（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的无线组网技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们对宽带无线通信需求的不断增加，无线局域网己迅速地发展成 为计算机网络技术的一个重要研究分支。i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准的成 功制定和不断改进，使其应用领域得以快速拓展。 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分多路复用) 是一种特殊的多载波传输方式，由于它使用一系列低速子载波并行传输数 据，使得传输速率得到大幅度提高。1 9 9 8 年7 月，o f d m 技术正式被i e e e 标准组确定为i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层调制方法，使得无线局域网数据传输速率 由1 1 m b p s 提高到5 4 m b p s ，性能得到明显改善。同时该标准是第一个将 o f d m 技术应用于包传输通信中的i e e e 标准( 在该标准提出以前，o f d m 的使用通常局限于连续传输系统中) 。 本文中，作者首先介绍了无线局域网的技术特点和典型应用，分析了 其拓扑结构、网络配置功能等。描述了8 0 2 1 1 协议介质访问控制层和物理 层的操作及帧结构。接着，作者论述了o f d m 的基本原理，以及如何用基 于f f t 和i f f t 的技术实现o f d m 系统。通过m a t l a b 软件对o f d m 系 统进行了仿真分析，研究了调制映射，保护间隔和子载波对o f d m 系统的 影响。这在实际o f d m 系统设计的过程中非常重要。 本文还提出了采用b r o a d c o m 芯片的无线a p ( a c c e s sp o i n t ) 硬件解决 方案，并详细说明了其中的一些主要芯片功能结构。同时对该无线a p 在连 接无线之间客户端，无线与有线客户端及穿透性方面的性能进行了测试。测 试结果表明，与直序扩频系统相比，o f d m 系统在数据传输速率、稳定性 和可扩展性等方面具有十分明显的优势。 关键字：无线局域网、o f d m 、无线接入点 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sl a nh a sb e e nd e v e l o p e di n t oo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t so f t h e c o m p u t e rn e t w o r kr e s e a r c hw i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o rb r o a d b a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i ti st h es u c c e s s f u le s t a b l i s h m e n ta n dc o n s e c u t i v e d e v e l o p m e n to f i e e e s 0 2 1 1p r o t o c o lt h a tc a u s e sw l a nb e c o m eh er e l i a b l ea n d f l e x i b l en e t w o r kc o n n e c t i o ns c h e m ei nt h ep l a c e sw h i c hc a nn o tb ea c c e s s e db y w i r e dn e t w o r k o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sas p e c i a lc a s eo f m u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o n ，i nw h i c has i n g l eh i g hr a t ed a t a s t r e a mi st r a n s m i t t e d u s i n g an u m b e ro fl o w e rd a t ar a t e s u b c a r r i e r s i n j u l y 19 9 8 t h ei e e e s t a n d a r d i z a t i o ng r o u ps e l e c t e dt h eo f d mm o d u l a t i o nt e c h n i q u ef o rt h e i rn e w i e e e 8 0 2 1 1a s t a n d a r d ，t a r g e t i n g d a t at r a n s m i s s i o nf r o m1 1 u p t o5 4 m b p s m e a n w h i l e ，t h i sn e w i e e es t a n d a r di st h ef i r s to n et ou s eo f d mi np a c k e t b a s e dc o m m u n i c a t i o n s ( b e f o r et h ep r o p o s a lo ft h i ss t a n d a r d ，u s eo fo f d mw a s l i m i t e dt oc o n t i n u o u ss y s t e m s ) i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rf i r s t l yp r e s e n t st h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e t y p i c a la p p l i c a t i o no f 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 ) ，a n a l y z e s i t st o p o l o g y s t r u c t u r e ，t h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n de t c t h e nt h e a u t h o ri l l u s t r a t e st h e m e d i aa c c e s sc o n t r o la n dt h eo p e r a t i o na n df r a m es t r u c t u r eo f p h y s i c a ll a y e r c o n s e q u e n t l y , t h ea u t h o rp r e s e n t st h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d m ，a n d t h ep r o c e s s h o wt ou t i l i z et h ec e r t a i nt e c h n o l o g yb a s e do nf f t & i f f tt or e a l i z et h eo f d m s y s t e m t h r o u g ht h es i n m l a t i o na n a l y s i so fo f d ms y s t e mb ym a t l a b ，t h e a u t h o rp r o b e si n t ot h ei n f l u e n c ef r o mm o d u l a t i n gr e f l e c t i o n ，p r o t e c t i o ni n t e r v a l a n ds u b c a r r i e rw a v eo no f d ms y s t e m ，w h i c hi s q u i t es i g n i f i c a n t t ot h e d e s i g n i n gp r o c e s so f o f d m s y s t e m f u r t h e r m o r e ，i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra d v o c a t e st h a tt h ew i r e l e s sa p h a r d w a r eo fb r o a d c o mc h i pi sb ea d o p t e da st h es o l u t i o n a n dt h e nt h ea u t h o r h i g h l i g h t si nd e t a i lt h ef u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e so f s o m eo ft h em a j o rc h i p s t h e s a l d _ et i m et h ea u t h o rm a k e st e s t so dt h ew i r e l e s sa p p r o p e r t i e so f t h ec o n n e c t i o n t l 武汉理工大学硕士学位论文 a n di t s p e n e t r a t i n ga m o n g t h ew i r e l e s sc l i e n t s ，o rb e t w e e nt h ew i r e l e s sa n dt h e w i r ec l i e n t s t h er e s u l t so ft h et e s t i n gp r o v et h a tt h es y s t e mc o m p a r ew i t hd s s s t a k e sg r e a ta d v a n t a g e so v e ro t h e r so nt h ea s p e c t so ft h er a t eo f t r a n s m i t t i n gd a t a ， i t ss t a b i l i z a t i o na n di t sp o s s i b i l i t yo f e x p a n d i n g k e y w o r d s ：w l a n 、o f d m 、w i r e l e s s a c c e s sp o i n t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 人类社会已经进入了崭新的信息时代，在各种各样的信息技术中，信息 的传输手段，即通信技术起着越来越重要的作用，正在为整个社会的信息化 提供有力的技术保障。在过去的几十年中，通信技术取得了巨大的发展，各 种通信手段和通信方式层出不穷。然而人类的追求总是无止境的，对通信的 需求也越来越高，这也推动着现代通信技术的飞速发展。 在所有的通信方式中，个人通信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ) 足人们追 求的终极目标，它是指任何人在任何时间和任何地点可实现和任何人进行任 何种类的信息交换。个人通信系统的研究与应用包括两个大的方面：一是骨 干网络，另一个是网络接入系统。无线局域网( w l a n ) 是实现个人通信接入 系统的重要方式。也是实现移动计算机网络的关键技术之一。它实现移动计 算机网络中移动站的物理层和链路层的功能，为移动计算机网络提供必要的 物理接口。无线局域网既有有线局域网较高的传输速率，又有无线网络的移 动连接能力，另外它还具有无需布线，组网灵活等特点，这尤其适用于现代 室内办公环境下的应用。随着信息时代的到来，越来越多的人要求能够随时 随地的接收各种信息，因而对于从移动体访问局域网的要求就更加迫切，因 此无线局域网的发展将具有重要的意义“1 。 无线局域网是九十年代计算机技术和通信技术发展结合的产物。最刨阶 段的无线局域网主要是为了克服地理障碍和免去布线的繁琐，使网络的安装 更加方便，而网络中接点的移动能力并不重要。但随着后期便携式计算机的 普及和多媒体移动终端的出现，人们对通信的需求开始出现了巨大的变化， 无线局域网也因此得到了迅猛的发展，无线局域网作为宽带接入方式的一种 以其高速和有线局域网所没有的灵活正越来越受到人们的青睐。 世界上第一个试验性无线局域网是1 9 8 7 年建立的，随后在医疗、零售、 机场等地方相继应用，但当时各厂商的无线局域网不能互联，于是1 9 9 0 年1 1 月i e e e 成立委员会，着手制定无线局域网标准，并于1 9 9 7 年6 月制定出全 i 武汉理工大学硕士学位论文 球第一个无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l ，从而使不同供应商的产品具有了互 操作性。目前1 m b i t s 和2 m b i t s 的无线局域网技术和产品已相当成熟，整个 系统的实现成本也正逐年下降。但与以太网相比，无线局域网较慢的数据传 输速率成为其迸一步发展的瓶颈。为此，i e e e 小组又相继推出了新的高速标 准8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 。在2 0 0 3 的上半年又推出了相当于前两者的混合标 准8 0 2 1 l g 。这些标准的通过，进一步推动了无线局域网的发展。目前无 线局域网仍处于众多标准共存时期。每一个标准的背后都有大公司或大集团 的支持。在美国和欧洲，形成了几个互不相让的高速无线标准。8 0 2 1 l ( 也 称为w i f i ) 由3 c o m 、l u c e n t 、a p p l e 、c i s c o 等公司支持，这个标准目前在 北美非常流行，是市场上最流行的技术；与其竞争的标准是由i n t e l 、p r o x i m 、 m o t o r o l a 、c o m p a q 支持的h o m e r f 标准，这个标准最初是设想面向家庭组 网的无线互连方案，但它的速度比不上8 0 2 1 l b ，同时受到蓝牙协议的竞争， 所以在无线局域网中很难有很好的发展：欧洲电信标准委员会也创建了一个 很有竞争力的标准h i p e r l a n 2 ，其工作在5 g h z ，速率可达5 4 m b p s ，爱立 信公司是主要的支持者，目前欧洲普遍采用h i p e r l a n 2 标准。美国i e e e 创建了的高速无线标准8 0 2 11 a ，比8 0 2 1 1 b 技术快了近5 倍，这个标准最 快速度达到5 4 m b p s ，但由于和8 0 2 1 1 b 协议工作在不同的频段，所以在市 场的成功还需要一段时间的检验：混合标准8 0 2 1 1 9 是最有希望的标准，它 既能适应传统的8 0 2 1 1 b 标准，在2 4 g h z 频率上提供每秒1 1 m b i t s 的数据 传输率，同时也符合8 0 2 1l a 标准提供的5 4 m b i t s 数据传输率，它的前景被 一致看好。目前在中国市场推广得比较成功的无线局域网产品，如c i s c o 和 3 c o m 的产品均支持8 0 2 “协议”1 1 。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 目前无线局域网关键技术仍然被参与制定8 0 2 1 l 协议的几个国外大公 司所控制，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 m l 、p r i s m2 、p d s m2 5 这三种无线局域网解决方案，其中p r i s m1 主要是基 于早期的8 0 2 1 l 协议，而后两套解决方案则支持8 0 2 1 l b 协议，它采用 c c k ( c o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e sk e y i n g ) 调制技术，具有良好的抗多径干扰性 能。i n t e r s i l 公司提供了从m a c 接口到r f 的全套无线局域网解决方案，国 武汉理工大学硕士学位论文 内外无线局域网厂商的产品几乎都采用i n t e r s i l 的芯片。现在越来越多的通 信公司也推出了基于8 0 2 1 t b ，a ，g 的m a c 接口芯片，如：a t m e l 、b r o a d c o m 公司。一些台湾公司融合该芯片和i n t e r s l l 公司的基带处理芯片集成m 一种 u s b 接口无线网卡和a p 解决方案，由于它的销售价格相对较低，有一定的 市场占有率。一些日本公司也推出了无线局域网产品，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 ( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 调制并用无线发射出去，该类产品并不支持 8 0 2 11 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，我国早期研制出基于自主技术的无线局域网产品接入速率低 且不兼容8 0 2 1 l 协议。在i e e e 8 0 2 1 l a ，b ，g 协议相继推出后，更强调不同 无线局域网产品之间的兼容性，所以些边缘产品就自然消失了。现在，国 内的一些比较著名的i t 企业如联想、上海贝尔、华为、中兴等也纷纷推出 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在于它可以容易 的与其他一些传统的i t 产品融合，从而形成种适合高速移动接入的新型 网络产品。例如美国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的感觉。而要开发这些基于 8 0 2 1 l 协议族的集成产品，一个前提就是必须真正意义上掌握现在的无线 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参与新一代标准的制定。 从无线局域网的发展趋势来看，尽管目前8 0 2 1 l b 已经成为无线局域网 的主流标准，被多数厂商所采用。但不可否认，许多新的无线局域网标准正 在崭露头角，其中8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 更加倍受关注。许多公司也推出了基 于此无线标准的芯片。尤其是8 0 2 1 l g 标准的出现，由于其兼容性比较强， 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：美国的 b r o a d c o m 公司就开发出了一套8 0 2 1 1 9 的芯片，并可以兼容8 0 2 1 1 b 标准a 尽管许多厂商已研制出基于8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g 标准的无线局域网芯片组， 但是它们离大规模实用的要求还有一定的差距。这两种标准的核心是o f d m 3 武汉理工大学硕士学位论文 调制技术，而o f d m 调制技术在实际应用中本身就存在着峰值功率大、定 时同步难和信道估计复杂等问题，所以基于o f d m 调制的无线局域网设备 要求核心调制芯片必须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。另外由于8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 标准工作在不同的频率， 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，有必要考虑开发同时支持8 0 2 1 l b 、a 、g 的单频双模或双频多模芯片。1 。 1 3 本论文的内容及结构安排 1 3 1 论文研究内容 本文主要研究8 0 2 1 1 体系无线局域网的网络结构和其物理层实现方 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p h y 层。对于8 0 2 1 1 协议体系来说，现在的三个标 准的m a c 层定义基本上是一致的；因为考虑到很大程度上与原来的有线局 域网m a c 层保持兼容。所以在有线局域网m a c 层标准的基础卜8 0 2 1 1 协 议体系的m a c 层增加了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 sw i t h c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 、存取方式、保密性、漫游、节点等支持无线联网的 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，以满足无线传输数掘在物理层以上透明传输的要求。本文的前一部 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 l m a c 层和p h y 层的数据帧结构。随后分析了o f d m 调制技术的基 本原理及系统仿真。在此基础上重点介绍了基于b r o a d c o m 芯片的8 0 2 1 1 无线局域网接入点无线模块的硬件结构，并对其性能进行测试，分析了测试 结果。 1 3 2 论文结构安排 第一章主要介绍了论文的课题背景，论文的主要工作和论文内容的大致安 排。 第二章详细介绍了无线局域网的特点，无线局域网目前的市场应用，目前 存在的问题和8 0 2 1 1 体系无线局域网协议所定义的介质访问控制 4 武汉理工大学硕士学位论文 层功能、物理层功能及数据帧结构。 第三章介绍了o f d m 的基本理论及主要技术，给出了o f d m 系统的仿真 模型，通过分析仿真结果讨论了o f d m 系统中各个因素对其性能的 影响。 第四章主要从理论上分析了无线a p 中的两大模块通信模块，嵌入式 通信控制模块的硬件构造及主要芯片的功能结构。 第五章介绍了基于o f d m 无线a p 的性能指标，对无线a p 从无线到有线 网络客户端、无线到无线客户端、8 0 2 1 l b g 混合模式及穿透性方面 的t c p 传输性能进行了测试，并分析了测试结果。 第六章对本文的工作进行了总结，并对后续工作做了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章i e e e 8 0 2 11 无线组网技术规范 2 。1 无线局域网简介 2 1 1 无线局域网技术特点 无线局域网作为宽带接八方式的一种，具有许多显著的特点。本章将从 传输方式、网络拓扑、网络接口三个方面来进行讨论”1 ： 1 传输方式 传输方式涉及无线局域网采用的传输介质、选择的频段。目前无线局域 网采用的传输介质主要有两种：微波与红外线。采用微波做为传输介质的无 线局域网可分为扩频方式与窄带调制方式。大多数的w l a n 产品都采用了 扩频技术。在扩频方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几倍至几十倍再被 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，对其它电子设备的干扰 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 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 医疗设备辐射的能量集中于该频段。欧美日等国家的无线管理机构分别设置 了各自的i s m 频段。例如美国的i s m 频段由9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 、2 ，d g h z 2 4 8 4g h z 、5 7 2 5g h z 5 8 5 0o h z 三个频段组成。基于红外线的传输技 术最近几年有了很大的发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外 线传输技术。做为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是它不受 无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线管理委员会的限制。然而，红外 线对非透明物体的透过性极差，对无线局域网传输距离有致命限制。 2 网络拓扑 无线局域网的拓扑结构可归纳为两类：无中心或对等式( p e e r t o p e e r ) 拓扑和有中心( h u b - - b a s e d ) 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，而媒体访问 控制( m a c ) 协议大多采用载波侦听多址( c s m a ) 类型的多址接入协议。 武汉理工大学硕士学位论文 这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。但当无线网络中 站点数过多时，信道竞争成为限制网络性能的瓶颈。因此这种拓扑结构受布 局和环境限制较大，适用于用户数相对较少的工作群。 在有中心拓扑结构中，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。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心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故 网络中心点布局受环境限制较小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一 个逻辑接入点。而采用有中心网络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，并且中一t l , 站点的引入增加了网络的成奉。证实 际应用中，无线局域网往往与有线主干网结合使用。这时，中心站点充当无 线局域网与有线主干网间的转接器。 3 网络接口 网络接口一般是指无线局域网中站点从哪一层接入网络系统。通常网络 接口选择在0 s i 参考模型的物理层或数据链路层。选用物理层接口即用无 线信道替代通常的有线传输，而物理层以上各结构层保持不变。这样做的最 大优点是上层的网络操作系统及相应的驱动程序可不做任何修改。这种接口 方式一般应用于有线局域网的集线器和无线转发器，以实现有线局域网间互 联或扩大有线局域网的覆盖范围。 另一种接口方法是从数据链路层接入网络。这种接口方法并不沿用有线 局域网的m a c 协议，而采用更适合无线传输环境的m a c 协议。在实际中， m a c 层及其以下层对上层是透明的，配置相应的驱动程序来完成与上层的 接口，这样可保证现有的有线局域网操作系统或应用软件可在无线局域网上 正常运行。目前，大部分无线局域网厂商都采用数据链路层接口方法。 2 1 2 无线局域网的市场应用 无线局域网因为其不可替代的优点，迅速地应用于需要在移动中联网和 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。其主要应用于以下领域”1 ： 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，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 7 武汉理工大学硕士学位论文 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。 金融服务：银行和证券、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，为了避免由于线路等出现的故障，仍 需要使用无线计算机网做备份。在证券和期货交易业务中的价格以及“买” 和“卖”的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 机无线网络迅速地传递到计算机、报价服务系统和交易大厅的显示板，使管 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、人工录入等方式产生的不准确信息 和时间延误所造成的损失。 石油工业：无线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，数据 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w l a n ， 费用不及敷设光缆的1 1 0 ，效率高，质量好。 医护管理：现在很多医院都有大量的计算机病人监护设备、计算机控制 的医疗装置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，在进行会诊、查房、手术时可以不必 携带沉重的病历，可以使用笔记本电脑、p d a 等实时记录医嘱，传递处理 意见，查询病人病历和检索药品。 工厂车间：在工厂的车间里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 ，技术人员可以 进行检修、更改产品设计、讨论工程方案，并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。 库存控制：仓库零备件和货物的发送以及储存注册，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。 旅游服务：旅馆采用w l a n ，可以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、娱乐厅或餐厅等，都可以通过服务员的手持通 信终端来更新记账系统，而不必等待复杂的核算系统的结果。 8 武汉理工大学硕士学位论文 移动办公系统：在办公环境中使用w l a n ，可以使办公用计算机具有 移动能力，在网络范围内可实现计算机漫游。各种业务人员、部门负责人和 工程技术专家，只要有移动终端或笔记本电脑，无论是在办公室、资料室、 洽谈室，甚至在宿舍都可通过w l a n 随时查阅资料、获取信息。领导和管 理人员可以在网络范围的任何地点发布指示，通知事项，联系业务。也就是 说可以随时随地进行移动办公。 2 1 3 无线局域网目前存在的问题 无线局域网虽然有许多优点，但在应用中还存在着很多问题，其主要问 题如下呻3 ： ( 1 ) 可靠性问题：有限局域网的信道误比特率达1 0 ，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。据实验数据表明：如系统分 组丢失率小于1 0 一，可以保证较满意的网络性能。 ( 2 ) 兼容性问题：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 ) 安全保密问题：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，应设罱严 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。 ( 4 ) 节能管理问题：由二f 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。即当某站不处在数据收发状态 时，应使机内收发机处于休眠状态，当要收发数据时再激活收发机。 ( 5 ) 小型化、低价格问题：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、高集成度砷化镓技术的进步。 9 武汉理工大学硕士学位论文 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。 2 2l e e e 8 0 2 1 1 协议技术规范 2 2 1 8 0 2 1 1 逻辑分层结构和拓扑结构 1 拓扑单元 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。一般来说，一个大型的8 0 2 w 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b b s ( b a s i cs e r v i c es e t 基本业务集) 由一个基站( 在无线局域网的术语 中称为a p ( a c c e s sp o i n t 接入点) 控制。如图2 1 所示这种网络结构通常作 为无线接入网实现与以太网的连接。尽管一个单独的b b s 可以形成一个最 简单的w l a n 系统，但普遍的应用是把几个甚至更多的b b s 的a p 用主干 网络连接起来，这样就扩展了w l a n 的覆盖范围，形成一个更大更复杂的 无线网络，称为一个e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t 扩展服务集) 。图2 2 给出 e s s 的网络结构，连接各个b b s 的主干网络称为d s ( d i s t r i b u t e ds y s t e m 分 布式系统) 。d s 的一个主要功能是它可以把一个b b s 中的移动站的地址映 射到另一个b b s 中，从而完成多个b b s 的无缝集成，使移动业务得以实现。 瞳 打印机 望广岫 台式计算机 图2 1b s s 网络结构图 1 0 武汉理工大学顾l 学位论义 尘兰刍妄兰刍 台式计算机 图2 2e s s 网络结构图 2 拓扑结构 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 3 ) 和 有中心拓扑( 图2 4 ) 。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。 i e e e 8 0 2 1 1 支持自组无线局域网( 由一个b s s 构成，不与其他网络发生关 系) 和多区无线局域网( 用a p 和骨干网把多个b s s 互连，形成多区局域网) 。 囹 i 函 无线用户 f 无线用户无线用户 图 p d a 图2 3 无中心拓扑的w l a n图2 4 有中心拓扑的w l a n 3 逻辑分层结构 与其他8 0 2 x 协议一样，8 0 2 1 l 协议主要涉及m a c 层和物理层，其 1 1 誊= 肿显 一毫 p 武汉理工大学硕士学位论文 中物理层又可分为p l c p ( p h y c o n v e r g e n c e p r o c e d u r e ) 子层，p m d ( p h y s i c a l m e d i u m d 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 发机和基带处理器的结合。8 0 2 1 1 无线局域网的具体分层模型如图2 5 ，这 里有几个概念要交待一下。m l m e ( m a cl 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 ( p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) 为物 理层管理实体。s m e ( s t a n dm a n a g e m e n te n t i t y ) 为站管理实体，它是个 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 e r v i c ea c c e s s p o i m ) ，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 理实体之间交换的、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“”。 w a cs a p m a cs u b l a y e r m a cs u b l a y e r m a n a g e m e n te n t i t y p h y s a pm l m e p l f f e ，s a p _ _ _ - - _ _ 一一 - - 一 p l c ps u b l a y e r i 跏i ) _ s a p _ 卜一+ p h ys u b l a y e r m a n a g e m e n te n t i t ) p w ds u b l a y e r 4 c - - - - - - l m l m es a p l i s t a r o m ： m a n a g e m e n t ； e n t i t y l 图2 5 基于8 0 2 1 1 的m a c 层，物理层模型 2 2 2 介质访问控制层( m a c ) 功能及数据帧结构 一m a c 层功能： 1 2 武汉理工大学坝l 学位论义 8 0 2 1 1 无线局域网的所有工作站和访问节点都提供介质访问控制 ( m a c ) 层服务，m a c 服务是指同层l l c ( 逻辑链路控制层) 在m a c 服务访 问节点( s a p ) 之间交换m a c 服务数据单元( m a cs e r v i c ed i g i tu n i t ，m s d u ) 的能力。总的来说，m a c 服务包括利用共享无线电波介质进行m a c 服务 数据单元的发送。m a c 层具有以下主要功能“”： 无线介质访问； 网络连接； 提供数据验证和保密。 1 无线介质访问 在帧发送之前，m a c 必须首先利用下面的某种方式获得网络连接：具 有冲突检测的载波监测多路访问，一个类似于i e e e8 0 2 3 以太网的线路争 用协议。i e e e 8 0 2 1 1 规范称之为分布式访问控制方式( d i s t r i b u t e d c o o r d i n m i o nf u n c t i o n ，d c f ) 。基于优先级别的访问：一个无竞争访问协议， 适用于访问节点安装有点控制器的网络。i e e e 8 0 2 1 1 规范称之为中心网络 控制方式( p o i n tc o o r d i n m i o nf u n c t i o n ，p c f ) 。 分布式访问控制方式是物理层兼容的工作站和访问节点( a p ) 之间自动 共享无线介质的主要的访问协议。和8 0 2 3 以太网标准的m a c 类似，8 0 2 1 l 网络采用具有冲突检测的载波监听多路访问( c s m a c a ) 协议进行无线介质 共享。 ( 1 ) 载波监听机制 物理和虚拟载波监听机制可以让m a c 层监听介质处于繁忙还是夺闲状 态( 见图2 6 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 开始( 有需要发送) 图2 6c s m m c a 竞争型8 0 2 1 1 分布式访问控制方式 物理( p h y ) 层提供信道的物理监听。p h y 控制机制提供的物理信道评 估结果发送到m a c 层，作为确定信道状态信息的一个因素。m a c 控制机 制利用帧中持续时间字段的保留信息实现虚拟监测协议。这一保留信息发布 ( 向所有其他工作站) 本工作站将要使用介质的消息。m a c 将监听所有m a c 帧的持续时间字段，如果监听到的值大于当前的网络分配矢量( n e ta s s i g n v e c t o r ，n a v ) 值，就用这一信息更新该工作站的n a v 。n a v 工作起来就像 一个计数器，开始值是最后一次发送的帧的持续时间字段值，然后倒计时至 o 。当n a v 的值到达o ，且p h y 控制机制表明有空闲信道时，这个工作站 就可以发送帧了。物理信道评估和n a v 的内容为m a c 决定信道状态提供 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 了足够的信息。如p h y 可能己经确认介质中目前没有数据传送进行，但n a v 却可能检测到前一个帧传输的持续时间字段中有值，使得段时间内不能进 行数据发送。这时，m a c 推迟所有帧的发送，直到持续时间字段的时间段 期满。如果信道繁忙，m a c 西议将执行退避算法。 当工作站的物理或逻辑监测机制确定介质处于繁忙状态时，c s m a c a 协议利用随机退避时间控制，可以避免各工作站间共享介质时可能造成的碰 撞。介质繁忙状态剐刚结束的时间段是碰撞可能发生的最高峰期，尤其是在 利用率较高的环境中。因为许多工作站都在等待介质空闲，所以介质一旦空 闲，大家就试图在同一时刻进行数据发送。而c s m c a 协议在介质空闲后， 利用随机退避时间控制各工作站发送帧的进行，从而最小化各工作站之间的 碰撞。 m a c 监测机制利用下面的公式计算随机退避时间； b a c k o f ft i m e = r a n d o m ( ) a s l o t t i m e r a n d o m 0 是一个平均分布在 0 ，c w 段上的伪随机整数，竞争窗口c w ( c o m p e t i t i o nw i n d o w ) 是介于管理信息库( m i b ) 中a c w m i n ( c w 最小值) 和 a c w m a x ( c w 最大值) 之间的一个整数。取自这个范围的随机数是独立于各 工作站的。常量a s l o t t i m e 可以从工作站的m i b 中找到。( 注：m a c 层包 括一个管理信息库( m i b ) ，m i b 中存放m a c 协议操作时所需的参数。) ( 2 ) 差错恢复机制 由于干扰和碰撞等发送减损而造成的位差错，可能会对帧序列产生破坏。 如工作站a 发送了r t s ( r e q u e s tt os e n d 发送请求) 帧之后，收不到响应的 c t s