（通信与信息系统专业论文）高速无线局域网的研究.pdf

摘要 无线局域网是融合无线通信技术和计算机网络技术一种新兴网络通 信技术。本文首先从技术上论述了8 0 2 1 1 协议介质访问控制( m a c ) 层 结构与规范，研究了i e e e8 0 2 1 1 体系高速无线局域网络的标准、配置 和组成等问题。接着在详细阐述了8 0 2 。l l b 协议核心调制技术一互补 码键控( c 傩) 的原理的基础上，本文提出并实现了一种峰值传输速率为 1 1 m b p s 的8 0 2 1 l bp c m c l a 高速无线网卡的硬件电路设计方案，在2 4 g h z 频段该网卡可在1 4 个工作信道上自动切换，实现高速突发数据的可靠传 输。另外本文还对最高传输速率为5 4 m b p s 的8 0 2 1 1 a 高速无线局域网系 统进行了探索性研究，讨论了o f d m 调制技术在无线局域网中的应用；结 合8 0 2 1 l a 物理层数据帧结构特点，提出了一种基于前导训练符号序列 的频域自相关时间和频率同步方法，此方法具有定时精度高、频偏估计 范围宽和同步建立迅速等特点，也适合于其它帧通信应用场合。最后给 出了一个完整8 0 2 1 l a 无线局域网收发系统的结构框图，并对它进行了 计算机仿真。 关键词：无线局域网，8 0 2 1 l b ，无线网卡，8 0 2 1 l a ，o f d m ，定时及 频率偏差估计 亟堂僮逾塞匿适玉线屋煎囹曲型痘 a b s t r a c t w i r e l e s sl a ni san e wn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h a t h a s i n t e g r a t e dm o d e r n w i r e l e s sa n d c o m p u t e r n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y o nt h et e c h n o l o g yp o i n to fv i e w , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef r a m e w o r ka n d o p e r a t i o no f8 0 2 1 1m a c l a y e r , a n ds t u d i e st h es p e c i f i c a t i o n ，c o n f i g u r a t i o n ， a n ds t r u c t u r eo fa n8 0 2 1l s y s t e mh i g hs p e e dw l a n a t i e re l a b o r a t i n gt h e p r i n c i p l e o fa l l8 0 2 1l bk e ym o d u l a t i o ns c h e m e c o m p l e m e n t a r yc o d e k e y i n g ( c c k ) ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n d r e a l i z e sah a r d w a r ec i r c u i ts o l u t i o no f 8 0 2 1lbp c m c i a ，l a ni n t e r f a c ec a r d w h i c hc a nr e l i a b l yo f f e ram a x i m a l “m b p sd a t ar a t ea n df r e e l ys w i t c hw i t h i n1 4w o r k i n gc h a n n e l si n2 4 g h z f r e q u e n c yb a n d f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e re x p l o r i n g l y s t u d i e sa n8 0 2 11a h i g h s p e e dw l a n w i t l lt h e5 4 m b p sd a t ar a t e a n dp r e s e n t sas o r to ft i m e s y n c h r o n i z a t i o n a n d f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h e f r e q u e n c yd o m a i n a u t o c o r r e l a t i o no ft h eu n i q u ep r e a m b l et r a i n i n gs e q u e n c e o f8 0 2 1 lp l c pf r a m e ；t h em e t h o dh a v et h eh i g ht i m ep r e c i s i o n t h ew i d e f r e q u e n c ye s t i m a t i o nr a n g ea n ds h o r tc o n v e r g e n c ep r o c e s s ；a n dm o r e o v e r i t c a na p p l i e dt oo t h e rf r a m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ee n d ，t h ep a p e r p r e s e n t s t h ea r c h i t e c t u r e f i g u r e o f8 0 2 1 1aw l a nt r a n s c e i v e r ,a n d i m p l e m e n t sac o m p u t e rs i m u l a t i o ns c h e m ev i aa d s s i m u l a t i o ns o f t w a r e k e yw o r d ： w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) ，8 0 2 1 lb ，w i r e l e s s n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ，8 0 2 1la ，o f d m ，t i m es y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n n 丝堂位途塞西堡玉缝屋缝旦的班塞 1 绪论 1 1 无线局域网概述 从2 0 世纪8 0 年代开始，以以太网( i e e e8 0 2 ，3 ) 和令牌环网( t e e e8 0 2 5 ) 为 代表的有线局域网得到了长足的发展。尤其是进入到九十年代，i n t e r n e t 在全球的 迅猛发展，进一步推动了计算机网络通信技术的发展。通信的发展方向之一是实现所 谓的个人通信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ) ，即“任何人、任何时间、任何地点”都 能实现信息的互通和共享。如同语音通信从有线电话向移动电话发展一样以无线局 域网为代表的无线计算机网络通信技术正显示出越来越强劲的发展势头。 在无线局域网的发展初期，无线局域网是作为有线局域网的一种补充，遵循i e e e 8 0 2 3 标准。这种直接架构于8 0 2 3 上的无线网产品容易受其他微波噪声干扰，性能 不稳定，传输速率低且不易升级，不同厂商的产品相互也不兼容，所以限制了无线网的 进一步发展。这样，制定一个有利于无线网自身发展的专用标准就提上了议事日程。 1 9 9 7 年6 月，i e e e 通过了8 0 2 1 1 标准。8 0 2 1 1 标准是i e e e8 0 2 1 l 工作组制 定的第一个无线局域两标准，速率最高只能达到2 m b p s ，主要是对网络的物理层( p h y ) 和媒质访问控制层( m a c ) 进行了规定，其中对m a c 层的规定是重点。基于该协议的 各厂商的产品在同一物理层上可以互操作，要求逻辑链路控制层( l l c ) 是一致的，即 m a c 层以下对网络应用是透明的。这样就使得无线网的两釉主要用途“同网段内 多点接入”和“多网段互连”易于质优价廉地实现。 1 9 9 9 年9 月，i e e e 发布了8 0 2 1 l b 标准，该标准对8 0 2 1 1 标准进行了修改和 补充，其中最重要的改进就是在8 0 2 1 l 的基础上增加了5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两种更 高的通信速率。8 0 2 1 l b 的m a c 层基本结构、特性和服务仍然由最初的8 0 2 1 1 标准 定义；8 0 2 1 l b 标准扩充了8 0 2 1 l 标准的物理层，它规定了更高的数据吞吐率和更 健全的连接性：同时它又使用动态速率漂移技术，数据传输速率可因环境变化，自适 应地在1 lm b p s 、5 5m b p s 、2 妨p s 、lm b p s 之间切换。它的2m b p s 、lm b p s 传输 速率与8 0 2 1 1 兼容。同年，i e e e 又推出了速度更高的8 0 2 1 1 a 标准，8 0 2 “a 工作 在5 g h zu - n i l 频带，物理层速率可达5 4m b s ，传输层速率可达2 5 m b p s 。采用正交 频分复用( o f d m ) 调制技术，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和l o m b p s 的以太网无线 顿中继接口，以及t d d t d m a 的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区可 按入多个用户，每个用户可带多个用户终端。但是8 0 2 1 1 a 并不能向下兼容上面两个 标准。 目前，支持8 0 2 1 l 和8 0 2 n b 协议的无线局域网已经被广大用户作为一般目的 的网络连接来使用。在8 0 2 1 l 中定义的实现无线局域网的物理层( p h y ) 关键技术主要 亟堂位迨塞商适玉垡旦邀嗵的婴蕴 有三种：红外线、跳频扩频( f h s s ) 和直接序列扩频( d s s s ) 。红外线局域网采用小于 lpm 波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，但受太阳光的干扰大，所以仅 支持l 2 m b s 数据速率，适于近距离通信。d s s s 局域网可在很宽的频率范围内进 行通信，目前支持1 1 1 m b s 数据速率，在发送和接收端都以窄带方式进行，而传输 过程中则以宽带方式通信。f h s s 局域网支持1 m h s 数据速率，共2 2 组跳频图案， 包括7 9 信道，输出的同步载波经调解后，可获得发送端送来的信息。 无线局域网作为一种新兴的网络通信技术，正广泛的应用诸多移动通信领域，它 具有如下优点： 可移动性：现在的无线局域网卡一般采用p c m c i a 接口，可方便的插入笔记本 电脑、p d a 和数据采集器等设备，可极大的方便工作时需不断移动位置的人员。 省去物理布线：采用无线技术可以省去繁琐的双绞线，这无疑会极大的降低网 络架设成本。 组网灵活：8 0 2 1 l 协议支持两种网络拓扑，即无中心或对等式拓扑和有中心 拓扑。一个无线局域网可由一个基本服务区( b s a ) 组成，一个b s a 通常包含 若干个单元，这些单元通过接入点( a p ) 与某骨干网相连，骨干网可以是有线 网，也可以是无线网。因此可以很容易利用已建成的骨干网连接各个无线b s a ， 从而形成更高层次的无线广域网。 可集成宽带无线接入业务：现有的8 0 2 1 l 体系无线局域网m a c 层以上直接兼 容8 0 2 3 标准，由于其具有最高可达1 1 m b p s 的用户带宽，所以很容易集成语 音、图像、多媒体视频点播等业务。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 目前无线局域网关键技术仍然为参与制定8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 协议的几个国外大公 司( 如c i s c o 、l u c e n t 、i n t e r s i l 、t i 等) 所控制。其中i n t e r s i l 公司最早参与无 线局域网研究，并先后推出了p r i s ml 、p r i s m2 、p r i s m2 5 这三种无线局域网解决 方案，其中p r i s ml 主要是基于早期的8 0 2 1 i 协议，而后两套解决方案则支持8 0 2 。l l b 协议，它采用c c k 扩频调制方式，具有良好的抗多径干扰性能。i n t e r s i l 公司的无 线局域网解决方案提供从m a c 接口到r fm m i c 的应用于无线n i c 和a p 的成套芯片和 m a c 接口芯片驱动程序。目前，国内外的无线局域网厂商的产品几乎都是全部或部分 采用i n t e r s i l 公司的芯片。另外h t m e t 公司推出了一种基于8 0 2 1 1 b 的m a c 接口芯 片，它提供u s b 接口，一些台湾公司融合该芯片和i n t r s i l 公司基带处理芯片集成出 一种u s b 接口无线网卡及a p 解决方案，它的售价相对较低，有一定的市场占有率。 一些日本公司也推出了一种无线局域网产品，他们在有线局域网卡和h u b 的基础上直 接对8 0 2 3 数据帧进行适合无线传输的d s s s 调制并无线发射出去，该类型产品并不 亟堂焦迨塞鱼适玉毯旦撼圆的班究 支持8 0 2 1 1 协议，不过它们的售价更低。 目前国内的无线局域网研究相比国外要晚两到三年，西安电子科技大学是国内最 早从事这方面研究的单位。它们早期曾独立的研制出基于自主技术的无线局域网产 品，该产品接入速率较低且不兼容8 0 2 1 l 协议。在i e e e 8 0 2 1 l 协议推出后，更强 调不同无线局域网产品之间的兼容性，所以一些边缘产品也就自然消失了。现在，国 内的一些的比较著名的i t 企业如长城、联想、上海贝尔也纷纷推出了其o e m 无线局 域网产品( 主要是网卡和a p ) 。但这些企业只是购买成套解决方案( 电路图的g e r b e r 文件和驱动源程序) ，既没有充分的消化这项技术，也没有进行自主的跟踪研究。而 在另一方面，单纯的无线网卡和a p 产品的市场规模现在并不是很大。无线局域网技 术的真正优势则在于它可以容易地与其他的一些传统i t 产品融合，从而形成一种适 合高速移动接入的新型网络产品。例如美国的s y m b o l 公司就推出了基于8 0 2 1 1 协议 的移动i p 电话、移动售货p o s 终端，这些产品给人耳目一新之感( 6 l ：而要开发这些 基于8 0 2 1 1 协议族的集成产品，一个前提就是必须要真正意义上掌握现有的无线局 域网技术，加大自主知识产权产品和技术的开发力度：在此基础上还必须适时的跟踪 该领域的发展动态并积极的参与新一代标准的制订。 正是基于这样的情况，南京理工大学电光学院决定与上海广电( s v a ) 信息产业 有限公司技术中心合作开发基于8 0 2 1 l b 协议的无线局域网网卡和a p 产品。整个合 作课题可以分为两个阶段。第一阶段的任务是开发一块p c m c i a 宽带无线网卡( 包括 硬件平台和驱动程序) ；宽带无线网卡是无线局域网的硬件基础，基于无线网卡，再 加上必要的软件和硬件，可以构成多种无线i p 设备。后一阶段任务则是在已研制成 功无线局域网卡的基础上，添加a r m9 嵌入式c p u ，并移植l i n u x 操作系统，研制出 a p 样机。该项目所设计的高速无线网卡的硬件主体采用i n t e r s i l 公司的p r i s m2 0 代芯片组，由网络接口控制器、基带信号处理器、中频i q 调制解调单元、中射频变 换单元、射频功率放大单元、天线单元以及电源单元七个部分组成，总线接口符合 p c m c i a2 0 标准。本人主要参与了这个课题组第一阶段工作，在其中主要负责无线 网卡的电路设计、调试工作。 从无线局域网的发展趋势来看，尽管目前8 0 2 1 l b 己成为无线局域网的主流标 准，被多数厂商所采用。但是不可否认，许多新的w l a n 标准正在崭露头角。其中， 8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 更是倍受业界关注。8 0 2 u a 标准是已在办公室、家庭、宾馆、 机场等众多场合得到广泛应用的8 0 2 1 1 b 无线局域网标准的后续标准，现在一些厂商 正着手推出基于该标准的解决方案。例如，i n t e l 公司计划于今年1 1 月推出可望比 现行无线技术快5 倍的、实现台式机与便携机无线连接的新型联网产品，这种新产品 正是基于8 0 2 。1 l a 无线标准的：i n t e r s i l 公司的基于8 0 2 1 1 a 标准的套片已经开发 成功，预计将在年底或明年年初推出基于这种套片的解决方案。而8 0 2 i1 9 标准则是 亟堂焦迨塞直蕉玉缝屋熊圆笪婴壅 一 i e e e 即将在年内发布的新一代无线局域网标准，它其实是一种混合标准，它既能适 应传统的8 0 2 ，】b 标准，在2 4 g h z 频率下提供每秒1 1 m b i t s 数据传输率，也符合 8 0 2 1 l a 标准在5 g h z 频率下提供5 6 m b i t s 数据传输率。支持者声称，8 0 2 1 l g 标准 一旦获得认可，它将有助于进一步推动8 0 2 1 1 体系无线局域网的飞速发展。例如以 色列e n v a r a 公司开发了一种8 0 2 1 l a 芯片组，并声称可以兼容8 0 2 1 l b 标准的无线 局域网器件。嵌入式无线器件公司( e w d ) 在此概念的基础上更进了一步，它开发的芯 片组可以同时支持8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 、蓝牙、h o m e r f 和h i p e r l a n2 标准。该公司的 e 8 0 2 4 和e 9 0 2 4 处理器也将于近期上市供货 4 1 。 目前尽管许多芯片厂商己研制出基于8 0 2 1 1 a 标准的无线局域网芯片组，但是它 们离实用化的要求还有一定的差距。8 0 2 1 l a 标准的核心是o f d m 调制，而o f d m 技术 在实际应用中本身就存在着峰均功率比大、定时同步难和信道估计复杂等问题，所以 基于o f d m 调制的8 0 2 1 1 a 无线局域网设备要求核心调制芯片必须具有高速d s p 运算 能力、射频器件必须具有良好的线性度、时钟及本振器件必须具有良好的频率稳定度 和极小的相位噪声，这样就加大了系统实现的难度。另外8 0 2 1 1 a 标准与早先的两个 标准不兼容，这也导致新一代产品在市场推广上面临一系列的难题，从保护旧有投资 出发，在新旧标准过渡时期有必要考虑应用那种同时支持8 0 2 1 1 a 和其它一些低速协 议的双模或多模芯片。 1 3 本文主要研究内容及成果 本文主要研究8 0 2 1 l 体系无线局域网的网络结构及其物理层实现方法。依照o s i 的标准七层网络模型划分方法，无线局域网技术主要涉及到该模型中的m a c 层和物理 层( p h y ) 。对于8 0 2 1 1 协议体系来说，现有的三个标准的m a c 层定义基本上是一致 的；因为考虑到最大程度上与原有的有线局域网m a c 层保持兼容，所以在有线局域网 m a c 标准的基础上8 0 2 1 1 协议体系的m a c 层增加了c s m a c a 存取方式、保密性、漫 游、节电等支持无线联网的特定功能；同时它又根据传输方式的不同细分物理层，增 强物理层自身的管理功能，以满足无线传输数擐在物理层以上透明传输的要求。本文 的前部分在分析8 0 2 1 l 标准的拓扑结构和逻辑结构的基础上，简要的讨论了 8 0 2 1 1m a c 层的数据帧结构、存取方式、移动i p 实现等功能；随后讨论了8 0 2 1 l b 物理层的p l c p 帧结构及d s s s 、c c k 调制解调方案，在此基础上重点介绍了所研制的 8 0 2 1 l bp c m c i a 无线局域网卡的硬件结构、设计思路及研制过程中的重点、难点， 并给出相关测试波形和结果。另一方面由于目前基于8 0 2 1 1 a 标准的实用性无线局域 网系统还处于研究阶段，本文的后一部分在分析o f d m 原理、8 0 2 1 1 a 标准的物理层 结构、p p d u 数据帧编码过程的基础上，提出了一种适合8 0 2 1 l a 帧结构o f d m 信号的 同步和检测算法，并建立了一个适合8 0 2 1 l a 应用环境的室内无线移动信道传输模 塑堂擅迨塞萄逵玉缝屋蕉塑曲毯塞 型，最后利用a d s 仿真软件仿真一个完整的8 0 2 1 1 a 无线局域网收发系统，并讨论了 多径信道时延、载频偏移等干扰因素对该收发系统的e v m 、p e r b e r 性能的影响，以 及卷积编码、保护间隔、导频插入等措施在提高系统抗多径干扰能力方面所起的作用。 本文的主要有以下几个方面的成果： 1 研究了8 0 2 1 i b 无线局域网标准，利用i n t e r s i l 公司的p r i s m2 0 代芯片组 设计出p c m c i a 高速无线局域网样本卡，并进行了性能测试，得到满意结果。 2 对8 0 2 1 1 a 标准进行了探索性研究，提出了一种基于8 0 2 1 l a 帧结构的前导训 练符号序列自相关o f d m 符号同步和频率同步联合估计方法。 3 利用a d s 仿真软件对8 0 2 1 l a 无线局域网系统进行了仿真。系统由p l c p 帧结 构生成及o f d m 信号产生单元、r f 发送单元、室内信道单元、r f 接收单元、同 步单元、p l c p 帧解析及o f d m 解调单元和信道估计及相位跟踪单元几部分构成， 仿真后得至n 了多径信道及载频偏移环境下的基带信号波形、射频信号功率谱、 接收信号星座图和p e r b e r 曲线等仿真结果。 1 4 本文的内容安排 本文内容可分为四部分：8 0 2 1 1 协议的基本框架和m a c 层功能描述；8 0 2 1 1 b 的物理层结构、原理和硬件实现；8 0 2 1 1 a 标准的物理层原理和o f d m 原理的研究； 8 0 2 1l a 系统无线局域网系统的计算机仿真实现。全文共分六章来叙述。 第一章为绪论。 第二章从整体上论述了高速无线局域网的网络拓扑结构和8 0 2 1 l 协议的m a c 层 基本功能。 第三章讨论了8 0 2 1 1 b 协议的物理层构造、d s s s 及c c k 调制和解调方案等方面 内容，在此基础上提出并实现了一种8 0 2 1 1 b 宽带无线局域网卡的电路设计方案，得 到相关测试结果。 第四章主要论述了o f d m 原理、8 0 2 1 l a 物理帧结构、o f d m 信号的同步和检测等 内容。 第五章首先讨论了j a k e s 室内无线信道冲激响应模型的建模方法，并利用此模型 详细阐述了一个8 0 2 1 1 a 无线局域网收发系统的计算机仿真实现。 第六章为结束语。 题堂位诠塞匿速玉线屋基圆的班塞 2 8 0 2 11 协议概述t - 1 1 2 1 1 轴，一 8 0 2 1 1 协议是整个8 0 2 1 1 协议体系的基础，它根据无线介质的特点规定了一种 适合无线i p 数据传输的无线介质访问控制机制一载波侦听多路访问碰撞避免 ( c a m a c a ) 协议。同时还规定了诸如网络连接、数据加密验证、漫游、节电等其它 m a c 功能。本章以8 0 2 1 l 协议的m a c 层规定为基础，对无线局域网的网络结构、介 质访问方法、介质访问碰撞解决办法和网络协议中m a c 数据帧结构进行了初步的分 析研究。 2 18 0 2 1 1 拓扑结构和逻辑结构 2 1 1 拓扑结构单元 2 1 1 1b s s 和特别网 8 0 2 1 1 无线局域网技术也是以蜂窝结构为基础的，在某些方面可以借用蜂窝电 话的概念来理解其组网方式。一般说来，一个大型的8 0 2 1 1w l a n 系统可以细分为 许多小的蜂窝单元，在这里每一个蜂窝( 在无线局域网中称为基本业务集( b s s ) ) 由一 个基站( 在无线局域网的术语中称为接入点( a p ) ) 控制。但是，与蜂窝电话中每一个蜂 窝至少要有一个基站控制不同，一个w l a nb s s 中并不一定要有a p ，一个最小的b s s 甚至可以由两个移动站构成：并且定义b s s 中各个成员均能直接通信的一个最小区域 为基本服务区域( 8 s a ) 。 在8 0 2 1 lw l a n 系统中，一个独立的b s s ( i b s s ) 是最简单组网模式。因为这种类 型通常并不需要预先规划，只是在无线局域网需要的时候形成，因此这种类型的网络 通常被称为专门网络( a dh o cn e t w o r k ) 。 2 1 1 2 分布式系统 尽管一个单独的b s s 可以形成个最简单的w l a n 系统，但普遍的应用是把几个 甚至更多的8 s s 的”用主干网络连接起来，这样就扩展了w a l n 的覆盖范围。这种连 接各个b s s 的主干网络称为分布式系统( d s ) 。i e e e8 0 2 1 l 在逻辑上把无线媒质( w m ) 和分布系统媒质( d s m ) 分开。在这里划分媒质只是基于不同的结构单元和不同的服 务种类，所以就存在一个逻辑媒质的概念。当然，不同的逻辑媒质在可以是物理上相 同的媒质，也可以是不同的。在这里，分布系统媒质( d s m ) 的物理媒质可以是8 0 2 以 太网，也可以是无线电媒质。d s 的一个主要功能是它可以把一个b s s 中移动站的地 址映射到另一个b s s 中，从而完成多个b s s 的无缝集成。使移动业务得以实现。 殛堂焦迨童西蕉歪线星丝塑的登红 在i e e e8 0 2 ，“l a n 中，各种b s s 、d s 、a p 可以进一步互联，从而形成一个更大 更复杂的无线网络，称为一个扩展服务集( e s s ) ：但是从这个网络的逻辑链路控制( l l c ) 层来看，可以视作一个单一的8 0 2 以太网：也就是说e s s 中各组成部分的不同仅仅是 l l c 层以下的m a c 层和物理层不同，这样整个8 0 2 体系网络在m a c 层以上就可以得到 统一。 因此，e s s 的一个重要特点就是，e s s 中的工作站通信或移动工作站从一个b s s 移到另一个b s s ( 在同一e s s 中) 的过程对于l l c 是透明的。 2 1 1 48 0 2 1 lw l a n 组网方式 作为8 0 2 1 1w l a n 中的最小单元，b s s 的组成有以下三种方式： 集中控制方式；每个单元由一个中心站控制，网中的工作站在该中心站的控制 下与其他工作站通信。尽管b s s 区域较大，但其所建中心站的费用较昂贵。 分布对等式：b s s 中任意两个工作站可直接通信，无需中心站转接。尽管b s s 区域较小，但这种方式的结构简单，使用方便。 集中控制式与分布对等式相结合的方式。 无线局域网的拓扑结构可分为两类：无中心或对等式拓扑( 图2 1 1 ) 和有中心拓 扑( 图2 1 2 ) 。无中心拓扑的网络要求网中任意两点均可直接通信，采用这种结构的 网络一般使用公用广播信道，而信道接入控制( m a c ) 协议多采用载波监测多址接入 ( c s m a ) 类型的多址接入协议。在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站， 所有站点对网络的访问均由中心站控制。另外无线局域网可独立使用，也可与有线 局域网互连使用。i e e e8 0 2 1 1 支持自组无线局域网( 由一个b b s 构成，不与其他网 络发生联系) 和多区无线局域网( 用a p 和骨干网把多个b b s 互连，形成多区局域网) 。 图2 1 1 无中心拓扑的w l a n图2 1 2 有中心拓扑的w l a n 图2 1 3 显示了一个典型的8 0 2 1 1w l a n 组网结构，图中包含以上阐述的各结构 单元。 、o ， r r 曼 口m j 亟圭堂位迨塞崮鎏玉线屋丛旦筮监缒 图2 1 3 典型的8 0 2 1 1w l a n 网络拓扑 值得注意的一点是在8 0 2 1 1 标准中还定义了一个入口( p o r t a l ) 的概念，入口主 要是指一种连接8 0 2 1 ll a n 与其它8 0 2 以太网的设备，这个概念是一种对“转换网 桥”部分功能的抽象。不过虽然标准上定义了这个概念，但在具体实现时，入口的功 能一般是融合在a p 中，所以并没有具体的入口功能设备。 2 1 28 0 2 1 l 逻辑分层模型 和其它8 0 2 x 协议一样，8 0 2 1 1 协议主要涉及m a c 层和物理层，其中物理层又 可分为p l c p ( p h yc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 子层、p m d ( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层。p l c p 子层的作用是减小m a c 层对p m d 层的依赖，实际上起着物理层与数据链 路层之间接口的作用。p m d 子层的主要作用是提供一种依靠无线媒质在两个站点之间 传输数据的方法，通常指无线收发信机和基带处理器的结合。8 0 2 1 l 协议定义了一 个单独的m a c 层，三种速率运行于1 m b p s 和2 m b p s 上的物理层。这三种物理层分别是 红外线、跳频序列扩频( f h s s ) 和直接序列扩频( d s s s ) 。8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 1 a 标准的 m a c 层承袭8 0 2 1 1 标准的m a c 层定义，而对物理层的定义是它们的内容重点，所以 关于8 0 2 。l l 体系物理层的详细特点将放在后面几章分别讨论。 8 0 2 1 1 无线网络的具体分层模型见下图2 1 4 ，这里有几个概念要交待一下。 m l m e ( 淞cs u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) 为m a c 层管理实体，所谓管理实体其实就 是驻于某一层或子层中用于对这一层或子层进行管理的状态机的集合。p l m e 为物理 层管理实体。s m e 为站管理实体，它是一个独立于各层之外的管理实体，它的主要功 能是收集各层管理实体的状态，并设置一些层特性参数。图中各黑体方框表示的是服 务接入点( s a p ) ，所谓服务接入点是指各种管理实体交换信息的连接管道，而这个管 道中所交换的信息就是原语( p r i m i t i v e ) 。原语可以理解为它们是一些在层管理实体 亟堂焦迨塞塞速玉缮屋堡匿曲婴筮 之问交换的，协调彼此功能的，诸如请求、证实、设置等特征的信号集合。图中三个 双箭头表示箭头两边也存在交换原语等管理信息，不过在标准中并没有像s a p 那样有 清楚的定义。 收据 m a cs u b i a y e r 链 m a cs a p 一。蹬j 器。，ii t “l m es a p 路 m a cs u b la y e r 一 p h y s a p 层 一 s t a r i o n p l c ps u b i a y e r m a n a g e m e n t e n t i t y 物 p m d s a p _ 一 理 一 一s 叭t b l ayenrmanageme t il p l m es a p 层 卜 e n t i t y p m ds u b i a y e r 一 图2 i 4 基于8 0 2 1 1 的m a c 层、物理层模型 2 2 m a c 数据帧结构 表2 2 1 给出了一个8 0 2 1 1m a c 数据帧的结构，表中有些子域的内容仅为表 2 2 3 所给出的一些特殊帧所特有。 字节； 22666260 2 3 1 2 4 表2 2 1m a c 数据帧结构 2 2 i 帧控制( f r a m ec o n t r 0 1 ) 域 帧控制域的格式如下表所示，包含的信息具体如下： b 0b l3 2b 3b 4b 7b 8b 9b | ob 1 lb 1 2b 1 3b 1 4 b 1 5 l 型bb 叫塞i ! 剧型笙堙i 竺睦l 比特数：22 4 li li lil 1 表2 2 2 帧控制域格式 2 2 1 1 协议版本号 该子域包含两个比特。在8 0 2 1 l 体系中大小和位置保持不变，并用来识别以后 的协议版本。在8 0 2 1 l 标准中，两个比特置0 。 亟堂焦途塞直蕉玉线旦熊鲤盟婴塞 2 2 1 2 帧类型和子类型 由这6 个比特所定义的帧类型和子类型如下表所示。 t y p e 值 t y p e 描述 s u b t y p e 值 s u b t y p e 描述 b 2b 3b 4b 5 b 6 0 0 m a n a g e m e n t o o o oa s s o c i a t i o nr e q u e s t 0 0 m a n a g e m e n t o 0 0 1a s s o c i a t i o nr e s p o n s e o o m a n a g e m e n t d 0 1 0r e a s s o c l a t i o nr e q u e s t d o m a n a g e m e n t 0 0 1 1r e a s s o c i a t i o nr e s p o n s e d o m a n a g e m e n t o l o op r o b er e q u e s t 0 0 m a n a g e m e n t 0 1 0 1p r o b er e s p o n s e d o m a n a g e m e n t 0 1 1 0 一0 1 l ir e s e r v e d d o m a n a g e m e n t l o d d b e a c o n 0 0 m a n a g e m e n t l 0 0 1a t i m o o m a n a g e m e n tl o l od i s a s s o e i a t i o n o o m a n a g e m e n t 1 0 l ia u t h e n t i c a t i o n o o m a n a g e m e n t l i o od e a o t h e n t i c a t i o n d o m a n a g e m e n t 1 1 0 l 一“l lr e s e r v e d o lc o n t r o lo 0 0 0 - 1 0 0 1r e s e r v e d 0 1c o n t r o ll o l op s p o l l 0 1c o n t r o l1 0 1 lr t s o lc o n t r o l1 1 0 0c t s 0 1c o n t r o ll l o la c k o lc o n t r o l1 1 1 0c fe n d o lc o n t r o l1 1 1 lc fe n d + c fa c k 1 0d a t a0 0 0 0d a t a i od a t ao o o l d a t a + c f a c k l od a t ad 0 1 0 d a t a + c f p o ll 1 0d a t ad 0 1 ld a t a + c f - a c k + c f _ p o ll 1 0d a t a0 1 0 0n u l lf u n c t i o n ( n od a t a ) 1 0d a t ao l d lc f - a c k ( n od a t a ) i 0d a t a0 n 0 c f p o l i ( o nd a t a ) 1 0d a t a0 n lc fa c r + c fp o i l ( n od a t a ) 1 0d a t al o d d - l i nr e s e r v e d 1 1r e s e r v e do o o o l l l lr e s e r v e d 2 2 1 3t oo s 表2 2 3m a c 帧类型及子类型 1 0 亟堂焦迨童 直逵玉毯昼缝旦曲班窟 当帧的目的地址为a p 时，该比特位置为l ，它表示该帧将传向分布式系统( d s ) ； 而且，即使目标站在同一b s s 内，如果该帧经由a p 中继，该比特位同样也1 。当为 其它帧时，该位为0 。 2 2 1 4f r o md s 当这个帧来自于d s 系统时，该位为1 ；其它为o 。 2 2 1 5 m o r ef r a g m e n t 在当前包分片后有更多属于同一源帧的包分片时，该位为1 。 2 2 1 6 r e t r y 这个标志位用来指示当前包分片为前发送包分片的重发；在当前目的站正确的 收到了包分片，但它发给源站的应答包丢失了的情况下，接收站可以通过该位来识别 此包分片为前面接收到的包分片的重复。 2 2 1 7p o w e rm a n a g e m e n t 这个比特用来显示源站在发送完数据帧后将处于何种电源管理模式，此时源站的 电源管理模式一般正处于节电模式和积极模式的转换中。 2 2 1 8 m o r ed a t a 这个标志位也是与电源管理有关的。a p 用这个标志位来通知目的站，有更多的 缓冲帧将要发送；目的站可以根据该标志位来决定是继续处于轮询状态还是转变到积 极状态。 2 2 1 9w e p 这个标志位用来说明帧体已经用w e p 加密算法加密过。 2 2 1 1 0o r d e r 这个标志位用来显示当前发送帧为限制次序服务级的。限制次序服务级由 d e c l a t 协议所定义。 2 2 2 d u r a t i o n i d 对于不同帧类型这个标志域有两种不同的用途： 在节电模式下的轮询信息帧中，该域表示站的i d 号。 一1 1 堡堂焦迨塞商适玉缮屡筮囵笪丝塞一 在所有的其它类型帧中，该域代表发送持续时间值，用于n a v 矢量的计算。 2 2 3 地址域 对于控制域中的t o d s 和f r o m d s 位不同的取值，一个m a c 帧中可能含有四个地 址域。具体如下： a d d r e s s l ：如果目的站与源站在同一个b s s 中，则该地址也就是目的站的地址； 如果控制域中的t o d s 位为l ，则该地址为a p 当前正在使用的m a c 地址，这个 地址也即为b s s i d 。 a d d r e s s 2 ：该地址为帧发射源站地址；但当f r o m d s 位为l 时，表示该帧由a p 发出，所以该地址即为b s s i d 。 a d d r e s s 3 ；在i b s s 内传输的帧中，该地址域为b s s i d ，此时的b s s i d 为一个 随机数；但是当f r o m d s 位为1 时，该地址为帧起始发出站的地址；如果控制 域中的t o d s 位为1 ，则该地址为帧最后到达站的地址。 a d d r e s s 4 ；该地址域仅在t o d s 和f r o m b s 为l 的情况下，其值为源站地址。 这四种地址的赋值情况如下表： t o d sf r o m d sh d d r e s s la d d r e s s 2a d d r e s s 3a d d r e s s 4 o0d as ab s s i d n a o1d ab s s i ds a n a l0b s s i ds ad a n a 11r at ad as a 表2 2 4 地址子域赋值情况 上表中，r a 为下一接收站m a c 地址；t a 为当前发送站地址；d a 为终点站地址 s a 为源发出站地址。 2 2 4 序号控制 序号控制域主要用来标识属于同一主帧的不同包分片的序号，以便接收站识别并 对其进行重组。它的两个子域为包分片序号和帧序号，分别用来标识包分片和帧。 2 2 5 c r c 校验域 该域内容为个3 2 - b i t 的校验值。 t2 堡堂焦迨塞矗速玉线屋堇圆尥型缒 2 38 0 2 1 1 基本存取方式 基本服务群( b s s ) 是无线局域网的基本单元，它采用分布式协调功能( d c f ) 和点 协调功能( p c f ) 两种媒质存取方式。协调功能决定b s s 内工作的个站，何时被允许 通过w m 发送或接收协议单元的逻辑功能。d c f 是8 0 2 1 lm a c 协议的基本媒体访问方 法，作用于基本服务群和基本网络结构中，可在所有站实现，它支持竞争型异步业务。 而p c f 可支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业务。多数情况下，p c f 只是作为d c f 的种可选方式，只在要发送音频和视频等限时信息时，才考虑激活它。两者的关系 如下图所示。 要求无竞争服务f 十 i i a c l 扩i 展i l ， 图2 3 18 0 2 1 1 基本存取方式结构 争服务 2 3 1 分布式协作功能( d c f