（通信与信息系统专业论文）无线局域网mac层性能研究及在windows+ce下的应用.pdf

浙江大学硕七学位论文 y5 8 1 5 0 2 无线局域网m a c 层性能研究及在w i n d o w sc e 下的应用 【摘要】该文首先介绍了i e e e s 0 21 l 协议的基本内容并对m a c 子层的c s m a c a 机 制的| 生能进行丁讨论和仿真结果分析。在此基础上，重点讨论了无线局域网的q o s 实现方 法：基丁优先级机制和基丁资源公平性分配机制。仿真结果分析发现，优先级机制造成丁网 络资源的不公平分配低优先级的站点容易出现“干渴”现象。该文在资源公平性分配机制 的基础r 提出r 一手中算法，通过估计站点当前所获得的网络资源状态，动态地改变a i f s 的 人小，实现网络资源的公平性分配，并进行了仿真验证。 结合研究生阶段“现场总线设备中的无线通信模块关键技术研究”8 6 3 课题，作者把无 线局域网技术运刚丁嵌入式系统中，实现了无线局域网，工业现场嵌入式系统的紧密结台。 【笑键宇】 无线局域网，m a c c s m a c a ，q o s ，“干渴”，嵌入式系统 未经作者、等缔秘患 勿全文公布 浙江大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c er e s e a r c ho fw l a n p r o t o c o lm a cl a y e r a n da p p l i c a t i o ni nw i n d o w sc e a b s t r a c t ：t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h ec o n t e n to fi e e e8 0 2 11 a n d a n a l y z e s t h ec s m a c a p m t o r m a n c eo fm a cl a y e rt h e nt h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no fw l a no o s ：b a s e do n p r i o r i t y m e c h a n i s ma n db a s e do nf a i rs o u r c es h a r em e c h a n i s ms i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t p r i o r i t ym e c h a n i s mb r i n g si nt h eu n f a i rd i s t r i b u t i o no fn e “v o r kr e s o u r c e ，s t a t i o n sw i t hl o wp r i o r i t y e n dt o t h i r s t y “t h i sp a p e rp r o p o s e sa na l g o r i t h mt h a tm o d i f i e sa i f s d y n a m i c a l l yb ye s t i m a t e s o b t a i n e dr e s o u r c e ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i sa l g o r i t h mr e a l i z e sf a i r n e s s c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yp r o j e c tn a m e d “k e y t e c h n i q u e so ft h ew i r e l e s s m o d u l ei nf i l e d b u sf a c i l i n e s ”t h ea u t h o ri m p l e m e n tt h ew l a n t e c h n i q u ei n t oe m b e d d e ds y s t e m r e a l i z et h ec o m b i n a t i o no fw l a n ，f i e l da n de m b e d d e d s y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s s l a n m a c ，c s m a c a ，q o s “t h i r s t y ”e m b e d d e ds y s t e m 浙江大学硕士学位论文 绪论 无线局域网( 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 ) ，顾名思义，就是采用无线通讯 技术代替传统电缆，提供传统有线局域网功能的网络。它是9 0 年代计算机网络与无线通信 技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信， 并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了满在的手段。 t 甘= 界上第一个试验性无线局域网于1 9 8 7 年建立，随后，在医疗、零售、机场等地方， 无线局域网络不断出现，各厂商的无线局域网不能互联，于是1 9 9 0 年11 月成立1 e e e 8 0 2 1 1 委员会，着手制定无线局域阿标准并于到1 9 9 7 年6 月， e e e 通过了8 0 2 i1 标准。主要 刚于解决办公室局域网和校园网中设各的无线接入，速率最高只能达到2 m b p s 。由于i e e e 8 0 21 1 标准在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，1 9 9 9 年1 e e e 小组又相继推出了 i e e e8 0 2 1 l b 和i e e e8 0 2il a 两个新标准。而且在前不久又推出了相当于前二者的混合标准 8 0 2 1 1 9 ，使得w l a n 的速度又向前迈进了一大步。 无线局域网速率和传输距离的提高，为满足用户实时性和多媒体的要求提供了必要的条 t t ：，因此i e e e 8 0 2 1 i 工作组又推出了i e e e8 0 2 1 1 e 标准，以规范无线局域同在q o s 方面的 要求。 本文主要是对8 0 2 1 1 协议m a c 层机制及q o s 进行研究，并把无线局域网技术应用于 项目实践中。因此本文内容如下： 第1 章简要概述了无线局域网相关标准并对i e e e 8 0 2 1 1 标准进行了介绍。 第2 章分析了i e e e 8 0 2 1 lm a c 层的工作方式和帧结构。 第3 章分析了c s m a c a 机制并通过仿真对其性能进行分析。 第4 章 详细研究了在m a c 层上q o s 的实现机制，并从网络资源公平性分配的角度 进行了算法研究，给出了性能仿真结果及分析。 第5 章对项目中无线局域网在嵌入式系统中的实际应用进行了阐述。 第6 章 对作者负责的嵌入式软件平台构建及硬件驱动程序的开发做了详细的介绍。 第7 章 对研究工作做出总结，分析不足及改进的方向。 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章无线局域网概述 近2 0 年以来，计算机互联网获得了巨大成功并迅速发展。为了实现通信技术发展的最 终目标5 w ：即对任何人( w h o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r ) ，与任何地方( w h e r e v e r ) 的 任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信，需要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业务发展。在计算机网络技术与无线通信技术支持下，无 线局域网( w i r e l e s sl a n w l a n ) 应运而生，无线局域网被认为是走向个人通信( p c s ) 的重要组成部分。 无线局域网是9 0 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多 址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用 提供了潜在的手段。 与通过电缆、光缆或双绞线连接的有线网相比，用无线电波( 主要是微波段的电磁波) 、 激光、红外线等来代替部分或全部电缆，成为网络设备之间主要的通信传输介质，这就构成 了无线局域网。无线局域网具有不受电缆束缚可移动，解决有线网布线因难、电缆接插件 松动、短路等带来的问题，组网灵活快速，扩容方便，与多种网络标准兼容，保护用户已有 投资，应用范围广等诸多优点。 世界上第一个试验性无线局域网于1 9 8 7 年建立，随后，在医疗、零售、机场等地方， 无线局域网络不断出现，各厂商的无线局域网不能互联，于是1 9 9 0 年1 1 月成立i e e e 8 0 2 1 1 委员会，着手制定无线局域网标准，并于1 9 9 7 年6 月制定出全球第一个无线局域网标准 1 e e e 8 0 2 1 1 1 。i e e e8 0 2 1 lw l a n 标准使得不同供应商的产品具有了互操作性，同时 1 m b p s 和2 m b p s 的w l a n 技术和产品已相当成熟，整个系统的实现成本也正逐渐下降。但 与以太网( 1 0 m b p s ) 相比，w l a n 较慢的数据传输率成了其进一步发展的瓶颈。为此，i e e e g r o u p 又相继推出了耨的高速标准8 0 2 1 l b 【2 】和8 0 2 1 l a 【3 1 n 个新标准，而且在前不久又推 出了相当于前二者的混合标准8 0 2 1 l g ，使得w l a n 的速度又向前迈进了一大步。欧洲电信 标准化协会( e t s i ) 的宽带无线电接入网络( b r a n ) 小组着手制定h i p e r ( h i 曲p e r f o r m a n c e r a d i o ) 接入标准，研究任务之一是h i p e rl a n 标准，已推出h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 。 h i p e r l a n l 对应1 e e e 8 0 2 1 l b - h i p e r l a n 2 与i e e e 0 8 2 1 l a 具有相同的物理层。 目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈，主要有 i e e e8 0 2 1 1 家族、h o m e r f 、h y p e r l a n 2 以及蓝牙技术等，它们各有特点，其应用领域也 5 浙江大学硕士学位论文 不尽相同。 1 1 无线局域网相关标准及比较 无线局域网有很多标准，比如i e e e 8 0 2 1 l 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 、i e e e 8 0 2 1 i g 、 i e e e 8 0 2 1 1 e 、i e e e 8 0 2 1 1 i 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 、i r d a 、h i p e r l a n 2 等。 1 1 1l e e e8 0 2 1 1 1 9 9 0 年i e e e 8 0 2 标准化委员会成立i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网( w l a n ) 标准工作组。 i e e e 8 0 2 ，1 1 无线局域网标准工作组任务为研究l m b i t s 和2 m b i l s 数据速率、工作在2 4 g h z 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月公布了该标准，它是第一代 无线局域网标准之一。该标准定义物理层( p h y ) 和介质访问控制( m a c ) 规范，允 许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。 标准中物理层定义了数据传输的信号特征和调制方式。在物理层中，定义了两个r f ( 无 线电波) 传输方法和一个红外线传输方法。r _ f 传输方法采用扩频调制技术在该标准中r f 传输标准是f h s s ( 跳频扩频) 和d s s s ( 直接序列扩频) ，均工作在2 4 0 0 0 - - 2 a 8 3 5 g h z 频 段。直接序列扩频采用d b p s k ( 差动二进制相移键控) 和d q p s k ( 差动四进制相移键控) 调制技术，分别支持1 m b i t j s 和2 m b i t s 数据速率。跳频扩频采用2 4 电平g f s k ( g a u s s i a n 频移键控) 调制技术，支持1 m b i t s 数据速率红外线传输方法工作在8 5 0 - - 9 5 0 n m 段，峰 值功率为2 w ，基本速率是利用1 6 p p m ( 脉冲位置调制) 的1 m b i t s 速率和利用4 p p m 的2 m b i t s 速率。 介质访问控制( m a c ) 层使用c s m a c a ( 载波监听多路访问，冲突避免) 协议。由于 在r f 传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用冲突避免代替在8 0 2 3 协议使用的 c s m a c d ( 载波监听多路访问肿突检测) 。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之发生变化；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闲的方式。使用信道空闲评估( c c a ) 算 法来决定信道是否空闲。 由于8 0 2 1 l 标准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 1 b 和8 0 2 1 l a 两个新标准。 1 1 2le e e8 0 2 1 1 b 又称为8 0 2 11 h r ( h i g h r a t e ) f 2 】。为了支持更高的数据传输速率，i e e e 于1 9 9 9 年9 月批准了i e e e s 0 2 1 i b 标准。1 e e e 8 0 2 1 i b 标准对i e e e 8 0 2 1 1 标准进行了修改和补充，其中 6 浙江大学硕士学位论文 最重要的改进就是在i e e e 8 0 2 ，1 1 的基础上增加了两种更高的通信速率5 5 m b i t s 和1 1 m b i t s 。 当射频情况变差时可将数据传输速率动态降低为5 5 m b i t s 、2 m b i t s 和1 m b i v s 。 1 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 e s 0 2 1 1 标准定义。i e e e s 0 2 1 1 b 标准只影响i e e e 8 0 21 1 标准的物理层，增加了数据传输速率和连接性的健全。 8 0 21 1 b 的物理层分为p l c p 和p m d 子层。p l c p 是专为写入m a c 子层而准备的一个 通用接口，并且提供载波监听和无干扰信道的评估。p l c p 有两种结构，长报头和短报头， 所有相应的8 0 2 1l b 系统必须支持长报头，短报头( 可选项) 是在传输诸如语音、v o l p 和视 频流之类的特殊数据。而p m d 子层则承担无线编码的任务。 8 0 21 1 b 规定的是动态速率允许数据速率根据噪音状况进行自动调整。这就意味若 8 0 2 11 b 设备在噪声的条件下将以更低速率( 1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s ) 传输。多速率机制 的介质接入控制( m a c ) 确保当站点之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限时， 传输速率能够从l i m b p s 自动降到5 5 m b p s ，或者根据直接序列扩频技术调整到2 m b p s 和 1 m b p s 。 关于安全保证，i e e e 8 0 2 1 l b 制定了一个w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 机制，它是 运作在m a c 层，提供访问控制及资料加密的机制，8 0 2 1 i b w e p 采用对称性加密算法r c 4 ， 提供4 0 b i t 长度的加密密钥。 1 1 3le e e8 0 2 1 1 a 8 0 2 1 l a 3 标准是已得到广泛应用的8 0 2 1 l b 无线联网标准的后续标准。它扩充了标 准的物理层，规定该层使用5 g h z 的频带，频段：5 1 5 5 2 5 ，5 2 5 5 3 5 和57 2 5 5 8 2 5g h z ， 物理层的速率分为6 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b p s ，传输层最高速率可达3 2 蚰i t s 。高 端的5 8 g h z 频段，由于输出功率高，适于建筑物之间或室外环境的无线应用。低端的5 2 g h z 和中部的5 3g h z 频段特别适合于建筑物内的产品。对于5 2g h z 的设备必须使 用集成天线。 8 0 2 1 1 a 标准采用正交频分复用0 f d m 的扩频技术，可提供2 5 抽i t s 的无线a 1 3 t 接口和 l o m b i t s 的以太网无线帧结构接1 ：3 ，及t d d 删a 的空中接口：支持语音、数据、图像业务： 一个扇区可接人多个用户，每个用户可带多个用户终端该技术可帮助提高速度和改进信号 质量，并可克服干扰。扩展频谱技术必须以直接序列d s s s 发送信号，而o f d m 技术与之 不同，它可打破无线信道。将其分成以低数据速率并行传输的分频率。o f d m 技术然后可 把这些频率一起放回接收端。这一方法可大大提升无线局域网的速度和整体信号质量。但是， 7 浙江大学硕士学位论文 支持8 0 2 1l a 的芯片还没有完全进入市场，而且其设各价格昂贵，针对点对点连接很不经济。 8 0 2 1 l a 和8 0 21 l b 具有相同的m a c 技术都采用c s m a c a 协议，但是物理层有着很 大的不同。后者使用的是i s m 波段的2 4 g h z 而前者则是u - n i i 波段的5 g h z ，相应的在这 两个频段传播的信号才不会相互干扰。因此，这两种技术是不兼容的。但是有各种不同的策 略可以使二者能够一种网络中同时工作。 1 1 4ie e e8 0 2 1 1 9 8 0 2 1l g 协议则考虑在24 gi s m ( 工业、科学、医疗) 频段上，使用o f d m 物理层来提 供最高达到5 4 m 的数据传输速率。8 0 2 1 l g 将充分考虑和8 0 2 儿b 的兼容性问题，以便于生 产厂商和用户在现有8 0 2 1 l b 网络的基础上进一步提高数据传输速率。 i e e e 8 0 2 1 1 9 中规定的调制方式有两种，包括8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 与8 0 2 ，1 l b 中采 用的c c k 。通过规定两种调制方式，既达到了用2 4 g h z 频段实现i e e e 8 0 2 1 l a 水平的数据 传送速度，也确保了与装机数量超过1 1 0 0 万台的8 0 2 1 l b 产品的兼容。另外，可实现2 2 m b i t 秒数据传送速度的p b c c 一2 2 ( c c k p b c c ) 调制方式与c c k - o f d m 也可以作为选项使用。 因此，8 0 2 1 l g 是一种混台标准，它既能适应传统的8 0 2 1 l b 标准，在2 4 g h z 频率下提 供每秒11 m b i t s 数据传输率，也符合8 0 2 1i a 标准在5 g h z 频率下提供5 4 m b i t s 数据传输率。 1 1 5ie e l ：8 0 2 11 e 随着i e e e 8 0 2 1 l 标准已经被广泛地接受并迅速地应用于实际中，以及8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 1 9 标准的推出，w l a n 的最高速率可达5 4 m b i t s s ，这样的高速率为满足如视频、语音等实时 的多媒体应用和高速局域网的接入需求提供了可能。因此，网络对q o s 的支持就显得至关 重要。8 0 2 1 l e 标准是对8 0 2 1 1 m a c 层的改进，为现有的m a c 协议提供q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 加强功能。它与物理层相对独立，可以使用在任何8 0 2 1 1 协议中所规定的物理层上。 1 1 6ie e l ：8 0 2 1 1i i e e e 8 0 2 i l i 协议则专门考虑为8 0 2 1 1m a c 协议中的w e p 安全性协议提供加强，因此 也成为w e p 2 协议。该协议也和其他协议相对独立，可以用于任何其他8 0 2 1 1 的物理层和 姒c 层上。 1 1 7b l u e t o o t h 蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备( 如p c 、拨号网络、笔记本电脑、打印 机、数字相机、移动电话等) ，通过无线方式将它们连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微 8 浙江大学硕士学位论文 网之间也可以互连形成分布式网络( s c a t t e r n e t ) ，从而方便、快速地实现各类设备之间的 通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离的无线连接技术。 在技术上有以下几个特点： 全球可操作性 1 0 一l o o m 的有效无线通信距离 1 m b i “s 的数据传输串 小尺寸，低功耗和低价格 非常可靠的数据和语音传输能力 安全保证：在链路层，监牙系统提供了认证、加密和密钥管理等功能，每个用户都有个 人标识码( p i n ) ，它会被译成1 2 8 b i t 的链路密钥( l i n kk e y ) 来进行单双向认证一旦认证 完毕，链路就会以不同长度的密码( e n c r y p t i o nk e y ) 来加密( 此密码以8 b i t 为单位增减， 最大为1 2 8 b i t ) 。链路层安全机制提供了大量的认证方式和一个灵活的加密方式( 允许协商 密码长度) ，因为某些国家会指定最大密码长度，蓝牙系统会选取p i c o n e t 中的各个设备的最 小的最大允许密码长度。图1 - 1 所示为蓝牙系统链路层安全机制。 用户输人 可能永久存储 临时存储 图1 一i ：蓝牙系统链路层安全机制 1 1 8h o m e r f h o m e r f 技术是无绳电话技术d e c t ( d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n e )和无线局 域网( w l a n ) 技术相互融合发展的产物。在i t u 的赞助下，h o m e r f 工作小组致力于实 现p c 与其他来自不同制造商的家用电器设备之间的数字通信，它于1 9 9 8 年制定了共享无 线接入协议( s w a p ，s h a r e w i r e l e s s a c c e s s p r o t o c 0 1 ) 。无线局域网8 0 2 1 1 使用c s m a c a 方 式，适合于数据业务；而d e c t 使用t d m a 方式，适合语音业务：s w a p 结合了d e c t 和 i e e e 8 0 2 1 1 的特点，使用t d m a 及c s m a c a 方式，适合语音和数据业务。它也工作于 2 4 g h zi s m 频段，基于该协议的网络是对等同，也就是说，网上的每一个节点都是相对独 g 浙江大学硕士学位论文 立的，不受中央节点的控制。图卜2 为h o m e r f 的s w a p 协议模型。 t 数据业务流业务语音业务 图1 2 h o m e r f 的s w a p 协议模型 h o m e r f 是针对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，它采用的是 i e e e 8 0 2 】规范中的t c p a p 传输协议；进行语音通信时，则采用了数字化无绳电话d e c t 规范。 h o m e r f 的应用：语音通信，数据通信和流媒体业务。 安全保证：h o m e r f 无线家庭网络的数据安全性由b l o w f i s h 加密算法来保证。 1 1 9h i p e r l a n 2 全球论坛( h 2 g f ) 开发了被称为h i p e r l a n 2 的下一代无线l a n 技术其宗旨是推动 h i p e r l a n 2 技术的标准化。h i p e r l a n 2 在5 g h z 的频段上运行，采用o f d m 调制方式，物 理层最高速率可达5 4 m b i t s 。图1 - 3 显示了h i p e r l a n 2 的网络结构。 h i p e r l a n 2 技术的主要特点包括以下几方面： 移动终端 图1 3 ：h i p e r l a n 2 的网络结构 移动终端 高传输速率：h i p e r l a n 2 物理层传输速率可以达到5 4 m b i t s ，汇聚层可以达到 2 5 m b i t l s ，物理层采用o f d m 调制方式来传输模拟信号，o f d m 是一种在时间色 散环境中非常有效的调制方式。 面向连接：在h i p e r l a n 网络中，移动终端( m t ) 在与接入点( a p ) 通信之前利 l0 浙江大学硕士学位论文 用h i p e r l a n 2 控制平面的信今功能先建立连接，通过空中接口实现时分多址复用。 q o s 支持：h i p e r l a n 2 网络面向连接的特性，使它能支持q o s ，每一个连接可以 有确定的q o s 值，如确定的带宽、时延、抖动、比特差错率等。 安全支持：h i p e r l a n 2 网络支持安全认证和保密，通过使用认证机制，a p 和m t 可以相互进行认证，以确保对网络的授权访问( 从a p 的角度看) ，或者确保对有 效的网络提供商的访问( 从m t 的角度看) 。 接入固定网灵活：h i p e r l a n 2 网络协议具有灵活的体系结构，可以方便地和各种 固定网互联互通。h i p e r l a n 2 网络既可以作为一个交换以太网虽后一跳的无线部 分，又可以作为第三代移动通信网的接入网。 1 1 1 0lr d a i r d a i 0 简称为s i r ( s e r i a li n f r a r e d ) ，它是基于h p s i r 开发出来的一种异步、半双工 的红外通信方式。s i r 的最高通信速率只有1 1 5 2 k b i t s ，也就是电脑串行端口的最高速率。 1 9 9 6 年，i r d a 发布了i r d a l 1 标准，即f a s ti n f r a r e d ，缩写为f i r ，其最高通信速率可达到 4 m b i f f s 的水平。继f i r 之后，i r d a 又发布了通信速率高达1 6 m b i t s 的v f i r 技术( v e r y f a s t l n f r a r e d ) ，接收角度由传统的3 0 0 扩展到1 2 0 0 ，它将作为补充纳入i r d a l 1 标准之中。 i r d a 标准包括二个基本的规范和协议：物理层规范( p h y s i c a l ll a y e r l i n ks p e c i f i c a t i o n ) ， 连接建立协议( i r l a r ，l i n ka c c e s sp r o t o c 0 1 ) 和连接管理协议( i r l m p ，l i n km a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) 。物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求。i r l a p 和i r l m p 为两个软 件层，负责对连接进行设置、管理和维护。 但i r d a 也有其局限性，i r d a 是一种视距传输技术，也就是说两个具有i r d a 端口的设 备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但在多个电 子设备问就必须彼此调整位置和角度。 安全问题：i r d a 没有提供链接级别的安全措施，它依靠上层协议提供的授权与安全功 能。 1 1 1 1 不同协议的比较 i e e e8 0 2 1 l 系列标准的传输距离长、速度快，可以满足用户运行大量占用带宽的网络 操作，就像在有线局域网上一样，i e e e8 0 2 1 1 系列比较适于办公室中的企业无线网络； b l u e t o o t h 技术面向的是移动设各问的小范围连接，从本质上说，它是一种代替电缆的技术， 它适合用在手机、掌上型电脑等的简易数据传输；h o m e r f 是专门为家庭用户设计的，它通 浙江大学硕士学位论文 过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信；i r d a 技术适用于传输速率高、 使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备，如打印机、扫描仪、数字相机等。具体比较 见表1 1 。 协议( 规范)8 0 2 1 18 0 2 1 1 b 8 0 2 1 1 ab u l e t o o t hh o m e r f h i p e r l a n 2 i r d a 频段( g h z )2 4 2 4 8 52 4 2 4 8 5 52 4 - 2 4 8 5 2 4 2 4 8 55红处线 最大物理层速 21 15 411 65 41 6 率( m b i d s ) 覆盖范围 1 0 01 0 0 3 0 05 l o k1 01 0 03 0 ( m ) 价洛高高高中等中等高低 1 2 i e e e 8 0 2 1 1 协议简介 1 2 1 无线局域网的关键技术 无线局域网的巨大吸引力在于无线和移动性，与有线局域网相比，它的改变不仅来自 物理层，由此带来一系列无线网络所特有的课题：多径传输、信道衰落和空间射频干扰使 传输速率和传输距离面临挑战 多径传输：除了理想的情况下空间传输信号直接到达接收端外，信号还会经环境中 的多条反射途径到达接收端，多径传输后的混合信号使其识别更加困难。在室内环 境中该问题更加严重。通常，w l a n 运用均衡和天线分集等方法解决该问题； 信道衰落：无线传输信道衰落非常严重，大约每1 0 0 英尺有2 0 d b 的衰落，可采用 动态调整发射功率和接收灵敏度等方法解决该问题： 空间射频干扰：干扰来源是多方面的，有可能来自大自然，也可能来自使用相同频 段的无线设备。在抵御外界干扰的同时，w l a n 也有责任降低自身对外界的射频 干扰。 低功耗要求：移动性要求设备对自身携带电池功率的损耗尽量低。为此，w l a n 正努力实现功耗管理等一系列技术( 包括提供休眠模式等) ，依靠这些技术可大幅 度降低实际消耗功率。 网络安全：数据安全对无线传输尤为重要。由于物理传输介质没有一个确切的传输 范围，邻近的恶意侵犯者可能轻易获得局域网的内部数据。此外，恶意侵犯者还有 可能在临近区域向局域网发动流量攻击，使网络陷于瘫痪。为此，无限局域网标准 增加了一系列认证和加密措施，以加强网络安全。 漫游：在有线数据网中，传统t c p i p 协议取得巨大成功，但当数据终端在几个 12 浙江大学硕士学位论文 7 之) l 辐务集。， - - ，a 站、 。c 心j 、忑 、 _ u _ f j 、。、一一。j 浙江大学硕士学位论文 图i 一5 ：无线局域网的拓扑结构示意图 8 0 2 1 1 标准认可以下的移动类型： 不迁移型( n o t r a n s i t i o n ) ：那些非移动的站点和在局部b s s 内移动的站点。 b s s 迁移型( b s s - t r a n s i t i o n ) ：指站点从e s s 中的一个b s s 移动到相同e s s 中的另一 个b s s 。 e s s 迁移型( e s s t r a n s i t i o n ) ：指站点从一个e s s 中的一个3 s s 移动到另一个e s s 中的 一个b s s 。 8 0 2 1 1 标准支持不迁移型和b s s 迁移型两种移动类型。当进行e s s 迁移时，不能继续 保证连接。 8 0 2 1 1 标准定义分布式系统为通过a p 在e s s 内使b s s 相互连接的组件。分布式系统 通过提供逻辑服务支持8 0 2 1 1 移动型类型，逻辑服务在处理地址到目的地的变换和多重b s s 的无缝集成是必要的。a p 是一个可设定地址的站点，它提供接口到分布式系统，以便将位 于各种b s s 内的站点连接起来。 在e s s 内，8 0 2 1 1 标准调整b s s 的下列物理配置： 部分重叠b s s ( b s s s t h a tp a r t i a l l yo v e r l a p ) ：这类配置在一个已定义区域内提供邻接覆 盖，如果在应用中难以容忍网络服务中断的话，它是最好的选择。 自然分离b s s ( b s s st h a ta r ep h y s i c a l l yd i s j o i n t e d ) ：对于这种情况，配置不提供邻接覆 盖。8 0 2 1 1 没有指定b s s 间距离的限制。 自然配置b s s ( b s s s t h a t a r ep h y s i c a l l yc o l l o c a t e d ) ：这对于提供一个冗余的或高操作性 网络是必要的。 1 2 3 i e e e 8 0 2 1 1 的逻辑结构 拓扑结构决定了网络的物理组件，而逻辑结构着重定义网络操作。如图1 - 6 所示为 i e e e 8 0 2 1 l 的逻辑结构， l4 浙江大学硕士学位论文 m a c m a cs a p m a t ；l a y e ri i ，m a n a g e m e n i l m l m es a p a y e r m a cs u b l a y e re n t i t y ll p h ys a pp l m e s a pli i s t a t i o n p l c p m a r l a c l e m e i q l p h y ，p h y l a y e r ll s u b l a y e r m a n a g e m e n t ii p l m es a p a y e r p m ds a p e n t i t y li p m ds u b l a y e r + i 图1 6 ：i e e e s 0 2 1 1 的逻辑结构 1 2 3 1ie e e 8 0 2 1 1 m a c 层 m a c 层的目的是在l l c 层的支持下为共享介质提供访问控制功能( 如寻址方式、访问 协调、帧校验序列生成和检测，以及l l cp d u 定界) 。8 0 2 i l 标准利用c s m a c a ( 载波 监听多路访问冲突防止) ；而标准以太网利用c s m a c d ( 载波监听多路访问肿突检测) 。 在同一个信道上利用无线电收发器同时传送和接收是不可能的；因此，8 0 2 1 l 无线l a n 采 取措施是为了避免冲突，而不是检测它们。 1 2 3 2i e e e 8 0 2 1 1 p h y 层 i e e e8 0 2 1 l 中定义了三种物理层结构：分别为直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ，d s s s ) 物理层、跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 物理层 和红外( i n f r a r e di r ) 物理层。如图1 7 所示逻辑结构： f h s s 技术是将可用的频宽带区域分割成好几个通 道，它使用的窄频载波借着2 到4 阶的高斯频移键控 ( g a u s s i a n f r e q u e n c ys h i t = k e y i n g ，g f s k ) 不断的改变。 传送时，频率会在收发双方节点都知道的范围间，利用伪 随机技术( p s e u d o m n d o m ) 做任意变动。这对p h y 层加 l l c i v l a c 跳频直接序列红外 p h yp h yp h y 图l 一7 ：i e e e s 0 2 ii 的逻辑结构 入了一些安全性。另外f h s s 还有一项优点，就是可以让许多网络共存在一个物理区域中。 d s s s 方法采用的是11 位的b a r k e r 码作为扩频p n 码，调制方式可以采用d p s k ， d b p s k ，d q p s k 。d b p s k 方式时的数据速率为i m b p s ，d q p s k 方式时的数据速率为1 m b p p 2 m b p s 。而在i e e e 8 0 2 1 l b 中，除了基带部分扩频码调制方式不同以外，其他基本相同。在 i e e e 8 0 2 1 1 中，对于p r e a m b l e ( 导言) 和h e a d e r ( 头) 段是用d b p s k 扩频调制方式，对 i b i t 数据使用11 b a r k e r 码扩频；对p s d u ( p l c p 数据服务单元) 数据段则是采用d q p s k 15 浙江大学硕士学位论文 扩频调制方式，每2 b i t 数据使用1 1 位b a r k e r 码扩频。而在i e e e 8 0 2 1 l b 中则不一样， i e e e 8 0 2 11 b 对p r e a m b l e 和h e a d e r 段使用和i e e e s 0 2 11 相同的扩频调制方式，而对p s d u 数据段可以根据需要采用5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两种速率的c c k ( 补码键控) 扩频调制方式进 行扩频调制。现在，大多数厂商生产的w l a n 产品都基于8 0 2 1l b 标准。 8 0 21 1 b 在很大的程度上是受到了朗讯技术公司和i n t e r s i l 公司的推动。8 0 2 1 1 b 标准的 设计是使用直序( d i r e c t - - s e q u e n c e ) 广谱技术在2 4 g h z l s m ( 工业科学和医学 i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频带上工作。另一方面，8 0 2 1 1 a 标准的设计是在更近时 期分配的5 g h zu n i i ( 无执照的国家基础设施一一u n l i c e n s e dn a t i o n a ll n f o r r n m i o n i n f r a s t r u c t u r e ) 频带上工作的，8 0 2 1 l a 离开了传统的广谱技术使用了频分多路方案，有意 要让其对官方环境友好。 8 0 2 1l b 最大数据传输速率为1 i i v l b p s 无需直线传播。使用动态速率转换，当射频情况变差 时，可将数据传输速率降低为5 5 m b p s 、2 m b p s 和1 m b p s 。且当工作在2 m b p s 和1 m b p s 速 率时可向下兼容i e e e s 0 2 1 1 。8 0 2 1i b 的使用范围在室外为3 0 0 米，在办公环境中则最长为 1 0 0 米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认来提供可靠的数据传送和网络带宽的 有效使用。 1 2 4i e e e 8 0 2 1 1 服务 8 0 2 1 1 标准对l l c 层在网络中两个实体间要求发送m s d u ( m a c 服务数据单元) 的服 务做了定义。m a c 层执行的这些服务可分为站点服务和分布式系统服务两种类型。 1 2 4 1 站点服务 8 0 2 1 1 标准定义“服务”为在各个站点间提供的功能。站点可以位于网络任一无线组件 中，而且，所有a p 都执行站点服务。为了发挥必要的功能，这些站点需要发送和接收m s d u 以及保持较高的安全标准： 认证：因为w l a n 对于避免未经许可的访问来说，物理安全性较低，所以8 0 2 11 规定了认证服务以控制l a n 对无线连接相同层的的访问。所有8 0 2 1 1 站点，不管 它们是独立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一个相 应的站点。 不认证：当一个站点不愿意与另一个站点建立连接时，它就调用不认证服务。不认 证是发出通知，而且不准对方拒绝。站点通过发送一个认证管理帧( 或一组到多个 l6 浙江大学硕士学位论文 站点的帧) 去“建议”认证终止来执行不认证服务。 保密：在一个无线网络中，所有站点和其他设备都能够“听到”数据通信在网络范 围内通过，这严重影响了无线链路的安全性。i e e e s 0 2 1 l 提供了一个保密服务选 项解决了这个问题，将8 0 2 1 1 网络的安全级提高到有线网络的程度。该项保密功 能应用于所有数据帧和一些认证管理帧，它是建立在8 0 21 1 有线等效保密( w e p ： w i r e d e q u i v a l e n tp r i v a c y ) 算法基础上的，可以有效地降低网上被窃听地危险。 1 2 4 2 分布式系统