（信息与通信工程专业论文）基于频谱映射的异构无线网络容量分析.pdf

出妄塑塑厶：羔亟地噩兰鲴：竺位途塞揸望 摘要 异构无线网络是由不同的无线接入网组成的，它们的调制方式、网络带宽、多址方式等 各不相同。在异构资源共享的基础上充分利用网络容量满足用户需求是异构网络融合最关键 的问题。本文研究基十频谱映射的异构无线网络的容量分析。通过将w l a n 和o f d m a 两 种无线网络的资源映射到频谱上，来分析异构网络的总体容量问题。全文的内容安排如下： 首先，文章简单讲述了无线通信技术的发展以及未来异构网络融合的意义、问题。介绍 了等效频谱在分析异构网络容量中的意义。 第二章，简要介绍了题目研究背景所涉及的技术，如w l a n 技术及i e e e 8 0 2 系列标 准、o f d m 堆本原理以及o f d m a 接入技术。第三章，详细介绍并提出了基于等效带宽的多 业务w l a n 无线资源占用的系统模型，该模型是基于多q o s 保证的。通过研究w l a n 中的 统计时分资源的占用情况，将无线资源占用映射到频谱上，给出了差异性q o s 用户的等效频 谱占用和容量分析。 第四章，与第二章类似，提出了一个基于等效带宽的组移动用户在o f d m a 系统中的无 线资源占用模型。通过将多q o s 的组移动用户系统资源占用情况映射到频谱上，给出了 o f d m a 准入容量。 最后一章为本文的研究总结和展望。 关键词：异构无线网络正交频分多址无线资源占用频谱映射等效带宽 服务质量准入容量无线局域网 直壅些! 垒叁；：至亟! ：! 噩童生堂位逾堑 巫型型 a b s t r a c t h e t e r 0 2 e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k sa r ec o n s t i t u t e do f d i f f e r e n tr a d i oa c c e s sn e t w o 。k s ( r a n s ) t h em o d u l a t i o nm e t h o d s ，n e t w o r kb a n d w i d t h a n dm u l t i p l ea c c e s st e c h n l q u e so f h e s e r a n sa r et o t a i i yd i f f e r e n t t h ef u l lu s i n g o fn e t w o r kc a p a c i t yt os a t i s f yu s e 。sn e e d s b a s eo n r e s o u r c es h a r i n gi st h em o s tc r u c i a lp r o b l e mi nh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s t h i st h e s i sf o c u s e so n h e a n a i y s i so f t h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc a p a c i t yb a s eo nt h es p e c t r u mm a p p i n g b ym a p p i n g w l a n a n do f d m an e t w o r kr e s o u r c e s t ot h ee q u i v a l e n ts p e c t r u m ，t h eo v e r a l lc a p a c i t yo ft h e h e t e r o g e n e o u sn e t w o r ki sa n a l y z e d t h ec o n t e n to f t h ew h o l et h e s i si sa sf o l i o w s ： f ir s t - ar e v i e wo nt h ed e v e l o p m e n t o fw 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 sf i r eg t v e n ，a n d t h ec h a l l e n g e so ft h ei n t e g r a t e dh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ki nt h ef u t u r ei sa n a l y z e d t h e s i g n i f i c a n c e o ft h ee q u i v a l e n ts p e c t r u mi nt h ea n a l y s i so fh e t e r o g e n e o u s n e t w o r ki si n t r o d u c e d t h ei n v o l v e dt e c h n o l o g i e so f o u r r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，s u c ha sw l a n t e c h n o l o g ya n dl 匕e e 8 0 2 11s e r i e ss t a n d a r d s ，a r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r 2 t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d ma n do f d m a a c c e s st e c h n o i o g ya r ep r e s e n t e d 。i nc h a p t e r3 ，am u l t i - s e r v i c ew l a n r a d i or e s o u r c eo c c u p a t l o n m o d e lb a s e do nt h ee q u i v a l e n tb a n d w i d t hi si n t r o d u c e d ，w h i c hi sb a s e d o nt h em u l t i 。q o sg u a r a n t e e b va n a l y z i n gt h es t a t i s t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u ei nt h e w l a ns y s t e m ，t h ew 1 代l e s s r e s o u r c e si nw l a ni sm a p p e dt ot h ee q u i v a l e n ts p e c t r u m t h ew l a n c a p a c i t yi s9 1 v e nb y a n a l y z i n gt h ee q u i v a l e n ts p e c t r u mo c c u p a t i o no f d i f f e r e n t 。q o su s e r s s a m ea sc h a p t e r3 ，ar e s o u r c eo c c u p a t i o nm o d e lb a s e do nt h ee q u i v a l e n tb a n d w l d t h 1 s p r o p o s e di nc h a p t e r4f o ro f d m as y s t e m s w i t hg r o u p m o b i l i t yu s e r s t h eo f d m a a d m l s s l o n c a p a c i t yi sg i v e nb ym a p p i n g t h ew i r e l e s sr e s o u r c e so c c u p a t i o no f t h eg r o u p 。m o b i l i t yu s e rt 0t h e e q u i v a l e n ts p e c t r u m t h ef i n a lc h a p t e ro f t h i st h e s i si st h es u m m a r y a n do u t l o o k k e y w 。r d s ：h e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e m o r k s 。r t h 。g 。n a lf f e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s r a di 0r e s o u r c eo c c u p y i n gs p e c t r u mm a p p i n g e q u i v a l e n tb a n d w i d t h q u a li t y 。fs e r v i c e 、a d m i s s i o nc a p a c i t y w i r e l e s sl 。c a ia r e an e t w o r k s 1 1 血盛蛭! i ! & 尘麴! ：! i f 兰l 尘芏i 互逢塞，垒塞签i 量壅 a m p s a p c a c c d m a 论文术语表 a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m 高级移动电话系统 a c c e s sp o i n t c a i ia d m j s s i o nc o n t r o i 访问接入点 呼叫准入控制 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c s m a c a c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c w d c f d f t d i f s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n c o n t e n t i o nw i n d o w 带冲突避免的载波侦听型多址方式 竞争窗口 d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 分布式协调方式 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d c fi n t e r f r a m es p a c e d s - c d m ad i r e c ts e q u e n c e c o d ed i v i s i o n e d g e f d d f d m a f f t g p r s g s m i c i i f s i s i l t u l t e m a c 离散傅立叶变换 d c f 帧间隔 m u l t i p l ea c c e s s 直接序列码分多址 e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n 增强型数据速率g s m 演进技术 f r e qu e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e gi o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n i t i a lf r a m es p i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p hu n i o n l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m c c d m am u i t i c a r r i e r - c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 5 0 快速傅立叶变换 通用分组无线业务 全球移动通信系统 载波间干扰 初始帧间隔 符号间干扰 国际电信联盟 长期演进 介质访问控制。 多载波码分多址 盥山e 生厶堂亟l 丛箕尘望位迨塞睑塞盔i 量盔 m c m m l m o n g w n 0 f d m a p c f q o s m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n 多载波调制 m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t 多输入多输出 n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s下一代无线网络 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e t d - - c d m at i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d e t d d t d m a v l s i w l a n d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s 5 l 正交频分多址 点协调方式 服务质量 时分同步码分多址 时分双工 时分多址 超大规模集成电路 无线局域网络 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育4 9 【构的! 位或讧e 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：至交日期：丝：2 ：兰：! f 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：址导师签名：埏日期塑艺：纽f f 血沙；! 鱼厶：差i 基l 丛兰e 生：差i 互逢塞笙：童塑造 第一章绪论 无线通信是指通信双方至少有一方是在无线环境下传输信息数据，它是现代移动通信系 统中不t 叮缺少的霞要组成部分。无线通信技术作为一门复杂的高新技术，它不f u 集中了无线 广。域网刷 0 域嘲的最新技术，也集中了网络技术和计算机技术的许多最新研究成果。现在， 无线通信已经从模拟通信时代进入到数字通信时代，并随着人们对生活品质需求的不断提 高，正朝着更高速、更便捷的方向迈进。 1 1 无线通信技术的发展 人类进入2 1 世纪以来，无线通信技术正以前所未有的速度向前发展着。随着用户对各 种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，我们可以预计，未来的无线通信技 术将具备更高的信息传输速率，能为用户提供更大的便利，而网络结构也将发牛根本性的变 化。 回顾历史，人类从遥远的古代就已经开始使用无线通信了，如古代战争中使用的烽火台 就是一个典型而又非常直观的无线通信，这种直观的无线通信方式一直持续到1 9 世纪末。 1 8 6 4 年，英国物理学家j c m a x w e l l 预言了电磁波的存在。1 8 8 6 年，德国物理学家h h e r t z 在实验室产牛电磁波证实了前者的预言。1 8 9 7 年，意大利科学家g ，m a r c o n i 首次使用无线电 波进行信息传输获得成功。从此现代无线通信技术开始登上历史舞台。 虽然现代移动通信技术起步较早，但真正的迅速发展阶段始于2 0 世纪7 0 年代中期。美 国贝尔实验室在7 0 年代首次提出蜂窝网的概念，并于1 9 7 8 年成功开发了移动电话系统 a m p s ，完成了蜂窝状的模拟移动通信网。同时，其它发达国家也在这个时期相继开发出蜂 窝式移动通信网。由于微电子技术和大规模集成电路在当时的迅速发展，使得蜂窝移动通信 耀成为实 j 系统。于是这个阶段所发展起来的移动通信系统被称为第一代移动通信系统。2 0 世纪8 0 r 代早期产牛的第一代蜂窝移动通信系统采用频分多址和模拟技术，包括模拟蜂窝 和无绳皂话系统，如美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c - 4 5 0 等。但由于模拟系统本 身存在的诸多问题，如频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，在后来的市场竞争 中被逐步淘汰。 血盛女g 鱼盔：差噬塑f 宣尘堂位迨塞笠：重绻硷 第二代移动通信系统始于2 0 世纪8 0 年代中期，当时的蜂窝模拟网络的容量己经不能满 足日益增长的移动用户需求，而数字移动通信系统开始进入发展和成熟时期。终于在8 0 年 代中j j ，欧洲首先推出了全球移动通信系统g s m ，之后美国和日本也相继推出了各自的数 字移动通信体制。9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动 通信系统，使得码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域开始占有越来越重要的地 位。现在我们所广泛使用的数字移动通信系统正是第二代移动通信系统。第二代移动通信替 代第一代移动通信完成了模拟技术向数字技术的转变，主要采用的技术是数字的时分多址 f t d m a ) 币t l 码分多址( c d m a ) 技术，主要业务是语音，主要特征是提供数字化的话音业务及低 速数据业务。它克服了模拟通信系统的诸多缺点，实现了省内、省际自动漫游功能，f u 由于 带宽资源等问题，限制了数据业务的发展，无法实现移动多媒体的高速业务。 为了适应市场需求，于是人们开始研制第三代移动通信系统( 3 g ) 。第三代移动通信的概 念最早是由国际电信酝盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出的，后在1 9 9 5 年更名为国际移动电信标准 2 0 0 0 ( 1 m t 2 0 0 0 ) 。由于当时出现了一系列成功应用于商用的数字无线技术，因此i t u 于2 0 0 0 年5 月最终通过了第二代移动通信的无线接口标准，被正式命名为i m t - 2 0 0 0 无线接口技术 规范。该规范包括了c d m a 和t d m a 两大类共五种技术，其中c d m a 被公认为主流技术。 它包括两种频分双工( f d d ) 技术和一种时分y c r 炙i ( t d d ) 技术，分别为d s c d m a 、m c - c d m a 和t d c d m a 。 d s c d m a 即w c d m a 技术，由欧洲和日本最早提出，其核心网基于演进的g s m 网 络，空中接口采用直接扩频( d s ) 和宽带c d m a 。这种方式得到了欧洲、北美、亚太地区 g s m 运营商和日韩运营商的大力支持，是3 g 通信最有竞争力的技术之一。 m c c d m a 即c d m a 2 0 0 0 技术，由北美提出，核心网络基于演进方式的i s 9 5c d m a 核心网络与现有l s 9 5c d m a 后向兼容。其单载波形式c d m a 2 0 0 0 一l x 采用和i s 9 5c d m a 一样的带宽，f u 容量却提高了一倍，且支持的最高业务速率可达1 4 4 kb i t s 。c d m a 2 0 0 0 一l x 技术得到了北美和亚太地区l s 9 5 运营上的大力支持。 t d c d m a 为时分双i ( t d d ) 的c d m a 技术，包括中国提出的t d s c d m a 技术和欧洲 的t d c d m a 两种方式。我国的t d s c d m a 由于采用了智能天线和上行同步技术，具有大 容量和支持不对称数据传输的优势而受到广泛重视。 2 直盛虹垫筮趣t 业丝进堂盟监堇l j l ! t 堡 1 2 未来的异构无线网络融合 | | 1 s ，j 丑i = i 移动用j 尤线通信系统接接八i n t e r a c t 的方式丰要分为两大类：_ 。类是无线广域 h 技术，! 【| c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ， e d g e ( e n h a n c e dd a t a r a t e f o r g s m e v o l u t i o n ) ，o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 等：另一类是无线局域网技术，如w l a n ( w i r e l e s s l o c a l a r e an e t w o r k ) ， b l u e t o o t h ，h o m e r f ( h o m er a d i of r e q u e n c y ) 等。w l a n 等无线局域网技术可提供较高的 带宽，_ j j t 物群覆盖范围非常有限。而g p r s ，c d m a 等无线广域网技术虽然覆盖面积大， 似所提供的带宽却较低。未来的4 ( 3 网络将不再由单一的接八方式构成，而是采用不同的无线 接入技术的多种网络的融合二异构无线网络。 下一代无线网络n g w n ( n e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s s n e t w o r k s ，n g w n ) 是由多种无线网络 技术融合而构成的异构无线网络( 如图11 ) 。其中垂直切换是指不同类型小区间的切换， 以适愚不同习、境下、同业务的需求：水平切换是指同一类型小区间的切换，以保证同类业务 在服务区内的不间断性。 图1 l 下一代无线刚络结构 州- t # m m 臼一m ” 引ij1 、吲一l 戳i 6 1 段特性、组网接入技术和多样的业务需求，不同无线技术所使用的空 中接口设及相关协议在实现方式上具有差异性和不可兼容性。无线网络及其通信系统的异 构性丰要体现在如下几个方面f 3 崮宝唑鱼叁：羔亟：逝苴! 堂盈垒銮笙：童堑淦 1 ) 频谱资源芹陶 j j 二f i i | i ：j 频段物胖特性不同，适用于各种频段的无线技术也不同，各个区域的频谱规划 方式也有显著区别，导致特定频段上实现的无线技术总是需要满足特定的技术和业务需求。 这是无线异构网络中最关键的异构因素。 2 ) 组网接入技术异构 f h 于需要综合考虑网络规模、网络覆盖、兼容性等要求，组网方式、网络功能设置、资 源能；理和配置方式等呈现出迥然不同的特点。而物理层及媒体访问控制( m a c ) 层在调制技 术、天线技术、加密技术、接入技术的实现上都有很大差别。 3 ) 业务需求异构 不同的用户偏好和需求导致了多样化的业务类型，包括传统的电信业务、支持交互应用 的交易型、i k 务和以内容为中心的业务等。这些业务将具有不同的特征并对技术与终端提出不 同的服务质量q o s 要求。 4 ) 移动终端的异构 异构网络条件下，不同网络将提供不同的q o s ，终端的工作环境将产生巨大的变化，业 务需求、制式、运营者的差异导致了移动终端的不同，各种移动终端会具有不同的业务能 力，包括接入能力、移动能力等。 5 ) 运营销；理的异构 不同的运营商将会设计出不同的管理策略，包括寻呼漫游策略、网络切换策略、资源分 配策略、认证与鉴权策略、计费策略等。为保证通信各层之间的有效交互并满足组网需要， 须根据所使用的无线资源以及所针对的业务特点，设计合理的通信协议栈和适当的网络管理 机制。 异构网络的融合具有多方面的优势：融合可以扩大网络的覆盖范围，使得网络具有更强 的可扩展性：融合可以充分利用现有的网络资源，降低运营成本，增强竞争力：融合可以向 不同用户提供各种不同服务，更好地满足未来网络用户多样性的需求：融合可以提高网络的 可靠性、抗攻击能力等。 4 出壅噬塑厶：差亟l 盟蕉3 ：竺位迨塞釜童缝迨 1 3 无线网络融合存在问题 异构i 捌络融合足下一代无线网络发展的必然趋势。在异构网络融合的架构下，有几个必 须要考虑并解决的关键问题： 1 ) 如何使用户随时随地都能够获得具有q o s 保证的服务。 异构王1 ：境下具备q o s 保证的关键技术研究无论是对于优化异构网络的资源，还是对于接 入网络之问协刚工作方式的设计，都是非常必要的，这已成为异构网络融合的一个重要研究 方面。目前的研究丰要集中在呼叫接入控n ( c a c ) 、垂直切换、异构资源分配和网络容量的 计算等方面。传统移动通信网络的资源管理算法已经被广泛地研究并取得了丰硕的成果，但 是在异构网络融合系统中的资源管理由于各接入网的异构性、用户的移动性、资源和用户需 求的多样性以及4 连接性的数据通信系统。w l a n 代替了 常规l a n 中使用的双绞线或同轴线路或光纤，通过电磁波传送和接收数据。它是对有线连 网方式的一种补充和扩展，使网上约计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式 不易实现的网络连通问题。 随着无线技术和i n t e m e t 的发展，对可携带、可移动的计算机或工作站的需求不断增 长。无线局域网以其高灵活性、紧急状况下的健壮性被广泛应用。无线局域网不仅可以实现 许多新的应用，还可以克服线缆限制引起的不便性，解决某些特殊区域无法布线的问题。 与有线网络相比，无线局域网具有以下优点： 1 ) 安装便捷：一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络 布线施_ ： = ：工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而w l a n 最大的优势就是 免右或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点( a p ) 设备，就可建立覆 盖整个建筑或地区的局域网络。 2 ) 使用灵活：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。而一旦 w l a n 建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。 7 出g 捌! 坚厶：型亟幽壁筮：匕鲎垃渔塞筮三重型l 婪! q q 丛遮丕盟蕉 由于订线网络缺少灵活性，就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，这就往往 导致预设大量利用半较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用 进行网络改造。i 叮w l a n 可以避免或减少以上情况的发牛。 3 ) 易于扩展：w l a n 有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样， w l a n 就能胜仟从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且 能够提供像“漫游 等有线网络无法提供的特性。 目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈，主要有 i e e e8 0 2 1l 家族、h i p e r l a n 2 、h o m e r f 和中国自己制定的w l a ng b1 5 6 2 9 1 1 2 0 0 3 系列 标准等，它们各有特点，其应用领域也不尽相同。其中i e e e8 0 2 1 l 系列标准是目前无线局 域网使用的最广泛的标准之一。 2 1 1w l a ni e e e8 0 2 1 1 系列标准 1 9 9 7 年i e e e s 0 2 1 l 标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及 计算机专家审定通过的标准。i e e e 8 0 2 1 1 标准定义了单的m a c 层和多样的物理层，其物 理层标准丰要有i e e e 8 0 2 。ll b 、a 和g 。 1 ) i e e e8 0 2 11 b 1 9 9 9 年9 月正式通过的i e e e 8 0 2 11 b 标准是i e e e 8 0 2 ，ll 协议标准的扩展。它可以支持 最高l lm b p s 的数据速率，运行在2 4 g h z 的i s m 频段上，采用的调制技术是c c k 。t h 是随 着用户不断增长的对数据速率的要求，c c k 调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于 直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率 就要更高，这对于现有的码片来说比较网难：对于接收端的r a k e 接收机来说，在高速数据 速率的情况下，为了达到良好的时间分集效果，要求r a k e 接收机有更复杂的结构，在硬件 上小易实现。 2 ) i e e e8 0 2 1 1a i e e e 8 0 2 1 1a 工作5 g h z 频段上，使用o f d m 调制技术可支持5 4 m b p s 的传输速率。 8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 1 b 两个标准都存在着各自的优缺点，8 0 2 1l b 的优势在于价格低廉，但速率 较低( 最j 岛l l m b p s ) ；而8 0 2 1l a 优势在于传输速率快( 最高5 4 m b p s ) 且受干扰少，仙价 8 直壅查竖曼厶堂亟：丛筮堡堂熊垒銮 筮三重型l 丛塑q e q 醚熊盔塑述 格相对较高。另外，l1 a 与1 l b 工作在不同的频段上，不能工作在同一a p 的网络里，因此1 l a 与l lb 耳不兼容。 3 ) i i - e e8 0 2 1 i g 为了解决上述问题，为了进一步推动无线局域网的发展，2 0 0 3 年7 月8 0 2 1 1 工作组批准 了8 0 2 1 l g 标准，新的标准终于浮出水面成为人们对无线局域网关注的焦点。i e e e 8 0 2 11 工 作组开始定义新的物理层标准i e e e 8 0 2 1 l g 。该草案与以前的8 0 2 1 1 协议标准相比有以下两 个特点：其在2 4 g 频段使用o f d m 调制技术，使数据传输速率提高到2 0 m b p s 以上； i e e e 8 0 2 ilg 标准能够与8 0 2 1 i b 的w i f i 系统互相连通，共存在同一a p 的网络里，保障了 后向兼容性。这样原有的w l a n 系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了 i e e e 8 0 2 1 l b 产品的使用寿命，降低用户的投资。 4 ) i e e e8 0 2 1 l n i e e e 已经成立8 0 2 1 1 n 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准8 0 2 i l l l 。 8 0 2 1 1 n ：【：作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的，由8 0 2 1 1 9 工作小组_ 丰席m a t t h e wb s h o e m a k e r 担任丰席一职。该工作小组计划在2 0 0 3 年9 月召开首次会议。 i e e e8 0 2 1 1n 计划将w l a n 的传输速率从8 0 2 1 l a 和8 0 2 1l g 的5 4 m b p s 增加至 1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为8 0 2 il b 、8 0 2 1i a 、8 0 2 il g 之后的另场重头 戏。和以i 丰地8 0 2 1 1 标准不同，8 0 2 1l n 协议为双频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个工 作频段) 。这样1i n 保障了与以往的8 0 2 i i ab ，g 标准兼容。 i e e e8 0 2 11n 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，使得无线局域闷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 e8 0 2 1 l n 标准全面改进了8 0 2 1 l 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 1 2i e e e8 0 2 11 无线局域网的网络构成 w l a n 网络产品的多种使用方法可以组合出适合各种情况的无线联网设计，可以方便地 解决许多以线缆方式难以联网的用户需求。例如，数十公里远的两个局域网相联：其间或有 河流、湖泊相隔，拉线网难且线缆安全难保障，或在城市中敷设专线要涉及审批复杂，周期 9 出峦女g 史丕堂硒主丛直尘堂位迨塞筮三童堕坠丛塑q q 丛遮盔墼述 很长的市政施j r 问题，w l a n 能以比线缆低几倍的费用在几天内实现，w l a n 也可方便地 实现小经过人的施：改建而使旧式建筑具有智能大厦的功能。 w l a n 的设备丰要包括：无线网卡、无线访问接入点、无线集线器和无线网桥，几乎所 有的无线网络产品中都自带无线发射接收功能，且通常是一机多用。w l a n 的网络结构主 要有两种类型：无中心网络和有中心网络。 1 ) 无中心网络 尤中心i 叫络( 尤a p 网络) 也称对等网络或a d 。h o c 网络，它覆盖的服务区称i b s s 。对等网 络用于一台无线工作站( s t a ，s t a t i o n ) 和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯，该网络 无法接入有线网络中，只能独立使用。这是最简单的无线局域网结构。( 如图2 1 所示) 一个对 等网络由一组有无线接口的计算机组成。这些计算机要有相同的工作组名、e s s i d 和密码。 对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线接口耳相都在彼此的范围之内， 它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型网络在管理和预先调协方面 没有任何要求。 s t a l 图2 1 无中心网络结构 s t a 2 对等刚络中的个节点必需能同时”看”到网络中的其他节点，否则就认为网络中断，因 此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4 至8 个用户，并且他们离得足够近。 2 ) 有中心网络 1 0 血宝唑塑厶生亟j 型 兰尘生i 互迨塞 一 箍三童型坠奠至旦q q 丛焦盔援述 秆c 一心网络也称乡斛勾化网络。它由无线a p 、无线工作站( s t a ) 以及d s s 构成，覆盖 的区域分b s s 平e s s 。无线访问点也称无线a p 或无线h u b ，用于在无线s t a 和有线网络之 间接收、缓存和转发数据。无线a p 通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。 ( 如图2 2 ) 图2 2 有中心网络结构 b s s 由一个无线访问点以及与其关联( a s s o c i a t e ) 的无线工作站构成，在任何时候，任 何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微蜂窝区域就是 基本服务区。无线工作站与无线访问点关联采用a p 的b s s i d ，在8 0 2 1 1 中，b s s i d 是a p 的m a c 地址。 出塑e ! 照厶：兰! 亟出噩宣生堂壁垒窒 笙三童鲨! ：奠塑q e q 丛遮查垫逵 图2 3e s s 网络结构 扩展服务区e s s 是指由多个a p 以及连接它们的分布式系统组成的结构化网络，所有 a p 必需共享同一个e s s i d ，也可以说扩展服务区e s s 中包含多个b s s 。分布式系统在 i e e e 8 0 2 1 l 标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。扩展服务区只包含物理层和数据 链路层，网络结构不包含网络层及其以上各层。因此，对于高层协议比如i p 来说，一个e s s 就是一个l p 了网。( 结构如图2 3 ) 2 1 3w l a n 的m a c 层概述 2 1 3 1 概述 介质访6 u 控制( m a c ) i 办议是w l a n 中多个用户共享物理介质时必须遵循的控制协议，其 实质上就是解决如何有效的进行资源分配以提供高效的多址能力。在无线局域网中如何解决 1 2 出! 业! 丛厶芏蚣l 型眨i ；! 羔位垒塞：筮三童型l 趟塑q e 旦丛这查塑堡 众多的f j 户共享无线资源，从而使系统容量达到最大，无线资源利用牢达到最高，这是首要 的问题。 当多个用户竞争信道时，会出现时而碰撞、时而空闲的现象，这就需要一个有效的协调机 制( 或服务准则) ，这样的协调机制主要有两种：第一种，是所有用户完全自由的随机访问 方式，每个节点一旦有新分组就立即发送，并期望不会与其他节点发牛碰撞。这里的丰要问 题是碰樟后如何重传，目前一般方法是碰撞后按照一定的规则进行延时，然后重新发送直至 成功。随机访问方式实现简单，在业务量较轻时，网络的吞吐量比较高，延时也较小，f u 是 在业务量较大时，网络吞吐量和时延都不能满足要求。第二种，是每个节点按照一定的规则 使用预定的区间在信道上传输。这里的主要问题是依据什么规则确定传输顺序，为每个节点 预留多长时间，如何通知各节点为其分配的预约时段等。如果用户不管节点的实际需求而周 期性的接入信道则是固定分配方式，在这种方式中信道资源是在用户接入网络时分配好的， 该资源一直被用户占用直到用户释放该资源，固定分配方式适合子恒定比特流的业务传输， 当它用于突发业务传输时会引入较大的时延，并也在用户没有数据传输时造成资源浪费。为 此弓i 入了动态接入方案，也称为按需分配方案。按需分配方案对非恒定比特流的业务有很好 的支持，当传输空闲时可以把资源分配给其它用户使用，提高了资源的利用牢，同时这种按 需方式也能较好的适应突发业务和时间敏感业务。9 0 2 1 i 的m a c 层的基本结构如图2 4 所 示。 ，一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一、- 图2 48 0 2 1 1 的m a c 层的基本结构 1 3 卣盛唑! 丛厶t 亟也堕蕉尘堂i 立i 垒塞箍三童型l 婪翘q e 旦丝! 圭查盟述 无线局域网m a c 层的作用是提供有效的调度机制来共享无线信道下的有限资源。 1 e e e8 0 2 1 1 的m a c 层包含2 种机制：第一种是分布式协调功能( d c f ) ，类似于传统 的分组网，支持异步数据传输等异步业务，所有要传输数据的用户均拥有平等接入网络的机 会：第：种足点咖凋功能( p c f ) ，基于由接入点( a p ) 控制的轮询方式，设计的目的是用 于传输实时业务。 d c f 是数据传输的基本方式，直接位于物理层之上，作用于媒体竞争期( c p ) ，所有 站点均支持d c f ，其核心是c s m a c a 技术。p c f 建立在d c f 基础上，工作于非竞争期。 两者总是交替出现，先由d c f 竞争媒体使用权，然后进入非竞争期( c f p ) ，由p c f 控制 数据传输。 d c f 是一种得到广泛应用的m a c 控制机制，但是它只支持数据业务的传送，不能支持 实时多媒体业务的传送；p c f 的设计目的是为了支持有优先级的服务来传送多媒体业务，但 是，由于它本身设计上的缺陷，并不能完成这个任务。由于p c f 机制十分复杂，同时并没有 性能方面的优势，因此很少被使用。 为了提供对q o s 的支持，i e e e8 0 2 11 e 协议增强了原来8 0 2 1 1 协议里m a c 层的功能。 8 0 2 1l e 标准引入了混合协调功能( h c f ) ，它综合了d c f 和p c f 的特点，增强了一些特别 的q o s 机制和帧结构。h c f 有两种机制增强型分布式信道访问( e d c a ) 和混合式协调 功能控制信道访问( h c c a ) 。 e d c a 是d c f 的一种改进算法。基本的d c f 提供的服务对每个站点来说机会均等，而 e d c a 提供了有区别的分布式信道接入方法。它首先引入了业务分类机制，根据不同业务的 不同优先级将业务分为8 个优先级，然后又将8 个优先级映射到4 个接入类别( a c ) 中去， 这4 个接入类别分别为：a c _ v o ( v o i c e ) ，a c v i ( v i d e o ) ，a c _ b e ( b e s te f f o r t ) 和 cb k ( b a c k g r o u n d ) 。使用2 种q o s 方法来对不同接入类别的业务提供不同的服务。 h c c a 使用种混合式协调器( h c ) 的方式集中管理对信道的访问以提供被参数化了 的q o s 保障。被参数化了的q o s 指的是为业务提供q o s 保障的能力，这些业务具有特定