（计算机应用技术专业论文）基于fpga开发平台的无线接入系统硬件关键技术研究.pdf

摘要 无线接入系统是无线局域网中非常重要的设备，它既要负责无线局域网内移 动设备的管理，又要将有线网络和无线网络进行桥接。无线接入系统性能的好坏 将直接影响到整个无线局域网的数据传输性能。因此，开发一个性能优良的无线 接入系统有非常重要的意义。 本文分析了基于i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网的无线接入系统的软硬件的结构， 着重介绍了硬件电路的开发流程，以及各部分电路模块的具体设计方法，最后在 解决了高速印制电路板( p r i n t e d c i r c u i t b o a r d ) 设计中的布局布线问题以后，制 作出了无线接入系统的p c b 。 无线接入系统的硬件开发过程，按照硬件裁剪与集成的思想进行。首先分析 了无线接入系统的功能需求，然后选定一块能够支持系统开发的通用嵌入式开发 平台，在此平台上搭建一个d e m o 原型实验环境，实现一个可供无线接入系统 进行功能性验证的版本，从而获得系统运行需要的硬件环境参数，包括内存的大 小、外存的大小、接口的种类等等。之后，在此平台上进行硬件的裁剪与集成， 设计和实现无线接入系统的硬件电路，最后制作出p c b ，其中p c b 的制作要依 据高速p c b 的布局布线的思想进行，才能保证系统正常工作。这样的开发过程 可以供其他的嵌入式设备的硬件开发所借鉴。 无线接入系统的设计对改善无线局域网内的网络性能有非常积极的意义，可 以以此为契机，大力开展无线局域网数据传输安全和服务质量的研究工作。 关键词：无线局域网；无线接入系统；硬件裁剪与集成；高速p c b 布局布线 a b s tr a c t w i r e i e s sa c c e s ss y s t e mi sav e yi m p 。r t a n td e v i c ej nw i r e l e s sl o c a la r c an e t w o r k ( w l a n ) ，i t n e e d sn o to n 】yt om a n a g ei h em o b i i ee x p er j m e n t si nw l a n ，b u ta l s ot ob r i d g et h ew i r en e t w o r k t ol h ew i r ej e s s t h ep e r f o r m a n c eo fw j r e l e s sa c c e s s s y s t e mw j l lj m p a c tt h ed a t at r a n s m i s s i o n a b i j i t yd j r e c t i y t h e r e f o r e ，j ti sv e r yn e c e s s a r yt od e v ej o paw i r e l e s sa c c e s ss y s t e mw i t hag o o d d e l f b r m a n c e 丁1 1 j st h e s i sa n a 】y z e st h es y s t e m sa r c h i t e c t u r e so fb a r d w a r ea n ds o f t w a r c ，。m p h a s i z e so n j n ”o 山j c i n gt h eh a r d w a r ed e v e l o p 丌1 e n tp r o c e s sj n c l ud i n gt h ed e s i g nm e t h o d so fe a c hc j r c u i t m o d u l ei nd e t a ma tl a s t ，a r e rs o l v i n gt h ep r o b l e m so fh i g hs p e e dp r i n t e dc j r c u i tb o a r d ( p c b ) i a y o u t ，r e a i z et h ew j r e l e s sa c c e s ss y s t e m 飞p c b 丁h e1 1 a r d w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s sf o i i o w st h ei d e ao fh a r d w a r ep f u n i n ga 1 1 di n t e g r a t i o n f i r s to fa i i ，s u m m a r i z et h er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，t h e nc h o o s eag e n e r a lh a r d w a r ep l a t f 0 丌i lw h i c h c a ns u p p o r tt h ed e v e i o p m e n to fw h o | es y s t e m a f t e rt h a t ，s e tu pad e m oe n v i r o n r n e n tt or e a l j z e t h en 珀te d i t i o nw h i c hc a nv a l ；d a t et h e 如n c t i o n so fs y s t e m ，t h e nt h eh a r d w a r er e s o u r c e sw h j c ha r e t a k e nu pb yt h es y s c e mw 川b ea c h i e v e da si m p o r t a n tp a r a m e t e r sw h j c hw j l lh e l pu st oa r r a n g et h e n n a ie d j f i o ns y s t e m sh a r d w a r e ，s u c ha sc h es i z eo f i n s i d em e m o r ya n d 。u t s i d em e m o r y ，t h ek i n d s o fi nc e l t a c e s ，a n ds oo nt h e nt h eg e n e r a lp i a t f o r mh a r d w a r ew 川b ec u to u ta n di n l e g r a t e d ，a l lo f t h ec i l c l i i t sa n dt h ep c bw i | | b ed e s i g n e da n df a “z e d t h ed e s i g np r o c e s so f p c bn e e d st of o l | o w t h ei d e ao fh i g l ls p e e dc i r c u i 【i a y o u t ，o t h e r w i s et h ep c bc a n tw o r ka n ym o r e t h es y s t e m r e a i i z a l i o np m c e s sc a nb eu s e df o ro t h e re m b e d d e ds y s t e md e v i c e sh a r d w a r e d e v e i o p m e n t t h e r ei sv e r yp o s i t i v em e a n i n gf o r l m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fw l a nb yd e s i g n i n ga g 。o dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m ，a n dw ec a na l s ot h j n ki ta sa no p p o r t u n i t yt 0e x p a n dt h er e s e a r c h w o r ko nt 1 1 es e c l t yo f d a t ac r a n s m i s s i o na n dq u a j j t yo fs e r v i c ei nw l a n k e yw o r d sw i r e l e s si o c a ia r e an e t w o r k ( w l a n ) ： w j r e l e s sa c c e s ss y s t e m ；h a r d w a r ep r u n i n ga n d n t e g r a i i o n ；h i g l ls p e e dp c bl a y o u t 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：型盔! ! 刍同期：! i ：兰：! f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使刚学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丛鱼丑铷签名 瞄 皇型：! ：! f 1 1 本课题研究的背景 第1 章绪论 从i n t e m e t 诞生的那天起，计算机网络对人们的影响从无到有，由浅入深经 历了飞速发展的几十年，到如今已经和人们的工作、学习、牛活密不可分。随着 互联网的不断发展，网络带给人们的方便、快捷使得人们的工作效率大大提高； 学习的资源极大丰富和学爿方式也多了更多的选择：给普通的家居牛活增添了更 多的乐趣。现在，人们可以非常轻松的接入到身边的网络，如企业网、校园网等 等。i m 且，随着局域网的基础以太网中各项技术的不断改进和提升，数据的吞吐 量出咀惊人的速度在变大，百兆、千兆、吉比特的传输速率使得局域网在数据通 信网中的作用越来越突出。 虽然有线局域网的发展给人们的生活带来了非常大的变化，但是，人们对于 快键方便生活的需求正在埘传统的肯线网络产生巨大的冲击，更多的用户希望能 够在任何地方、任何时削都能够接入网络，用最短的时间获得自己需要的资讯， 挫脱由于网线、电缆、光纤给人们带来的束缚，于是无线局域网出现了，用户只 要删有一个无线终端砹备和一个无线接入系统就可以让这样的梦想成为现实。无 线同域网的相关技术和j “品一经推出，立即在市场上产生了强烈的反响，得到了 用户的极人认可。这样好的局面也推动了无线局域网的标准和各项技术的迅谜发 展，l - n 目相得益彰，到如今无线局域网的标准和各种产品也呈现了百花齐放、百 家争吗的景象。 目i ，无线局域网中运行的标准主要有i e e e 组织提出的i e e e8 0 2 1 l 系列标 准l 也称w i f i ) ：由e t s i 组织提出的h i p e r l a n 标准；由s i g 组织提出的b l u e t o o t h 标准：以及近两午出现的w i m a x 、z i g b e e 标准等等”。各项技术标准都有自己 毕定的支持者，但是从技术角度上来说，前两种标准无沦从发展的成熟度、稳定 性卜都要更胜一筹，所以这两个标准的用户相对来说也足最多的。其中，i e e e 8 0 2 】系列标准在北美以及业洲国家的应用最为广泛，而h j p e r l a n 标准在欧洲 的r 泛使用电使得其在全球的无线局域网市场中占据了半壁江山。i e e e8 0 21 1 系列标准是i e e e 提出的关于w i j a n 的第一个版本，它提出于1 9 9 7 年，当时的 数掘传偷速串只有2 m b p s ，远远无法满足人们的需求，于是相继推出了t e e e 8 0 21 1 b 、i e e e8 0 2l l a 、i e e e8 0 21 1 9 等一系列标准，使得数据传输速率大大提 高。 地如今，w l a n 由于其接入灵活、传输速率高、综合成本低廉等的突出特点， 使得w l a n 商用化的浪潮席卷了欧美及亚太各国，用户数量快速增长。w l a n 使得w l a n 商川化的浪潮席卷了欧美及亚太各同，用户数量快速增长。w l a n 北京工业大学工学硕士学位论文 已经运用到了非常多的场合：普通居民的家居中；现代企业或者办公室中；各种 各样的会场等等。随着m a c 层技术的不断完善，支持i e e e8 0 2 1l 系列标准的 芯片价格不断的下降，也让各种无线局域网的终端设备不断的推陈出新，在市场 上的占有额也大大提高。 据i d c 中国( 国际数据公司) 的报告中国无线局域网解决方案市场 2 0 0 6 2 0 0 9 年分析与预测( 文档号# c n 2 0 u 2 8 n ) 显示，目前，中国无线局域网 市场发展势头表现良好，无论是设备市场还是电信服务收入都得到快速增长。 i d c 分析显示，2 0 0 9 年中国无线局域网设备市场规模将达到1 8 9 8 0 万美元，无 线局域网电信服务收入将达到7 3 6 5 0 万美元。2 0 0 5 年2 0 0 9 年的无线局域网设备 市场复合年平均增长率为2 9 3 ，无线局域网电信服务收入复合年平均增长率为 3 7 6 。尽管中国无线局域网标准w a p i 仍悬而未决，导致运营商无线局域网的 投资减速。但随着国内无线局域网新产品不断涌现、企业级市场趋于成熟和家庭 市场持续火爆，2 0 0 5 年中国无线局域网市场实现井喷式增长，整体设备市场规 模达到7 8 0 0 万美元，整体服务收入超过2 亿4 千万美元。“目前，基于i e e e8 0 2 1 1 9 标准产品逐渐替代i e e e8 0 2 1 l b 产品成为市场主流，i e e e8 0 2 1 1 b 产品市场逐渐 走向萎缩。同时，2 0 0 5 年上市的双频三模产品将成为无线网络产品发展的人趋 势。”i d c 中国电信研究部分析师成畅表示，“在中小企业、s o h o 和家庭网络市 场，无线局域网逐渐占据主导地位。无线局域网用户数量以4 1 的复合年平均增 长率攀升，运营商投资的热点进一步增多，整体服务收入将实现快速增长i d c 认为，无线局域网市场未来发展空间巨大。运营商和设备厂商应关注中国无线局 域网技术的发展，寻找市场突破的机会，并加大渠道推广力度，做好市场培育和 拓展，从而刺激市场进一步增长【4 ”。 1 2 课题的意义和来源 本文是北京工业大学嵌入式软件与系统研究所承载的北京市教育委员会科 技发展计划重点项目基金基于中国安全标准的无线接入系统的关键技术及 应用研究( 基金号k z 2 0 0 5 1 0 0 0 5 0 0 6 ) 的第一阶段的工作。实现一个具有基本功 能的无线接入系统的主板，为后续在其基础上实现相应的安全标准和服务质量 ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 提供一个稳定的硬件平台。 无线接入系统是无线局域网中最为复杂的一个设备，它的功能包括无线终端 的接入、认证、数据转发等等，无线局域网的大部分功能都需要在无线接入系统 上加以实现。因此，研究无线接入系统的关键技术就显得非常重要。所以虽然无 线接入系统在无线局域网刚刚提出的伊始就已经出现，但是关于其技术的研究仍 然在不断的进行当中，希望经过多年的研发，能够实现一个传输速度高、传输安 全、不易丢包的无线接入系统，这就需要系统在硬件和软件方面都有良好的发展， 、止这个无线局域网的核心设备能够始终保持市场竞争力。对于本课题所提出的无 线接入系统系统的硬件设计来说，是在前期基于嵌入式设备开发平台上实现一卜 无线接入系统功能的基础上进行的优化设计，其硬件设计关键技术主要包括了： 对通用嵌入式开发平台的定制，包括裁减和集成两部分；高速电路设计理论和实 现，解决高速电路设计中的常见问题等。 1 3 国内外现状 现在的无线接入系统实现方式基本上分为三种：主机a p 方式；采用第三代 码( t c r t i a r yc o d e ) 的固件方式无线接入系统；带自身固化程序的固件方式无线接 入系统。 主机a p 方式是软件程序通过主机的c p u 来运行并完成几乎所有的e e 8 0 2 1 l b 控制功能，例如n e e s u sd a t a c o m 公司的1 1 m b8 0 2 ，1 1 b 软a p 方案和 a b s o l u t ev a l u es v s 懈n s 公司的l i n u xa p 方案。n e e s u s 公司的程序通过主机a p 固件的应用编程接口( a p i ) 将呼叫调用至用户卡。这种方式需要主机的c p u 不低 于4 8 6 处理器的性能，并且至少具有l o o m h z 的时钟，另加一个操作系统，如 w i n d o w s ，v x w o r k s ，l i n u x ，n u c l e u s 等。应用软件和主机a p 程序可执行所有的 i e e e8 0 2 1 l b 功能并附带路由、网桥协议和管理等功能。主机a p 产品主要有 n e e s u s 公司的软件a p ，c i s c o 公司的a p 3 4 0 和3 5 0 系列，n o k i a 、a b s o l u t ev i l u e s v s t e m sl i n u x a p ( p o w e r p c 专用) 和z o o m a i r a p 等产品。大多数的无线a p 产 品至今仍以主机方式a p 为主。 固件方式a p 采用第三代码在用户转换卡上执行i e e e8 0 2 1 1 b 功能，主机 c p u 仅需完成i e e e8 0 2 1 l b 的参数设定，如信道、网络模式、同步序列和w e p 等，以及路由、网桥协议和管理等功能。此方式可降低a p 的主机c p u 成本， 并占用较少的系统资源。在系统处于机站模式时，用户卡功率消耗会有所上升， 第三代码由主机c p u 上的初级和第二级码生成并被下载到用户卡的s r a m 内， 然后再将它转换而成i e e e8 0 2 1 1 b 识别的a p 代码。几乎所有i e e e8 0 2 1 1 b 的功 能都可在此用户卡上完成。主机c p u 仅用于控制设置和管理功能( 非时实性) ，发 送来自于m a c 控制器的发射和接收数据包以及路由、网桥等协议。第三代码固 件方式非常适于单点的a p 。l u c e n t 和e n t e r a s y s ( c a b l e t m n ) 公司采用它制造单 点a p ，a p p l ea i r p o n 公司的产品也为t e n i a r ya p 产品。这种方法的缺点在于用 户必须从i m e r s i l 公司获得第三代码的固化软件，在没有固化程序的源码和专门 技术支持的情况下，不可以写入和修改程序代码。 带自身固化程序的固件方式a p 带有自身固件程序和硬件设计，并采用了特 定a p 功能的固件。a p 的无线装置通常采用固定式设备。例如i n t e r s i l 公司的 1 1 4 8 a 参考设计便所用了这种a p 方式。它为自备装置提供了最低成本的方案。 采用该方式目前的缺点在于用户即使采用了a r m 内核，仍不能修改固件指令。 但将来可部分开放固化程序，以便于用户开发并增强a p 的性能和管理功能 4 ”。 国内的a p 市场也是在快速的发展之中。华为、联想等国内知名企业都有自 己的a p 产品。它们可以支持1 1 个频道，通讯速率也与国际上的一流a p 相差不 多，华为更是在某些方面超越了国外的技术。例如华为最新推出的w b r 2 0 4 9 无 线接入点，可以支持5 4 m 的带宽，一个以太网上行接口用于接入i n t e r n e t 和四个 以太网交换端口，还带有i e e e8 0 2 1 1 9 的无线接口。此外，还有非常非常多的公 司先后推出了自己的a p 产品，使市场的可选择性大大增强，也使得a p 市场的 竞争非常的激烈。 根据三种a p 的工作方式，并与课题相结合，主机方式的a p 即软a p 的方案 更接近本文需求，在硬件平台上实现一个软a p 相对来说能够做的工作和拓展也 更加的方便。 对于a p 的主要关键技术来说，在国内外也有了长足的发展，特尉是对十高 速电路设计来说，经历了由单纯从设计者的经验来设计，演变到可以用相关辅助 软件加以约束和系统化的测试来同步设计整个电路，更加的方便、正确和稳定， c a d e n c e 软件就是其中一个很好的例子，它可以帮助设计者来设计各种类型的电 路，对于高速电路设计来说这种辅助作用就显得更加的重要，避免了很多人的因 素，使设计更加的科学和严谨。 1 4 课题主要工作 本次研究工作主要包括以下内容： 首先分析了i e e e8 0 2 1 1 系列标准，特别是分析硬件上如何支持浚协议，同 时对无线接入系统需要实现的功能进行了描述，在参考许多文献资料之后，对无 线接入系统的软硬件功能有了详细的了解； 其次，根据前期的调研和技术准备情况，规划出实现一个无线接入系统的总 体设计方案，并根据课题的安排对无线接入系统的主板在功能上进行扩充，提出 一整套基于p o 、v e r p c 结构硬件平台的需求分析； 接着，在总体设计方案和实现步骤的基础上，总结出实现一个无线接入系统 第1 苹缔论 需要主要研究的硬件关键技术。并深入了解和分析。包括：无线接入系统d e m o 的实现技术；对通用嵌入式丌发平台硬件的裁减和集成；高速电路设计和实现， 解决高速电路印制电路板的布局、布线等问题； 选择一款适合本文开发的嵌入式开发板，并在此基础上完成无线接入系统的 d e m 0 原型硬件实验环境的搭建，然后在开发板上移植嵌入式操作系统，实现 无线接入系统的所有功能，获得操作系统对硬件资源的要求参数。同时，在计算 机或者在平台上移植一个无线接入系统的应用程序_ h o s 俄p ，在主机端实现 一个软a p 的技术方案，得到该应用程序需要占据的硬件资源，为之后的无线接 入系统硬件设计中的芯片选型提供数据资料： 然后，对方案中涉及到的主要芯片进行选型，并详细分析这些芯片的资料， 包括a p 主板上c p u 、存储芯片、接口控制芯片等等。并根据总体设计方案的分 析，列无线接入系统进行详细设计，并使用c a d e n c e 软件加以实现： 最后对论文进行了总结，并对后续的工作进行了展望。 作为一个无线局域网中关键设备的开发，必然要涉及到软硬件开发的多方面 的知识和经验，浚设备的硬件及平台的开发包括了数字电路设计、模拟电路设计、 高速电路设计及体系结构的应用等多方面的知识，有着多方面的理论价值。同时， 开发无线接入系统主板得到的在某种意义上也是一个嵌入式的小平台，它可以协 助网络设备( 有线网络或者无线网络) 的开发，有较高的实用价值。 1 5 论文结构说明 根据所要完成的： 作，以及本文实际运行的过程，论文的主要内容包括： 在第一章中，主要论述了无线接入系统的背景、意义、现状以及课题所要研 究的主要内容和需要完成的工作： 在第二章中，主要介绍了关于无线局域网的基本结构以及在无线局域网内所 广泛使用的i e e e8 0 2 1 1 系列协议的相关知识： 在第三章中，主要根据前期的调研和技术准备工作，提出一整套实现无线接 入系统主板的总体设计方案，以及设计出完成该方案的具体步骤。同时，主要针 剥无线接入系统硬件实现的主要关键技术进行了分析。包括d e m o 环境的实现 技术、硬件的裁剪和集成技术，以及高速p c b 的布局布线技术等。在此基础上 讨沦了解决问题的主要方法： 在第四章中，主要阐述了如何在选定的通用嵌入式开发板上，搭建实现无线 接入系统的硬件开发环境，并实现一一个主机端的软a p 的技术方案，通过这些实 验获得了相关硬件资源的使用数据，为具体实现无线接入系统硬件提供参考； 北京工业大学工学硕上学位论文 在第五章中，主要借鉴第四章阐述的实现软a p 的技术经验，对通用嵌入式 开发平台的硬件进行裁减和集成，完成新的嵌入式设备开发模式，即基于平台的 嵌入式设备开发；解决在印制电路板设计和制作中面临的高速电路印制电路板的 布局布线问题，完成无线接入系统设计的洋细设计方案，最后实现印制电路板； 在对所有的工作进行了总结之后，提出对未来工作的展望，完成论文。 第2 章无线局域网及i e e e8 0 2 1 l 系列标准简介 2 1 无线局域网简介 2 1 1 无线局域网概述 无线局域网是一种无线传输网络，它是以无线方式构建的局域网w l a n ( 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 利用电磁波在空中发送和接收数据，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 l m b d s ( 8 0 2 1 1 b ) ，晟 高速率达到5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l “g ) ，传输距离最远可以达到5 0 k m 以上。它是对有 线联网方式的一种补充和扩展，使网络上的计算机具有可移动性能快速、方便 的解决使用有线方式不易实现的网络连通问题。与有线网络相比，w l a n 有如 下的优点： ( 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 点设备，就可以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，任何个位置可以 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，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，又要花费较多费用进行网络改造。而w l a n 可以避免或减少以 _ l ：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 够提供如漫游( r o a m i n g ) 等有线网络无法提供的特性f ”。 2 1 2 无线局域网结构 无线局域网的组成包括无线网络接口卡( n i c ) 和无线接入点( a p ：a c c e s s p o i n t ) 。无线网络接口卡把个人计算机或其他设备与无线网络连接起来。大部分 无线网络接口卡能够实现载波监瞬访问协议，并利用扩展序列调制的数据信号把 设备与无线网络连接起来。接入点就像是无线网络的个无线基站，将多个无线 的接入点聚合到一起，并可以进一步连接到有线网络上，从而可以访问丰富的 i n t e m e t 资源。 无线局域网的传输方式涉及到采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。日 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。采用无线电波 为传输媒体的无线局域网因调制方式不同，又可以分为扩频方式和窄带调制方 式。基本的无线局域网的结构包括独立无线局域网与非独立无线局域网两种】。 无线局域网通常采用星型拓扑( s t a rt o p o l o g y ) 的方式，这种架构包括一个 通信用的中央计算机或是无线接入系统。数据包从源节点发出后，中央计算机负 责接收，并且转发到正确的无线网络目标节点。而在此星型拓扑中，如果无线接 入系统没有连接有线网络，那么这样的无线局域网则被称为独立型无线局域刚， 如图2 1 所示。该种无线局域网适合在传输范围比较小的情况f 搭建。当无线接 入系统连接了有线网络以后，则这时的无线局域网称为非独立型无线局域网，如 图2 2 所示。此时的无线接入系统主要起着通信桥梁的作用，并且用来存取其他 有线客户端、互联网或是其他网络设备等。非独立型无线局域网可以使无线联网 的用户充分其享有线网络中的各种资源。 图2 1 独立型无线局域网 f i g 2 - i i n d e p e n d e n tw l a n 凰一凰一 广 圈。衅 凰旦 例2 2 非独立型无线局域刚 f 嘻2 - 2 n o n el n d e p e n d e n tw l a n 除了星型拓扑，在大型的无线网络中普遍采用的则是网状拓扑( m e s h t o p o l o g y ) 。网状拓扑并没有无线接入系统，也没有中央计算机，它所有的终端 都可以在一个网段上与其他计算机进行沟通。在无线局域网中涉及到的互联部件 的分类与网络的拓扑结构和部件安装位置是有关系的。从网络拓扑结构上看，无 线局域网系统由中心站和远端站设备组成；从部件安装位置上看，无线局域网的 互联部件主要分为室外与室内部件，每个无线局域网系统的组建所需要的部件根 据其设计方案的不同而不同。目前主要的无线局域网内的部件包括无线路由器、 无线按入系统、无线网卡、无线网桥等。而其中又以无线接入点最为重要。 无线接入系统具有“操作透明性”和“性能透明性”的特点。“操作透明性”指移 动的前后，使用移动主机的用户并不需要进行特殊的操作，便可以对网络参数重 新配置m | 生能透明性”指主机的性能并不因主机的移动而下降。一般无线接入系统 的设计丌发应该满足i e e e8 0 2 1 l 、i e e e8 0 2 1 d 等协议和相关工程的建议f 日 2 2i e e e8 0 2 1 1 协议简介 2 2 1i e e e8 0 2 1 1 系列协议概述 在无线局域网中运行的协议有很多种：i e e e8 0 2 1 l 系列协议、h y p e r l a n 协议、蓝习：协议、家庭网络h o m e r f 、i r d a 、w i m a x 、z i 曲e e 等等。每种协议 都有自身的优缺点，因此也让它们在长期的关于无线局域网的标准协议争夺战中 不断的完善自己。但是，在这其中，i e e e8 0 2 1 1 还是占据了先机，得到越来越 广泛的使用，因为整个i e e e8 0 2 1 1 系列协议规定了无线局域网的方方面面的内 容。 最早的w l a n 产品运行在9 0 0 m h z 的频段上，速度大约只有l m b p s 2 m b p s 。 1 9 9 2 年，工作在2 4 g h z 频段上的w l a n 产品问世，之后的大多数w l a n 产品 也都在此频段上运行。1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第一代w l a n 标准一e e e 8 0 2 1 l ( 1 9 9 7 版) ，随后在1 9 9 9 年推出了新的i e e e8 0 2 1 1 ( 1 9 9 9 版) 。该标准定 义了物理层和媒介访问控制子层( m a c ) 的技术规范，允许w l a n 及无线设备 制造商在一定范围内建立互操作网络设备。任何l a n 应用、网络操作系统或协 议( 包括t c p i p 和n o v e l ln e t w a r e ) 在遵守i e e e8 0 2 1 l 标准的无线l a n 上运 行时，就像它们运行在以太网上一样容易。 l e e e8 0 2 1 1 在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法，定义了两种 无线电射频( r f ) 传输方式和一种红外线传输方式。其中r f 传输标准包括直接 序列扩频技术( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u 坤，d s s s ) 和跳频扩频技术 ( f r e q u e n c yh o p p i l l gs p r e a ds p e c t r 啪，f h s s ) 。d s s s 采用一个长度为1 1 比特的 b a r k e r 序列来对以无线方式发送的数据进行编码。每个b a r k e r 序列表示一个二 进制数据位( 1 或o ) ，并被转换成可以通过无线方式发送的波形信号。这些波形 信号如果使用二进制相移键控( b p s k ) 调制技术，可以以l m b p s 的速率进行发 射；如果使用正交相移键控( q p s k ) 调制技术，发射速率可以达到2 m b p s 。f h s s 利用f g s k 二进制或四进制调制方式可以达到2 m b p s 的工作速率。 由于在无线网络中碰撞检测比较困难，i e e e8 0 2 1 l 规定媒介访问控制子层采 用碰撞回避( c a ) 协议。为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站 点无序利用信道，w l a n 中采用了与以太网c s m a c d 相类似的c s m a c a ( 载 波侦听多址访问碰撞回避) 协议。c s m a c d 通过电缆中电压的变化来检测，当 数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而c s m a c a 采用能量检测 ( e d ) 、载波检测( c s ) 和能量载波混合检测三种检测信道空阀的方式。 由于i e e e8 0 2 1 1 的第一个版本的数据传输速率实在是太低不能满足用户的 需要，于是在1 9 9 9 年9 月i e e e 批准了i e e e8 0 2 1 1 b 标准。i e e e8 0 2 1 l b 标准 对i e e e8 0 2 1 l 标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在i e e e8 0 2 1l 的基础上增加了两种更高的通信速率5 5 m b p s 和1 l m b p s 。因此有了i e e e8 0 2 1 l b 标准之后，移动用户将可以得到以太网级的网络性能、速率、可用性，管理者也 可以无缝地将多种l a n 技术集成起来，形成一种能够最大限度地满足用户需求 的网络。i e e e8 0 2 1 l b 的基本结构、特性和服务仍然由最初的i e e e8 0 2 ，1 1 标准 定义。i e e e8 0 2 1 1 b 技术规范只影响i e e e8 0 2 1 1 标准的物理层，它提供了更高 的数据传输速率和更牢固的连接性。 i e e e8 0 2 1 1 b 可以支持两种速率5 5 m b p s 和l l m b p s 。而要做到这一点， 就需要选择d s s s 作为该标准的惟一物理层技术，因为，目前在不违反f c c 规 定的前提下，采用跳频扩频技术无法支持更高的速率。这意味着i e e e8 0 2 1 l b 系统可以与速率为1 m b p s 和2 m b p s 的i e e e8 0 2 1 1d s s s 系统兼容，但却无法与 速率为l m b p s 和2 m b p s 的i e e e8 0 2 1lf h s s 系统兼容。 为了增加数据通信速率，i e e e8 0 2 1 1 b 标准不是使用1 1 比特长的b a r k e r 序 列，而是采用了补充编码键控( c c k ) ，c c k 由6 4 个8 比特长的码字组成。作 为一个整体，这些码字具有自己独特的数据特性，即使在出现严重噪声和多径干 扰的情况下，接受方也能够正确地加以区别。i e e e8 0 2 1 l b 规定在速率为5 5 m b p s 时使用c c k ，对每个载波进行4 比特编码；而当速率为“m b p s 时，对每个载波 进行8 比特编码。这两种速率都使用0 p s k 作为调制技术i j j 。 随着数据吞吐量的不断增大，1 1 m b p s 的传输速率也越来越显得捉襟见肘， 于是i e e e 随即推出了i e e e8 0 2 1 l a 标准和i e e e8 0 2 1 1 9 标准。i e e e8 0 2 1 1 a 标 准是已在办公室、家庭、宾馆和机场等公众场合得到广泛应用的i e e e8 0 2 1 1 b 无线组网标准的后续标准。i e e e8 0 2 1l a 工作在5 g h z - n i i 频段，物理层速率可 到5 4 m b p s ，传输层可达2 5 m b p s 。i e e e8 0 2 1 l a 选择具有能有效多径衰落影响与 有效使用频率的正交频分复接( o f d m ) 为调制技术，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和l o m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口；支持 语音、数据和图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 但是，支持i e e e8 0 2 1 1 a 标准的芯片尚未进入市场，设备昂贵，空中接力能力不 强，点对点连接很不经济，且_ i 适合小型设备。 由于下一代规格i e e e8 0 2 1 l a 与目前的i e e e8 0 2 ，1 l b 规范之间频段与调制 方式的不同使得两者不能互通，已经拥有i e e e8 0 2 1 l b 产品的消费者可能不会再 i e e e8 0 2 1 1 a 设备问世之前就立即购买：而i e e e8 0 2 1 l g 就是为这段过渡时间所 发展的规范，它构建在既有的i e e e8 0 2 1 1 b 物理层与介质层标准基础上，选择 24 g h z 频段、传输速率较1 1 m b p s 高，让已经拥有i e e e8 0 2 1 1 b 产品的使用者 能够以i e e e8 0 2 “g 产品满足速度升级的需求。 在2 0 0 0 年初，i e e e8 0 2 1 l g 的工作组接受了一项开发高速、向下兼容很成 功的i e e e8 0 2 1 1 b 物理层标准的工作，新增的i e e e8 0 2 1 l g 标准将兼容i e e e 8 ( ) 2 1 l b 的m a c ，实现所有i e e e8 0 2 ，1 1 b 所必要的功能并保证兼容、可交互，同 时包括至少2 0 m b d s 的速度，还包括2 4 g h z 5 g h z 波段的融合，从而在2 4 g h z 频段获得更高的速度。 i e e e8 0 2 1 1 2 工作组几乎用了一年半的时间，在集中的建议中取得了一个折 中的方案，这成为了2 0 0 1 年1 1 月的第一个i e e e8 0 2 1 1 9 草案。工作组在2 0 0 2 年1 月份的会议上还取得了一些附加的技术改善，整个i e e e8 0 2 1 l g 标准采用了 i e e e8 0 2 1 1 b 标准的要求，在2 4 g h z 频段速率可扩展至5 4 m b p s ，在i e e e8 0 2 1 1 9 里8 0 2 1 l b 的标准模式是必须具备的，除此之外，i e e e8 0 2 1 1 9 规定9 6 u s 短浅导 同步码是i e e e8 0 2 1 l b 的选项，从而增加吞吐量。i e e e8 0 2 1 1 9 的最重要的方面 是向后兼容i e e e8 0 2 1 1 b ，特别是短数据包。i e e e8 0 2 1 1 b 中的可选的5 5 l i m b p s 数据包二进制卷积码在i e e e8 0 2 1 l g 中被扩展到2 2 m b p s 和3 3 m b p s 。 另外，e e 除了制定上述的三个主要无线局域网协议之外，还在不断改善 这些协议，推出或即将推出一些新的协议。如8 0 2 1 1 d ，这是8 0 2 1 l b 使用其它 频率的版本，以适应一些不能使用2 4 g h z 频段的国家。这些国家中的多数j f 在 清理这个频段：8 0 2 1 1 e ，这是在8 0 2 1 1 系列协议中增加q o s 能力。它用t d m a 方式取代类似e t i l e m e t 的m a c 层，为重要的数据增加额外的纠错功能；8 0 2 1l f ， 这个协议的目的是为了改善8 0 2 ，1 1 协议的切换机制。使用户能够在不同的交换 分区间( 无线信道) 或者在接入设备间漫游。这就使得无线局域网能够提供与移 动通信同样的移动性；8 0 2 1 l h ，它比8 0 2 1 1 a 能更好的控制发送功率和选择无线 信道，与8 0 2 1 1 e 起适应欧洲的更严格的标准；8 0 2 1 l i ，该协议用于改善8 0 2 1 1 明显的安全缺陷：8 0 2 1 1 i ，目的是使8 0 2 1 1 a 和h y p e r l a n 2 网络能够互通忆 2 2 2i e e e8 0 2 1 1b 体系结构 i e e e 8 0 2 1 1 b 体系结构包括几个部分，这几个部分相互作用，达到提供能够 对网络上层进行站点( s t a ) 移动性透明支持的无线局域网。其中，s r i a 是指接 入无线媒介的部分，它包含m a c 实体和p h y 实体。和有线网络相对应，s 1 a 也常被称为网络适配器或者网络接口卡。s t a 是可以移动的，或者是固定的。每 个s t a 都支持站点服务，这些服务包括鉴权、去鉴权、加密和数据传输。b s s 是i e e e 8 0 2 1 1 b 局域网的基本构成单元，每隔服务集含有两个作为成员的s 1 1 a 。 在一个b s s 范围内，基本服务集成员s 1 a 可以保持相互通信。但是如果一个s t a 移动到b s s 的外面，它就不能再与该b s s 的其他成员直接通信。 i e e e8 0 2 1 1 b 标准提出一个体系结构，目的在于强调把i e e e8 0 2 1 l b 无线局 域网系统分割成两个主要部分：数据链路层的m a c 子层和物理层( p h y ) 。有 意使i e e e8 0 2 1 1 b 无线局域网的这两层比较接近开发系统互连( o s i ) 的i s o 基 本