（通信与信息系统专业论文）无线局域网介质访问控制算法的研究.pdf

摘要 近年来，随着无线技术和h n 锄e t 的迅速发展，对可携带、可移动计算机的需求不 断增长，而无线局域网( w i r c l 器sl o c a l a r e a n 咖o r k ，w l 蝌) 以其高灵活性、健壮性 等优点被广泛应用。无线局域网的标准有i e e e 8 0 2 1 l ，h i p e r l a n ，b 1 u e t 0 0 t l l 等，目前 应用最为广泛的是i e e e 8 0 2 1 l 。 介质访问控制( m e d i 啪a c c 锱sc o n 们l ，m a c ) 协议是无线局域网关键技术之一。 m a c 协议主要是解决有限的信道资源在多用户间进行分配的问题，通过有效的共享介 质访闯机制，提高资源的使用率和系统的性能。研究无线局域网的m a c 机制，制定高 效的m a c 子层规则，优化信道分配机制是w l a n 研究的重要课题。 本文首先对无线局域网和m a c 协议国内外研究动态进行了简单介绍，然后主要讨 论了i e e e 8 0 2 1 1m a c 层的分布式协调功( d i s 砸b u t e dc o o r d i n a t i o nf u i 】l c t i o n ，d c f ) ，描 述了d c f 协议的内容和工作原理。通过分析可知，d c f 使用二进制指数增长机制，以 冲突次数作为条件来设计竞争窗口( c o n t e n t i o n 、耽n d o w s ，c w ) ，其中标准的算法是二进 制指数退避算法( b i n a we x p o n e l l t i a lb a c k o mb e b ) 。由于没有评估信道状态的机制， 竞争窗口无法根据网络负载情况自适应的做出调整。为此，本文引用d l 娘路由协议中 的网络分配矢量计数器( n 前w o r ka l l o c a t i o nv e c t o rc o u n t ，n a v c ) 参数来估计周围站点 的网络负载情况，对b e b 算法进行改进，使退避机制的竞争窗口c w 能根据w l 蝌网 络中接入节点的业务量的动态变化做出合理的调整。最后对改进的算法用仿真工具进行 仿真实验，结果证明：与b e b 算法相比较，在信道利用率和延迟等性能都有明显的提 高。 关键字：w u 峭；i e e e8 0 2 1 1 ；m a c 协议；分布式协调功能；退避算法； a b s t r a c t r e c e n n y 谢mt l l ed e v e l o p m e n to fw i r e l c s st e d m o l o g ya n di n t e m e t t l l er c q u i r 锄e i 】临o f p o r t a b l ec o m p u t 撇缸ti i l 讹痂吕a n dw l a n 唧r e l 懿sl 0 c a la r e an 咖o r k ) i su s e d w i d e l yt 0m c e tt l l e s ed c i n 趾d sb e c a l 珞eo fi t sh i g hn e x i b i l i t ) r 锄dr o i b l l s 缸l e s s t h e r ea r em a l l y s t 锄d a r d s 矗) rw l n ，s u c h 笛i e e e 8 0 2 1 1 ，h i p c r i 。a n 锄db 1 u e t o o t l le t c ，b u ti e e e 8 0 2 1 1i s m o s tw i d e l yu s c d m a c ( m e d i 啪a c c e s sc o i l t r 0 1 ) p r o t o c o li so n eo f 廿1 ek e yt e c h n 0 1 0 西e sf o rw l n m a c p r o t o c o l i sm a i n l yt 0s o l v et h ep r o b l 锄m a tl 砌t c dc o m m u i l i c a t i o nc h 锄e 1r e s o u r c ei s d i s 伍b u t e d 锄o n gm u l t i - 髑e 墙t 0i i l c r e 鹬e l eu s a g er a t eo fr 豁o u r 孤dm ep e r f o n n 锄c eo f s y s t e mb ye 伍c i e n ts h a 化m e d i 啪a c c e s ss n 纵e g y s 叫咖gm a cp r o t o c 0 lo fw u 蝌， 韶t a ：b l i s l l i n g 脚e rm a cl a ) 1 嚣m l e ，0 p t i m i z i i l gt h ec h 锄e la l l o c a t i o nm m a l l i s ma r et h e i m p o r t a n tt a s k si nm ef i e l do f w l 蝌 f i r s y ，n l i sp a p e rb r i c n y 锄哟d u c 鹤心r 懿e 盯c hd y i l 锄i co fw l a nd e v e l o p m e n ta n d m a c p r o t o c o l s a th o m ea n da b r o a d 1 1 1 e 巩蚰sp 印e rd i s c u s s 髓t l l ed c f ( d i s 仃i b u t c d c 0 0 柑i l l a t i o nf 吼嘶o n ) o fi e e e 8 0 2 1 1m a c p r o t o c 0 l s 1 1 哟u 曲锄锄a l y s i s ，w ec 孤s 廿l 吐 l ed c f 璐eb i n a 巧e x p o n e n t i a li n c r e 鹊i n gm e c h a i l i s ma n dd c f 啪t u mm ev a l u eo f c o n t e n t i o nw i n d o w s ( c w ) a c c o r d i n gt 0 l en l 蛐b e ro fc o l l i s i o 玛w h e r e i nt l l es t 锄d a r d a l g o f i 瑚i sb e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k 0 田d 忧t 0 廿l el a c ko fan 圮c h 肌i s mc v a l u a t i n g m ec h 锄e lc 0 n d i t i o n ，i tc 锄n o tt i l n et 1 1 ev a l o fc wa d 印t i v e l y c o m i n gt o l ea c t i l a l n 咖o r k 仃a 衢c 1 1 1 e r e f 0 m ep a p c ri n t r o d u c e st l l cn a v c ( n 咖r ka l l o c a t i o nv 鳅o rc 0 哪) i i ld l a r u t i i l gp r o t o c o lt 0a p i p r o x i l t l a t et 1 1 e i i l t 锄s i t yo fs u r r o m l d i n g 臼? a 筒co fn o d 髓， i m p r 0 v 懿廿l eb e b 讹c hm a l ( 懿t l l ec wo fb a c k o f fm e c h a i l i s mb ca d j 邯t e dr n a b l y a c c o r d i n gt 0m e 仃a 伍co fw l n s u b s o q u 锄t l y s i n m l a t i o n 懿p 耐m e n ti sd o n eo nm e i i i l p r 0 v c da 1 9 0 r i t l l l n t h e 豫m l t sp r 0 v em a tc o m p a r e d 、i 廿lb e b ，也ei i r l l 肭v e da l g o r i 蚰 p r 0 d i n g ab 甜e rc h 锄e lu t i l 娩a t i o n 锄dr e d u c en l ea v c r a g ep a c k e tl a t e n c y k e yw o r d s ：w l n ，i e e e 8 0 2 1 1 ，m a c ，d c f ，b a c k o f f a l 9 0 r i t h m u 海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ，独立进行研究：r 作所取 得的成果。除文中已经注明引刚的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本卢明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：刁织脚莎月拥 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解华中师范人学关于收集、保存、使刚学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有犬部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华 中师范人学可以将本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和汇编本学位论文。 保密论文在解密后遵守此规定。 黝虢耘 日期乡功。汐年多胗日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论 文提交“c al i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相犬 权益。回童途塞握塞丘澄丘；旦：匕生i 旦= 生；旦二生蕉查。 论文作者签名： 日期：蝣 导师签 日期如。善年易月少日 势 、歹弘 名乡繇谚 粼沙 1 绪论 随着i n t e n l 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 a a s s i s t 柚t ) 等移动 智能终端的使用日益增长，给广大用户提供了诸多便利，随时随处自由接入i l l t 锄e t 、 能享受更多的业务、安全且有保障的网络。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w l a n ( w i r e l e s sl o 蒯鲫昌an e 附o r k ) 已经成为了新一代的高速无线接入 网络。 近年来，基于i e e e 8 0 2 1 1 【1 】的无线局域网标准、技术的发展，无线局域网产品逐渐 成熟，无线局域网得到了业界以及公众的关注，其应用也逐渐发展起来，无线局域网正 成为当前无线通信领域中一个引人瞩目的热点。 1 1 无线局域网概述 1 1 1 无线局域网的概念 顾名思义，无线局域网( w u 蝌) 就是在局部区域内以无线介质进行通信的无线网 络【2 】。w l a n 是9 0 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线 多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信。无线局域网作为传统有线网络的延 伸，在某些环境下已经可以替代传统的有线网络。无线局域网与传统的以太网相比，更 灵活、更廉价并且易于扩展，是计算机网络与通信技术相结合的产物。它能够满足各种 便携式设备的远程接入，还能实现声音、图文以及电子邮件的传输。 无线局域网组网分两种拓扑结构：一种是无中心的对等网络( p e e rt op e c r ) ，另一种 是有中心的结构化网络。其中第一种通称a dh o c 网络，要求网络中任意两个站点( s t a ) 均可通信。第二种通称h l 觚t r u c 眦网络，要求网络中的一个网络站点充当中心站，所 有站点对其网络的访问均由其控制。两种网络的示意图如图1 1 所示。 她， s t a 2 s t a 3 ( a ) a dh o c 网络 s ( b ) i i l 触c t u | - e 网络 图1 1 两种网络示意图 1 1 2 无线局域网的特点 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特点： 1 ) 移动性：在服务区域，无线局域网用户可随时随地访问信息； 2 ) 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； 3 ) 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： 4 ) 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。 1 1 3 无线局域网的应用 无线局域网的应用范围非常广泛，按其应用划分为室内和室外，室内应用包括大型 办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场；室外应用包括城市建筑群 间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网络、银行金融证券城区网、 矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、野外勘测实验、军事流动网等。如将上 述按照应用规模的不同，又可将无线局域网划分为三个层次【3 】：运营商级别应用、企业 级别应用和家庭级别应用。 1 ) 运营商级别应用 运营商对于w l a n 的应用是最先启动的，当时用于微波基站之间的数据链路互联。 现在，他们仍然在市场上有着举足轻重的作用，多数运营商是在有线宽带接入服务上加 装无线局域网设备提供增值服务，比如在城市的机场、宾馆酒店、商务服务中心和会展 2 中心等商务热点地区，以及休闲场所部署无线局域网，为客户提供高速的宽带无线连接， 使拥有笔记本电脑或p d a 的用户上网浏览网页或进行商务办公工作。以宾馆酒店为例， 会议室、大厅经常出租给客户举行会议，而与会的人员通常需要使用笔记本电脑进行会 务，此时宾馆需向客户提供完善的网络服务。但由于会议室、大厅的特殊情况无法布线， 这些地方往往成了有线局域网覆盖的死角。而且即使布线，如通过有线局域网，每个用 户必须使用一个双绞线连接到网络的信息插座，这样室内就会网线纵横交错，影响会议 的进程，给用户造成不便。这时采用无线网络可有效避免这些问题，因为无线网络具有 先天的灵活性和移动性，可以方便地联网。 2 ) 企业级别应用 企业级的m ，a n 应用一般情况下是由系统集成商提供的。系统集成商向用户提供 计算机系统的集成，包括计算机硬件平台、网络系统、系统软件、工具软件以及应用软 件的集成，以及围绕这些系统的相应咨询、服务和技术支持，称为解决方案。由于一个 计算机应用项目的功能要求、工作环境、经费预算、开发期限等因素的制约，企业需要 有针对性地选用恰当的产品型号、规格和指标，同时需要采用恰当的技术手段和依据一 定的规范将它们组合起来，收到总体的最佳效果，这些工作对于非专业的企业用户是比 较困难的。所以一般情况下，企业的网络系统都是由专业的系统集成商提供的，而 m a n 的实施就是其中的一部分。企业级的应用主要是构建办公环境，比如中小企业规 模较小，企业成长过程可能会变换办公地点，调整办公室格局，而且企业笔记本电脑日 益普及，笔记本离开自己的办公桌后，接入网络不易，所以有的企业对会议室进行无线 覆盖，为参加会议的人员提供便利的网络连接，方便会议中的资料演示和文件交换。中 大型企业在办公区域内部署多个无线接入点，并提供客户端的无线漫游功能。 3 ) 家庭级别应用 在家庭中实现。a n 的功能所采用的设备比较简单，不需要在墙壁上开凿线槽进 行布线，家庭用户对于w l 州的应用绝大部分还是对于宽带接入的无线延伸。随着网 络速率的逐渐提升和i n t e m e t 资源的逐渐丰富，家庭中对于h l t e n l e t 信息传递的需求也会 不断增长 1 1 4 无线局域网发展历史【4 j 第一代无线局域网出现于1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会颁布的电波法规为无线局 域网的发展扫清了道路。它为无线局域网提供了两种频段：一种是专用频段，这个频段 避开了比较拥挤的用于蜂窝电话和个人通信服务的频段，采用更高的频率；另一种是免 许可证的频段，主要是i s m 频段，它在无线局域网发展的历史上发挥了重要作用。此后 几年，许多w 乙蝌产品陆续上市，这些产品可认为是第一代w l 蝌产品。 第二代无线局域网出现于2 0 世纪8 0 年代末期，电子电器工程师协会i e e e8 0 2 委 员会成立了独立的i e e e 8 0 2 1 1 任务组，负责制定无线局域网物理层及介质访问控制协 议的标准。1 9 9 7 年6 月，i e e e8 0 2 1 1 标准制定完成。由a m d 、3 c o m 、l u c t 、n e 附a r e 等公司发起，于当年成立了无线局域网联盟，并且有更多的通信公司加盟。生产厂家在 i e e e8 0 2 1 1 标准和联盟协议的基础上，实现了产品的标准化。从1 9 9 8 年开始，许多厂 商相继推出了基于i e e e8 0 2 1 1 标准的无线局域网产品，它们属于第二代无线局域网设 备，大都工作在2 4 g h z 频段，传输速率为1 2 m b s 。 第三、四代无线局域网出现于1 9 9 9 年，由于i e e e8 0 2 1 1 速率最高只能达到2 m b s ， 在传输速率上不能满足人们的需要，因此在不断研究后于1 9 9 9 年又提出了正e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 b 标准，2 0 0 2 年通过了i e e e8 0 2 1 l g 标准，与i e e e8 0 2 1 1 b 标准兼容， 提供5 4 m b s 的传输速率。其中，符合i e e e8 0 2 1 l b 标准的产品比较普及，可以归为第 三代无线局域网产品：而将符合i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 l g 标准的产品称为第四代无 线局域网产品。在中国，西安电子科技大学综合业务网的国家重点实验室从1 9 9 2 年开 始对w l n 进行研究和开发，于1 9 9 4 年推出了我国第一套w u 蝌样机，1 9 9 9 2 0 0 0 年 完成了“宽带无线m 技术一的国家8 6 3 重大项目，并开发出了基于i e e e 8 0 2 1 1 b 的 m 。a n 产品和移动m 软件。2 0 0 3 年1 2 月，国家标准正式确立。 1 2 研究目的和意义 在m a n 的发展过程中，介质访问控制( m a c ) 【5 】技术是最关键技术之一，是解 决在网络中多个用户如何高效共享一个物理信道的技术。m a c 协议就是定义以一定的 顺序和有效的方式分配节点访问介质的规则，它既要对无线信道进行信道划分、分配和 能量控制，又要负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的信道控制方式，实现拥塞 控制方式。它是报文分组在无线信道上发送和接收的直接控制者，因此，m a c 协议能 否高效、公平地利用有限的无线资源，对无线网络的性能起决定性的作用。 退避算法是m a c 协议设计的一个核心问题。退避算法【6 】是节点在进行无线介质接 入时用来减少冲突的一种具体方法，算法设计的是否合理直接关系到m a c 协议的整体 性能。当前，对退避算法研究的深度和广度正不断加强，各种新型退避算法也不断涌现。 通过改进退避算法来提高协议性能、增强协议适应性是目前的一个研究热点。 1 3 研究内容 无线局域网是当前通信技术发展的一个重要方向，i e e e8 0 2 1 l 作为无线局域网应 用最广泛的标准之一，其中m a c 技术是i e e e8 0 2 1 1 研究的重点。为了满足无线局域 网的各种业务发展的需求，需要对当前i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议进行细致的分析与研究。 本论文的工作主要集中在如下方面：详细分析i e e e8 0 2 1 l 标准中所采用的m a c 协议， 研究m a c 层d c f 机制中退避算法的改进现状，随后提出一种基于n a v c 节点流量自 适应调整的退避算法，根据无线局域网中的接入节点的业务量的动态变化来调节发送站 点的等待计数器的取值，从而动态控制竞争窗口的变化，以此来减少冲突、提高信道利 4 用率和延迟等性能，并通过n s 2 仿真与二进制指数退避算法进行性能分析比较，仿真结 果表明改进算法的性能较二进制指数退避算法有明显提高，从而证明了改进算法的合理 性。 1 4 内容组织与安排 本文主要对i e e e 8 0 2 1 lm a c 子层中的d c f 协议及退避进行系统的介绍，并且重 点分析了目前几种改进的退避算法，最后提出了一种改进的退避算法。论文总共分为6 章，组织结构如下： 第l 章，绪论。简单介绍了无线局域网的概念、特点、应用和发展历史。 第2 章，无线局域网i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议。首先分析了当前介质访问控制协议的 研究现状，然后对i e e e 8 0 2 1 lm a c 协议进行详细的分析。 第3 章，m a c 协议的退避算法和性能评价指标。分析和总结了目前多种改进的退 避算法。 ， 第4 章，退避算法的改进。 第5 章，实验仿真与分析。首先介绍了n s 网络模拟工具，然后对仿真过程进行描 述，最后对仿真结果进行性能分析，验证改进的退避算法。 第6 章，对全文总结并对将来工作做出展望。 2 无线局域网m e e 8 0 2 1 1m a c 协议研究 2 1 介质访问控制协议( m a c ) 研究现状 目前，研究人员已提出了数十种无线局域网的介质访问控制协议。这些协议具有各 种不同的设计目标，使用了不同的信道复用和控制技术。根据介质访问控制协议使用的 信道数目，可以将介质访问控制协议分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三种类 型【9 】o 1 ) 基于单信道的介质访问控制协议 m a c a 【1 0 】是一类单信道m a c 协议，它使用控制报文握手机制来解决无线网络中隐 藏终端和暴露终端问题的介质访问控制协议，其基本思想源于载波侦听多路访问冲突避 免c s m a c a ( c a r r i 盯s e 啮em u l t i p l ea c c 懿sw 油c o l l i s i o na v o i d 锄c e ) 机制。发送方在发 送数据前先向接收方发送l 玎s 控制报文，进行信道预留；接收方收到l 玎s 后回送c t s 报文；发送方收到c t s 开始发送数据；其他收到r t s 或c t s 的节点采用二进制指数退 避算法来避免冲突。由于r t s c t s 帧的长度很小，与c s m c a 相比，m a c a 协议减 少了数据包冲突。但是，m a c a 协议没有采用链路层的a c k 确认机制，冲突后需要利 用传输层来完成数据超时重传。 m a c a w 【l l 】是对m a c a 协议做了改进，它在m a c a 的基础之上增加了链路层的 a c k 确认机制，当接收方成功接收到数据包后，就返回a c k 帧进行确认；如果发送者 没有收到a c k 帧，它就向接收方重发l 玎s 控制报文。同时，m a c a w 使用了更为缓和 线性递减的退避算法。m a c a w 协议虽然增加了网络的开销，但协议降低了冲突的概率， 依然提高了网络的吞吐量。 i e e e 8 0 2 1 1m a c 协谢1 】也是一种单信道m a c 协议，它是i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会 制定的无线局域网介质访问控制协议。m e e 8 0 2 1 1m a c 协议是基于c s m c a 的，它 可以看作是c s m a 和m a c a w 两种方案的结合体，它使用物理和虚拟载波侦听机制来 进行介质接入控制，使用r t s c t s d 觚a a c k 交换机制完成数据传输。 2 ) 基于双信道的介质访问控制协议 在单信道m a c 协议中，随着节点数目增加，碰撞概率也增加，造成了信道带宽的 巨大浪费。而这些冲突主要包括控制信号之间的冲突，以及由此导致的数据信息和控制 信息的冲突。因此，研究者考虑采用信道分割技术，把信道分成数据信道和控制信道分 别传输数据信息和控制信息，避免数据信息和控制信息的冲突。由于控制帧的长度很小， 所以冲突发生的概率大大减少，并且可以更好地解决隐藏暴露终端问题。 p _ 蚍s 【1 2 】是一种基于m a c a 的双信道接入协议，r t s c t s 握手信号在控制信道上 交互，数据在数据信道上传输；在数据传输过程中，控制信道上发送忙音。龇s 协 议能选择的关闭某些不需要接收和发送数据的节点，以节省能量。 6 d b 耵江a 【1 3 】把信道分割为控制信道和数据信道，分别传输数据信息和控制信息，并 在控制信道上增开了发送忙音( b t t ) 和接收忙音( b t r ) 。与m a c a 和m a c a w 协议 相比，d b 眦的效率有很大提高。 3 ) 基于多信道的介质访问控制协议 随着硬件技术的发展，使用多信道来构建无线网络也成为可能。基于多信道的m a c 协议可以在不同的数据信道上同时通信，减少了冲突的发生，提供了更高的带宽利用率。 h r m a 【1 4 】是使用低速跳频直扩系统的多信道接入协议。其原理是节点按照预设的 跳频模式改变传输信道。当两个节点经过l 汀s c t s 握手后，驻留在固定的跳频上进行 数据分组的传输，其他的节点继续跳频，同时建立自己的通信信道。这种设计思想仅能 在低速跳频的传输网络中使用。 m m a c i ”】的设计思想来源于一种典型的同步时间驱动节能协议8 0 2 1 1 p s m 。设定一 个控制信道和n 个数据信道，网络中所有节点共享控制信道。通过在控制信道交换控制 分组，节点可以获得接入信道的权利。数据信道用于节点发送、接收数据和确认控制分 组。每个节点采用两收一发，收发不能同时进行，但可以同时分别接收数据和控制信息。 b f s c a l l 6 】是一种m u l t i m d i om a c 方案。在这种方案中每个节点有多个无线电台， 每个电台又有各自的物理层和m a c 协议，各个电台间是相互独立的，算法通过冲突预 测，为每个电台动态分配信道，降低了信道冲突，提高了网络容量 2 2 无线局域网标准 目前，无线局域网的标准有很多，主要包括电子电气工程师协会( i e e e ) 制定的 8 0 2 1 l 系列【1 】和欧洲电信标准化协会( e t s i ) 制定的高性能无线局域网( h i p e r l a n ) 标 斛7 】，另外还有面向个人区域内的无线通信蓝牙( b l u e t 0 0 t 1 1 ) 标准【8 】，其中应用最为广 泛的标准是基于m e e8 0 2 1 1 协议的系列标准。 2 2 1i e e e 8 0 2 1 l 系列 1 9 9 0 年，i e e e8 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 l 无线局域网标准工作组的任务为研究l m b i 讹和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介质访问控制规范，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 标准中的物理层定义了数据传输的 信号特征和调制技术。在物理层中，定义了两个射频( i 谭) 传输方法和一个红外线传输 方法，l 心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。在该标准中射频 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 ，之4 8 3 5 g h z 频段。直接序列 扩频采用二相移相键控b p s k 和四相相移键控d q p s k 调制技术，支持l m i 讹和2 m i 讹 数据传输速率。跳频扩频采用2 一电平高斯频移键控g f s k 调制技术，支持l m b i t s 数 7 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 i l i i l 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 l 是i e e e 最初制订的一个无线局域网标准，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 讹。 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 1 b 所 取代。1 9 9 9 年9 月，i e e e8 0 2 1 1 b 标准被正式批准。该标准规定无线局域网工作频段为 2 4 g h 牙屯4 8 3 5 g h z ，数据传输速率达到1 1 m b i t s ，传输距离控制在1 5 0 1 0 0 m 。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l l m b i 洮、5 5 胁i 协、2 m b i 讹、l m b i 讹 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 1 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 1 b 进一步发展的主要障碍。 此外8 0 2 1 l 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 1 a 而言，8 0 2 1 1 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，m 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 1 a 标准制订完成，该标准规定、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 仇或7 2 m b i t s ，传输距离控制在l 1 0 0 l r l l 。该标准也是8 0 2 1 l 的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用o f d m ( o n h 0 9 0 i l a lf - e q u e i l c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的独特扩频技术和q p s k 调制技术，可提供2 5 m b i t s 的无线 触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 1 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 1 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 1 9 标准，7 月2 8 日，通过、斩f i 认证的8 0 2 1 l g 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 1 b 好，采用两种调制 技术：8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 与8 0 2 1 1 b 中采用的补码键控c c k ，做到了与8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 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 1 a 和8 0 2 1 l b 各自的缺 陷，一方面使得8 0 2 1 l 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 1 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 1 9 一出现就得到众多厂商的支持。 即将推出的8 0 2 1 1 n 标准，同时支持2 4 g h 衫5 g h z 双频带操作与2 0 m h z 4 0 m h z 通 道，能向后兼容当前的8 0 2 1 1 怕儋网络，并采用空间多任务( s p a t i a li n u l t i p l e 五n 曲技术， 能支持1 4 个数据串流，以提升传输能力，i e e e 8 0 2 1 1 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 1 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。 2 2 2h i p e r u 蝌系列 h i p e r u 蝌由欧洲电信标准化协会e t s i 提出，其系列包括四种标准：h i p e f i ，a n 1 、 h i p 盯i ，a n 2 、设计用于户内无线骨干网的h i p e r l i i l l 【以及为固定户外应用访问有线基础 设施而设计的h i p e r a c c 骼s 。目前较有影响的是h i p e f i ，a n 2 ，采用o f d m 物理层和 t d m a 厂r d d 工作方式，提供高达5 4 m b p s 的传输速率。 图2 1 是h i p e r i ，a n 2 的典型网络拓扑结构。移动终端通过接入点( a p ) 接入固定 网，移动终端与a p 之间的空中接口由h i p e f i ，a n 2 定义。无线终端可以在h i p e r i 。a n 2 网络中自由移动，并保持与网络间良好的传输性能。在某一个特定时间，移动终端只能 与一个接入点通信。 图2 1 h i p e r l a n 2 的典型拓扑结构 2 2 3b l u e t 0 0 m 系列 蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 是一项最新标准，对于8 0 2 1 1 来说，它的出现不是为了竞争 而是相互补充。蓝牙技术是一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间的低成本、 近距离的无线通讯连接技术。这种连接是稳定的、无缝的，其程序写在一个9 x 9 i l ：m 的 微型芯片上，可以方便地嵌入设备之中。这项技术能够非常广泛地应用于我们的日常生 9 活中。 蓝牙技术中也采用了跳频技术，但与其它工作在2 4 g h z 频段上的系统相比，蓝牙 跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。f e c ( f o 娜a r de n 0 rc o m x 舡o n ， 前向纠错) 的使用抑制了长距离链路的随机噪音。应用了二进制调频( f m ) 技术的跳 频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。蓝牙技术理想的连接范围为1 0 厘米一1 0 米，但 是通过增大发射功率可以将距离延长至1 0 0 米。 蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据 包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被 扩展到占用5 个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3 个的同时进行的同步话音信 道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持6 4 k 1 ) p s 同步 话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为7 2 l l ( b p s 而另一端速率为5 7 6 k b p s 的不 对称连接，也可以支持4 3 2 k b p s 的对称连接。 2 3i e e e 8 0 2 1 1 标准 2 3 1i e e e 8 0 2 1 1 逻辑结构 i e e e 8 0 2 1 l 拓扑结构由许多物理组件组成，他们相互作用构成一个无线局域网。 8 0 2 1 l 标准支持两种拓扑结构【4 1 ，独立基本服务集( m s s ) 网络和扩展服务集( e s s ) 网络。 拓扑结构描述了一个网络所需的物理构件的方法，而逻辑结构则定义了该网络的操 作。i e e e 8 0 2 1 1 标准的逻辑结构应用于所有每个包含单一m a c 和一类p h y 的工作站。 i e e e 8 0 2 1 1 的逻辑结构如图2 2 所示。 图2 2i e e e 8 0 2 1 1 的逻辑结构 从图中可以看出，m a c 层分为两层：逻辑链路控制子层( l l c ) 和介质访问控制 子层( m a c ) ；物理层也分为两层：物理汇聚子层( p l c p ) 和物理介质子层( p m d ) 。 2 3 2 物理层 物理层p h y 主要负责收发m a c 层的数据，其中p l c p 子层是连接m a c 和p h y 1 0 之间的桥梁，负责对数据进行必要的处理，便于数据在m a c 层和p m d 子层之间传输； 而p m d 子层直接与物理媒体接口，是无线信息的收发机。在p h y 层，信号的调制技术 包括扩频技术和正交频分复用技术。 扩频技术是数据传输的关键技术，是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身 带宽的一种传输方式。频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，与所传信息数据无关， 在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。扩频技术的主要特点是抗干扰能力强，保密 性好，抗衰落、抗多径干扰。 正交频分复用o f d m 技术是多载波调试技术的一种。主要思想是：将信道分成许 多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干 扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰 落是平坦的，大大消除了符号问干扰。由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正 交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波之间的相互干扰，同时又提 高了频带利用率。 2 3 3m a c 层 i e e e 8 0 2 1 1m a c 子层的功能是通过m a c 子层帧交换协议，为m a c 子层用户提 供可靠的数据传输，i e e e 8 0 2 1 l 相对于以前的w u 而言，大大提高了在无线介质上 的数据传输可靠性。 i e e e 8 0 2 1 1m a c 子层还能够实现对共享介质访问的公平控制。该功能通过两种访 问机制来实现：基本访问机制，也称为分布式协调功能( d c f ) ；集中访问机制，也称 为点协调功能( p c f ) 。其逻辑结构【1 7 】如图2 3 所示。 圜 图2 3m a c 的体系结构 i e e e 8 0 2 1 lm a c 子层的另一功能是对数据传输提供保护，因为w l 州物理区域不 容易清晰界定。i e e e 8 0 2 1 1m a c 子层提供的加密服务称为有线等价加密( w e p ) 。w e p 能够对基于无线介质传输的数据进行加密。从加密功能上讲，它能达到有线局域网物理 上封闭的固有特性。 1 ) 分布式协调功能( d c f ) d c f 机制是m a c 层中最基本的介质接入控制机制。d c f 机制基于c s m a ，并以 l 玎s c t s 消息交换机制作为辅助的介质访问方式。这种控制方式利用载波侦听机制，适 用于分布式网络，传输具有突发性和随机性的普通分组数据，支持无竞争型实时业务及 竞争型非实时业务。 2 ) 集中协调功能( p c f ) p c f 方式是建立在d c f 工作方式之上的m a c 层控制机制，并且支持竞争型非实时 业务，适用于具备中央控制器的网络。集中协调机制是指无线接入点设备周期性地发出 信号测试帧，通过该测试帧与各无线设备就其网络识别、网络管理参数等进行交互。测 试帧之间的时间段被分成竞争时间段和无竞争时间段，无线设备可以在无竞争时间段发 送数据。由于这种通信方式无法预先估计传输时间，因此，与分布式协调机制比起来， 目前用得比较少。 2 3 4m a c 帧格式 8 0 2 1 l 标准定义了三种不同的帧格式：管理帧、数据帧和控制帧。 数据帧用于在竞争期和非竞争期间传输数据，并且在非竞争期间可与轮询和确认 a c k 结合在一起。一般的m a c 数据帧格式如图2 4 所示。 帧头 帧控制l 持续时间l 地址li 地址2i 地址3l 序列控制l 地址4i 数据l 校验和 版本号i 类型l 子类型i 输入分i 输出分i 多段i 重传i 功率i 更多i 加密i 顺序 lll 发系统i 发系统l 标志i 标记i 管理l 数据ll 图2 - 4m a c 数据帧格式 帧控制字段有1 1 个子字段，包括协议版本，类型，字类型，t o d s ，f r 0 i l d s ，更多 分片，功率管理重传，顺序，加密等。控制帧用于竞争期间的握手通信和正向确认结束 非竞争期。包括三种帧格式：l h s 、c t s 、a c k 。其帧格式如图2 5 所示。 1 2 ( a ) r t s 帧格式 ( b ) c t s 帧格式 ( b ) a c k 帧格式 图2 5 控制帧格式 2 4 分布式协调功能( d c f