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南京邮电学院2 0 0 1 级硕士学位论文 黄俊钦 i e e e8 0 2 1 6 无线城域两m a c 层性能研究 摘要 无线城域网标准i e e e8 0 2 1 6 是当前国际无线通信领域的前沿技 术，它的确定在新一代无线通信技术中具有战略意义。 本文首先分析i e e e8 0 2 1 5m a c 层媒质接入控制，就多个站点对 广播帧应答时碰撞特性给出了一个重发轨迹模型，以接入时延为研究 对象建立仿真模型，仿真结果可为基站的相关参数配置提供参考依 据。 本文的另一个内容是数据传输a r q 控制，讨论了定时器管理，并 从分段长度自适应m t u 角度提出了一种基于二分搜索法的改进方法。 仿真显示，二分搜索方法在误比特率恶劣情况下可以提高a r q 的吞吐 量性能。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网媒质接入控制a r q 截断二进制指数后退算法定时器管理二分搜索法 南京邮电学院2 0 0 1 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域| 网m a c 层性能研究 a b s t r a c t t h ei e e e 8 0 2 16s t a n d a r df o rw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( w i r e l e s s m a n ) i sal e a d i n gt e c h n o l o g y i nt h ef i e l do fi n t e r n a t i o n a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i t se s t a b l i s h m e n ti so f s t r a t e g i cv a l u e i nt h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s f i r s t l y ，m e d i aa c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s mo f i e e e8 0 2 16i sa n a l y s e d i nt h i st h e s i s ar e t r a n s m i s s i o nt r a c km o d e li sp r e s e n t e dt or e s e a r c hi n t o t h ec o l l i s i o nc a u s e db ym a n ys u b s c r i b e rs t a t i o n sr e s p o n d i n gt ob r o a d c a s t f l a m e as i m u l a t i o nm o d e li sa l s og i v e nb a s e do na c c e s sd e l a y , a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c ef o rp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no fb a s e s t a t i o n s e c o n d l y , d a t at r a n s m i s s i o nc o n t r o la r q m e c h a n i s mi sa l s os t u d i e d t h et i m e rm a n a g e m e n ti sd i s c u s s e da n dam o d i f i e dd i c h o t o m ys e a r c h a l g o r i t h mb a s e dm e t h o di sp r o p o s e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fs e g m e n t l e n g t ha d a p t i n g t om a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a ti t p e r f o r m s b e t t e rt h a n o r i g i n a l m e t h o dw i t h r e s p e c t t o a r q t h r o u g h p u ti nt h ec a s eo fp o o r b i te r r o rr a t e k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 16 ，w i r e l e s s m a n ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，a i ， t r u n c a t e d b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f , t i m e rm a n a g e m e n t ， d i c h o t o m y s e a r c ha l g o r i t h m 南京邮电学院学位论文独创性声明 v 1 ，6 28 8 2 0 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 含为获得南京邮电学院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。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮电学院2 0 0 1 级硕十学位论文 黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m 垒竺星丝! ! 型窒 1 1 引言 第一章绪论 最近2 0 年，无线和移动核心网络技术的进步使广泛的个人通信业务( p c s ) 得到了发展，p c s 可以在任何时间、任何地点以任何方式为移动用户提供语音、 数据和多媒体业务。大英百科全书对此是这样定义的一“从广义上说，p c s 包括 所有形式的互联到公共电话交换网( p s t n ) 上的无线电话通信，其中包括蜂窝 无线和航空方面的公共通信，但是其基本概念包括以下属性：对于移动用户无处 不在的业务、较低的用户终端成本和服务费，以及紧凑轻巧且不引人注目的个人 便携式单元。” 市场规模、投资和世界范围蜂窝技术的全面渗透都可以说明：无线通信经过 不到1 0 年的加速发展，已经变得非常流行。然而，随着因特网的成熟，并随着 其无线方式的接入，如果没有持续和广泛的连接性，因特网本身的存在很快就会 变得更加不可思议。 随着社会的发展，人们期望能随时随地、不受时空限制地进行信息交流和通 信，或需要通过无线方案扩展其通信网络功能；同时，随着i n t e r n e t 在全球范 围内的迅速普及以及多媒体技术的飞速发展，人们对宽带接入服务的需求也越来 越大。以l m d s ( 本地多点分配业务) 技术为代表的宽带无线接入技术，以其初 期投资少、组网灵活和建设速度快等特点越来越受到众多电信运营商，特别是新 兴电信运营商的重视。 近年来，数据业务特别是互联网服务在全球范围内已经取得了巨大成功，而 且无论在用户数量还是在业务量的增长方面，都始终保持高速增长的势头。但是 从用户的接入手段来看，传统的窄带电路接入，如p s t n 旁路接入方式，仍然占 据着主要地位，接入带宽成为制约高速上网和宽带业务发展的主要瓶颈。为了满 足用户对接入带宽的迫切需求，业界开发了各种各样的宽带接入技术，其中有代 表性的有x d s l ( 数字用户环路) 技术、h f c ( 混合光纤同轴) c a b l em o d e m ( 线 缆调制解调器) 技术、光纤接入技术和宽带无线接入技术等。比较而言，宽带无 线接入技术在初期投资、业务提供速度和资源重复利用等方面具有自身独特的优 南京邮电学院2 0 0 1 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 势及广泛的市场应用前景。 从长远来看，光纤接入方式无疑是最理想的解决方案，然而要真正实现光纤 到大楼( f t t b ) 、光纤到户( f t t h ) 尚有相当长的一段路要走。目前，实现光纤 到楼的并不多，而且，向小公司提供光纤接入，经济上并不合算。x d s l 和c a b l e m o d e m 技术对住宅用户和有线电视用户具有相当的吸引力。然而就x d s l 技术而 言，要真正实现规模商用，首先需要解决网络侧设备和用户终端的造价问题。对 c a b l em o d e m 技术来说，有线电视网的双向传输改造工作量也相当大。对于大多 数新兴的电信运营商，实际上并没有太多的电话线和电缆设施可以利用。正是在 这种特定的背景下，l m d s 等宽带无线接入技术凭着自身的优势赢得了众多老牌 及新兴电信运营商的广泛关注。宽带固定无线接入技术作为宽带接入技术的一种 新的发展趋势，近几年己异军突起。 “最后一公里”的接入问题，一直是宽带建设中的瓶颈之一。目前的宽带， 在信息传输上问题没有得到根本性的解决，特别是宽带接入问题上，更是受到带 宽的制约。本地多点分配业务( l m d s ) 是近年来逐渐发展起来的一种双向固定宽带 无线接入技术，可以提供大量的新兴宽带业务，自美国c e l l u l a r v i s i o n 公司开 发以来，受到了世界各地的普遍关注，但是一直没有一个统一的标准。2 0 0 2 年4 月，美国i e e e 标准8 0 2 系列8 0 2 1 6 工作组确定了一个固定宽带无线接入系统空 中接口规范i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准。 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准定义了无线城域网( w i r e l e s s m a n ) 空中接口规范。 确定了公共媒质接入控制( m a c ) 子层接口协议，物理层使用2 一1 1 g h z 、1 0 6 6 g h z 两个公共频带，采用单载波( s c ) 或正交频分复用( o f d m ) 技术。为接入网提供 了一种高速宽带无线接入方式，使不同运营商互操作成为可能，从而加速宽带无 线接入频谱的商业化。 1 2 无线网络设计与性能 最近几年来，无线网络技术作为一种用户接入技术已经成为传统的铜线本地 环路技术的一种替代技术，并且越来越受到人们的重视。人们对无线网络技术的 兴趣主要集中在无线本地环路w l l ( w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 或者固定无线接入 方面。如何设计一个高性能无线网络是非常重要的。无线网络设计应该考虑以下 南京邮电学院2 0 0 1 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 一些基本因素： 1 ) 体系结构。典型的结构有中央点对多点、自组织对等式和分层树型三种。 2 ) 链路层设计。其目标是在使用最小带宽和发送功率时提供低延迟、低比 特错误率和高速数据传输速度。链路层设计必须在具有衰减、屏蔽、多 路和干涉的无线环境下获得良好性能。另外，还需考虑硬件条件的限制。 3 ) 移动管理。包括两个相关的功能：定位管理和呼叫路由。 4 ) 网络可靠性。无线信道的特点通常使得网络连接的靠性难以保证。常用 到数据率、端到端等待时间以及分组丢失可能性等性能度量连接的服务 质量( o o s ) 。 5 ) 网际互连。为了将无线和有线网络互连，它们必须公用一通用的网络协 议，例如t c p i p 和a t m 。 6 ) 安全。无线链路安全主要防止无线信号的窃听，确保位置信息的保密性； 对军事应用则要抗干扰，提供低概率的窃听和检测能力。 鉴于上述问题，i e e e8 0 2 1 6 研究组的研究目标是设计提供宽带无线接入的 m a c 协议、差错控制模式和移动管理解决方案，并能保证多媒体业务的o o s 要求。 i e e e8 0 2 1 6 负责对无线本地环路的无线接口及其相关功能制定标准，8 0 2 1 6 无 线服务的作用就是在用户站点同核心网络之间建立起一个通信路径，这个核心网 络可以是公用电话网络也可以是因特网。i e e e8 0 2 1 6 标准所关心的是用户的收 发机同基站收发机之间的无线接口。其中的协议专门对在网络中传输大数据块时 的无线传输地址问题做了规定，协议标准是按照三层结构体系组织的。 三层结构中的最底层是物理层，该层的协议主要是关于频率带宽、调制模式、 纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输率和时分复用结构等方面 的。对于从用户到基站的通信，标准使用的是按需分配多路寻址一时分多址 d a m a t d m a 技术。按需分配多路寻址d a m a 技术是一种根据多个站点之间的容量 需要的不同而动态地分配信道容量的技术。时分多路技术可以根据每个站点的 需要为其在每个帧中分配一定数量的时隙来组成每个站点的逻辑信道。通过d a m a t d m a 技术，每个信道的时隙分配可以动态地改变。 在物理层之上是数据链路层，在该层上i e e e8 0 2 1 6 规定的主要是为用户提 供服务所需的各种功能。这些功能都包括在媒质接入控制m a c 层中，主要负责将 南京邮电学院2 0 0 i 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享的无线媒质中进行控制。m a c 协 议对基站或用户在什么时候采用何种方式来初始化信道做了规定。因为m a c 层之 上的一些层如a t m 需要提供服务质量服务q o s ，所以m a c 协议必须能够分配无线 信道容量。 在m a c 层之上是一个会聚层，该层根据提供服务的不同提供不同的功能。对 于i e e e8 0 2 1 6 来说，能提供的服务包括数字音频视频广播、数字电话、异步 传输模式a t m 、因特网接入、电话网络中无线中继和帧中继等。 1 3 论文内容安排 本文研究目的就是分析i e e e8 0 2 1 6m a c 层机制，包括媒质接入控制与数据 传输a r q 控制，以获得最佳性能。其中媒质接入控制主要分析接入时延，为基站 的相关参数配置提供参考依据；而数据传输a r q 控制主要从定时器自适应和分段 长度自适应m t u 角度改进，从而提高无线链路a r q 效率。 第二章介绍当前几种主流宽带无线接入技术标准：t e e e8 0 2 1 1w l a n 技术、 b l u e t o o t h 和i e e e8 0 2 1 5w p a n 技术以及i e e e8 0 2 1 6w m a n 固定宽带无线接入 技术。 第三章介绍i e e e8 0 2 1 6 无线城域网络技术。 第四章研究i e e e8 0 2 1 6p m p 结构媒质接入控制机制，进行理论分析，并且 仿真了其接入模型。 第五章研究i e e e8 0 2 1 6 数据传输控制a r q 方案，讨论了定时器管理问题， 并从分段长度自适应m t u 的角度提出了一种改进方法。 第六章对论文的全部工作进行了总结，讨论了今后需深入研究的有关项目的 可能性和必要性，指出了下一步研究探索的方向。 南京邮电学院2 0 0 i 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 2 1 6 无线城域网m a c 层性能研究 第二章宽带无线接入技术 宽带无线接入技术是无线通信技术的重要分支，本章介绍了当前几种主流宽 带无线接入技术标准：i e e e8 0 2 1 1w l a n 技术、b l u e t o o t h 和i e e e8 0 2 1 5w p a n 技术以及i e e e8 0 2 1 6w m a n 固定宽带无线接入技术，分析了这几种技术的特点， 讨论了各自的应用前景与发展趋势。同时还对具有巨大应用前景的超宽带无线通 信技术进行了讨论。 2 1 简介 宽带无线接入技术能通过无线的方式以与有线接入技术相当的数据传输速 率和通信质量接入核心网络，有些宽带无线接入技术还能支持用户终端构成小规 模的a d h o c 网络。因此，宽带无线接入技术在高速i n t e r n e t 接入、信息家电联 网、移动办公、军事、救灾、空间探险等领域具有非常广阔的应用空间。 根据目前的技术标准和将来的发展，主流的宽带无线接入技术可以分为： 无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ，w p a n ) 技术，如蓝牙技 术( b 1 u e t o o t h ) 和i e e e8 0 2 1 5 ： 无线局域网( w i r e l e s sl a n s ，w l a n ) 技术，如i e e e8 0 2 1l b a 和e t s i h i p e r l a n 2 ： 固定宽带无线接入技术( f i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 。f b w a ) ， 如i e e e8 0 2 1 6 无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，w i a n ) 技术。 虽然宽带无线接入技术的标准化历史不长，但发展却非常迅速，在无线通信 领域的地位越来越重要。因此，分析各种宽带无线接入技术的特点、应用前景和 发展趋势具有非常重要的意义。本章将对这些内容进行讨论。根据目前的发展状 况，本章还将对具有广阔应用前景的超宽带无线技术进行简单的介绍。 2 2 无线局域网( w l a n ) 技术 南京邮电学院2 0 0 1 级硕十学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域蹦m a c 层性能研究 开发无线局域网的目标是对有线局域网进行无线扩展，通过无线通信的方式 实现有线局域网的功能，并以比有线网络低廉的价格和更加方便、灵活的方式进 行网络安装和维护。目前，全球有三大类型的无线局域网标准，包括： 美国i e e e8 0 2 1 1 标准家族； 欧洲e t s ib r a n 的h i p e r l a n 标准； 日本a r i b 开发的多媒体移动接入通信( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s s c o m m u n i c a t i o n ，m m a c ) 标准。 与上述三类标准相近的还有美国的h o m e r f 组织开发的共享无线接入协议 ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l ，s w a p ) 。在上述标准中，i e e e8 0 2 1 1 系 列发展最为迅速，得到业界的支持也最为广泛，因此，下面将以i e e e8 0 2 1 1 系 列w l a n 标准为主进行讨论，同时对其它标准作简单介绍。 2 2 1 技术标准：l e e e8 0 2 ”家族 2 2 1 1i e e e8 0 2 1 1 标准家族概况 i e e e8 0 2 1 1 工作组( w o r k i n gg r o u p ) 下设多个任务组( t a s kg r o u p ) 负责不同 领域技术的标准化工作。随着应用和需求的发展，不同的任务组将会合并、调整 并可能会有新的任务组成立。各个主要任务组的情况如表2 1 所示。 协议层标准内容状态 1 9 9 7 年标准 8 0 2 1 l m a cw l a n 公共m a c 机制 化 增强8 0 2 1 1 m a c 机制，提供：q o s 、服务类别、 m a c 8 0 2 1 1 e增强安全和认证机制、考虑增强d c f 和p c f 的正在标准化 层 效率。 8 0 2 1 l f 访问点间协议( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c o l ，i a p p ) ， 规定访问点间必要的交换信息，以支持8 0 2 1 1 分正在标准化 布式系统功能，并使不同厂商的访问点兼容。 8 0 2 1 l i增强的安全和认证机制正在标准化 1 9 9 7 年标准 物理层 8 0 2 1 1 i r红外线传输 化 1 9 9 7 年标准 8 0 2 1 1 f h s s 2 4 g h z 频段跳频扩频 化 1 9 9 7 年标准 8 0 2 ，1 1 d s s s2 4 g h z 频段直接序列扩频( b a r k e r 码) 化 南京邮电学院2 0 0 1 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域刚m a c 层性能研究 8 0 2 1 1 b 高速 2 4 g h z 频段直接序列扩频( b a r k e r 码，c c k ) ， 1 9 9 9 年标准 率扩展 p b c c ( 可选) 化 8 0 2 1 l a 高速1 9 9 9 年标准 率扩展 5 g h z 频段o f d m 化 8 0 2 1 1 92 4 g h z 频段o f d m ，p s c c ( 可选) 正在标准化 管制域更新。定义物理层需求( 信道化、跳频模式 2 0 0 1 年标准 8 0 2 1 l d 等) 和其它需求，以便8 0 2 1 1 w l a n 能在当前标准 化 不支持的新管理区域( 国家) 工作 8 0 2 1 1 h 8 0 2 1 l a 频谱和发射功率管理( 主要用于欧洲) 正在标准化 无线下一代研究，研究8 0 2 1l 标准与e t s i b r a n 8 0 2 1 1 w n g已经启动 和m m a c 均接受的全球一致的w l a n 公共接口 8 0 2 1 l 爪r m2 0 0 2 年7 月启 s g 研究通过无线资源管理增强8 0 2 1 1 标准的性能 其它 动 8 0 2 1 l ，h t 研究对8 0 2 1 1 标准增强以提高吞吐率 2 0 0 2 年9 月首 s g次会议 表2 - 1i e e e8 0 2 1 1 标准家族 2 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 w l a n 标准家族技术特点 i e e e8 0 2 1 1 系列w l a n 标准支持a dh o c 和i n f r a s t r u c t u r e 两种网络拓扑 结构。目前已经标准化的物理层标准有i e e e8 0 2 1 1 、8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 1 a 。 在物理层，由于工作于u n l i c e n s e d 频段，几种标准都采用了抗干扰通信机制； 在m a c 层，为了适应无线共享信道通信的要求，标准采用了分布式控制的 c s m a c a 机制，对安全的支持是可选的。这几个标准的参数如表2 2 所示。 标准8 0 2 1 18 0 2 1 l b l 8 0 2 1 l a 网络拓扑a d h o c ，i n f r a s t r u c t u r e l l c 协议8 0 2 2l l c m a c 协议 8 0 2 11m a c ：c s m a c a ( d c f 和p c f ( 可选) ，r t s c t s ) 安全机制i e e e8 0 2 ，11w e p 协议( 可选) 5 g h z ，u n i i 频段 工作频段 2 4 g h z ，i s m 频段( 8 3 5 m h z ) ( 3 0 0 m h z ) 抗干扰通 d s s s ( c c k ) ， 信机制 d s s s f h s s i ro f d m p b c c ( 可选) f h s sd s s s 1 4 个信道，每个 信道带宽7 5 个信道，1 4 个信道， 2 2 m 【h z 2 0 m h z ，1 6 6 m h z ( - 3 d b ) 每个1 m h z每个2 2 m h z b p s k ，q p s k ，1 6 - q a m ， 调制方式 g f s k b p s k q p s kb p s k q p s k 6 4 q a m 6 , 9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 和5 4 数据速率 1 , 2 m b p s1 , 2 m b p s1 , 2 ，5 5 ，11 m b p s m b p s 南京邮电学院2 0 0 1 级硕上学位论文 黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 k = 7 卷积码，码率1 2 ， 编码 c c i t tc r c - 1 6 2 3 ，3 4 5 0m wf 5 1 5 0 - 5 2 5 0g h z ) ， 2 5 0m w ( 5 2 5 0 5 3 5 0 发射功率 l w ( 美国) ，1 0 0 m w ( 欧洲) g h z ) ，1 w ( s 7 2 5 - 5 8 2 5 g h z ) 室内：5 0 m 覆盖范围 室内：1 5 0 m ；室外：3 0 0 m 室外：1 5 0 m 表2 - 2i e e e8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 标准的比较 2 2 2 其它相关标准 如前所述，与i e e e8 0 2 1 1 相近的其它标准包括：e t s i 的h i p e r l a n 2 ，a r i b m 3 4 a c 的h i s w a n 和美国的h o m e r f 。其中，前两者与i e e e8 0 2 1 l a 的物理层技术 非常相近，主要的区别在m a c 层，而h o m e r f 则和i e e e8 0 2 1 1 b 工作于相同的频 段，但采用了不同的抗干扰通信机制。三者的主要技术参数如表2 3 所示。 技术标准 h l p e r l a n 2h i s w a nh o m e r f 5g h z ( h i s w a n a ) ，2 5 2 7 工作频段 5g h z2 4 g h z i s m g h 2 ( h i s w a n b ) ， 信道带宽 2 2 m h z2 0 m h z1 5 m h z o f d m ，b p s k ，q p s k ， c o d e d - o f d m ，b p s k ， f h s s 5 0 跳，秒， 调制方式 1 6 - q a m ，6 4 - q a m 16 - q a m ，6 4 q a m2 4 g f s k 数据率 6 , 9 ，1 2 ，1 8 ，2 7 ，3 6 ，5 4m b p s6 - 5 4 m b p s1 ，2 , 5 ，1 0 m b p s c a m a c a ( e t h e m e t ) ； m a c 机 t d d t d m a + 轮询 c s m a ( 3 a + t d m a 仃d d ， 优先级c s m a c a ( 流媒 ( p o l l i n g ) ，动态频率和小 制a p 同步体) ： 区选择 t d m a ( 语音1 表2 - 3h i p e r l a n 2 ，h i s w a n ，h o m e r f 技术参数 2 2 3w l a n 的应用前景与发展趋势 w l a n 最初是作为有线l a n 的无线扩展开发的，可以适用于有线局域网适用的 场合，如高速i n t e r n e t 接入、企业网i n t r a n e t 、校园网等等。随着应用的推动 和w l a n 自身技术的不断发展，已经出现了w l a n 与电信网络融合提供公共w l a n 服务的趋势。w l a n 技术另一个重要的优势是提供了a dh o c 网络的模式，在很多 没有基础网络设施可用的环境下具有巨大的应用空间。 南京邮电学院2 0 0 l 级硕十学位论文 黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 2 2 3 1w l a n 与g p r s u m t s 的集成 与当前的6 s w g p r s 以及其将来的u m t s 蜂窝移动通信网络相比，w l a n 对用户 终端移动性的支持相当有限，但口j 以提供高得多数据传输速率。因此，蜂窝网络 运营商和w i s p 越来越意识到，高效地将w l a n 集成进无线蜂窝网络，在很多热点 地区( 如办公室、机场、火车站、宾馆等) 为用户目提供速率更高、质量更好的数 据通信服务，将会成为无线通信市场新的增长点。在业界，i i 前己有公司在开发 同时支持w l a n 和g p r s 的双模式终端。将w l a n 集成进蜂窝移动通信网络，需要 提供集成的认证、鉴权、计费、漫游、终端移动性和服务的连续性即，用户终 端能够透明地在两种网络间切换和漫游而保持正在进行的会话不受影响。 1 1 集成体系 e t s i 规定了两类广义的网络互连方法，即所谓的紧耦合( t i g h tc o u p i n g ) 和松耦合( 1 0 0 s ec o u p l i n g ) ，参考g p r s 核心网，两种耦合点的位置如图2i 所 示，表2 4 给出了两种耦合类型的比较。 图2 - 1 基于g p r s 核心网的w l a n 耦舍点 耦台类型内容特点 w l a n 利用g p r s 网络的用户数据库。没两种网络可以分别部署，w l a n 有到o p r s 网络的数据接口旁路可以由第三方拥有，但m o b i l ei p ( b y p a s s ) g p r s 网绍，直接向外部分组网络 可能导致很高的传输延迟，不容 松耦台 转发数据。可以通过m o b i l ei p 提供两种 易提供无缝的会晤切换 网络间的移动性，通过r a d i u s 实现 a a a 。 紧耦台 w l a n 连接到s g s n 或标准化接k i ( g b 或 能够在两种网络问提供很强的移 l u + p s ) 或新定义标准化接口，将w l a n 作动性，保护运营商的投资但要 9 南京邮电学院2 0 0 1 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 为与其它接入网( 如u t r a n ) 相同的接入 求w l a n 终端支持g p r s 信令， 网处理，w l a n 数据需要经过g p r s 核心 并且g p r s 网络可能成为系统瓶 网转发，完全按照g p r s 的方式进行 颈 a a a 。 表2 4 耦合类型比较 2 1 标准化活动 在e t s ib r a n 的推动下，几大w l a n 标准化组织( e t s ib r a n 、i e e e8 0 2 11 和m m a c ) 目前已经同意联合建无线互联网络组( w i r e l e s si n t e r n e t w o r k i n gg r o u p ， w i g ) ，以处理w l a n 和蜂窝移动通信网络间的互连问题。另一方面，3 g p p 也 在积极进行这方面的标准化工作，3 g p p 已经批准了w l a n 蜂窝网互连工作项 目，其目标是规定一个或多个w l a n 和g p r s 网络间的互连技术，标准化工作 可能会在2 0 0 3 年早期完成。根据目前的工作，3 g p p 已经定义了六类网络互连场 景( s c e n a r i o s ) ，如表2 - 5 所示。 场景内容功能描述 共同计费和用户维护最简单，仅向用户提供共同的计费和用户的维护，不提 l ( c o m m o n b i l l i n g a n d供w l a n 与g p r s 网络实际互连的其它特性 c u s t o m e rc a r e l 基丁3 g p p 系统的接入控需要在w l a n 内提供基于g p r s 的认证、鉴权和计费 制和计费f 3 g p p( a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o na n da c c o u n t i n g ，a a a ) ，允 2 s y s t e m b a s e d a c c e s s许w l a n 为g p r s 用户提供i p 连接 c o n t r o la n dc h a r g i n 曲 接入基于3 g p p g p r s 的允许蜂窝网运营商将基于g p r s 服务的接入扩展到 3服务( a c c e s s3 g p pw l a n 环境 g p r s b a s e ds e r v i c e ) 服务连续性( s e r v i c e在场景3 的基础上，进一步允许维护跨越g p r s 和 4 c o n t i n u i t y )w l a n 的服务的连续性 无缝服务( s e a m l e s s在场景4 的基础上，进一步允许以无缝的方式交叉利用 5 s e r v i c e ) g p r s 和w l a n 实现g p r s 的所有服务 接入3 g p p 电路交换服务 允许运营商通过w l a n 系统提供电路交换业务的接入 6 ( a c c e s s t o3 g p p c i r c u i t - s w i t c h e ds e r v i c e ) 表2 - 5w l a n g p r s 网络互连场景 2 2 3 2w l a n 构建a dh o c 网络 南京邮电学院2 0 0 1 级硕士学位论文 黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 移动a dh o c 网络是以任意网络拓扑动态自组织地构成的对等无线移动节点 的集合。由于没有固定可用的网络设施，节点需要发现其它可以与之直接通信的 节点，并且面临如下挑战： 物理层需要适应快速改变的链路特点； m a c 层需要最小化碰撞概率、允许公平接入，能在链路快速改变和存在 隐藏终端和暴露终端的情况下提供数据的可靠传输； 网络层需要在网路拓扑不断变化的情况下，高效地进行路由； 传输层需要处理与有线网络差异很大的分组延迟和丢失； 应用层需要与对等应用处理可能出现的通信频繁中断和重建以及变化 范围很大的分组延迟与丢失； 另外，商用移动a dh o e 网络的频谱应当位于不需要申请执照的频段，并且 最好世界范围内广泛可用。a dh o c 网络的研究起源于上个世纪7 0 年代的移动分 组无线网络( p r n e t ) ，到上个世纪9 0 年代，随着一些标准的定义，商用的a d h o c 网络才开始出现。在这些标准中，i e e e8 0 2 1 l 标准由于工作在i s m 和u n i i 频 段，采用了基于碰撞避免的c s m a c a 的分布式控制m a c 机制，并且定义了r t s c t s 方法解决隐藏终端问题，使得它可以构成完全可用的小规模a dh o c 网络，在军 事、抢险救灾、空间探险、移动会议和办公室等领域具有广泛的应用前景。 2 2 3 3w l a n 技术的发展趋势 如前面所述，i e e e8 0 2 1 l 工作组目前正在努力使w l a n 技术朝着数据速率 更高、功能更多、应用更加安全的方向发展。其中比较重要的工作包括： i e e e8 0 2 1 1 9 工作组正在开发在2 4g h z 的频段提供与i e e e8 0 2 1 l a 相近数据传输速率的w l a n 标准，标准将采用o f d m 和可选的p b c c 技术， 支持的数据率包括1 2 5 5 1 1 6 9 1 2 1 8 2 4 3 6 5 4 m b p s ，与8 0 2 1 l b 兼容； i e e e8 0 2 1 l e 工作组正在开发增强的8 0 2 1 1 m a c 协议，以提供o o s 的 支持，从而可以传输诸如语音、视频这类对定时要求严格的应用，可能 的机制包括e p c f 、e d c p 和h p c f 等； 南京邮屯学院2 0 0 1 级硕士学位论文黄俊钦 i e e e8 0 21 6 无线城域网m a c 层性能研究 i e e e8 0 2 1 1 f 工作组正在开发对w l a n 无线站在访问点之间漫游的协 议，使w l a n 无线站的应用更加灵活、方便； i e e e8 0 2 1 1 i 工作组正在开发新的w l a n 安全机制，希望能够采取新的 技术提高安全性，目前正在对包括i e e e8 0 2 1 x 协议在内的很多提案进 行评估。 2 3 蓝牙( b lu e t o o t h t m ) 与1 e e e8 0 2 1 5 无线个域网( w p a n s ) 技术 蓝牙技术是由蓝牙s i g 开发的工作于2 4 g h zi s m 频段的通用近距离无线通 信规范，其目的在于使智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字化的 信息设备能不再用电缆，而是用一种小型的、低成本的无线通信技术连接起来， 进而形成w p a n ，实现资源无缝共享。蓝牙技术最先由瑞典lm e r i c s s o n 于 1 9 9 4 年发明。1 9 9 8 年2 月，e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 和t o s h i b a 发起建 立了蓝牙s i g ，后来3 c o m 、m i c r o s o f t 、l u c e n t 和m o t o r o l a 也作为发起人加入， 目前已有近2 0 0 0 家公司加入蓝牙s i g 。目前，蓝牙s i g 已经发布了蓝牙规范1 1 版。另一方面，i e e e 成立了8 0 2 1 5 标准化工作组开发w p a n 通信标准，下设4 个任务组，分别开展蓝牙p a n 、共存性、高速率和低速率p a n 标准的研究，目前， i e e e 已经以蓝牙规范1 1 版为基础出版了w p a n 标准i e e e8 0 2 1 5 1 t m - 2 0 0 2 。值 得一提的是，蓝牙s i g 特别注意中国的参与，专门成立了中国工作小组( t f 9 ) ， 并计划在t f 9 的基础上成立中国工作委员会，推动蓝牙技术在中国的发展与应 用。 2 3 1 技术特点 根据蓝牙g i g 技术规范，蓝牙技术涵盖了从物理层到应用层的多层协议，分 为核心( c o r e ) 协议( 包括r a d i o 、b a s e b a n d 、l m p 、l 2 c a p 、s d p 和r f c 0 删) 和采用 的其它协议( 如：t c s 、p p p t c p i p 、o b e x 、w a p 等) 。蓝牙核心协议是蓝牙s i g 自己开发的、实现蓝牙应用必需的协议，而其它协议则根据应用的需要灵活取舍， 为此，蓝牙s i g 定义了应用协议框架( p r o f i l e ) ，指导不同应用的协议栈结构。 蓝牙的网络拓扑基于a d h o c 网络模式，提供了点对点或点对多点的连接，最 多8 个设备构成微微网( p i c o n e o ，在同一区域，重叠的多个微微网可以构成分散 南京邮电学院2 0 0 1 级硕上学位论文黄俊钦i e e e8 0 21 6 无线城域嘲m a c 层性能研究 i n ( s c a t t e r n e t ) ，同一蓝牙设备可以加入多个微微网，从而实现多个微微网的桥接。 由于工作于多种通信系统共享的i s m 频段，蓝牙采用了快跳频、短分组抗干扰 通信技术，通过前向纠错编码( f o r w a r d e r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 和快速a r q 实现链 路差错控制，可以支持语音和数据服务，提供了多级安全机制。蓝牙设备可以工 作于活跃( a c t i v e ) 模式和三种低功耗模式：i 呼l k , ( s n i f 0 模式、保持( h o l d ) 模式和休 眠( p a r k ) 模式，以节省功率。 蓝牙技术的基本参数如表2 - 6 所示。 网络拓扑a d h o c ( p i c o n e t ，s c a t t e m e t ) 丁作频段 2 4g h zi s m 频段，2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 信道带宽 1 m h z ，7 9 个 抗干扰通信机制f h s s ，1 6 0 0 跳，秒 双工方式 t d d 时隙长度 6 2 5 u s 最人分组时隙数5 个 调制方式 g f s k ，b t = 0 5 最高数据速率 7 2 3 2k b s 语音编码方式对数p c m 或c s v d 编码方式 1 3f e c ( 3 b i t 重复编码) ，2 3f e c ( 截短汉明码) ，c r c 16 覆盖范围1 - 1 0 m ( 0 d b m ) ，1 0 0 m ( 2 0 d b m ) 链路类型s c o ( 话音，电路交换，预留时隙) ；a c l ( 分组数据，分组