 的使用使得移动办公成为可能，即使在移动中也能通过w u n 开展工作。 由于无线局域网具有多方面的优点，所以发展十分迅速在最近几年里，无线局域网已经在医 院、商店、工厂和学校等不适合同络布线的场合得到了广泛应用，并且应用的范围正在不断扩 展 当然无线局域网技术远没有达到尽善尽美的程度，在使用中也面临着一些局限性，主要 表现在以下几个方面； 可靠性 有线局域网的信道误比特率可优于l 矿，能够保证通信系统的可靠性和稳定性而无线局 域网的信道是一个不可靠的信道。存在各种各样的干扰信号和噪声，从而引起信号的畸变和误 码。进而导致网络吞吐性能的下降和不稳定性另外还可能存在隐蔽终端、暴露终端和插入终 端等现象。影响系统的可靠性 带宽和系统容量有限 由于无线信道带宽资源有限，w u 嘲的信道带宽远小子l a n 的带竟 兼容性和共存性 w l a n 要想更好的应用于实际必须考虑各个方能的兼容如l 与有线网的兼容，与操作系 统和网络软件的兼容不同协议的兼容以及不同产品的兼容等多个方面共存性也包括多个方 面，比如同一频段的不同标准的无线鼹络的共存，不同频段和不同标准的无线同的共存，无线 局壤同和g p 船的共存等等 干扰 干扰包括外部的干扰，自身系统内部的干扰，以及对其他系统的干扰等 安全性 包括两个方面，一个是信息安全，保证信息传输的可靠性，合法性、保密性和不可篡改性 另一个是人员安全。电磁波的辐射对人体健康的损害 节能管理 w l a n 的终端大多是便携设备如笔记本电脑、胁a 等，如何节省电池的洧耗、延长设备的 使用时问，也是w l a n 设备必须要考虑的闩题 1 2 无线局域网的结构“瑚跚嘲 i 2 1i 埔的物理组成结构 w u 蝌的物理组成如图1 - 1 所示。由站点( 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 ) 、 接入点( a c c p o t a t ，a i d 和分布式系统( d i s m b e t i o as y s t e m 。d s ) 等几部分组成 2 第一章绪论 分 布 式 系 统 无线介质 站点 图1 1 无线局域网的物理组成结构 站s t a 站又称主帆( h o s t ) 或终端( t e r m i n a l ) 。是无线局域同的最基本组成单元站之闻可以直接相 互通信，也可以通过a p 进行通信 无线介质w m 是无线局域网中s t a 之问、s t a 和a p 之问进行通信的传输媒质，它由物理层定义在无线局 域网中指的是空气，它是无线电波和红外线传输的良好介质 无线接入点a p 类似蜂窝两络中的基站，s t a 能够通过a p 与分布式网络或是其它的s t a 进行通信它实际上 起到无线网络与分布式系统桥接点的作用 分布式系统d s 主要用来扩展无线局域网络，或是将无线局域网与其它种类网络相连 1 2 2i _ 的网络拓扑结构脚嘲 根据不同的局域网应用环境和需求，无线局域网可以采取不同的网络拓扑结构来实现互联一 般来说，根据不同的应用环境，无线局域同主要有如下三种拓扑结构，如图1 - 2 所示 i s e 独立基本业芬集 圉1 - 2r o s s 和e s s 冈络结构 独立基本服务集( m s s ) w l n 独立基本服务集的w l a n 它至少需要两个站，所有的基站都能对等地通信，丽不需要具有控制 转接功能的接入设备a p 进行基站问转接。在对等方式中各站点都可竞争公用信道，但当站点数 ， 画蠛画 东南大学硕士论文 过多时，信道竞争会严重影响网络性能。因此独立基本服务集的w l a n 主要比较适合小规模、小范 围的w i a n 系统。此类w l a h 也被称为a d - h o c 网络。 基础结构集中式饵鸽旺 n 集中式的w l a n 以接入点a l l 为中心所有的墓站通过a p 进行转接a p 是网络的中心控制站， 对网络内站点进行接入管理、同步管理，移动管理和节能管理等。由于w l a n 的a p 有以太同接口， 所以既能以a l p 为中心独立建一个无线局域同，也能将a p 作为一个有线两的扩展部分 扩展业务方式( f s s ) w l a n 扩展方式的w l a n 是以两个或多个a l p 点对点连接，组成由以b s s 为基础的多区网a p 闻由 于独享信道，这种方式较适合两个局域网的远距离互联局域网既可以是有线的。也可以是无线的 在e s s 网络中。s e a 可以从一个b s s 散步到另一个b s s ，而不会产生通信中断的问题 1 3 无线局域网协议标准n 1 伽洲删 目前比较流行的w l a n 技术有以下几种： 瑾e 隧眩n l e e e 8 0 2 1 1 无线局域网协议1 1 南黾i e e e s 0 2t 作组于1 9 9 9 年8 月提出的从提出到现在。 尽管据关协议比较多，但是它们使用的m a c 核心是分布式协调功能 d c f ) 该标准使不掘厂 商生产的无线局域同产品能够互联互通，极大地促进了无线局域网技术的发展它是目前市场 上最为常用的一种技术该协议主要是在i s o 协议的最低两层物理层和数据链路层进行了一些 规定具体的协议我们会在第三章里作介绍 o h i p e r l a n 标准 h i p e r l a n 是由欧溯电信标准制定机构e t s i 所提出的一种w l a n 技术规范它包括 h i p e r l a n l 和h i p e r l a h 2 h i p e r l a n 2 是一种比h i i m i a n i 有着更高的通信速率，兼容a i m 和p 两种网络接入方式，并支持o o s 控制的标准h p e r l a n 2 的协议体系结构如图1 3 所示 应用层 汇聚层 无线资源控制 关联功能控制 差错控制 d l c 连接控制 无线链路控制 媒体访问控制( m a c ) 物理层( 1 i l y ) 图1 - 3 h i p e r l a h 2 的协议体系结构 它t 作在5 g h z 频段，避免了2 4 g h z 频段使用越来越拥挤的缺点，具有更高的传输速率， 所以它一经推出就得到了许多厂商的支持h i p e r l a w 2 的传输速事得到了很大的提高，物理层 传输速率达到5 4 m b i t $ ，上层的传输速率最低也能够保持在2 0 m b i t s 左右，而且提供了o o s 控 制功能，使得语音和视频传输成为可能。h i p e r l a l q 2 还提供对各种有线网络的安全接入和加密 功能。 4 第一章绪论 篮牙( 脚t 曲) 标准 苴牙( m e e 8 0 2 1 5 ) 是一种支持点到点、点到多点语音和数据业务的短距离无线通信技术 它主要用于各种固定与移动设备之问进行低成本，近距离无线连接，是8 吆1 1 技术的有益补充 它能够实现最高数据传输速率l m b 芦( 有效传输速率为7 2 g b p 6 ) 、量大传输距离为1 0 厘米- l o 米，通过增加发送功率可达到1 米的目标相比8 0 2 1 1 技术，它具有设备简单，移动性高的 优点 h o m e 盯标准 h o m e , r f 主要是在家庭区域内，在p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放式标 准它面向打印帆、笔记本电脑及一些清费用电子设备的联网是在f h s si e e e8 舵1 1 技术的 基础上，增加了源自数字无绳电话规范的话音性能可选项h o m e r f 工作在2 舭频段，采用 t c l p 皿协议，跳频技术数据传输采用载波侦听多址访问，冲突避免( 岱m a c a ) 协议实现， 语音传输采甩时分复用( t d m a ) 方式实现目前h 呲r f 的最高传输速率可达1 0 m b l ，传输 距离超过l 米 k d a 标准 k d a ( 1 a f r a t e d 晰a s s o c i a t i o n ，红外线数据标准协会) 是一种利用红外线作为通信媒介进 行点对点通信的技术它支持各种速率的语音和数据业务，主要应用在嵌入式的通信系统和设 备中它有使用无需申请频段执照，租应设备体积小、功率低，抗干扰性能好，最高传输速率 可达1 6 m b p 等优点但是它只能够采用视距传输技术。如果传输中问有阻挡物，传输将会中 断。 1 4 本论文主要内容 本文是对无线局域网所采用的关键技术进行研究研究主要集中在无线局域网物理层和 m a c 层上在物理层上。主要研究了d s s s 和f h s s 的传输原理，并做了比较在m a c 层上， 主要针对无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议进行了系统研究建立m m k o v 链对i e e e 8 舵1 l m a c 层进行了理论分析，仿真研究了不同参数对系统吞吐率的影响用o i i q e t 对网络进行了仿真 分析二进制退避算法并提出改进的树型冲突分解算法并进行了仿真分析比较安全对于无线 局域两豹应用有着非常重要的作用，本文第三部分就是对a e s 加密算法展开 本文共分六章，内容安捧如下； 第一章绪论 简要介绍了无线局域网的概念、特点、结构和无线局域网的协议标准指出本文研究 的主要内容 第二章无线局域网物理层原理与技术 介绍了w i n 物理层结构，分类，研究了无线局域网物理层的原理和传输关键技术，对 璐路和f h s s 做了定性比较分析研究了i e e e8 0 2 1 1 采用d s s s 和刚鹞时的物理层规 范 第三章无线局域网媒体接入控 酵于层o t a o 原理与技术 在研究i e e e8 0 2 u m a c 层功能结构、服务和帧格式的基础上，详细分析了m a c 层的 5 东南大学硕 论文 c s m m c a 协议原理，并介绍了8 0 2 1 l e 协议标准对8 0 2 1 1 b 的改进。利用m a t k o v 链对i e e e 8 0 2 i i m a c 层进行了理论分析，仿真研究了不同参数对系统吞吐率的影响 第四章基于啊e r 的哑e 棚幺1 1w l a n 仿真 用d 唧对拓扑结构为独立基本服务集( i b s s ) 的网络进行了仿真分析了仿真结果， 年i i 用。协议开销”的概念将最优的吞吐量和数据传输率两个变量联系起来从而可以在实 际中测出不同数据传输率的协议开镇，继而通过调整业务量来达到最优。接着还仿真研究 了在i b s s 网络中，不同速率的接入点对整体网络性能的影响结果表明网络中存在一个阀 值，当低速站点数超过此阙值时网络的性能急剧下降 第五章z 1 1 d c f 的改进 详细分析了i e e e8 0 2 1 1 m a c 层的= 进制退避协议，指出原协议在进行冲突处理上的不 足并结合树型分解算法 翻r a ) 和快速分解算法( f c r ) ，提出一种改进的树型冲突分解 算法( 嚣e ) 并用m a t l a b 仿真了c s m m c a 协议和改进的树型冲突分解算法通过仿 真比较，该算法能够很大的提高i e e e8 0 2 1 1 系统性能 第六章i e e f _ 8 0 2 1 l m a c 层a l e s 加密技术 介绍了无线局域网m a c 层的a e s 安全加密技术在已有开发平台上研究了a e s 设计方 蹇，提出在m a c 层和m y 层之问进行a e s 加密解密模块设计最优 最后。对论文工作做了总结，指出了后续所要完成的工作 6 第一二章无线局域列物理层原理与技术 2 1 概述 第二章无线局域网物理层原理与技术 物理层是w l a n 系统的最低层是为w l a n 系统提供无线通信链路是空中接口的重要组成 部分无线局域网物理层主要解决如何适应w l a n 信道特性进行高效、可靠的数据传输。并向上层 提供必要的支持与响应传输的媒介可以是属于u h f 频段至s h f 频段的电波和空间传输用的红外 传播方式数据传输方式可以是窄带的，也可以是宽带甚至超宽带( u w b ) 的 2 2 - l 心物理层体系结构m 哪啪娴 与一般的有线通信系统一样。w l a n 的物理层主要是解决数据传输目愿按照w l a n 传输过 程并结合频率和功能上的不厨，可以将w l a n 的物理层划分为天线、射频( r f ) 、中频卿基带( b 辫 等几部分；按照功能层次结构，w i a n 物理层包括三个功能实体。如图冬l 所示。它主要用来实现 三种功能，i p 发送、接收和状态检测( 向上层提供状态指示信息) 状态指示信息在i e e e 8 0 2 1 1 标 准中指的是信道空闲估计c c a ( c l e hc h a n m l a s s c m m e m ) ， m a c 层 管理 m a c 层 数据链磷 p h ys a p ， j p h y p l c p 子层 层p m ds a p 管 物： 理 兀 p m d 子层 f 图2 1 w 1 2 l n 物理层功能结构 物理层管理实体p l m e n 匝( p h y s i c 缸l a y e fm a n a g e s n e n t 呐) 与m a c 层管理相连，执行本地物理层的管理。 物理层汇聚过程p l c p 子层 r t c r ( r h y i c 蛆l a y e rc o n v e r g e n c ep i 耐 ) 予层是m a c 层与p m d 子层或物理介质的中同桥 梁，它规定了如何将m a c 层协议数据单元( m 聊) 映射为合适的帧格式用于收发用户数据和管理 信息p l c p 子层与p m d 子层通过p m d 子层访问点( p m ds a r ) 和j 用原语进行通信，控制发送和接 收功能 物理层介质依赖p m d 子层 n 佃i ( p h 廊im e d i u md | = p c 埘i 厅层在p l c p 子层之下，宣接面向无线介质在p l c p 子层的 控制下完成物理层信息的发送、接收和状态检测p m d 子层还定义了两点和多点之问通过无线媒介 7 东南犬学颈t 论文 收发数据的特性和方法为帧传输提供调制和解调。i e e e 8 0 2 1 l x 标准定义了d 辎sf m d f 1 1 s $ f m d i rf m d 等三种p m d 其中td s s sp m d 又有三种高速扩展，分别对应i e e e8 0 2 1 l a b g 三个 物理层标准扩展 2 3w i a n 物理层分类嘲 按照传输媒体、频段和调制方式等内容，w i a n 物理层分类情况如下图2 2 所示 图2 2w l a n 物理层分类图 目前，无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即无线电波与红外线在扩展频谱方式中，数 据基带信号的频谱被扩展几倍几十倍后，再被搬移至射频发射出去这一做法虽然牺牲了频带带 竟，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性 1 l y 2 , s r l l l x 标准采用的物理层有直扩、跳频、o f d m 私琅等几种，直扩，疏频和m 物理层对 应腮e 8 陀u 标准直扩的高速扩展物理层对应噩班 8 0 幺1 l h ，g 标准，o f d m 物理层对应 瞧礤 踟眨1 1 a f 标准，埘p e d n 的物理层为o f d m 形式 2 4 - l 脯中的传输技术脚啪柚旧嘲 2 4 1 基带传输 基带传输就是信号不经过载波调制而直接发射出去每个用户占用介质的整个可用带宽 2 - 4 2 载波传输 载波调制就是利用调制信号( 基带 去控制或改变载波的一个或几个参数( 幅度、频率、相位) ，使 调制后的信号含有原来调翻信号的全部信息，即载波的蕈些参数按调制信号的规律变化载波调制 的目的就是把要传输的信号交换成适合于在信道上传输的信号，与信道相匹配，提高信息传输的有 效性。 8 第二章无线局域m 物理层原理与技术 2 4 3 扩频传输 扩频传输是用编码和调制相结合的方法，j 过一个独立的码序列( 伪髓机序列) 实现将传输信 号所占的带宽扩展成远大于所传信息必需的最小帚宽来传输的方式与一般通信系统比较，扩频通 信就是多了扩颁调制和解扩部分。扩频传输与传统的载波传输相比，扩频传输的信号所占的频带宽 度要远大于所传信息必须的最小带宽扩频传输有以f j l 种方式 2 4 3 1 直接序列扩频( d s s s ) d s s s 开始出现于第二次世界大战，是美军重要的无线保密通信技术，现在被广泛应用于包括 计算机无线网等许多领域。 1 ) d s 豁通信原理 d s s s 是直接利用具有高码率的扩频码系列，采用各种调制方式，在发射端扩展信号频谱在 接收端用相同的扩频码序解码。把扩展宽的扩频信号还原成原始信息它是一种数字调制方法，将 信源与一定的伪噪声码p n 进行梗2 加例如，在发射端将r 用n 毗l l o 代替，将0 甩 1 1 1 0 1 1 0 代替，实现扩频；在接收靖，把收到的序列的1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 恢复成l ，把0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 , 恢复成0 ，实现解扩这样信源速率被提高了1 1 倍，同时也使处理增益达到1 0 d b 以上，有效地提 高了信噪比，如图2 - 3 所示。 ( 发射靖)( 接收增) 图2 - 3d s s s 系统组成框图 2 ) 洛s 技术特点 ( 1 ) 抗干扰性强抗干扰是扩频通信主要特性之一嘲0 2 1 1 中规定扩频处理增益不能 小于1 0 d b 伪如信号扩颡宽度为1 0 0 倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了1 0 0 - 倍，如要保持原干扰强度，则需加大1 0 0 倍总功率，这样干扰难以实现因为信号接收需要扩频编 码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰。在不知道信号的扩频码的情况下， 由于不同扩频编码之阃的不同的相关性，干扰也不起作用正因为扩频技术抗干扰性强。美国军方 在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥连接分布在不同区域的计算机网络： ( 2 ) 隐蔽性好因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率频谱密 度很低，信号淹没在自噪声之中，敌方难以发现信号的存在，加之不知道扩频编码很难窃取有用 信号极低的功率频谱密度，饭少对其他电讯设备构成干扰： ( 3 ) 易于实现码分多址( a ) h l a ) 直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，提 高了频带的利用率，给频率复用和多址通信提供了基础充分利用不同码犁的扩频编码之问的相关 特性，分配给不同用户不同的扩频编码可以赋别不同的用户的信号。众多用户，只要配对使用自 9 东南丈学硕士论文 己的扩频编码就可以互不干扰地同时使用同一频率通信从而实现了频率复用使拥挤的频谱得 到充分利用。发送者可用不同的扩频编码。分别向不同的接收者发送数据：同样，接收者用不同的 扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信 ( 4 ) 抗多径干扰能力强多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体引起的，如高山，建 筑物等，使接受端接受信号产生失真。导致码问串扰，引起噪音增加而d s s s 系统通过相关解扩 可以渭除多径干扰的影响。 ( 5 ) d s s s 系统射频带宽很宽。小部分频谱的衰落不会使信号频谱严重衰落 d s s s 系统除了一般通信系统所要求的同步以外。还巷须完成伪随机码的同步，以便接受机用 此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩直扩系统随着伪随机码字的加长。要求的周步精 度高，则同步时间长： 2 3 - 2 鼹菝技术期s s 1 ) 跣颓系统工作原理 跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种随机序歹b 进行跳变信息数据经信息调制成基带信 号后，进入载波调制。载波频率受伪随机码发生器控翻，在带宽远大于基带信号的频带内随机跳变， 实现基带信号带宽扩展到发射信号使用的带宽的频谱扩展可变频率合成器受伪随机序列跳颡序列 的控制，傻载波频率随跳凝序列酶守列值改变而改变，因此载波调制又被称为扩频调制如图m 所示 发射靖)( 接收墙) 圈2 _ 4 跳频阳鹦通信原理 载波调制使用与相位无关的调制方式，跳频信号经射频滤波器至天线发射后被接收机接收 接收机首先从发送来的跳频信号中提取跳频同步信号。使本机伪随机序列控制的频率跳变与接收到 的跳频同步，得到被同步的本地载波，使载波解调即扩频解调获得携带有信息的频率信号，从而得 到发射机送来的信息 2 ) 跳频系统的特点 ( 1 ) 跳频系统仅在常规通信系统中增加载频跳变能力，就能使整个工作频带大大加宽，虽然设备 简单，但是相对于常规通信系统来说，却大大提高了通信系统抗干扰抗衰落能力l ( 2 ) 多址r 作而尽量不互相干扰； ( 3 ) 不存在直接扩频通信系统的远近效戍问题，即减小近端强信号干扰远端弱信号的问题； ( 4 ) 对调制信号和调制方式没有一定的要求； i o 第一二章无线局域时物理层原理j 技术 ( 5 ) 跳频系统的抗干扰性是。躲避。式的，外部干扰的频率跟不上跳频系统的载频改变，不会造成 影响； ( 6 燃频序列速率低。逶常情况，码元速率小于或等于信息速事 3 ) 眺顿技术的优点 跳频抗干扰性能好跳频以躲避干扰来提高信噪比，其重要的指标是跳频的速率。可分为快慢 诬种。慢跳的速率远比信号的速率低，可能为数秒至数十秒才能跳一次；快跳的速率接近信号的最 低频率，可达每秒几十跳，上百跳或上千跳慢跳的实现比较容易，但抗干扰性能较差；快跳的抗 干扰和稳蔽性能较好 2 4 3 3 略胬技术和f l t 8 8 技术的比较 d s s s 和f h s s 系统都有很强的保密性能。对于d s s s 系统而言。射频带宽很宽。频谱密度很低， 甚至淹没在嗓音中，很难检查驯青号的存在，对其它系统的影响很小d s s s 系统一般采用相干解 调解扩，其调制方式多采用b i s k 、d p s k 、o i s k m i s k 等调制方式f l t s s 由于频率不断变化， 在一个频率的驻留时间内要完成一次载波同步，随着跳顿频率的增加，频率越高，同步时间越短， 因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为醛k 或a s k 从性能上看。在一般的无线局域网中，d s s s 系统利用了频率和相位的信息，性能优予f i - i s s 阳s s 比d s s s 的抗干扰性能好 2 5i e e f 8 0 2 1 1 物理层规范简介【1 删7 1 嘲9 1 i e e e s 0 2 1 1 协议定义了三种基本的物理层规范：跳频扩展频谱( f h s s ) 唧规范、直接序列 扩展频谱( 洛s ) n i y 规范和红外( 蜘k a l e d ) 附y 规范 1 l 跳顿扩曩方式 来自m a c 层的m p d u 经过p i l t 子层被加上p l j 四前导码和p i l - t 报头形成物理层协议数据 单元( 肿i ，) 帧格式如图2 - 5 所示i p d u 由三部分组成：i l c p 前导码、i l c p 报头和i s d u 删的主要作用是为无线局域同中的站点之问m a c 子层的m i d u 提供异步传输功能 p “霉前导码主要作用是为天线分集、时钟和数据恢复等接收功能提供时间周期以及为i i c p 报 头和p s d u 作字段描述。它由位同步序列( 酗侧c ) 和1 6 位帧起始定界符( s f d ) 组成。l 可步序 列( s y l c ) 主要作用是腿y 子层用其监测可能的接收信号。如果使用分集则对天线进行选择，达 到稳态频率偏移校正和接收分组定时的同步；1 6 b i t 的帧起始定界符( s f d ) 主要用来定义帧定时， 其格式为0 0 0 01 1 0 01 0 1 11 1 0 1 ( 首先传输最左一位) ，第一位跟从同步模式的最后一位 p t c p 报头主要作用是用来指定白化p s d u 字段的长度并支持任何p i l - p 管理信息。它包括1 2 b i t 的长度字段( p l w ) 、4 b i t 的信号字段( 鸭f ) 和1 6 b l t 的头校验字段( 腿c ) p l w 用于描述p s d u 的字节数；p s f 用于描述p s d u 的数据传输速率，从1 0 m b i t s 到4 s m b i t s ；h e c 用于错误检测 前导码和报头均l ：li m b i t s 的速率发送 1 1 东南大学颈上论文 图2 5f h s s p p d u 帧格式 在形成p p d u 后，还应对所有的发送比特加扰相应的。在数据接收端，需要进行解扰和剥离 p “，前导码和报头的处理才能得到白化的p s d u i e e e 8 0 2 1 1 协议规定f h 鳃i m d 予层规范分为：1 m b l t s 和拍雠h 数据传输速率1 m b i t s 系 统采用二值高斯频移键控( 姗l 【) 调制。2 m b i “s 系统采用四相高斯频移键控( 4 - g f 岱) 调制 f i