（通信与信息系统专业论文）无线局域网的电源管理和网络管理功能研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：近年来，无线局域网技术已成为研究热点。i e e e 8 0 2 11 标准是目前比 较流行的宽带无线接入标准，但其核心技术仍为国外所掌握，所以，对此项技术 进行深入的研究和开发是非常必要的。 大多数的移动设备由于其移动性只能采用电池供电，而电池的容量又受移动 设备体积大小的限制，因此，降低能量消耗是无线网络协议中最重要的设计目标 之一。本文深入研究了i e e e 8 0 2 ，1 1 m a c 协议，指出了基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无 线局域网中的能耗组成及其原因；详细分析了现有的电源管理机制对网络性能的 影响，并介绍了几种i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层节能模式( p s m ，p o w e rs a v e m o d e ) 的改进 和扩展机制，指出了他们相对于p s m 的优势、缺陷及适用范围。结合现有的电源 管理机制，提出了新电源管理方案。 经过对无线网络中能量消耗的分析，发现额外能量的消耗主要来自于偷听和 空闲苏醒时间过长，而导致它们的原因是无线传播媒介固有的特性和i e e e 8 0 2 1 l 采用的c s m a c a 机制，为了降低能耗，i e e e 8 0 2 1 1 在m a c 层定义了节能模式， 通过分析发现，该模式会导致：1 ) 、在访问w e b 网页时的延迟；2 ) 、引起数据包 传输堵塞；3 ) 、实时业务的服务质量得不到保障。论文分析了现有的几种对 i e e e 8 0 2 1 1 节能模式的改进和扩展机制，得出了以下结论：b s d 机制能够将r 1 r r 延迟限定在一个给定的范围，能够解决w e b 访问的延时问题，但不适合实时业务 的传输。u p s d 机制是专为v o l p 等实时性强的业务而设计的功率管理机制，但没 有对w e b 访问的延迟做处理。a p s m 将下行数据的延迟控制在下行数据到达间隔 之内，适合于网页浏览、语音视频、电子邮件等综合业务，但它对i e e e 8 0 2 1 l 原 有的帧类型进行了修改，其算法相对复杂。结合以上分析，提出了基于排序的电 源管理方案。基于排序的改进方案主要是对a p 中缓存的数据进行分类和排序，然 后在由a p 按照排列的顺序进行发送，此方案中s t a 不用发送p s p o l l 竞争信道， 只需要等待接收数据，这样就减少了碰撞，减少了退避过程中造成的时延，从而 节省了能量的消耗。 在另一个方面，无线局域网不同于有线网络的一个特点就是管理功能复杂。 由于无线网络传输介质，接入网络中的s t a 的移动性等原因都造成了网络管理的 复杂。 无线局域网的网络管理功能主要是：收集网络中各种设备和系统的工作参数， 运行状态信息：将收集到各种信息，并以一种可视化的方式呈现给网络管理人员： 接收网络管理人员的指令或者根据对上述信息的处理结果向网络中的设备发送控 制指令；既实现网络控制的功能，又同时监视指令执行的结果，保证网络中各设 北京交通大学硕士学位论文 备的正常工作，提高无线局域网络的可靠性和安全性。本文中首先介绍了s n m p 协议，在此基础上分析了基于s n m p 的网络管理系统的大体框架；然后较详细介 绍了在a p 端完成的功能模块设计过程；这部分概括起来主要由3 个功能模块来完 成：数据信息的采集，s i b 库的建立，数据信息的发送。较为详细的阐述了模块的 设计过程。 关键词：无线局域网；i e e e 8 0 2 1 1 协议；电源管理：s n m p ；s i b ；m i b 分类号： a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i r e l e s sl a n c q q l a n ) ，p r o v i d i n gh i 曲s p e e dw i r e l e s si n t e r a c ta c c c s sa t al o wc o s t ，h a se x p e r i e n c e das p e c t a c u l a rr i s ei np o p u l a r i t yi nr e n c e n ty e a r s i e e e 8 0 2 11 i sv e r y p o p u l a ri nw l a ns t a n d a r df i e l d , b u tt h ek e yt e c h n i q u ei sc o n t r o l e db yf o r e i g n c o u n t r i e s ，s od e e pr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sn e c e s s a r y m o s to ft h em o b i l ed e v i c e sa r el i m i t e d w i t hr e s p e c tt ot h eb a t t e r yc a p a c i t yd u et os i z e r e s t r i c t i o n s t h u sh o wt or e d u c et h e p o w e rc o n s u m p t i o ni l lw i r e l e s sl a nb e c o m e se v e n m o r ei m p o r t a n ti nt h e i m p l e m e n t a t i o no fi e e e 8 0 2 11s t a n d a r d t k sp a p e rp r o v i d e sa n o v e r v i e wo fi e e e 8 0 2 11s t a n d a r d ，a n a l y s e st h ep o w e rc o n s u m p t i o ni n8 0 2 11n e t w o r k a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r kw h e nu s i n g8 0 2 11p o w e rs a v em o d e ( p s m ) ，i n v e s t i g a t e ss o m ei m p r o v e da n de x t e n d e dp o w e rm a n a g e m e n tm e c h a n i s m s b a s e do n p s m ， a n a l y s e si t sp e r f o r m a n c ec o n t r a s tw i t hp s m ；a n dp r o p o s e st w on e w p o w e rm a n a g e m e n t s n ea d d i t i o n a lp o w e rc o n s u m p t i o nc a u s e db yo v e r h e a t i n ga n de l t o n e o u sc a r r i e r s e n s i n g ( e c s ) d u et ot h ep r o p e r t yo fw i r e l e s sm e d i u ma n dc s m a c am e c h a n i s m 1 1 1 e 8 0 2 1 l s t a n d a r dp r o v i d e sap o w e rs a v em o d e ( p s m ) i no r d e rt os a v ee n e r g y ，b u tt h i s p a p e r s a n a l y s es h o w st h a tp s m w i l ld e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r k ，e s p e c i a l l yi n t c pc o n e c t i o n ( w h i l eb r o w s i n gt h ew e b ) a n dv o l ea f t e ri n v e s t i g a t es o m ei m p r o v e d a n de x t e n d e dp o w e rm a n a g e m e n tm e c h a n i s m s ，w ef i n dt h a tb s dm e c h a n i s mi s a s o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fm i n i m i z i n ge n e r g y c o m s u m p t i o nw h i l eg u a r a n t e e i n gt h a ta c o n n e c t i o n sl u td o e sn o ti n 凹e a s eb ym o r e t h a naf a c t o r ，b u ti t sn o ta p p r o p r i a t ef o r r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n u p s dm e c h a n i s mi s d e s i g n e do n l yf o rv o l p , i t sn o tf i tf o rw e b a c c e s s a p s mm e c h a n i s mc a nu p p e rb o u n d t h em a cd o w n l i n kd e l a yt ot h ef r a m ea r r i v a l i n t e r v a l j t ss u i t e df o rt h ec a s eo fam i xo t t r a f f i ci n c l u d i n gw _ e ba c c e s s ，v o l p , e - m a i l e t c , b u ti tm o d i f i e st h eo r i g i n a lm a cf l a m ei n 8 0 2 1 1s t a n d a r d ，a n dt h ea l g o r i t h mi s c o m p l i c a t e d s o ，w ep r o p o s ea n e wp o w e rm a n a g e m e n t s i na n o t h e rc o n t e x t w i r e l e s s1 0 e a la r e an e t w o r ki sd i f f e r e n tf r o mt h ec a b l en e t w o r ki s c h a r a c t e r i z e db yac o m p l e xm a n a g e m e n tf u n c t i o n s a st h ew i r e l e s sn e t w o r k t r a n s m i s s i o nm e d i u m ，s t am o b i l i t ya n do t h e rf a c t o r sh a v er e s u l t e di nn e t w o r k m a n a g e m e n tc o m p l e x i t y w i r e l e s sl a nn e t w o r km a n a g e m e n ti st oc o l l e c tav a r i e t yo fn e t w o r ke q u i p m e n ta n d o p e r a t i n gp a r a m e t e r s o ft h es y s t e m ，r u n n i n gi n f o r m a t i o n ；w i l lb ea l lk i n d so f v 北京交通大学硕士学位论文 i n f o r m a t i o ni nav i s u a lw a yt os h o wn e t w o r km a n a g e r s ；r e c e i v i n gn e t w o r k m a n a g e r s s i n s t r u c t i o n so ri na c c o r d a n c eo ft h ei n f o r m a t i o nt oc o n t r o lt h en e t w o r k d e v i c e 1 1 1 ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ef i r s to fs n m p , a n a l y s i s e dt h ef r a m e w o r ko fn e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m s ；t h e nm o r ed e t a i l so ft h em o d u l ed e s i g nf e a t u r e s t i l i sp a r t c o n s i s t so f t h r e em o d u l e s ：d a t ac o l l e c t i o n ，s i bs e tu pt h ed a t a b a s e ，t h ed a t as e n t k e y w o r d s ：w l a n ；i e e e 8 0 2 1 1p o w e rm a n a g e m e n t ；s n m p ；s i b ；m i b c i 。a s s n o ： 北京交通大学硕士学位论文 独创， 生声明 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和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通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。 学位：和私茄一期：年争月彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 和秽 导师签名： 签字日期：m 哆年手月孑日 签字日期：日多月矽年 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来杨维 老师对我的关心和指导。 杨维教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向杨维老师表示衷心的谢意。 杨维教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，范新月、林宇等同学对我论文中的无线局 域网的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 _ k 。 引言 1 引言 1 1无线局域网概述 局域网分为有线局域网和无线局域网。历来一直广泛使用有线l a n ，先是利 用小型同轴电缆的总线网( b u s ) ，即所谓e t h e m e t ，数据速率可达1 0 m b s ，接着改 用光纤的环形网( f i n g ) ，即常称的f d d i ，数据速率增至1 0 0 m b s 。近年来，个人计 算机快速进步，出现轻便携带式，诸如膝上计算机。人们随身携带这样的计算机 在单位地区内自由走动也希望接上计算机网，与本单位的其它计算机互相通信。 这就导致9 0 年代出现无线局域网( w l a n ， w i r e l e s sl a n ) 。由于无线局域网的快 速发展，无线局域网的性能大幅度提高， 据速率，有着其它方式不可比拟的优势， 部分。 现在己经能够提供远大于移动电话的数 必将成为未来个人通信系统的重要组成 在各类无线局域网的标准中，i e e e 8 0 2 1 1 是由十分成熟的有线以太网发展而 来，具有简单可靠兼容性强的优点，获得了网络设备生产商的广泛支持。并且最 高达1 1m b p s 的数据速率足以支持现有的绝大多数语音、数据和视频业务，所以 具有十分广阔的发展前景。 1 1 1无线局域网的发展 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开放了9 0 2 m h z 频段，允许在满足一定的条 件下可以免许可的使用这些频段。4 g h z 和5 8 g h z 三个i s n ( 即只要无线局域网设 备的发射电源及带外辐射满足f c c 的相关规定产品。) 随后，欧洲无线电委员会 ( e r c ) 提出一组频段，这些频段别为2 1 i s m 频段和6 0 1 g h z 频段。4 g h zi s m 频 段，用户无需向f c c 提出申请就可使用这些。1 9 9 1 年公布了建议用于无线局域 网的5 8 g h zi s m 频段，1 7 1 g h z 频段，2 4 g h z 频段。日本邮政电波系统开发中心 ( r c r ) 在9 3 年公布了无线局域网的电波规范r c rs t d 一3 3 和r c rs t d 3 4 。 最早的无线局域网产品是在9 0 年代初出现在市场上的。其中除了工作在上述 i s m 频段的系统外，也有采用专用频段的产品，如美国摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 的a l t a i r 室内无线系统就工作在1 9 g h z ( 1 9 4 9 5 1 9 5 5 5 ) 专用频段。 这些早期产品全要特点是各个设备制造商都采用了专有的传输方式和各自不 同的m a c 协议，这是由于当时还没有存在一个正式的或事实上的统一标准。由于 北京交通大学硕士学位论文 所采用的传输技术和m a c 协议都不相同，不同厂商的设备之间没有互通性，同一 无线局域网内的设备必须由同一设备生产商提供，这大大限制了无线局域网的普 及。 1 1 2无线局域网的优势 无线局域网的特点无线局域网由于不需要电缆介质，而利用电磁波在空气中 收发数据，因此它使联网的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决有线方式 不易实现的网络信道连通问题，与有线网络相比，w l a n 具有以下优点： 低成本。使用w l a n 可以避免安装线缆的高成本费用、租用线路的月租费以 及当设备需要移动而增加的相关费用。 灵活性。由于没有线缆的限制，用户可以随心所欲的增加工作站和重新配置 工作站。 移动新。w l a n 设置用户可以在任何时间，任何地点访问网络数据，不需要 指定明确的访问地址。因此用户可以在网络中漫游。 覆盖范围广，易于扩展。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点 位置的限制。而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晕。 1 1 3无线局域网存在的问题 无线局域网与有线网络相比存在一下几个问题： 信道特性复杂：无线网络与有线网络的本质区别就在于传输信道的不同。 相对于带宽、噪声都比较恒定的有线信道，无线信道不仅带宽资源紧缺， 噪声和干扰强烈，而且信道状况多变。无线信道中，信号要受到自由空间 传播、地面和建筑物的反射、多普勒效应和多径等多种衰落效应的影响。 目前的信道模型一般将无线信号的衰落分为慢衰落( 或大尺度衰落) 和快 衰落( 或小尺度衰落) 。 能量有限：无线网络中的移动节点依靠电池来提供能量，能量决定节点的 生存期，从而影响整个网络的吞吐量表现和公平性表现。能量也决定无线 节点上运行的应用程序的性能。因此，在无线网络中的路由选择要综合考 虑对带宽和能量的优化，对无线网络协议的媒介访问层和物理层设计要考 虑功率管理，对于工作在移动设备上的应用程序和操作系统要考虑能量消 耗与性能之间的平衡。 2 引言 网络安全威胁大：与有线网络相比，无线网络存在更加严重的安全性问题： ( 1 ) 无线信道共享型的链路环境使网络容易受到链路层的攻击，包括被 动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏。( 2 ) 节点在敌方环境( 如战场) 漫游时缺乏物理保护，使网络容易受到已经泄密的内部节点( 而不仅仅是 外部节点) 的攻击。( 3 ) 无线网络的拓扑和成员经常改变，节点问的信任 关系经常变化。 1 2论文研究的背景和目的 随着无线通信技术的发展和因特网的快速普及，无线通信系统发展迅速，人 们对移动信息服务的需求也日益增长，这促使低成本、较少依赖基础设施的无线 网络技术成为学术和产业研究的热点。 近年来，无线局域网技术已走入千家万户，在人们常用的移动设备如：p d a s 、 手机、便携电脑中融入这项技术，成为一种必然的趋势。但是，无线局域网还是 相对存在着很多缺点，完善这些存在的问题，成为了无线局域网的研究热点，如 何减少能量的消耗就是其中之一。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的基本媒介访问控制方法是基于二迸制指数退避策略 的载波侦听多址访问碰撞回避( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ， c s m a c a ) 机制，在这种类型的访问机制中，无线工作站( s t a ) 将连 续的监听信道，判断信道的当前状态( 忙或空闲) ，这将导致通过8 0 2 1 1 无线局域网 入网的移动设备( 如手机、p d a s ) 消耗大量的能源，然而大多数的移动设备由于其 移动性只能采用电池供电，而电池的容量又受移动设备体积大小的限制。因此， 降低能量消耗是无线网络协议中最重要的设计目标之一。 为了减少能耗，i e e e 8 0 2 1 1 定义了节能模式( p s m ，p o w e rs a v em o d e ) 。该模 式下，s t a 在空闲时候可以转入低功耗的休眠状态，若有发往处于休眠状态的s t a 的帧，则a p 将其缓存，在定时发送的信标帧中标识出来，s t a 在预定时刻苏醒接 收信标，发现有缓存帧，再从a p 处取回。减少了s t a 苏醒时间即减少了能耗， 但却延迟了s t a 对帧的接收，这对w e b 访问有不可忽视的影响。另外，对于v o l p 等实时性业务来说，p s m 模式带来的网络开销过大，这将会影响系统容量。因此， 无线网络中的能量消耗与性能之间平衡问题，已成为目前无线接入系统中的研究 热点。 同样，网络的快速发展还带来了对于网络管理和监控问题上的问题和挑战。 无线局域网络中s t a 不是固定在一个位置，而是随时移动的，在管理和监控上更 加不容易。无线局域网由于其特性，对无线局域网的管理和监控更加重要。无线 3 北京交通大学硕士学位论文 局域网的网络管理功能主要是：收集网络中各种设备和系统的工作参数，运行状 态信息；将收集到各种信息，并以一种可视化的方式呈现给网络管理人员；接收 网络管理人员的指令或者根据对上述信息的处理结果向网络中的设备发送控制指 令；既实现网络控制的功能，又同时监视指令执行的结果，保证网络中各设备的 正常工作。 1 3 论文的主要工作和结构安排 基于i e e e 8 0 2 1 l x 系列标准的无线局域网技术是目前宽带无线接入的主流技 术，本文以基于i e e e 8 0 2 1 1 协议的电源管理和s y s l o g 功能为研究课题。全文共分 为五章。各章安排如下： 第一章引言。主要介绍了无线局域网的发展和优势；论文的背景和目的以及 论文的主要工作和安排。 第二章无线局域网技术和标准。介绍了无线局域网的基本概念拓扑结构、特 点和其标准，又详细介绍了i e e e 8 0 2 1 1 物理层和m a c 层协议。 第三章无线局域网的电源管理机制的研究。介绍了i e e e 8 0 2 1 1m a c 层现有 的电源管理机制，指出了无线局域网中无线节点的能量模型；额外能量消耗及其 原因，并分析了现有的电源管理机制存在的问题。描述了几种对现有m a c 层电源 管理的改进和扩展的机制，在研究其基本运行模型的基础上将它们与i e e e 8 0 2 1 1 中现有的电源管理机制进行对比分析。结合现有电源管理机制，提出了新的电源 管理机制。 一 第四章无线局域网的网络管理功能的研究。无线局域网的网络管理功能就是 要网络中的a p 对成功连接的s t a 信息状态进行采集，存储，将站点信息传送到 服务器端，以便管理员对整个网络的信息进行监控和管理。分析了总体框架，详 细介绍了功能模块的设计和实现。 第五章总结。 4 无线局域网技术和标准 2 无线局域网技术和标准 无线局域网技术的进一步发展和普及首先要求解决不同生产商的无线局域网 产品之间的互通性问题。所以有关部门和国际标准化组织先后开始了无线局域网 的标准化工作。虽然高速无线局域网有着足够支持高质量视频的数据速率，但是 存在着尚未解决的技术问题并受到成本的限制，所以虽然高速局域网仍将是今后 的发展方向，但是目前只有中速局域网具有较大的实用价值，而它的速率也可以 满足目前绝大多数网络应用的要求。 i e e e8 0 2 1 1 标准主要服务是发送两个同级l l c 之间m s d u 。8 0 2 1 1 标准提 供m a c 和p h y 功能，在局域网内为固定、便携式和以步行或行车速度移动的移 动站提供无线连接。8 0 2 1 1 标准包括下列一些具体的特征： 提供异步和限时发送服务。 通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务。 自动调节适应传输速率。 支持大部分市场应用。 多点传送( 包括广播发送) 服务。 网络管理服务。 注册和认证服务。 2 1无线局域网简介 2 1 1无线局域网的概念和拓扑结构 局域网( l a n ) 是处于同一间建筑物、同一单位或者方圆几千米区域内的专 用网络。局域网常用于连接公司办公室等个人计算机，以便共享资源或者交换信 息。局域网采用的传输媒介都为优先的电缆或者光纤，这种称为有线局域网。但 是有线局域网中的设备都是位置固定的，不允许在使用中移动设备。这些缺点导 致了很多场合使用有线局域网的不方便。 采用无线传输媒介的计算机局域网无线局域网( w l a n ) 是计算机与无 线通信技术相结合的产物。它在局部区域内以无线媒体或者介质进行通信，传输 媒介有无线电波和红外线。无线局域网( w l a n ) 技术始于2 0 世纪8 0 年代中期，它 是由美国联邦通信委员会( f c c ) 为工业、科研和医学( i s m ) 频段的公共应用提供授 权而产生的，它使用电磁波来传递信息，使用频道( a i r w a v e ) 发送信息。 北京交通大学硕士学位论文 粥i 卉嚆 一曩。薯一j 崮2i 无线局域厨的物理组成图 f i g u r e 21w l a n 无线局域网的物理组成如图2 1 所示； 1 、s t a ：s t a t i o n ，工作站，任何设备只要拥有i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 和p h y 层的接口，就可称为一个工作站。 2 、b s a ：b a s i cs e r v i c e a r e a ，在有基础架构的无线局域网络中每一个几 何上的建构区块( b u i l d i n gb l o c k ) 就称为一。个基本服务区域f b a s i c s e r v i c ea r e a ， 简称b s a ) ，每一建构区块的大小依该无线工作站的 环境和电源而定。 3 、无线介质：无线传输媒介，无线局域网络实体层所使用到的传输媒介。 4 、a p ：a c c e s sp o i n t ，接入点，连结b s s 和d s 的设备，不但具有工作 站的功能，还提供工作站具有接入分布式系统的能力，通常在一个 b s a 内会有一个接入点。它是固定不动的。具有以下功能： ”、作为接入点，完成其他非a p 的站点对分布式系统的访问和同 一b s s 中的不同站点问的通信联络。 2 ) 、作为b s s 的控制中心，完成对其它非a p 的站点的控制和管理 3 ) 、作为无限网络和分布式系统的桥连点，完成无线局域网与分布 式系统之间的桥接功能。 5 、d s ：d i s t r i b u t es y s t e m ，分布式系统，通常是由有线网络所构成，可 无线局域网技术和标准 将数个b s a s 连结起来。 无线局域网的基本拓扑结构主要有三种：独立基本服务集l b s s ( n d e p e a d c n t b a s i cs e r v i c es e t ) 、基本服务集b s s ( b a s i es e r v i c es e t ) 和扩展服务集e s s ( e x t e n d e d s e r v i c es e t ) 图2 2 i b s s 阿络逻辑图 f i g u r e 2 2 i b s s l o g i c i n s t r a c t u r e i b s s 网络逻辑结构如图2 。2 所示，这种网络也称为a d - h o e 网，只由s t a 组 成，各工作站之间直接通信，由于没有a p ，该网络无法接入到有线网络中，只能 与同一网络中的工作站通信，因此a d - h o e 网只适用于少数用户的组网环境。 图2 3 b s s 网络逻辑图 f i g u r e2 3 b s s l o g i c i n s t r u c t u r e b s s 网络的逻辑结构如图23 所示，这种网络结构也称为基础结构网络 r i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k ) ，由s t a 和a p 组成。a p 类似于有线网中的集线器( h u b ) ， 用于在无线工作站之间接收、缓存和转发数据，即基础网络中s t a 的数据的收发 必须经过a p 完成。a p 的覆盖半径达上百米，并且可以连接到有线网络，实现无 线网络与有线网络的互连。 北京交通大学硕十学位论文 图2 4 e s s 呵络逻辑示意图 f i g u i 2 , 4 e s s l o g i c i m t m c m r e e s s 网络的逻辑结构如图2 4 所示，它由多个b s s 和连接它们的分布式系统 f d s ) 组成，该网络中所有a p 共享同一个扩展服务区标示符( e s s i d ) 。分布式系统 r d s ) 在8 0 21 1 标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。相同e s s i d 的无线 网络间可以进行漫游，不同e s s i d 的无线网络形成逻辑子网。 2 1 2无线局域网的研究热点 l 、媒介访问控制( m a c ) 协议 目前，有关无线网络的路由层、传输层协议研究多假设以i e e e 8 0 21 1 标准的m a c 层为基础。8 0 2 1 1 的m a c 层协议同时也存在一些问题固有 问题，因此针对这些问题对8 0 2 1 1 m a c 进行改进的有大量学术文献。随着 技术的不断发展，对高速率、具各服务质量q o s 保证的无线m a c 协议的 需求愈加急迫。因此诸多文献都在考虑针对现有流行协议进行改进，以提供 更好的服务质量支持同时包括i e e e 在内一些组织也在加紧制定支持q o s 的m a c 标准。无线网络的资源管理是m a c 协议的主要功能，在无线网络 中除了带宽以外，能量也是稀缺资源。因此带宽利用效率和功率管理是 设计m a c 协议需要考虑的两大重要问题。 2 、能量消耗问题 无线节点的能量消耗可以分为网络通信消耗、计算能量消耗和外围设备 能量消耗三部分。降低计算能量消耗和外围设备能量消耗主要依靠硬件层次 的技术，如低功率的c p u 、显示器和低能量消费的算法等，而网络通信消耗 是指无线网络接口消耗的能量，是无线网络技术研发的热点之一。能量消耗 问题涉及到无线网络中的各层。在应用层和传输层经常考虑降低能耗同服 叟 。 一 一 一 m 魁u 无线局域网技术和标准 务质量之间的平衡。在网络层，则有诸多路由协议力图寻找节省能量或延长 网络生存期的传输路径。而m a c 层协议一方面直接定义了网络接口的各种 状态，控制物理层的功率消耗，另一方面又是区别无线网络和有线网络的关 键一层，因此也是降低能量消耗的关键一层。 3 、安全性问题 由于无线局域网络给安全性带来诸多新的挑战，有关其安全性的多个方 面成为研究的热点，包括：( 1 ) 无线网络的认证体系；( 2 ) 无线网络中密钥 的分发机制；( 3 ) 无线信道的反侦听，反冒充技术。这些不同于有线网络的 新问题使得无线网络安全机制的研究成为当前网络安全研究的主流。 2 1 3无线局域网的标准 目前，主要的无线标准是i e e e8 0 2 1 1 家族，这几个标准的主要区别在于 物理层规范。 l 、i e e e 8 0 2 1 1 标准系列【3 j i e e e 8 0 2 标准化委员会于1 9 9 0 年成立了i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 标准工作 组，该工作组于1 9 9 7 年6 月公布了i e e e 8 0 2 1 1 标准。该标准主要用于解决 办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存 取，它支持的数据速率为1 m b p s 和2 m b p s ，工作在2 4g h z 频段。该标准定 义了物理层和介质访问控制层规范。物理层定义了数据传输的信号特征和传输 方式。传输方式涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段及使用的调制 方式。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。 采用无线电波作为传输媒体的无线局域网依调制方式不同，可分为扩展频谱方 式与窄带调制方式。扩展频谱方式又包括直接序列扩频方式( d s s s ) 和跳频扩 频方式( f h s s ) 。m a c 层规定了两种介质访问规n - 分布式协调功能( d c f ) 和可选的集中式协调功能( p c f ) 。 2 、i e e e 8 0 2 1l b t 4 】 1 9 9 9 年9 月通过了i e e e 8 0 2 1 1 b 草案标准，该标准其实是i e e e 8 0 2 1 1 在 物理层上的扩展版本，仍是工作在i s m 波段的2 4 g h z 频段。除了1 m b p s 和 2 m b p s 外，还支持5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新速率。8 0 2 1 1 b 在与原来的 8 0 2 11 d s s s 技术兼容的基础上，融入了补码键控( c c k ) 的调制方式，从而打 破了以太网1 0 m b p s 速率的纪录，将数据速率提高到l1 2m b p s 。 另外，还采 用了一种可选的编码方案：分组二进制卷积码( p b c c ) 方式。 因为这种方式能 提高3 d b 的编码增益，所以使得当站工作在5 5 和1 1 m b p s 时，能提供更好 9 北京交通大学硕士学位论文 的性能。目前，i e e e 8 0 2 1 1 b 已经成为w l a n 市场上的主流标准，被多数 厂商采用。 3 、i e e e 8 0 2 1 1 a 【5 】 i e e e8 0 2 1 1 a 扩充了标准的物理层，规定物理层工作在u n i l 波段的 5 g h z 频段，用多载波调制技术正交频分复用( o f d m ) 调制技术来传输 数据，支持的速率有6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b p s 。根据不同 速率需求，o f d m 子载波可采用b p s k 、d p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 调制 方法进行调制。由于8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 波段，所以既不能与8 0 2 1 l b 也 不能与最初的8 0 2 1 1 w l a n 标准兼容，另外，在很多国家，5 g h z 还是受限 制的频段。8 0 2 1 1 a 解决方案缺少互操作性的保障，i e e e 8 0 2 1 l a 技术的普 及仍需一段时间。预计随着发展，基于8 0 2 1 1 a 标准的产品销售将会取代 8 0 2 1 l b 而成为市场主流，在此之前，8 0 2 1 l b 仍将是无线联网产品的主流。 4 、i e e e 8 0 2 1 1 9 6 】 由于8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 1 a 标准互不兼容，面对市场上现存的两种产品，一 些终端用户对于使用哪种技术更能满足他们的未来需要很是迷惑，而网络制造 商也不能确定哪种最有益于指导他们的生产。 在这种情况下，8 0 2 1 1 9 应运 而生，它融合了8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 1 a ，为w l a n 市场持续、快速的发展提供 了一个美好的前景。 t i 提出p b c c 2 2 的方案，工作在2 4 g h z 波段，能提供2 2 m b p s 数据 速率和更大的覆盖范围，与现存的w i f i 设备无缝兼容。这有效地保护了用 户的投资，从这一点看来p b c 比o f d m 技术优越。 i n 2t e r s i l 公司的方案是 c c k o f d m ， 建议利用类似8 0 2 1 1 a 的o f d m 调制技术来获得5 4 m b p s 的 数据速率。o f d m 技术性能优越，与t l 的p b c c 技术相比，已经得到工业 界更为广泛的支持。2 0 0 1 年1 1 月1 5 日，i e e e 折衷了这两个公司的建议， 通过i e e e 8 0 2 1 l g 草案标准。 该草案规定8 0 2 1 l b 为必备的执行模式，同时 规定o f d m 为必备的调制技术，在2 4 g h z 波段提供8 0 2 1 l a 的速率。并提 供可选模式c c k o f d m 和p b c c 2 2 方式。通过采用两种调制方式，既达 到了用2 4 g h z 频段实现i e e e 8 0 2 1 1 a 水平的数据传输速率，也确保了与 i e e e 8 0 2 1 1 b 产品的兼容。i e e e 8 0 2 1 1 9 其实相当于i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1 1 b 的混合标准，使得w l a n 的传输速和距离又向前迈进了一大步。它 的最大优点在于与现有8 0 2 1 1 b 的设备兼容，这使得在保留现有设备的情况下 提高了设备连接速率。 从长远发展来看，8 0 2 1 1 a 可能最具希望，因为8 0 2 1l b 速度不能达到要 求，而8 0 2 1 1 9 则推出太晚，只会在行业内引起一点波澜，但无法抵挡8 0 2 1 1 a 1 0 无线局域网技术和标准 标准的攻击。他们认为这个标准的无线传输速度同8 0 2 1 l a 的速度相同，这 两个标准的唯一区别在于，8 0 2 1 l a 标准使用的足5 g h z 波段而8 0 2 1 l g 使用 的是2 4 g h z 波段。有人也对继续在2 4 g h z 波段展开研究的好处提出了质 疑。他们认为2 4 g h z 频段同时又是无绳电话、微波炉以及蓝牙技术所共用 的频段，因此，这个频段已经很拥挤，发展空间有局限性；而8 0 2 1 l a 采用的 5 g h z 波段相对来说比较空闲，因此干扰和信号争用情况也较少。这些观点 未免有些偏颇，从区域、价格、应用环境要求等多方面进行评价，应该说它们 各有所长。 表li e e e8 0 2 1 1 系列协议的数据速率 墼：! ! 垒霪：兰熊 鲤：! ! ! 堕：2 墼墼：! ! g 丝：! 丝 速率( 脚对单多载波必须采用 可选必须采弼可选必须采用 可选 1单b & 蛔勘l 【盯 2单b a kb a l e r 5 5单c c kl b o cc c k瞰 6多。卿mo f d mc c i 暨o i ：d m 9 多 o m m o f d m ，c c k - o f l 3 m 1 1多ock翔优k舭 1 2多o f i i mo f i i m0 2 i 圣o k i m 1 8 多 o f l 强! o f o m ，( x ? i c t o f i 瓤 2 2 单瞰 2 幸多o f d m0 f 蹦c c i 圣o f d m 3 3单 鹰 3 6 多 o f i i m o f i i m ，c c i 睡o f l 2 m 盼多 o f i i m o f i 】m ，o c k o h ：i 妊 塾垒婴型：垡鳖型 2 2i e e e 8 0 2 1 1 标准 2 2 1i e e e 8 0 2 1 1 标准4 i 1 9 1 的物理层 e e e8 0 2 1 l 提供了三种不同形式的物理层定义：直接序列扩频( d s s s ，d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ，跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p e ds p r e a ds p e c t r u m ) ， 红外线( i r ，i n f r a r e d ) 。在上面提到的三个物理层中，只有d s s s 和f h s s 这两种 工作在2 4 g h zi s