（通信与信息系统专业论文）基于高速无线局域网系统关键技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：堑拯塑导师签日期：翟兰眵 山东大学硕士论文 摘要 近年来，无线通信在多个领域都取得了飞速的发展，向用户提供的业务也从 简单的语音、低速数据逐步向宽带多媒体业务方向发展。在众多的宽带无线通信 技术中，宽带无线局域网技术正成为蜂窝移动通信以外的又一个大众关注的热 点。在目前几种宽带无线局域网提案中，i e e e 8 0 2 1 1 是性能最优的一个，具有 高速、高效、支持o o s 以及可以接入到多个现有核心网络以及可提供宽带多媒体 业务等优点。本文首先介绍当前w l a n 的发展概况，然后讨论了： 第一章首先概述了各种i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准及无线局域网的组网， 并简单讨论了w l a n 物理层发展中的几种关键技术，分析了w l a n 网络的操作过程， 最后介绍了无线局域网的应用。 第二章首先讨论了o f d m 技术在无线局域网中的应用，其次详细研究了实现 高速无线局域网的各种关键技术，最后分析了o f d m 无线局域网的进一步发展。 第三章首先分析了m i m o 无线局域网的信道特征，然后详细论述了其信道建 模。从信息论的角度分析m i m o 技术的基本特征和原理。 第四章首先分析了m i m oo f d m 技术的原理，并在此基础上分别研究了s t b c 技术和v b l a s t 技术在m i m oo f d m 无线局域网的实现，最后对两者的特点进行了 分析和对比，并得出结论。 第五章首先讨论了自适应技术在o f d m 无线局域网中的应用，之后对其扩展 讨论了自适应技术在s t b co f d m 技术中的应用。 关键词：无线局域网，多输入多输出，正交频分复用，空时编码，空时分组码，分 层空时码，自适应技术。 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s ，w l a nh a sb e e n d e v e l o p i n gf a s t i nr e c e n t y e a r s t h e s e r v i c e si t p r o v i d e d c h a n g ef r o m s i m p l e s l o wd a t ar a t ed a t ac o m m u n i c a t i o n t o h i g hs p e e d m u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n d u r i n gs e v e r a lk e yt e c h n o l o g yo nt h ep r e s e n t ，m i m o o f d mh a s b e e nah o tt op i cd u et oi t sg o o dp e r f o r m a n c et op r o v i d eh i g hs p e e dd a t a c o e l r a u n i c a t l o n a m o n gt h eh i g hs p e e dw l a nt e c h n o l o g i e s ，o f d mw l a ni st h eo n ew i t ht h e b e s t p e r f o r m a c e i ts u p p o r t su p t o5 4 m b p sd a t ar a t e ，b u tt h en e x t g e n e r a t i o nw l a ni e e e 8 0 2 1i nc a np e r f o r mm o r et h a nl o o m b p sd a t ar a t e c o m m u n i c a t i o n a tf i r s t 。t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h e p r e s e n t i e e e8 0 2 1 lw l a n t e c h n o l o g i e s i nt h es e c o n dc h a p t e r ，i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fp h yl a y e rf o r h i g hd a t ar a t ec o m m u n i c a t i o nw l a n i nt h et h i r dc h a p t e r ，i td o e sar e s e a r c ho nc a p a c i t yo fm i m ow l a n t e c h n o l o g y i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，w ed i s c u s sa n di n t r o d u c em i m o o f d mt e c h n o l o g ie s a n dt h e na n a l y z et h es e v e r a lk e yt e c h n o g i e sh o wt oi m p l e m e n tt h es t cin m i m oo f d mw l a ns y s t e m i nt h ef i v e t hc h a p t e r ，w ed i s c u s sa n di n t r o d u c ea d a p t i v ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e ni t sa p p l i c a t i o ni nt h es t b co f d mw l a n s y s t e m 。 k e yw o r d s ：w l a n ：s t c ：s t b c ：v b l a s t ：m i m oo f d m ：i e e e 8 0 2 1 1 ：a d a p t a t i o n 4 山东大学硕士论文 a c kf r a m e a g c a p a r q a w g n b e r b s s c c k c i r c r c c s m a c a d b p s k d b l a s t d q p s k d c f d f i r d i f s d q p s k d s d s s s e s s e s s d 缩略语 a c k n o w l e d g m e n tf r a m e应答帧 a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l 自动增益控制 a c c e s sp o i n t 接入点 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 自动重复请求 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 b i te r r o rr a t e 比特错误概率 b a s i cs e r v i c es e t 基本业务集 c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g互补编码键控 c a r r i e rt oi n t e r f e r e n c er a t i o 载干比 c y e i cr e d u n d a n c yc h e c k循环冗余校验 c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d 带冲突避的载波侦听多址接入 d if f e r e n t i a lb i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 差分二相相移键控 d i a g o n a l b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e 对角分层空时码 d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 差分正交相移键控 d 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 分布式协调功能 d i f f u s e di n f r a r e d 扩散红外线 d c fi n t e rf r a m es p a c i n g d c f 帧内间膈 d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 差分正交相移键控 d i s t r i b u t e ds y s t e m 分布式系统 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 直接序列扩频 e x t e n d e ds e r v ic es e t 扩展业务集 扩展服务区标示符 5 f f t i f f t f h s s g i i b s s i c i i e e e i s i i s m l a l d p c l l c m a c m c m m e a m l s e m i m o m i m o o f d m m p d u m s d u o f d m p a m p b c c p c f p e r p h y p l c p 6 f a stf o u rie rt r a n sf o r m快速傅立叶变换 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅里叶逆变换 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跳频序列扩频 g u a r di n t e r v a l保护间隔 i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t独立基本服务区 i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e 信道间干扰 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e e s 电气和电子工程师协会 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 符号间干扰 i n d u s t r i a l ，s e i e n t i f i c ，m e d i c a l工业、科学与医疗 l i n k a d a p t a t i o n链路自适应 低密度奇偶校验码 l o g i cl i n kc o n t r o l逻辑链路控制子层 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒质接入控制 m u t i _ c a r r i e rm o d u l a t i o n 多载波调制 m u l t i p l ee l e m e n ta r r a y多元天线阵列 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a cp r o t o c o ld a t au n it m a cs e r v i c ed a t au n i t 多输入多输出 多输入多输出正交频分复用 m a c 层协议数据单元 m a c 层服务数据单元 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 p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 脉冲幅度调制 p a c k e tb i n a r yc o n v o l u t i o n a lc o d i n g 包二进制卷积编码 p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 点协调功能 p a c k e te r r o rr a t e 包错误概率 p h y s i c a ll a y e r物理层 p h y s i c a l l a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c o l物理层会聚协议 些查查兰堡主笙苎一 p m dp h y s ：i c a lm e d i u md e p e n d e n t 物理介质相关( 子层) p p d up l c pp r o t o c o ld a t au n i tp l c p 协议数据单元 p s d up h ys e r v i c ed a t au n i t物理层服务数据单元 p s kp h a s es h i f tk e y i n g相移键控 q a mq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 q p s kq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 四相相移键控 r s sr e c e i v es i g n a ls t r e n g t h接收信号强度 r t s c t sr e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d请求发送清除发送 s d rs o f td e f i n e dr a d i o软件无线电 s i f ss h o r ti n t e rf r a m es p a c i n g短帧内间隔 s i s o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 单输入单输出 s n r s i g n a lt o i n t e r f e r e n c er a t i o信噪比 s t b c s p a c et i m eb l o c kc o d i n g 空时分组码 s t cs p a c et i m ec o d i n g空时编码 s t t c s p a c et i m e t e l l i sc o d i n g空时格码 s v d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 奇异值分解 u n i iu n l i c e n s e dn a t i o ni n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e 免许可证国家信息基础结构 v b l a s tb e l ll a b sl a y e r e ds p a c et i m ea r c h i t e c t u r e w l a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k无线局域网 7 引言 “当今无线技术的发展就如同2 0 年前个人电脑技术的发展那样突飞猛进， 令人难以跟上它的节奏”i n t e l 副总裁兼首席技术官帕特基辛格如此描述无线 网络的崛起。 无线发展至今，所涉及的已经不只限于自身的技术了，我们目前最关心的一 个问题无线网络与有线网络的互联互通。近年来，无线局域网以其可移动性、使 用灵活、维护方便、易于扩展和良好的性价比，取得了巨大的发展。其中w l a n 已成为有线网络的替代方案，i e e e 8 0 2 1 l 标准己发展成为w l a n 的主要标准。但 无线局域网的性能与传统有线网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性 能显得十分重要。另外，i n t e r n e t 业务的高速增长，实时业务和多媒体应用不 断的增加，对网络的带宽、q o s 可扩展性提出了更高的要求。但是，利用无线信 道进行通信容易受到干扰，衰落等因素的影响，这对多媒体应用来说十分不利的。 为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系 统。其中在发送和接收端使用m e a 的m i m o 技术受到广泛关注，它能显著提高系 统容量和无线传输链路质量。己提出的利用m i m o 信道容量的技术有两种。一是 由f o s c h i n i 等提出的b e l l 实验室分层空时结构( b l a s t ) ，它把整个数据流分解 成单独的子数据流从m 副天线发送 2 5 。二是结合信道编码和发送分集的空时编 码，这包括a l a m o u t i 等提出的s t b c 5 。近来，m i m o 系统的信道容量问题得到 大量研究，f o s c h i n i 和g a n s 研究了r a y l e i g h 衰落条件下m i m o 信道的容量，并 与s i s o 信道的容量进行比较指出在接收天线大于或等于发送天线数时，信道容 量与发送天线数成线性关系，这推广了香农定理 8 。在提出m i m o 信道容量的基 本定理后，人们开始研究如何利用m i m o 的多天线结构，进一步提高信道容量。 其中结合信道矩阵特性，进行空时频自适应是一种能提高容量和降低系统复杂度 的有效技术。 山东大学硕士论文 第一章i e e e 8 0 2 11 无线局域网概述 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频( r f ) 技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能，网 络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能够随需移动或变化。使得 无线局域网络能利用简单的存取构架让用户透过它，达到“信息随身化、便利走 天下”的理想境界。w l a n 是2 0 世纪9 0 年代计算机与无线通信技术相结合的产 物，它使用无线信道来接入网络，为通信的移动化，个人化和多媒体应用提供了 潜在的手段，并成为宽带接入的有效手段之一。 第一节i e e e 8 0 2 11 无线局域网标准 1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 1 标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的 局域网以及计算机专家审定通过的标准。i e e e s 0 2 1 1 标准定义了单一的m a c 层 和多样的物理层，其物理层标准主要有i e e e 8 0 2 1 l b ，a 和g 。 1 1 1i e e e 8 0 2 ”b 1 9 9 9 年9 月正式通过的i e e e 8 0 2 1 1 b 标准是i e e e 8 0 2 11 协议标准的扩展。 它可以支持最高1 1 m b p s 的数据速率，运行在2 4 g h z 的i s m 频段上，采用的调 制技术是c c k 。但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，c c k 调制方式就 不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数 据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率就要更高，这对于现有的码片来 说比较困难；对于接收端的r a k e 接收机来说在高速数据速率的情况下，为 了达到良好的时间分集效果，要求r a k e 接收机有更复杂的结构，在硬件上不 易实现。 i e e e 8 0 2 1 l a 工作5 g h z 频段上，使用0 f d m 调制技术可支持5 4 m b p s 的传输速 率。8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 i b 两个标准都存在着各自的优缺点，8 0 2 1 1 b 的优势在于 价格低廉，但速率较低( 最高l l m b p s ) ：而8 0 2 1 l a 优势在于传输速率快( 最高 5 4 m b p s ) 且受干扰少，但价格相对较高。另外。1 1 a 与i l b 工作在不同的频段上， 不能工作在同一a p 的网络里，因此1 1 a 与1 l b 互不兼容 1 。( i e e e 8 0 2 1 l a 标 准可参见附录f 1 ) 为了解决上述问题，为了进一步推动无线局域网的发展，2 0 0 3 年7 月8 0 2 1 l 工作组批准了8 0 2 1 l g 标准 1 ，新的标准终于浮出水面成为人们对无线局域网 关注的焦点。i e e e 8 0 2 1 1 工作组开始定义新的物理层标准i e e e 8 0 2 1 1 9 。该标准 与以前的8 0 2 1 1 协议标准相比有以下两个特点：其在2 4 g 频段使用0 f d m 调制 技术，使数据传输速率提高到2 0 m b p s 以上；i e e e 8 0 2 1 1 9 标准能够与8 0 2 1 l b 的w l f i 系统互相连通，共存在同一a p 的网络里，保障了后向兼容性。这样原有 的w l a n 系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了i e e e 8 0 2 1 i b 产品的使 用寿命，降低用户的投资。 第二节l e e e 8 0 2 11 无线局域网的物理层关键技术 随着无线局域网技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越 高。但是在室内这个较为复杂的电磁环境中，多经效应、频率选择性衰落和其 他干扰源的存在使的实现无线信道中的高速数据传输比有线信道中困难，w l a n 需要采用合适的调制技术。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网络是一种能支持较高数据传输速率( 1 - 5 4 m b i t s ) ， 采用微蜂窝，微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络。其关键技术大致有三 种：d s s s 技术、c c k 技术、p b c c ，和o f d m 。每种技术皆有其特点，目前， 扩频调制技术正成为主流，而o f d m 技术由于其优越的传输性能成为人们关注 的新焦点。 1 2 1b s s s 调制技术 基于d s s s 的调制技术有三种。最初i e e e 8 0 2 1 1 标准制定在1 m b p s 数据 速率下采用d b p s k 。如提供2 m b p s 的数据速率，要采用d q p s k ，这种方法每 次处理两个比特码元，成为双比特。第三种是基于c c k 的q p s k ，是1 1 b 标准 采用的基本数据调制方式。它采用了补码序列与直序列扩频技术，是一种单载波 调制技术，通过p s k 方式传输数据，传输速率分为1 ，2 , 5 5 和1 1 m b p s 。c c k 坐查查堂堡主堕苎一 通过与接收端的r a k e 接收机配合使用，能够在高效率的传输数据的同时有效的 克服多径效应。i e e e 8 0 2 1 l b 使用了c c k 调制技术来提高数据传输速率，最高 可达1 1 m b p s 。但是传输速率超过1 1 m b p s ，c c k 为了对抗多径干扰，需要更复 杂的均衡及调制，实现起来非常困难。因此8 0 2 1 1 工作组，为了推动无线局 域网的发展，又引入新的调制技术。 1 2 2p b o c 调制技术 p b c c 调制技术是由t i 公司提出的，已作为i e e e 8 0 2 1 l g 的可选项被采纳。 p b c c 也是单载波调制，但它与c c k 不同，它使用了更多复杂的信号星座图。 p b c c 采用8 p s k ，而c c k 使用b p s k ，q p s k ：另外p b c c 使用了卷积码，而 c c k 使用区块码。因此，它们的解调过程是十分不同的。p b c c 可以完成更高 速率的数据传输，其传输速率为1 1 ，2 2 和3 3 m b p s 1 。 1 2 30 f d m 技术 o f d m 技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术。无线信道的频率响 应曲线大多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想：就是在频域内将给定信道 分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波 并行传输，从而有效的抑制无线信道的时间弥散所带来的i s l 。这样就减少7 接 收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀的方式 消除l s i 的不利影响 5 4 】。 由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互 重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。( 如 图1 1 所示) 在各个子信道中的这种难交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 方法 来实现，随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常 容易实现的。f f t 的引入，大大降低了0 f d m 的实现复杂性，提升了系统的性 能。( 如图1 2 所示o f d m 发送接收机系统结构) 号 图1 1f d m 信号与o f d m 信号频谱比较 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于 上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无 线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而o f d m 容易通 过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情 况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比 高的子信道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此 o f d m 系统在某种程度上抵抗这种干扰。 串并 s p i f f l 、 o 并串 o 一卜 去循 h 吓 环前 ，p s 缀 ( c p ) 一 一 图1 2o f i ) m 系统结构框图 另外，同单载波系统相比，o f d m 还存在一些缺点，易受频率偏差的影响 存在较高的p a r 。 o f d m 技术有非常广阔的发展前景，己成为第4 带移动通信的核心技术。 1 2 山东大学硕士论文 i e e e 8 0 2 11ag 标准为了支持高速数据传输都采用了o f d m 调制技术。目前， o f d m 结合空时编码、分集、干扰( 包括符号间干扰i s i 和邻道干扰i c i ) 抑制 以及智能天线技术，最大程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自 适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步 优化。 第三节ie e e 8 0 2 1 1 无线局域网的网络构成 w l a n 网络产品的多种使用方法可以组合出适合各种情况的无线联网设计， 可以方便地解决许多以线缆方式难以联网的用户需求。例如，数十公里远的两个 局域网相联：其间或有河流、湖泊相黼，拉线困难旦线缆安全难保障，或在城市 中敷设专线要涉及审批复杂，周期很长的市政施工问题，w l a n 能以比线缆低几 倍的费用在几天内实现，w l a n 也可方便地实现不经过大的施工改建而使旧式建 筑具有智能大厦的功能。 w l a n 的设备主要包括：无线网卡、无线访问接入点、无线集线器和无线网 桥，几乎所有的无线网络产品中都自带无线发射接收功能，且通常是一机多用。 w l a n 的网络结构主要有两种类型：无中心网络和有中心网络。 1 3 1 无中心网络 无中心网络( 无a p 网络) 也称对等网络或a d h e c 网络，它覆盖的服务区称 i b s s 。对等网络用于一台无线工作站( s t a ，s t a t i o n ) 和另一台或多台其他无线 工作站的直接通讯，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。这是最简单的 无线局域网结构。( 如图l _ 3 所示) 个对等网络由一组有无线接口的计算机组 成。这些计算机要有相同的工作组名、e s s i d 和密码。 对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线接口互相都在彼此的 范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型网络 在管理和预先调协方面没有任何要求。 图1 3 无中心网络结构 对等网络中的一个节点必需能同时”看”到网络中的其他节点，否则就认为网 络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4 至8 个用户，并且 他们离得足够近 1 。 1 3 2 有中心网络 有中心网络也称结构化网络。它由无线a p 、无线工作站( s t a ) 以及d s s 构 成，覆盖的区域分b s s 和e s s 。无线访问点也称无线a p 或无线h u b ，用于在无线 s t a 和有线网络之间接收、缓存和转发数据。无线a p 通常能够覆盖几十至几百 用户，覆盖半径达上百米。( 如图1 4 ) 图1 4 有中心网络结构 b s s 由一个无线访问点以及与其关联( a s s o c i a t e ) 的无线工作站构成，在 任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点 所覆盖的微蜂窝区域就是基本服务区。无线工作站与无线访问点关联采用a p 的 b s s i d ，在8 0 2 1 1 中，b s s i d 是a p 的m a c 地址 1 。 1 4 h j l h 图1 5e s s 网络结构 扩展服务区e s s 是指由多个a p 以及连接它们的分布式系统组成的结构化网 山东大学硕士论文 络，所有a p 必需共享同一个e s s i i ) ，也可以说扩展服务区e s s 中包含多个8 s s 。 分布式系统在i e e e 8 0 2 1 l 标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。扩展 服务区只包含物理层和数据链路层，网络结构不包含网络层及其以上各层。因此， 对于高层协议比如i p 来说，一个e s s 就是一个i p 子网。( 结构如图1 5 ) 第四节le e e 8 0 2 1 1 无线局域网的操作 w l a n 网络的操作可分为两个主要工作过程：工作站加入一个b s s ，工作 站从一个b s s 移动到另一个b s s ，实现小区间的漫游。一个站点访问现存的 b s s 需要几个阶段。首先，工作站开机加电开始运行，过后进入睡眠模式或者 进入b s s 小区。站点始终需要获得同步信号，该信号一般来自a p 接入点。站 点则通过主动和被动扫频来获得同步【1 。 主动扫频是指s t a 启动或关联成功后扫描所有频道；一次扫描中，s t a 采 用一组频道作为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有e s s i d 的探测 信号；a p 根据该信号做响应。被动扫频是指a p 每1 0 0 毫秒向外传送灯塔信号， 包括用于s t a 同步的时间戳，支持速率以及其它信息，s t a 接收到灯塔信号压 启动关联过程。 w l a n 为防止非法用户接入，在站点定位了接入点，并取得了同步信息之 后，就开始交换验证信息。验证业务提供了控制局域网接入的能力，这一过程被 所有终用来建立合法介入的身份标志 站点经过验证后，关联( a s s o c i a t e ) 就开始了。关联用于建立无线访问点 和无线工作站之间的映射关系，实际上是把无线变成有线网的连线。分布式系统 将该映射关系分发给扩展服务区中的所有a p 。一个无线工作站同时只能与一个 a p 关联。在关联过程中，无线工作站与a p 之间要根据信号的强弱协商速率， 速率变化包括：1 1 m b p s ，5 5 m b p s 2 m b p s 和1 m b p s ( 以8 0 2 1 1 b 为例) 。 工作站从一个小区移动到另一个小区需要从新关联。重关联( r e a s s o c i a t e ) 是指当无线工作站从一个扩展服务区中的一个基本服务区移动到另外一个基本 服务区时，与新的a p 关联的整个过程。重关联总是由移动无线工作站发起。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的每个站点都与一个特定的接入点相关。如果站点 从一个小区切换到另一个小区，这就是处在漫游( r o a m i n g ) 过程中。漫游指无 线工作站在一组无线访问点之间移动，并提供对于用户透明的无缝连接，包括基 本漫游和扩展漫游。基本漫游是指无线s t a 的移动仅局限在一个扩展服务区内 部。扩展漫游指无线s a t 从一个扩展服务区中的个b s s 移动到另一个扩展服 务区的一个b s s ，8 0 2 1 1 并不保证这种漫游的上层连接。近年来，无线局域网技 术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提 高和优化网络性能显得十分重要。 第五节无线局域网行业应用现状 无线局域网的应用范围非常广泛，如果其应用划分为室内和室外的话，室内 应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场；室外 应用包括城市建筑群问通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网 络、银行金融证券城区网、矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、野外 勘测实验、军事流动网、公安流动网等。 目前，越来越多的无线局域网产品投放市场，价格越来越低、覆盖范围也不 断增大，而依据规范开发网络底层到应用层接口的中间件厂家也将有更多的应用 产品投放市场。无线局域网已作为一种宽带网络解决方案得到了应用，可以预见， 随着网上多媒体技术的日益应用发展，传输速率更高的无线网络设备将会涌现。 所以，对无线局域网设备和服务的投资前景将会非常乐观。总之，在无线局域网 用户和运营商的双重推动下，未来两年内，w l a n 网络的应用将会成为未来网络 的技术主流之一。 山东大学硕士论文 第二章高速无线局域网的物理层研究 1 9 9 7 年8 0 2 1 1 标准的制定是无线局域网发展的里程碑，其定义了单一的m a c 层和多样的物理层，先后推出了i e e e 8 0 2 1 l b ，i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1 1 9 物 理层标准。1 1 b 标准采用c c k ( 补码键控) 扩频调制编码，数据传输速率达1 i m b p s 。 但是如果再增加传输速率，c c k 为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制， 实现起来非常困难。因此，8 0 2 1 1 工作组，为了推动无线局域网的发展，又引 入o f d b t 技术。最近，刚刚正式批准的l l g 标准和1 1 a 一样，采用o f d m 技术，数 据传输速率可达5 4 1 d b p s 。 技术不断更新，新的技术标准不断的推出，极大的推动了无线局域网的发展。 一些下一代移动通信的关键技术，如o f d m 技术、m i i d o 技术、智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 、l d p c ，自适应技术和s d r 等，开始应用到无线局域网中，提升其性能。 第一节o f d m 无线局域网 o f d m 无线局域网工作于i s m 免许可证频段，包括s ( ；h z 和2 4 g h z 两个频段。 ( 关于i e e e 8 0 2 1l a 标准的详细仿真参附录f 1 1 ) 2 1 1o f d m 技术在5 g h z 的应用：i e e e 8 0 2 1 1 a 标准 i e e e 8 0 2 1 l a 标准供工作在最近分配的不需经许可的u n i l 5 g h z 频段上，使 用o f d m 调制技术支持6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b p s 的传输速率 1 。 频率范围：5 g h z 频段有明显的优点，可以提供大容量传输带宽，此频段的 潜在干扰较少。目前2 4 g h z 频带正变得e t 益拥挤，手机、微波炉以及p d a 的蓝 牙外设等设备都运行在这个频带上，同频设备间的相互于扰罗重。另外，由于频 率越高的信号传输距离相对较短。并且穿透障碍物的能力就越有限。5 g h z 系统 的相互干扰要比2 4 g h z 系统低，8 0 2 1 1 a 避免了2 4 6 h z 设备对无线局域网的干 扰。f c c 在不需经许可的5 g h 频段内分配3 0 0 m h z ，其中5 1 5 - 5 3 s g h z 分配2 0 0 姗z ， 余下的i o o m h z 是在s 8 2 5 5 8 3 5 g h z 第一频段的2 0 0 m h z 中的第一个l o o i d h z 对 最大输出功率限制在5 0 m w 。第二个1 0 0 l h z 限制最大输出功率为2 5 0 m 第三个 i o o m h z 为室外应用保留，支持最大输出功率为1 w 。 信道数：i e e e 8 0 2 1 l a 标准使用o f d m 技术。使用这种调制技术方法，每2 0 1 v k l z 的高速载波被分成5 2 个子信道，其中4 8 个信道传输数据，4 个作导频信道，每 个信道约为3 0 0 5 f l h z 带宽。从上面讨论调制的方法可知，o f 嘲代表了一种多载波 或离散多音频调整方法。使用o f d m ，将高速串行数据流分段为一系列的多个低 速信号在不同频率上同时并行发送。 8 0 2 1 l a 在频道上具有更多的选择，在5 1 5 至5 2 5 以及5 2 5 至5 3 5 这两 个波段中l l a 可以同时使用8 个频道进行通讯( 5 1 8 、5 2 、5 2 2 、5 2 4 、5 2 6 、 5 2 8 、5 3 0 、5 3 2 g h z ) ，每个频道需要2 m h z 的带宽并可以支持5 2 路载波信号。 除了以上两个波段外，8 0 2 a 还可以利用5 7 2 5 至5 8 2 5 g h z 这_ 波段( 但该 波段目前尚未获得许可) 。在使用8 0 2 “a 设备进行无线连接时，无论你使用多 少的通讯频道，8 0 2 1 1 a 都会占用一个频道进行管理操作以让您获得更多的可用 带宽。在密集安装的环境中，额外的信道可以使8 0 2 1 l a 网络比8 0 2 儿b 快出数 倍。 - 调制：i e e e 8 0 2 ，l l a 标准定义了o f d m 物理层的应用，数据传输率为6 、9 、 1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b i t s 。6 m b i t s 和9 m b i t s 使用b p s k 调制。1 2 m b i t s 和1 8 m b i t s 使用q p s k 调制，2 4 m b i t s 和3 6 m b i t s 使用1 6 一o a m 调制，4 8 m b i t s 和5 4 m b i t s 使用6 4 一q a m 调制。 8 0 2 1 l a 与8 0 2 ，l l b 两个标准都存在着各自的优缺点，8 0 2 1 l b 的优势在于 价格低廉，但速率较低( 最高1 1 m b p s ) ；而8 0 2 1 1 a 优势在于传输速率快( 最高 5 4 m b p s ) 且受干扰少，但价格相对较高。另外，1 1 a 与l1 b 工作在不同的频段上， 不能工作在同一接入点( a p ) 的网络里，因此1 l a 与l l b 互不兼容。 2 1 2o f d m 技术在2 4 g h z 的应用：l e e e 8 0 2 1 1 9 标准 为了解决上述问题，为了进步推动无线局域网的发展，i e e e s 0 2 1 1 工作 组开始定义新的物理层标准8 0 2 1 l g 。8 0 2 1 l g 草案与以前的8 0 2 1 l 协议标准相 比有以下两个特点：其在2 4 g 频段使用o f d m 调制技术，使数据传输速率提高到 2 0 m b p s 以上：i e e e 8 0 2 1 l g 标准能够与8 0 2 1 l b 的w l f i 系统互相连通，共存在 同一a p 的网络里，保障了后向兼容性。这样原有的w l a n 系统可以平滑的向高速 无线局域网过渡，延长了i e e e 8 0 2 1 l b 产品的使用寿命，降低用户的投资。2 0 0 3 年2 月8 0 2 1 1 工作组批准了8 0 2 1 l g 标准草案。新的标准终于浮出水面成为人 山东大学硕士论文 们对无线局域网关注的焦点。 信道数及频率范围：i e e e 8 0 2 1 l g 工作在2 4 至2 4 8 3 5 g h z 波段内，可以同 时使用三个频率进行通信( 在2 4 至2 4 8 3 5 之间共有2 4 1 2 、2 4 1 7 、2 4 2 2 、 2 4 2 7 、2 4 3 2 、2 4 3 7 、2 ，4 4 2 、2 4 4 7 、2 4 5 2 、2 4 5 7 、2 4 6 2 g h z 共1 1 个频率， 但是由于在2 个工作频率之间需要2 5 m h z 的频率间隔，所以在只能有3 个频率同 时工作) 。1 l g 的可以提供的信道数明显少于1 l a ，所以1 l g 的容量也比1 1 a 要小。 另外，频率高的信号传输距离比频率低的信号短，穿透性也比后者差。因此， i e e e 8 0 2 1 l b 和g 比i e e e 8 0 2 1 1 a 有更高的传输范围，和更好的穿透性。 调制方式及帧结构 8 0