（计算机应用技术专业论文）ieee80211+dcf模式下的优先级调度机制研究.pdf

摘要 随着无线局域网( w l a n ) 的广泛应用和对实时多媒体业务需求的不断增加， 在无线局域网中提供质量保证服务( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 已经成为一项重要 的极具挑战性的任务。相对于传统的b e s te f f o r t 型业务，实时业务对于诸如带宽、 延迟、延迟抖动等网络服务参数有更加严格的要求。要为实时业务提供可靠的有 质量保证的服务，无线网络媒体访问控制层( m a c ) 的优先级调度问题是一个 关键。 i e e e8 0 2 1 1 标准是目前应用最为广泛的无线网络标准，它对m a c 层的定 义包括两种访问机制，分别是分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 。 近年来，入们在该标准的基础上提出了很多有价值的q o s 机制。包括p c f 在内 的一些机制，需要通过中心控制和对无线节点的不断轮询来实现，这样的要求极 大地限制了无线局域网的运作模式。因此，大部分q o s 机制采用的都是基于d c f 的更加灵活的分布式控制。然而，这些机制大都没有对实时业务的最大延迟限度 问题给予足够的考虑，而且没有同时顾及全局的q o s 。对于实时业务来说，只保 证较低的平均延迟是不够的，还应该尽量使每一个数据包都能够在最大延迟限度 内传输成功。同时，鉴于无线网络的有限带宽，提供q o s 支持的开销不宜过大， 还应注意保证实时流间的公平性。 本文详细地介绍了i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层机制，分析了实时业务在d c f 机 制下的性能表现，并较全面地讨论了当前基于d c f 的各种q o s 机制。针对这些 机制的不足，本文提出了一种新的称为分布式优先级调度( d p s ) 的q o s 机制。 该机制通过后退时间方法为实时业务提供吞吐率和平均延迟方面的优先级，并在 实时业务内部采用一种近似f c f s 的调度方式和新的碰撞解决机制。仿真实验表 明，该机制不但能够为实时业务提供高吞吐率和较小的平均延迟，还使得实时业 务的最大延迟限度问题得到了很好的解决。同时，信道利用率没有因为实时数据 的优先传送而明显降低，对实时流来说，d p s 机制还是一种比d c f 更公平的机 制。 关键字：无线局域网( w l a n ) ，服务质量( q o s ) ，i e e e8 0 2 1 1 标准，媒体访 问控制( m a c ) ，分布式优先级调度( d p s ) ，先到达先服务( f c f s ) a b s t r a c t w i t ht h er i s i n gp o p u l a r i t yo fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) a n dt h ei n c r e a s i n g d e m a n df o rr e a l - t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，s u p p o n i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i nw l a n h a s b e e na l l i m p o r t a n tc h a l l e n g i n gt a s k i nc o m p a r i s o nw i t l l t h et r a d i t i o n a lb e s te f f o r tt r a f f i c r e a l - t i m ea p p l i c a t i o n si m p o s es t r i c t e rr e q u i r e m e n t so n s e r v i c ep a r a m e t e r s ，s u c ha sd a t ar a t e ，d e l a y a n dd e l a yj i t t e r t op r o v i d er e l i a b l ea n dg u a r a n t e e ds e r v i c e sf o rt h e s ea p p l i c a t i o n s ，p r i o r i t y s c h e d u l i n g i nt h em e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e ri so n eo f t h e k e y i s s u e s n l ei e e e8 0 2 1 1s t a n d a r di st h em o s tw i d e l yu s e dw l a ns t a n d a r dt o d a y i td e f i n e st w o a c c e s sm e c h a n i s m si nm a cl a y e r , t h ed 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 ( d c f ) a n dp o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( p c f ) r e s p e c t i v e l y an u m b e ro fv a l u a b l eq o ss c h e m e sh a v eb e e n p r o p o s e db a s e do nt h es t a n d a r di nr e c e n ty e a r s s e v e r a lo ft h e m ，i n c l u d i n gt h eo p t i o n a lp c f d e s c r i b e di ni e e e 8 0 2 1 1 ，r e l y o nc e n t r a l i z e dc o n t r o la n dt h ep o l l i n go f b a c k l o g g e dh o s t s ，w h i c h g r e a t l yc o n s t r a i n s t h eo p e r a t i o no f w l a n t h e r e f o r e ，m o s tq o ss c h e m e s a d o p t t h em o r ef l e x i b l e d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 h o w e v e r , m o s to ft h e mg i v el e s sc o n s i d e r a t i o no l at h ed e l a yb o u n do f r e a l - t i m et r a f f i ca sw e l la st h eo v e r a l lq o s f o rr e a l - t i m ef l o w s ，i ti so f t e nn o te n o u g hw i t hal o w a v e r a g e a c c e s sd e l a y w es h o u l da l s o t r yt oc o m p l e t e d a t at r a n s m i s s i o n sw i t h i nt h e i rd e l a yb o u n d s i nt h em e a nt i m e i ti si m p o r t a n tt h a t q o s s h o u l db ea c h i e v e dw i ml i t t l eo v e r h e a di nv i e wo ft h e l i m i t e db a n d w i d t ho fw l a n a n df a i m e s sa m o n gr e a l t i m ef l o w sa l s od e s e r v e sa t t e n t i o n s i nt h i st h e s i s ，w eg i v ead e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h em a c l a y e rm e c h a n i s m si ni e e e 8 0 2 11 s t a n d a r d w ea l s oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fr e a l t i m et r a m c 、i t l ld c fm e c h a n i s m t h e n v a r i o u sd c fb a s e dq o ss c h e m e sa r ed i s c u s s e da n dan o v e ld i s t r i b u t e d p r i o r i t ys c h e d u l i n g ( d p s 、 s c h e m ei s p r o p o s e d t h r o u g h a b a c k o f f s t r a t e g y , t h ep r o p o s e d s c h e m e p r o v i d e sh i g hp r i o r i t i e sf o r r e a l - t i m et r a f f i ci nt e r m so f b o t h t h r o u g h p u ta n da v e r a g ea c c e s sd e l a y i ta l s oa p p l i e st or e a l - t i m e f l o w sw i t ha q u a s if i r s tc o m e f i r s ts e r v e 佰c f s ) s c h e d u l i n go r d e ra n dan e w c o l l i s i o n s o l v i n g s c h e m e t h r o u g h e x t e n s i v es i m u l a t i o n si nn s 一2 ，w es h o w e dt h a tt h ed p ss c h e m ew a sa b l et o p r o v i d eh i g ht h r o u g h p u ta n dl o wl a t e n c yw h i l es o l v i n gt h ed e l a yb o u n dp r o b l e mf o rr e a l t i m e f l o w s m o r e o v e r , i tm a k e sg o o du s eo ft h ec h a n n e lb a n d w i d t h i to f f e r sf a i r e rb a n d w i d t h a l l o c a t i o na m o n gr e a l - t i m ef l o w st h a nd c fs c h e m e k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) ，q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ， i e e e8 0 2 。11 s t a n d a r d ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ， d i s t r i b u t e dp r i o r i t ys c h e d u l i n g ( d p s ) ，f i r s tc o m ef i r s ts e r v e ( f c f s ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁叠盘堂或其他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。 学位论文作者签名 缸娟 签字日期：2 0 0 4 - 年月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳少强 签字日期：劲d 4 年，月l oe l 导师签名：了岳龟芳 签字日期：2 口0 4 年f 月o 日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，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 终端得到了越来越广泛的应用。为了达到在任何时间、任何地点和任何人均能进 行数据通信的目标，传统的计算机网络需要由有线向无线、由固定向移动、由单 一业务向多媒体发展。无线局域网，也被称为w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) ，正在以它的高度灵活性、移动性、低成本和日益提高的传输能力发挥 着越来越重要的作用，成为未来网络发展的主流形式之一。 然而，与传统的有线网络相比，无线局域网本身的无线特性也带来一定的问 题。无线网络的带宽有限，信号易受干扰，传输时误码率较高。这些不利因素， 在语音、视频等各种实时业务竞相涌现的今天，显得更加突出。这是因为，实时 业务对诸如带宽、延迟、延迟抖动等网络服务参数有更加严格的要求，尤其是在 移动的环境中，在噪音干扰和信号衰减都比较严重的条件下，要保证实时业务的 传输质量，就需要有更适于实时业务的网络协议和控制算法。 最近几年，关于无线网络服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 问题的研究备 受关注，己提出很多旨在提高实时业务服务质量的无线网络协议。无线信道独特 的物理特性决定了其下层网络协议不同于有线网络的下层协议，因此，照搬有线 网络中的q o s 算法是不可行的。要在无线网络中提供有质量保证的服务必须要 依靠下层网络协议的支持。目前提出的无线q o s 算法中很多都是基于对媒体访 问控制( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层的改进。 1 1 研究背景 1 1 1 无线局域网简介 无线局域网是指以无线信道为传输媒介的计算机局域网络，它利用无线技术 在空中传输数据、话音和视频信号，作为传统布线网络的一种替代方案或延伸。 一般而言，对比于传统的有线网络，无线局域网的应用价值体现在： 可移动性：由于没有线缆的限制，用户可以在不同的地方移动工作， 网络用户不管在任何地方都可以实时地访问信息。 布线容易：由于不需要布线，消除了穿墙或过天花板布线的繁琐工作， 因此安装容易，建网时间可大大缩短。 第一章绪论 组网灵活：无线局域网可以组成多种拓扑结构，可以十分容易地从少 数用户的点对点模式扩展到上千用户的基础设施架构网络。 成本优势：当用户网络需要租用大量的电信专线进行通信的时候，自 行组建的w l a n 会为用户节约大量的租赁费用。在需要频繁移动和变 化的动态环境中，无线局域网的投资更有回报。 无线局域网的这些特点使其广泛的应用于很多领域：1 接入网络信息系统： 电子邮件、文件传输和终端传真。2 难以布线的环境：古老的建筑、布线困难 或是昂贵的露天区域。3 ，频繁变化的环境：例如野外勘测、军事等。4 ，使用便 携式计算机等可移动设备进行快速网络连接。5 用于远距离信息的传输：如火 灾等信息的传输；公安交通管理部门进行交通管理等。6 专门工程或高峰时间 所需的暂时局域网：学校、商业展览、建设地点等人员流动较强的地方。7 办 公室和家庭办公室用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。 无线局域网可以分为两种：带有基础设施的局域网( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) 和a dh o c 局域网。带有基础设施的网络由若干移动节点和一个接入点( a p ， a c c e s sp o i n t ) 组成，各移动节点之间的通信都要经过这个接入点来转发，并可 以通过接入点来访问更广域的网络。图1 1 所示的就是三个带有基础设施的网 络，可以看到，三个无线网络分别通过三个a p 连入有线网。基于基础设施的无 线网络设计相对简单，因为大多数网络功能位于接入点，移动节点的功能可以很 简单。但是，这种网络失去了无线网络所应具有的灵活性，例如：在没有基础设 施的情况下，它们不能用于紧急救援。蜂窝电话就是典型的带有基础设施的网络。 图1 一l 三个带有基础设施的无线局域网 另一种无线局域网是无线a dh o c 局域网，它只由移动节点组成，每个移动 节点都是平等的，节点之间可以直接进行通信。每个节点都可以充当一个路由器， 具有转发数据的功能。由于a dh o cw l a n 不依赖于接入点，因此它比带有基础 第一章绪论 设施的w l a n 更加灵活，适应性更强。图1 2 所示的是各由三个节点组成的两 个a d h o c 网络。 图1 2 两个a d h o e 无线网络 1 1 3 无线局域网中的q o s 支持 随着无线通信技术的飞速发展，以数据业务为核心的包括话音、图像、视频、 互联网信息等多媒体服务已经成为人们对新一代移动通信技术的企盼，因此，新 一代移动通信网络必须能够同时提供高速率的、包括实时业务在内的多种数据传 输业务。 要满足实时业务的q o s 需求，最简单的办法就是增大带宽，然而有限的无 线带宽使得这种方法并不可行。另一种办法是对网络加以管理，将不同的业务类 型对应于不同的服务类型，再对不同类型的服务区别管理，以满足各种业务的 q o s 需求。有线网络中已经有相对较成熟的q o s 模型和机制，如综合业务模型i 1 】 ( i n t s e r v ) ，区分业务模型1 2 ( d i f f s e r v ) ，多协议标签交换1 3 】( m p l s ) 等。在无 线网络中，无线节点的不断运动，使得网络拓扑结构不断变化，无线信道易受干 扰的特点使得链路状态时好时坏，因而无线网络并不像有线网络那样具有恒定的 带宽。另外，无线信道访问存在着竞争，这样就不可避免的带来了隐藏终端、暴 露终端等不同于有线网络的问题。因此，无线网络不能简单地照搬有线网络中的 q o s 机制。 当前对无线网络中q o s 支持的研究，主要集中在q o s 模型、q o s 媒体访问 控制( m a c ) 、q o s 路由以及q o s 资源预留信令协议等几个方面。通过q o s 模 型来确定q o s 目标，规定媒体访问控制、路由和信令协议的功能。再通过后三 者各自的具体实现，互相协作，共同来完成q o s 支持的目标。与有线网络不同， 媒体访问控制协议在无线网络协议体系中占有极其重要的地位，所有的上层q o s 协议都依赖于它的实现。由于i e e e8 0 2 1 1 是目前应用最为广泛的无线网络标准， 因此，i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层协议成为当前探讨无线q o s 机制的焦点之一。 第一章绪论 1 2 选题动机 本课题是在以下两个基金项目的资助下完成的：1 国家自然科学基金( 重 大) “高速宽带无线i p 网络性能与服务质量研究”项目；2 教育部科技司的 现代远程教育无线接入网络教育研究项目。前者的研究课题主要包括无线接入网 络的基站优化分布，无线局域网的q o s 研究，以及a d h o e 网络中的路由研究。 后者是将无线网络技术应用到现代远程教育领域，从而实现更自主更灵活的教育 方式。两个项目均要求进行无线局域网q o s 方面的研究。鉴于前面分析的无线 网络自身的特点，以及媒体访问控制层协议在无线q o s 支持中的基础地位，我 们把改进i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层协议以支持广泛应用的实时业务作为重点研究 目标。 在无线网络中提供对实时业务的支持，就要尽量满足实时业务的特性，主要 通过为实时业务提供优先服务来实现。目前已提出了很多在i e e e8 0 2 1 1 无线网 络下为实时业务提供优先级服务的区分机制。其中一些建立在集中控制的基础 上，需要有一定的基础设施的支持，这对无线网络的结构存在限制。另一些建立 在分布式控制的基础上，相对比较灵活，而且适应性更强。但是，这些机制大都 没有对实时业务的最大延迟限度给予足够的考虑，而且没有同时顾及全局的 q o s 。事实上，对于实时业务，不但要保证较低的平均延迟，还应该尽量使每一 个数据包都能够在最大允许的延迟限度内传输成功。同时，鉴于无线网络的有限 带宽，提供q o s 支持的开销不宜过大。各实时流间的公平性也很重要。 针对这一问题，本文作者在较全面地研究了基于i e e e8 0 2 1 1 的各种q o s 机 制的基础上，对i e e e8 0 2 1 1 的d c f 机制做了改进，试图为实时业务提供较好的 q o s 支持。 1 3 论文工作 本文作者重点研究了i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层协议和建立在其基础上的多种 q o s 机制，并提出了一种新的无线局域网m a c 层的分布式优先调度机制，该机 制通过对实时业务采取一种近似先到达先服务的调度方式，能够为实时业务提供 较好的q o s 支持。作者的主要工作包括以下几个方面： 1 ) 利用仿真软件n s ，测量并分析了实时业务在i e e e8 0 2 1 1 下的性能表现。 2 ) 分析了建立在i e e e8 0 2 1 l d c f 机制基础上的目前几种颇具代表性的 q o s 机制。 3 ) 提出了一种新的分布式优先调度机制，为实时服务提供更好q o s 支持。 4 第一章绪论 4 ) 在仿真软件n s 中，对i e e e8 0 2 1 1 m a c 层的d c f 机制进行了扩展，加 入新的分布式优先调度机制，并验证该机制所提供的良好性能。 1 4 论文结构 本文第二章着重介绍了最为广泛应用的无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 标 准a 第三章用仿真实验分析了实时业务在i e e e8 0 2 1 1 下的性能表现，并简单讨 论了目前几种具有代表性的q o s 机制。在第四章中，作者提出了一种新的分布 式优先调度机制，并用仿真实验验证了新机制对实时业务q o s 支持的有效性。 第五章是本文得出的结论以及对未来工作的展望。 第二章i e e e8 0 2 ，1 1 标准 第二章i e e e8 0 2 1 1 标准 在计算机网络模型中。逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层之上的各层协 议对不同的物理网可以是相同的，因此无线局域网的标准主要针对媒体访问控制 ( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和物理层来制定。目前存在的无线局域网标准 主要有i e e e8 0 2 1 1 【4 】，h i p e r l a n 5 l ，h o m e r f 6 j 和蓝牙。其中，i e e e8 0 2 1 1 的应 用最为普遍。在介绍i e e e8 0 2 1 l 标准的具体机制之前，我们先来介绍一下各无 线局域网标准的进展情况。 2 1 无线局域网标准进展 2 1 1i e e e8 0 2 1 1 家族 作为全球公认的局域网权威，i e e e8 0 2 工作组建立的标准在过去二十年内 在局域网领域内独领风骚。这些协议包括了8 0 2 3 e t h e m e t 协议、8 0 2 5 t o k e n r i n g 协议、8 0 2 3 z1 0 0 b a s e - - t 快速以太网协议。在1 9 9 7 年，经过了7 年的工作以 后，i e e e 发布了8 0 2 1 1 协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认 可的协议。它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 。随着无线网络的进一步 发展，工作组又陆续对传输速率、服务性能和安全性等方面进行了改进，逐渐发 展了一支庞大的i e e e8 0 2 1 1 协议族。 由于i e e e8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，1 9 9 9 年8 月，8 0 2 1 1 标准得到了进一步的完善和修订，包括用一个基于简单网络管理 协议( s n m p ) 的管理信息库( m i b ) 来取代原来基于o s i 协议的m i b 。另外i e e e 小组又相继推出了i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 b 两个新标准。 i e e e 8 0 2 1 1 a 1 扩充了8 0 2 1 1 标准的物理层，规定该层使用5 g h z 的频带， 从而避开了拥挤的2 4 g h z 频段。该标准采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩 频技术，传输速率范围为6 m b p s 5 4 m b p s ，共有1 2 个不重叠的传输信道。这样 的速率既能满足室内的应用，也能满足室外的应用。 i e e e8 0 2 1 l b 是8 0 2 1 1 标准的另一个扩充，规定了2 4g h z 频段的物理层 标准。调制方法采用补码键控( c c k ) ，数据传输速率为5 5m b p s 与1 1m b p s ，并 向下兼容原来的8 0 2 1 1 标准。其多速率机制的媒体访问控制( m a c ) 技术确保了 6 第二章i e e e8 0 2 1 1 标准 当用户终端之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个限值时，传输速率能够从 1 1m b p s 自动地降到5 5m b p s 、2 m b p s 直至1m b p s 。 i e e e8 0 2 1 1 9 是正式定案的第三个传输标准，共有3 个不重叠的传输信道。 它虽然同样运行于2 4 g h z ，但由于该标准中使用了与8 0 2 1 1 a 标准相同的调制方 式o f d m ，使网络达到了5 4 m b p s 的高传输速率，而基于该标准的产品价格也只 略高于8 0 2 1 1 b 标准产品。 i e e e8 0 2 1 l e 主要解决8 0 2 1 1 无线网络的q o s 特性，提高了传输语音数据 和数据流数据的能力。目前标准还没有定案，原因在于对服务级别仍存在争议， 另外，如何具体实现特定服务级别也还是个问题。 i e e e8 0 2 1 1 f 主要解决8 0 2 1 1 在网间互连方面存在的不足。用户在两个不 同的交换网段( 无线信道) ，或两种不同类型无线网的接入点间进行漫游时，如 何更好地维护网络连接，w l a n 是否具备蜂窝电话那样的灵活性显得至关重要。 i e e e8 0 2 1 l h 力图在传输功率和无线信道选择上比8 0 2 1 1 a 更胜一筹，它与 8 0 2 1 1 e 一道将成为欧洲广为接受的标准。 i e e e8 0 2 1 l i 主要是克服8 0 2 1 1 在安全性方面存在的不足，不像w e p ，它 是一类基于a e s 加密算法的完整新型标准。主管这个标准的工作组目前还未选 定认证协议。 i e e e 8 0 2 1 1 j 尚在酝酿中，i e e e 还没正式成立专门任务组来讨论，现在处于 草拟阶段，它将采用8 0 2 1 l a 与h i p e r l a n 2 网共用的频段。 i e e e 8 0 2 1 1 n ，下一个无线新规范，这一新规范的数据传输速率尚未确定， 但至少将在1 0 0 m b p s 以上。 2 1 2h i p e r l a n 为了满足未来对互联网的宽带访问需求，欧洲电信标准协会( e t s i ) _ i t 在开发 h i p e r l a n 标准，它包括4 种标准：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h i p e r l a n 2 用于高速w 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 则用于室外对有线通信设施提供固定接入。 h i p e r l a n 2 最引人注目之处是它能够在5g h z 的频段上工作，而传统的无 线局域网技术大多使用i e e e8 0 2 1 l 标准的2 4g h z 频段。另外，h i p e r l a n 2 和 i e e e 8 0 2 1 1 a 具有相同的物理层，因此它们可以采用相同的部件，从而降低成本。 它在高速率下支持q o s ，对像视频和话音一类实时应用提供了新的途径；对多种 类型的网络基础结构( 如以太网、a t m 等) 提供连接，并且对每一种连接都具有安 全认证和加密功能；具有自动频率管理功能。h i p e r l a n 2 标准已经在2 0 0 0 年底 被最终确定下来。 第二章i e e e8 0 2 1 1 标准 h i p e r l a n 标准由e s t i ( 欧洲电信标准组织) 和p r o x i m 公司主导，在物理层与 8 0 2 1 l a 相似，速率为5 4 m b p s ，并强调与3 g 的整合，目前支持厂商主要集中在 欧洲地区。 2 1 3h o m e r _ i i 由美国家用射频委员会领导的h o m e r f 工作组成立于1 9 9 7 年。它的主旨是 在消费者能够承受的前提下，建设家庭中的互操作性的语音和数据网络。 h o m e r f 把共享无线连接协议( s w a p ) 作为未来家庭内部联网的几项技术指标， 使用i e e e8 0 2 1 1 无线以太网作为数据传输标准。它的通信频段也是2 4g h z 。 2 1 4 蓝牙 从应用的角度来讲，蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 技术十分类似于当今广泛用于微 波通信中的一点多址技术，因此，它很容易穿透障碍物实现全方位的数据传输。 蓝牙采用跳频扩展频谱( f h s s ) 技术来实现信息的发送和接收，在2 4g h z 的i s m 频段上以1 6 跳每秒的速率进行跳频。蓝牙技术的目的在于取代短距离红外传输， 强调低功率、低成本，但目前仍存在价格和体积的问题。 2 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网 e e e8 0 2 1 1 标准是第一代无线局域网标准之一，是无线局域网中一个重要 的家族，现在的很多无线局域网设备都与之兼容。随着无线技术的不断发展， i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的应用越来越广泛。下面我们先来介绍一下其系统体系 结构和协议体系结构。之后再分别介绍它的物理层和m a c 层机制。 2 2 1 系统体系结构 在第一章中我们已讲过，无线局域网分为两种：带有基础设施的网络和a d h o c 无线局域网。在i e e e8 0 2 1 l 中，对这两种网络有更详细的描述。图2 1 和 图2 - - 2 分别图示了i e e e8 0 2 1 1 中带有基础设施的网络以及a dh o c 网络的组成 部分。图中的每个移动节点称为个s t a t i o n ，分别用带有下标的s t a 来表示。 每个s t a 就是一个具有无线媒体访问机制、通过无线信号与其它节点进行通信 的终端。 在带有基础设施的网络中，各s t a 通过接入点( a c c e s sp o i n t ) 可以与分布 第二章i e e e8 0 2 1 1 标准 式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 进行通信。接入点连同其覆盖范围内的无线节点就 构成了一个基本服务集( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) 。同一个b s s 内的s t a 之间不 能直接进行通信，数据首先被发送到接入点，再由接入点转发给目的节点。分布 式系统及与之相连的多个b s s ，又形成了一个网络，这个网络被称为扩展服务集 ( e s s ，e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。e s s 扩展了无线覆盖范围，使得无线节点能够访 问到更广域的区域。在图2 1 中，b s s l 、b s s 2 和分布式系统组成了一个e s s 。 还可以看到，分布式系统可以通过称为p o r t a l 的节点与其它类型的局域网相连。 事实上，分布式系统可以是桥接的e e 局域网，无线链路，或是其它任何网络。 它的体系结构在标准中没有详细说明。 图2 - - 1 带有基础设施的i e e e8 0 2 1 1 网络图2 - - 2i e e e 8 0 2 1 1a dh o e 无线局域网 当一个无线节点移动超出当前b s s 的范围，即不在与之通信的a p 的覆盖范 围内时，它可以就近选择另一个能够覆盖它的a p ，并要求这个a p 为它提供接 入服务，从而加入另一个b s s 。这个功能叫做漫游( r o a m i n g ) 。另外，a p 还具 有在一个b s s 内提供同步，能量管理等功能。这些以及更多的功能将在后面的 m a c 层机制部分中介绍。 除了基于基础设施的网络，i e e e8 0 2 1 1 允许在节点间建立a dh o c 网络，形 成一个或多个独立的b s s ，如图2 2 所示。一个b s s 包括一组使用同一无线信 号频率的无线节点。同一个b s s 内的节点之间可以进行通信。而不同的b s s 内 的节点，由于它们之间距离较远或是由于它们使用不同的载波频率，通常不能通 第二章i e e e8 0 2 1 1 标准 信。我们可以利用a dh o c 网络的这一特点，在邻近的两个b s s 中使用不同的频 率信号，这样就可以使得两个b s s 在物理区域上互相覆盖，同时之间不发生干 扰。 2 2 2 协议体系结构 i e e e8 0 2 1 1 标准是对一个局域范围内各种固定的、便携的和移动节点间的 无线连接所作的规范。和其它8 0 2 x 局域网标准一样，8 0 2 1 1 仅覆盖了i s o 开放 系统互连参考模型中的媒体访问控制层( m a c ) 和物理层( p h 。 a p p l i c a d o na p p l i c a l i o n t c pt c p i pi p l l cl l cl l c 8 0 2 1 1m a c8 0 2 ：1 1m a c8 0 2 3m a c8 0 2 3m a c 8 0 2 1 1p h y8 0 2 1 1p h y8 0 2 3p h y8 0 2 3p h y 1lll 图2 3i e e e 8 0 2 1 1 和8 0 2 3 以太网协议体系结构 图2 3 描述了i e e e8 0 2 1 l 无线局域网与8 0 2 3 以太网相连时的协议体系结 构。可以清楚的看到，i e e e8 0 2 1 1 与其它8 0 2 x 局域网标准对上层协议都是透明 的。除了较低的带宽和可能较高的延迟以外，上层应用程序并不能察别出无线局 域网与有线网的任何不同。因此，上层协议( 应用层、t c p 、i p ) 对无线节点和 有线节点同样看待。图中数据链路层的上面一个部分，逻辑链路控制( l l c ， l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 子层覆盖了不同媒体所需要的媒体访问机制的不同之处。 在目前的网络中，看不到很明显的l l c 子层。 i e e e8 0 2 1 1 标准的基本目标是提供一个简单而健壮的无线局域网规范。其 m a c 层能够在多种物理层上操作，每一种物理层都有不同的介质载波侦听和传 输特性。m a c 层的基本任务包括媒体访问，用户数据的分段以及加密。 i e e e8 0 2 1 l 的物理层分为物理层汇聚协议子层( p l c p ，p h y s i c a ll a y e r c o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 和物理介质依赖( 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 子层主要负责将m a c 层的协议数据单元( m a cp r o t o c o ld a t au n i t s ) 映射为一种适合于当前物理介质传输的帧格式。另外，p l c p 子层提供一种称为 c c a ( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) 的载波侦听功能，可以用来判断当前无线介质 的忙闲状态。p m d 子层负责在节点之间通过无线介质接收和发送数据。i e e e 第二章1 e e e8 0 2 1 1 标准 8 0 2 1 1 的物理层通过物理层的服务接入点( s a p ，s e r v i c e a c c e s sp o i n t ) 来向m a c 层实体提供服务。 除协议子层外，i e e e8 0 2 1 1 标准还规定了m a c 层和物理层的管理功能。 该标准详细的协议和管理体系结构如图2 4 所示。m a c 层的管理功能主要包括 支持无线节点与接入点的连接断开连接，不同接入点之间的漫游，认证机制， 加密，无线节点与接入点的同步，以及能量管理。m a c 管理通过m a c 管理信 息库( m i b ，m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 来实现。物理层的管理功能主要包 括信道调谐和物理层管理信息库( m i b ) 的维护。最后，节点的管理模块负责在 各协议层管理模块中协调交互，并负责另外的高层功能( 例如：网桥的控制，以 及与分布式系统的交互等) 。 l l c 垂 m a cm a cm a n a g e m e n t 主 p l c p 5 p h ym f l n a g e m e r t 磊 p m d 图2 41 e e e 8 0 2 1 1 标准的详细的协议和管理体系结构 2 3i e e e8 0 2 u 标准的物理层 i e e e8 0 2 1 1 标准最初定义了三个物理层规范，其中包括两个扩频技术和一 个红外传输规范。无线传输的频段定义在2 4 g h z 的i s m 波段内，这个频段，在 各个国际无线管理机构中，例如美国的u s a ，欧洲的e t s i 和日本的m k k 都是 非注册使用频段。这样，使用i e e e8 0 2 1l 的客户端设备就不需要任何无线许可。 扩频技术保证了8 0 2 1 1 的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐率，这 项技术还可以保证同其他使用同一频段的设备不互相影响。i e e e8 0 2 1 1 标准定 义的传输速率是1 m b p s 和2 m b p s ，可以使用跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n g s p r e a ds p e c t r u m ) 技术和直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m l 技术。需要指出的是，f h s s 和d s s s 技术在运行机制上是完全不同的，所以采 用这两种技术的设备没有互操作性。 在接下来的三个小节中，将分别介绍标准中所定义的这三种物理层规范。 2 3 1 跳频扩频( f h s s ) 我们知道，扩频技术利用的是开放的2 4 g h z 频段，由于这是个公用频段， 第二章1 e e e8 0 2 1 1 标准 因此十分拥挤，微波噪声最大，采取何种发送和接收方法，会直接影响到微波传 输的质量和速率。 跳频扩频技术是连续地使用多个跳跃的频点，如图2 5 所示。当跳到某个 频点时，判断是否有干扰。若无干扰，则传输信号；若有干扰，则依据算法跳至 下一频段继续判断。f h s s 利用不同的跳频序列来区分不同的网络，因此允许多 个网络在同一区域共存。 标准中规定北美和欧洲有7 9 个跳频信道，日本有2 3 个跳频信道。每一个信 道都是i s m2 4 g h z 频带中的i m h z 带宽。利用伪随机跳频模式，可以选择一个 特定的信道。而各国的限制也决定了更多的参数，例如：在美国，最大的传输功 率是i we i r p ( e q u i v a l e n ti s o t r o p i c a l l yr a d i a t e dp o w e r ) ，而在欧洲是1 0 0 m w e i r p 。 标准指定高斯整形的频移键控法( g f s k ，g a u s s i a ns h a p e df r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ) 来作为f h s s 的调制方法。1 m b p s 是使用二阶频移键控技术来调制的， 2 m b p s 是使用四阶频移键控技术。缺省时使用1 m b p s 来发送和接收，2 m b p s 是 可选的。这样，仅仅需要低速率时，就可以只使用低功率的设备，而在两种速率 都