（通信与信息系统专业论文）关于80211协议的研究.pdf

啥尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 a t m 技术综合了电路模式和分组模式的优点，为各种业务的综合接入和 信息的高速传输提供了技术基础。随着移动通信的快速发展，人们期待能将 基于关纤的多媒体通信扩展到无信通信系统中，即实现无线多媒体技术一一 无线a t m 。 由于无线a t m 的结构和协议目前尚未有制定的标准，关于无线a t m 的 空中接口也没有具体的实现形式，因此当前如何实现无线a t m 的空中接口就 成为了一个急需解决的问题。由于无线局域网的飞速发展，w l a n 所支持的 传输速率也越来越高，这就为多媒体业务的传输提供了一个途径。本论文提 出将无线局域网技术用来解决无线a t m 的空中接口。 本论文首先介绍了无线局域网一些特点，如传输方式、网络拓扑、技术 要求以及与其他无线技术的比较，提出将8 0 2 1 1 以及8 0 2 1 1 b ( w i f i ) 应用于 无线a t m 的空中接口是比较合适的。其次采用单片机+ f p g a 结构实现了无 线局域网8 0 2 1 l 协议的m a c 层w e p 算法和物理屡功能，其中物理层主要集中 在基带部分。最后研究了从8 0 2 1 1 到8 0 2 1 l b 速率提高的关键技术一c c k ， 对其调制和解调的具体实现方式上进行了深入的探索，给出了加性高斯白噪 声信道下c c k 调制与解调的仿真结果，比较接近理论曲线。由此可见，关 于c c k 调制和解调的具体实现方式是切实可行的。 关键词；w a t mw l a n ；补码键控；8 0 2 1 1 ；8 0 2 1 l b 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ea t m s y n t h e s i z et h ea d v a n t a g eo f c i r c u i tm o d ea n dp a c k a g em o d ea n d b a s et e c h n o l o g yf o u n d a t i o nf o rs y n t h e t i ca c c e s so fv a r i o u sm u l t i m e d i as e r v i c e a n d h i g ht r a n s p o r t o fi n f o r m a t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，p e o p l en o we x p e c tt oe x p a n dt h eu s eo fa t m f r o mt r a d i t i o n a l - o p t i c a lf i b r ei n t ow i r e l e s s ，t h a ti sw a t m b u tu pt on o wt h e r ea r en os t a n d a r do nt h es t r u c t u r ea n d p r o t o c o lo fw a t m ， a l s ow eh a v en oi d e ao nh o wt or e a l i z et h em a t e r i a la i ra c c e s so fw a t m ，t h u si t s ar u s hp r o b l e mt os o l v et h ea i ra c c e s so fw a t m i nt h i sp a p e r , w eu s ew l a n t o s o l v et h ea i ra c c e s so f w a r m f i r s tw ei n t r o d u c et h ef e a t h e ro fw l a n ，e g t r a n s p o r tm o d e ，t o p o l o g y , t e c h n o l o g i c a ld e m a n d sa n ds oo n c o m p a r e dw i t ho t h e rw i r e l e s st e c h n o l o g y , 8 0 2 1 1a n d8 0 2 1 l ba r ef i tf o ru s i n gi nt h ea i ra c , c , e s so fw a t m t h e nw es t u d y t h e8 0 2 11 p r o t o c o la n d u s ef p g at or e a l i z et h ew e p a l g o r i t h mo f t h e m a c l a y e r a n df u n c t i o no ft h ep h yl a y e r , m a i n l yi nb a s eb a n d f i n a l l yw es t u d yt h e t e c h n o l o g y o f c o m p l e m e n t a r y c o d e k e y i n g ，i t sak e yt e c h n o l o g y t oi m p r o v et h e t r a n s t ) o r tr a t eo f8 0 2 1 1 t ot h a to f8 0 2 1 l b w er e s e a r c ht h em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o no fc c k a n du s em 盯l a bt os i m u l a t et h em a t e f i a lm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o no fc c ki na w g nc h a n n e l t h es i m u l a t i o nr e s u l ti ss i m i l a rt ot h e t h e o r e t i cc u r v e f r o m 也i sr e s u l t w ec a ns e ct h a tt h em e t h o dw eu s e dt or e a l i z e t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u la _ n o no fc c ki 5f e a s i b l e k e y w o r d s ：w a t m ，w l a n ，c c k ，8 0 2 11 ，8 0 2 1l b 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：墨垒竺： 日期：一严年7 1 月，毋日 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 在互联网蓬勃发展的同时，现有的电信网，如p s t n i s d n 网及其曰益 完善的支撑网( 如7 号信令网、智能网) ，现有的数据网( 如x 2 5 、d d n 、 f r 网) ，依然在各自的领域中发挥着重要作用。但现存的各种网络采用了最 适合某一特定业务的复用与交换体制及相应的通信协议，往往不能经济丽有 效地支持其它业务。这些相互独立的通信网用途各异、技术体制不同，重复 建设、经济性差，不便支持新业务，很难互连互通。鉴于这些网络将长期共 存，不可能在短期融合为单一的网络，人们将网络分为核心网( 或骨干网) 和接入网。暂时保留骨干网的多样性，首先实现包括多媒体业务在内的多种 业务的综合按入。因此，研究综合各种业务的接入网( 或称接入系统) ，首先 实现接入网的宽带化和综合化，是实现多网融合的一个中间步骤，对于网络 技术的发展和满足用户日益增长的需求都有重要意义。 a t m 技术作为一种新的复接分接、传输和交换技术，综合了电路模式 和分组模式的优点，为各种业务的综合接入和信息的高速传输提供了技术基 础。 宽带网络和无线通信是目前两大热门的研究方向，宽带网络以基于异步 传输模式( a t m ) 的平台为主导。随着人们对移动通信和便携式通信需求的 与日俱增，无线接入系统应该与a t m 主干网及智能网相结合，从而提供更 多的服务。无线a t m 就是在这样的背景下提出的，人们希望利用固定的a t m 网络高效的、宽带的、综合的传输性能承载便携式移动终端设备的无线接入， 从而可以拥有一个统一的传输平台实现各种类型( c b r 、v b r ) 和各种形 式( 有线无线、固定移动) 的灵活的( 不受任何时间，地域限制的) 信 息交换。正因为如此，无线a t m 己成为最近几年来的一个研究热点，并成 为能够支持移动通信的主要网络技术。 总的说来，采用无线a t m 技术的通信网络将具有如下优点： 支持话音、数据和图象等多种业务： 灵活的频带分配； 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 i i i i 多媒体信源的有效复用； 为有线用户和无线用户提供端到端的服务； 采用a t m 信元交换技术，速度快； 能方便的与b i s d n a t m 网络互连等。 1 1a t m 的基本特点 a t m 技术在传输和交换方面都采用了与传统技术不同的方式。在传输方 面采用了统计( 异步) 时分复用方式，信道带宽按需分配，信道利用率高， 能满足不同速率业务以及变速率业务的需求。在交换方面，a t m 继承了电路 交换和分组交换的优点，采用快速分组交换方式。所有信息在a t m 网中以 称为信元的固定长度分组传送，降低了交换结构和缓存器管理的复杂性，便 于用硬件实现交换功能，从而提高了交换速率，也便于实现业务综合，对支 持未来新业务的接入具有更强的适应性。它取消了传统分组数据网中的逐段 链路差错控制和流量控制，采用端到端差错控制和流量控制。这是由于采用 低误码率的光纤作为传输媒质，允许简化链路通信协议，从而降低了信元在 交换节点的处理时延。 a t m 采用面向连接方式，引入虚通路v c ( v i r t u a lc h a n n e l ) 的概念。虚 通路指的是a t m 的单向通信能力，类似于分组交换中的虚电路的概念。与 虚通路相关联的两个概念是虚通路链路和虚通路连接v c c ( v i r t u a lc h a n n e l c o n n e c t i o n ) 。虚通路链路是两个相邻a t m 结点间传递a t m 信元的单向通信 能力，用一个v p i + v c i 值来标识。级连的v c 链路组成v c c 。虚连接实质 上就是信源和信宿间的v c c 。v c c 有三种：一种称为永久( p e r m a n e n t ) v c c ， 一种为半永久( s e m i p e r m a n e n t ) v c c ，这两种连接可以通过网络管理功能 来修改；另一种为交换v c c ，通过信令系统建立。为方便对大量的虚通路进 行管理，将多个虚通路组成虚通道v p ( v i r t u a lp a t h ) ，同时定义了v p 链路 和v p c 两个概念。v p 链路是一束具有相同端点的v c 链路的集合，级连的 v p 链路组成v p c ，v p 链路用v p i 来标识。 a t m 的上述特点决定了a t m 在综合业务接入方面具有独特的优势。 哈尔滨二r ：程大学硕士学位论文 1 2 无线a t m 的基本概念 无线a t m 利用固定有线a t m 网作为骨干网，加上适当的无线控制挤议 后：使固定的a t m 网向无线延伸，使得各种移动终端也能通过无线连接与 其它移动终端固定终端进行通信。无线a t m 的基本概念于1 9 9 2 年提出， 目前已经被人们积极考虑把它作为下一代无线通信网的一种可能的框架结 构，以便支持具有一定业务质量的综合多媒体业务。 图1 1 无线a t m 系统结构参考模型 如图1 1 所示为无线a t m 系统结构参考模型。总的系统包括无线寻址接 入部分和固定网络部分。无线寻址接入部分由无线a t m 终端和无线a t m 终 端适配器组成：图中无线a t m 终端是终端用户设备，无线a t m 终端适配器 ( t a ) 是终端用户的无线a t m 网络接口，无线a t m 的无线端口是移动终端 到固定a t m 网络的无线接口，移动a t m 交换机是具有支持移动性能力的无 线接入交换机。无线a t m 无线端口作为a t m 级的网桥，还可以加入交换功 能，处理多个无线电台和网络端口。 无线a t m 的总目标是设计整体的无线业务网络，以相对透明的、无缝的、 有效的方式，提供基于光纤的a t m 网的无线业务延伸，可以同时满足人们对 于多媒体和移动性的业务需求。无线a t m 的结构和协议目前尚未有制定的标 准。目前a t m 论坛正在制定无线a t m 系统的标准，致力于制定a t m 网络中 的移动性控制和a t m 向移动设备的无线扩展等方面的标准。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 课题背景及主要工作简介 本课题来源于海军预研项目一一无线a t m 。由于无线a t m 的结构和协 议目前尚未有制定的标准，关于无线a t m 的空中接口也没有现成的标准，因 此当前如何实现无线a t m 的空中接口就成为了一个急需解决的问题。 基于光纤的a t m 网络最低传输速率是1 5 5 5 m b p s 。从目前的技术条件来 看，在无线信道上实现10 m b p s 以下的数据传送是可行的。近年来，随着无 线局域网技术的快速发展，w l a n 所支持的传输速率也越来越高。国际电联 出台了一系列关于w l a n 的协议，其中i e e e 8 0 2 1 1 是一个基本协议，是其 他w l a n 协议的基础。i e e e 8 0 2 1 l 定义了1 m b p s 和2 m b p s 的传输速率， i e e e 8 0 2 1 1 b 则可达到5 5m b p s 、l lm b p s 。在i s m 频段以2 m b p s 、5 5m b p s 、 1 lm b p s 速率传输已经成为事实，5 4 m b p s 的传输速率也即将实现。因此将无 线局域网技术应用于解决无线a t m 的空中接口无疑是一种很好的办法。 本课题就是将无线局域网技术用来解决无线a t m 的空中接口，由此展 开了对i e e e 8 0 2 1 l 协议的研究，所作主要工作如下： 1 在对i e e e 8 0 2 1 1 协议详细研究的基础上，采用f p g a 实现了无线局域 网8 0 2 1 1 协议的w e p 算法和物理层功能，并独立完成了整个系统的硬件制作 和软件调试工作。 2 研究了从8 0 2 1 1 到8 0 2 1 l b 速率提高的关键技术一- - c c k ( 卒t 码键控 调制) ，搞清了c c k 调制和解调的具体方法，并对c c k 这一核心技术进行了 m a t l a b 仿真，得出了仿真的误码率信噪比曲线图，与理论曲线相比比较 吻合。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线局域网综述 一般来讲，无线局域网是指采用无线传输媒体的计算机局域网。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数 据终端以及多媒体终端的广泛应用，为了实现任何人在任何时间、任何地点 均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线，由固定向 移动，由单一业务向多媒体发展，更进一步推动了无线局域网( w i r e l e s sl a n ， 简称w l a n ) 的发展。 通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆构成有线局域网。但有 线网络在某些场合要受到布线的限制，如：布线、改线工程量大：线路容易 损坏；网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点联接起来时， 敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长，对正在迅速扩大的 连网需求形成了严重的瓶颈阻塞。无线局域网( w l a n ) 就是解决有线网络以 上问题而出现的。 2 1 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。在采用无 线电波作为传输媒体的无线局域网依调制方式不同，又可分为扩展频谱方式 与窄带调制方式。 1 扩展频谱方式 在扩展频谱方式中，数字基带信号的频谱被扩展之后再搬移至射频发射 出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安 全性。由于单位频带内的功率降低，对其他电子设备的干扰也减小了。采用 扩展频谱方式的无线局域网一般选择所谓的i s m 频段，这里i s m 分别取自 i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i c 及m e d i c a l 的第一个字母。许多工业、科研和医疗设备 都使用该频段。欧美日等国家无线电管理机构分别设置了各自的i s m 频段， 哈尔滨 。挫大学颤十学位论文 例如美国的i s m 频段由9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，2 4 g h z 24 8 3 5 g h z ， 5 ，7 2 5 g h z 5 8 5 0 g h z 三个频段组成。如果发射功率及带外辐射满足美国联 邦通信委员会( f c c ) 的要求，则无需向f c c 提出专门的申请即可使用这些 i s m 频段。 2 窄带调制方式 在窄带调制方式中，数字基带信号的频谱不作任何韦r 展就被直接搬移到 射频发射出去。与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用 率高。采用窄带调制方式的无线局域网一般选用专用频带，需要经过国家无 线电管理部门的许可方可使用。当然，也可选用i s m 频段，这样可免去向无 线电管理委员会的申请。但带来的问题是，当临近的仪器设各或通信设备也 在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。 3 红外线方式 基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展。目前广泛使用的家电遥 控器几乎都是采用的红外线传输技术。作为无线局域网的传输方式，红外线 方式的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家 无线电管理委员会的限制。然而，红外线对非透明物质的透过性极差，这导 致传输距离受限。 2 2 网络拓扑 无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心或叫对等式( p e e r t op e e r ) 拓扑和有中心( h u b b a s e d ) 拓扑。图2 1 绘出了这两种拓扑结构。 图2 1 无线局域网之拓扑结构 喻尔滨工程大学硕士学位论文 1 无中心拓扑 无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。采用这种拓扑 结构的网络一般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信道接入 控制( m a c ) 协议大多采用c s m a ( 载波监测多址接入) 类型的多址接入协 议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。但当网中用 户数( 站点数) 过多时，信道竞争成为网络性能的要害。并且为了满足任意 两个站点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大。因此这种拓扑结构 适用于用户数相对较少的工作群网络规模。 2 有中心拓扑 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 的访问均由其控制。这样，当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性 能的恶化并不剧烈。由于每个站点只需在中，t 3 站覆盖范围之内就可与其他站 点通信，故网络中站点布局受环境限制亦小。此外，中心站为接入有线主干 网提供了逻辑接入点。有中心拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心站点的故障 容易导致整个网络瘫痪，并且中- t 3 站点的引入增加了网络成本。 在实际应用中，无线局域网往往与有线主干网络结合起来使用。这时， 中一t l , 站点充当无线局域网与有线主干网的转接器。 2 3 无线局域网的技术要求 无线局域网与以往的基于蜂窝电话网、专用分组交换网及其他技术的无 线计算机通信相比，有许多本质上的区别。首先无线局域网必须支持高速突 发数据业务，在室内使用时要解决包括多径衰落、相邻子网间串扰等问题。 下面我们列出无线局域网必须克服的技术难点。 1 可靠性 有线局域网的信道误比特率达l o 一，这样保证了通信系统的可靠性和稳 定性。无线局域网的信道误比特率应尽可能低。否则，当误比特率过高而又 不能被纠错码纠正时，该错误分组将被安排重发。这样，大量的重发会使网 络的实际吞吐性能大打折扣。 7 晗尔滨工程又学硕士学位论文 2 兼容性 对室内应用的无线局域网，应尽可能与现有有线局域网兼容，现有的网 络操作系统和网络软件应能在无线局域网上不加修改的正常运行。 3 数据速率 为了满足局域网的业务环境，无线局域网至少应具备1 m b p s 以上的数据 速率。 4 通信保密 由于无线局域网的数据经无线媒体发往空中，要求其有较高的通信保密 能力。无线局域网可在不同层次采取措施来保证通信的安全性。首先，采取 适当的传输措施。例如，采用扩展频谱技术，使盗听者难以从空中捕获到有 用信号。其次，为防止不同无线局域网间干扰与数据泄漏，需采取网络隔离 或设置网络认证措施。最后，在同一网中，应设置严密的用户口令及认证措 施，防止非法用户入网。还应设置用户可选的数据加密方案，即使信号被盗 听也难于理解其中的数据内容。 5 移动性 我们把无线局域网中的站分为移动站与固定站。其中移动站又分为全移 动站与半移动站两类。全移动站指在网络覆盖范围内该站可在移动状态下保 持与网络的通信。例如蜂窝电话网的移动站( 手机) 即是一种全移动站。半 移动站是指在网络覆盖范围内网中的站可自由移动，但仅在静止状态下才能 与网络通信。 6 节能管理 由于无线局域网要面向便携机使用，为节省便携机内电池的消耗，网络 应具有节能管理功能。即当某站不处于数据发送状态时，应使机内发送机处 于体眠状态，当要发送数据时，再激活收发机。 7 小型化、低价格 这是无线局域网能够实用并普及的关键所在。这取决于大规模集成电路， 尤其是高性能、高集成度技术的进步。可喜的是，目前3 g h z 以下砷化镓 m m i c ( 微波单片集成电路) 的技术已趋于成熟，已具备了生产小型、低价 格无线局域网射频单元的技术能力。 哈尔滨二 程大学硕士学位论文 8 电磁环境、无线电频段的使用规范 在室内使用的无线局域网，应考虑电磁波对人体健康的损害及其他电磁 环境的影响。无线电管理部门应规定无线局域网能够使用的频段，规定发射 功率及带外辐射等各项技术指标。 2 4 无线局域网的优势 w l a n 利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。w l a n 的数据传输速率现在已经能够达到1 1 m b p s ，传输距离可达数公里以上。它是 对有线连网方式的一种补充和扩展，使网上的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向题。 与有线网络相比，w l a n 具有以下优点： 1 安装便捷 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 的优势就是免去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 c c e s sp o i n t ) 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 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。 3 经济节约 由于有线网络缺少灵活性。这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率较低的信息点。而一旦网络的发展超 出了设计规划，又要花赞较多费用进行网络改造。而w l a n 可以避免或减少 以上情况的发生。 4 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 任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( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 无线局域网的应用环境 在国内，w l a n 的技术和产品在实际应用领域还是比较新的。但是，无 线由于其不可替代的优点，将会迅速地应用于需要在移动中连网和在网间漫 游的场合，并在不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供强大的网络支 持。特别是在以下一些行业中，w l a n 将会有更大的发展机会： 1 石油工业 无线局域网连接可提供从钻井台到压缩机房的数据链路，以便显示和输 入由钻井获取的重要数据。海上钻井平台由于宽大的水域阻隔，数掘和资料 的传输比较困难，敷设光缆费用很高，施工难度很大。使用无线局域网技术， 费用不及敷设光缆的十分之一，效率高、质量好。 2 医护管理 现在很多医院都有大量的计算机监护设备、计算机控制的医疗装最和药 品等库存计算机管理系统。利用w l a n ，医生和护士在设置计算机专线的病 房、诊室或急救中进行会诊、查房、手术时可以不必携带沉重的病历，而可 使用笔记本电脑、p d a 等实时记录医嘱，并传递处理意见，查询病人病历和 检索药品。 3 工厂车间 工厂往往不能敷设连到计算机的电缆，在加固混凝土的地板下面也无法 敷设电缆，空中起重机使人很难在空中布线，零备件及货运通道也不便在地 面布线。在这种情况下，应用w l a n ，技术人员在进行检修、更改产品设计、 讨论工程方案时可在任何地方查阅技术档案、发出技术指令、请求技术支援， 甚至和厂外专家讨论问题。 4 库存控制 仓库零备件和货物的发送、贮存注册可以使用无线链路直接将条形码阅 览器、笔记本计算机和中央处理计算机连接，进行清查货物、更新存储记录 和出具清单。这同时也适合于超市管理之中。 5 展览和会议 在大型会议和展览等临时场合，w l a n 可使工作人员在极短的时间内， 晗尔滨工程大学硕士学位论文 方便地得到计算机网络的服务，和i n t e m e t 连接并获得所需要的资料，也可 以使用移动计算机互通信息、传递稿件和制作报告。 6 金融服务 银行、证券和期货交易业务可以通过无线网络的支持将各机构相连。即 使已经有了有线计算机网络，为了避免由于线路等出现的故障，仍需要使用 无线局域网做备份。在证券和期货交易业务中的价格信息变化极为迅速频繁， 利用手持通信设备输入信息，通过计算机无线网络迅速传递到计算机、报价 服务系统和交易大厅的显示板。管理员、经纪人和交易者可以迅速利用信息 进行管理或利用手持通信设备直接进行交易。避免了由于手势、送话器、人 工录入等方式而产生的不准确信息和时间延误所造成的损失。 7 旅游服务 旅馆采用w l a n ，可以做到随时随地为顾客进行及时周到的服务。登记 和记账系统一经建立，顾客无论在区域范围内的任何地点进行任何活动，比 如在酒吧、健身房、娱乐厅或游泳池进行消费，都可以统一进行结算。 8 在野外勘测、矿山、港口码头等领域无线局域网也会得到很好的应用。 2 6 无线局域网系列标准介绍 无线局域网的研究从8 0 年代开始，到9 0 年代末趋于自热化，国际上出 现了多种无线局域网标准，如i e e e 的8 0 2 1 1 家族，由爱立信、诺基距等五 家公司推出的蓝牙( b l u e t o o t h 技术以及家庭网络的h o m er f 和欧洲的 h i p e r l a n 等。下表2 1 列出了各项无线局域网标准的性能对比 表2 1 各项无线局域网标准性能比较 8 0 2 1 l8 0 2 1 l b8 0 2 1 l ab l u e t o o t hh o m e r f 频率 2 4 g h z2 ，4 g h z5g h z2 4 g h z2 ，4 g h z 可达1 1可达5 4可增至1 1 带宽 l 2 m b p st 2 m b p s m b p sm b p sm b p s 功率增加 距离1 0 0 m5 - - 1 0 k m1 0 m1 0 0 m 可扩展 数据图像数据图像 业务数据数据语音数据 语音语音 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 8 0 2 1 1 是1 9 9 7 年i e e e 最初制定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 存取，速率最高只能达到2 m b p s 。目前，3 c o m 等公司都有基于该标准的无 线网卡。由于8 0 2 1 l 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 l b 和8 0 2 ，l l a 两个新标准。三者之阳j 技术上的差别 在于m a c 子层和物理层。 8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频带，物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层可达 2 5 m b p s 。它采用币交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术；可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接i z l ；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。 8 0 2 1 l b ( w i f i ) 物理层支持5 5m b p s 和1 1m b p s 两个新速率。8 0 2 1 1 标准在扩频时是一个1 l 位调制芯片，而8 0 2 1 1 b 标准采用一种新的调制技术 c c k ( b 偿编码键控) 完成。8 0 2 1 1 b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在1 l m b p s 、5 5m b p s 、2m b p s 、lm b p s 之间切换，且在2 m b p s 、1m b p s 速率时 与8 0 2 1 1 兼容。 欧洲电信标准协会( e t s i ) 正在制定的h i p e r l a n 标准，作为“宽带无 线接入网”计划的组成部分。所制定的标准有4 个：h i p e r l a n l 、h i p e r l a n 2 、 h i p e r l i n k 和h i p e r a c c e s s ：其中h i p e r l a n l 和2 用于高速无线l a n 接入， h i p e r l i n k 用于室内无线主干系统，h i p e r a c c e s s 用于室外对有线通信设施提 供固定接入。 蓝牙和h o m er f 都属于家庭无线局域网的范围。蓝牙( i e e e s 0 2 1 5 ) 是一项最新标准，对于8 0 2 1 l 来说，它的出现不是为了竞争而是相互补充。 蓝牙比8 0 2 1 1 更具移动性，比如，8 0 2 1 1 限制在办公室和校园内，蓝牙能把 一个设备连接到l a n 和w a n ，甚至支持全球漫游。此外，蓝牙成本低、体 积小，可用于更多的设备。但是，蓝牙主要是点对点的短距离无线发送技术， 本质上要么是r f 要么是红外线。而且，蓝牙被设计成低功耗、短距离、低 带宽的应用，严格来讲，不算是真正的局域网技术。相对于8 0 2 1 1 蓝牙实用 化进程太慢，和它同时代的8 0 2 1 l 已经大规模生产并开始降低成本了，而蓝 牙的产品才逐渐进入市场。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h o m er f 主要为家庭网络设计，是i e e e 8 0 2 “与d e c t ( 先进数字式无 线通讯系统) 的结合，旨在降低语音数据成本。h o m er f 也采用了扩频技术， 工作在2 4 g h z 频带，能同步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 的 传输速率只有l 2 m b p s ，f c c 建议增加到1 0 m b p s 。 2 7 本章小结 本章简要介绍了无线局域网基本概念，传输方式，拓扑结构，技术要求， 应用环境以及这一技术的优势。最后介绍了几种目阿热门的无线局域网技术， 并将他们进行性能比较，综合起来看，8 0 2 t l 以及8 0 2 1 l b ( w i f i ) 还是优 于其它技术，这也是本文的研究重点所在。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章无线局域网标准 3 1ie e e 8 0 2 协议标准系列 i e e e 8 0 2 系列协议由i e e e8 0 2 标准委员会制定。白1 9 8 0 年成立该委员 会以来，已经提出了一系列关于局域网的标准，如i e e e 8 0 2 x 和j t c i 等。 i e e e s 0 2 包括的一系列标准的结构如图3 1 所示，由于介质访问控制、 介质和拓扑结构间的相互独立性，8 0 2 标准的m a c 和物理层被分在不同于l l c 的一组标准当中。 j i e e e 8 0 2 2 逻辑链路控制( l l c ) 嵝 瞪 j j 辔 垛 型 h 寒 o 巅 jl 一 m a c 1r 1f i e e e 8 0 2 3i e e e 8 0 2 4i e e e 8 0 2 5i e e e s 0 2 1 1j 皑 i 载波侦听令牌总线令牌环无线局域网 i 噬 p h y 娥 到 窃 霎 1r。1一 图3 1i e e e 8 0 2 1 l 协议体系 i e e e 8 0 2 系列标准包括以下内容： 1 i e e e 8 0 2 1 ：包括g l o s s a r y 、n e t w o r km a n a g e m e n t 、i n t e r n e t w o r k i n g 等内容，这些文件加上i e e e 8 0 2 概述和结构，构成了i e e e8 0 2 标准的工作范 围。 2 i e e e 8 0 2 2 ：主要定义逻辑链路控制( l l c ) ，该标准定义了o s i 第二 层和所有i e e e 8 0 2 局域网类型的差错控制等。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 i e e e 8 0 2 3 ：定义了c s m a c d 接入方法，定义了广为使用的1 0 、1 0 0 和1 0 0 0 m b i t s 的以太网异步协议，用于双绞线、同轴电缆和光纤。 4 i e e e 8 0 2 4 ：提出了一个总线拓扑结构的令牌控制协议，可以嵌入其 他网络系统。 5 i e e e 8 0 2 5 ：定义了在环行拓扑结构上使用的令牌控制协议，是速率 为4 和1 6 m b i t s 的同步协议。 6 i e e e 8 0 2 1 0 ：提供安全保密访问方法和物理层的规范，既为有线以太 网又为无线局域网提供了安全保障。 7 i e e e 8 0 2 1 1 ：定义了无线局域网的访问方法和物理层规范。 3 2i e e e 8 0 2 11 无线局域网的构成 i e e e 8 0 2 1 l 把孤立使用的无线局域网称作自组无线局域网( a d h o c n e t w o r k ) ，而把互连使用的无线局域网称为多区无线局域网( i n 丘a s t r u c t u r e n e t w o r k ) 。自组无线局域网可以是多区无线局域网的组成部分。 在i e e e 8 0 2 1 1 标准中，把连接在网中的设备称为站( s t a t i o n ，s t a ) 。一 般地，一个站是指包含了一个能与无线媒体相连的遵循i e e e 8 0 2 1 1m a c 和 物理层协议的设备。一个站可以是台式计算机、笔记本电脑，也可以是其它 智能设备，例如个人数字助理( p d a ) 、智能控制装置等。 1 基本服务组( b s s ) l e e e 8 0 2 1 l 拓扑结构由许多组件组成，它们相互作用提供一个无线 l a n ，能使站点的移动性对高层协议透明。8 0 2 1 1 标准支持两种拓扑结构： 独立基本服务组( i b s s ) 网络和扩展服务组( e s s ) 网络。这些网络使用一 个基本构件块i e e e8 0 2 1 1 标准称其为基本服务组( b s s ) ，它提供一个覆 盖区域，使b s s 中的站点保持充分的连接。一个站点可以在b s s 内自由移 动，但如果它离开了b s s 区域就不能直接与其他站点建立连接了。下面给出 i b s s 网络的拓扑结构，如图3 2 所示：i b s s 是一个独立的b s s ，它没有中 枢链路基础结构，至少包括两个无线站点，因为它不需要太多规划就能被快 速建立，所以这类网络常常被称为特别网络( a d - - h o c ) ，特别网络能基本满 足控制一个较小区域( 如一个房间、一个销售楼层) 的用户需求。 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 图3 2 基本服务组 2 分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 为了满足跨越i b s s 范围限制的要求，8 0 2 1 l 详细介绍了e s s ( 扩展服 务组) 一l a n ，该配置满足了大小任意、复杂度高的大范围覆盖网络的需要。 如图3 3 所示，这样一个由a p 在e s s 内使b s s 相互连接的系统被成为分布 式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) ，分布式系统通过提供逻辑服务支持8 0 2 1 1 的移动性，逻辑服务在处理地址到目的地的变换和多重b s s 的无缝连接是必 要的。a p 是一个可设置地址的站点，它提供接口到分布式系统，以便将位 于各独立b s s 内的站点连接起来。单独的b s s 和e s s 网络对l l c 层是透明 的。 图3 3 扩展服务组 哈尔滨。= 程大学硕士学位论文 3 端口( p o r t a l ) 为了将i e e e 8 0 2 1 1 结构同传统的有线局域网结合起来，8 0 2 1 1 协议还 引入了端口( p o r t a l ) 的概念。端口是一个逻辑点，它可以为非8 0 2 1 1 协议 局域网的数据包进入i e e e 8 0 2 1 1 分布式系统提供一个逻辑入口。从图3 4 可以看出，所有的数据从非8 0 2 11 协议局域网进入i e e e 8 0 2 。1 l 网络都必须 经过端口。端口提供了i e e e 8 0 2 1 1 结构和现有网络之间的逻辑集成。由一个 设备同时扮演a p 和端口的角色也是可能的。 图3 4 同其他i e e e 8 0 2 网络的连接 3 3 逻辑服务接口和逻辑服务 3 3 1 逻辑服务集 关于分布式系统的实施，不管他是否同现有的有线网相统一，或是采取 何种拓扑结构，并没有作明确的规定。但是，i e e e 8 0 2 11 定义了同无线局域 网结构中元件相联系的服务。目前有两种i e e e 8 0 2 i 1 服务类型：站点服务 ( s t a t i o ns e r v i c e ，s s ) 和分布式系统服务( d i s t r i b u t i o ns y s t e ms e r v i c e ， d s s ) 。这两种类型的服务都被m a c 子层采用。 1 7 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 一个完整的i e e e s 0 2 1 1 结构服务集包括如下内容： a ) 认证 b ) 连接 c ) 去除认证 d ) 去连接 e ) 分布 f ) 集成 g ) 加密 h ) 重建连接 i 1m g d u 传递 这个服务集可以划分为两组；一组是跟站点相关的部分，另一组则是与 分布式系统相关的部分。 1 站点服务 站点服务是由i e e e 8 0 2 1 1 中各站点提供的，如图3 5 中单箭头所指，它 包括以下内容： a )认证 b ) 去除认证 c ) 加密 d 1m s d u 传递 2 分布式系统服务 同样的该项服务是由分布式系统提供的，在图3 5 中我们可以看到，分 布式系统服务是在接入点a p 中的双向箭头，也包括端口，这暗示着这些服 务是穿越媒介和地址空间的，而且是双向的。 a ) 连接 b ) 去连接 c ) 分布 d ) 集成 e ) 重建连接 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 2 逻辑服务详述 i e e e 8 0 2 1 l 定义了9 种服务其中6 种用来支持站点之间的m s d u 传递， 3 种用来控制i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网的接入和加密。这一部分将会讲述这些 服务是怎样使用的，每种服务又是如何与其他服务发生联系的。总的说来， 每种服务都是由个或是多个m a c 帧类型来支持的。m a c 帧有三种类型：管 理帧，数据帧，控制帧。有的服务由m a c 管理帧支持，有的由m a c 数据帧支 持，控制帧又是用来帮助管理帧和数据帧的传递的。这里以一个e s s 网络环 境为例进行介绍，参见图3 5 。 图3 5 逻辑服务示意图 1 ) 认证 在有线网中，物理上的连接性就保证了非授权用户不能接入网络。但在 无线局域网中，由于无线介质的开放性，这样安全问题就变的很突出。 i e e e 8 0 2 1 1 通过认证服务可以控制非授权用户不能接入局域网。所有8 0 2 1 l 站点，不管他们是独立的b s s 网络还是e s s 网络的一部分，在与另一个想要 进行通信的站点建立连接之前，都必须利用认证服务。执行认证的站点发送 一个管理认证帧到相应的站点。如果这样一个双向的认证没有在收发站点之 间建立，双方是不能建立联系的。i e e e 8 0 2 1 l 标准详细规定了开放系统认证 1 9 啥尔滨工程大学硕士学位论文 和共享密匙认证两种认证服务。在开放系统认证中，所有站点都可以成为授 权的，后续文章会继续介绍。在共享密匙认证中，站点通过密匙的共享，执 行有线等价保密( w