（微电子学与固体电子学专业论文）移动终端的wifi无线通信设计与实现.pdf

d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f w i f iw i r e l e ssc o m m u n i c a t i o n 烈 m o bi l et e r m i n a l at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rh uc h e n s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j u n 2 0 l o 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， 也不包含为获得东南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。 研究生签名： 每脚衅 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电了信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 虢琴聊繇雌期： 川口多 摘要 摘要 随着互联网技术和移动通信技术的快速发展，在个人便携式移动终端上实现丰富多彩的互联网 业务是今后发展的趋势。以w i f i 为代表的无线局域网技术作为有线网络的补充和延伸，将广泛地 应用在移动终端领域中。因此研究如何设计基于移动终端的w i f i 无线通信方案就具有了现实意义。 本论文基于i e e e8 0 2 1 1 b 儋标准，面向移动终端典型应用场合，设计并实现了一种便携式移动 终端中的w i f i 无线系统的软硬件方案。硬件上采用单芯片模组集成方案，选用三星$ 3 c 6 4 1 0 微处 理器作为系统主处理器，选用m a r v e l l 公司8 8 w 8 6 8 6 作为无线模组，两者通过s d i o 接口连接。终 端操作系统选用w i n d o w se m b e d d e dc e6 0 操作系统。本系统软件部分的设计与实现分为三部分： 第一部分，系统物理层s d 主控制器驱动程序的设计与实现，独立的r f l 断服务线程设计有益于系统 在多任务环境中的实时性；第二部分，系统网络功能层的设计与实现，遵循网络驱动接口规范，采 用模块化设计方法，降低开发复杂度，方便系统维护与升级；第三，系统硬件接口层的设计与实现， 将与硬件相关的调用进行封装，实现为静态库，提高了系统的可维护性与可移植性。 性能测试结果表明：本论文设计的系统在8 0 2 1 l b g 网络中可以稳定可靠地运行，可支持基础结 构型网络和独立型网络，支持w e p 、w p a p s k 和w p a 2 p s k 等安全协议。稳定传输速率可达5 2 0 k b s ， 与基于i n t e lp x a 2 7 0 平台的方案相比，提高了约7 0 。整个系统达到了预期的设计目标。 关键词：移动终端，无线局域网，s d i o 接口，网络驱动接l 规范，w i f i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t so fi n t e r a c tt e c h n o l o g ya n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e i m p l e m e n t a t i o no fav a r i e t yo fi n t e r n e ta p p l i c a t i o n si np e r s o n a lp o r t a b l e m o b i l et e r m i n a li st h e d e v e l o p m e n tt r e n do ff u t u r e a st h ec o m p l e m e n ta n de x t e n s i o no fw i r e dn e t w o r k s ，w i r e l e s sl a n t e c h n o l o g i e sr e p r e s e n t e db yw i f i w i l lb ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fm o b i l et e r m i n a l t h e r e f o r e ， r e s e a r c ho nh o wt o d e s i g n am o b i l et e r m i n a l - b a s e dw i - f ic o m m u n i c a t i o ns c h e m eh a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，ah a r d w a r ea n ds o f t w a r ea p p l i c a t i o n o r i e n t e ds o l u t i o no fw i - f iw i r e l e s ss y s t e mu s e di n p r o t a b l et e r m i n a li sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do nt h ei e e e8 0 2 1 1 b gs t a n d a r d s t h es i n g l e c h i p m o d u l ei n t e g r a t i o ns c h e m ei sa d o p t e do nt h eh a r d w a r e t h es u m s u n g $ 3 c 6 410m i c r o p r o c e s s o ri su s e da s t h eh o s tp r o c e s s o r ，a n dm a r v e l l8 8 w 8 6 8 6i su s e da st h ew i r e l e s sm o d u l e t w oc h i p sa r el i n k e dv i as d i o i n t e r f a c e w i n d o w se m b e d d e dc e6 0 i ss e l e c t e df o rt h eo p e r a t i n gs y s t e mo ft e r m i n a l n ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e ms o f t w a r ep r o p o s e di nt h i st h e s i sa r ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：1 d e s i g n i n ga n d i m p l e m e n t i n go fs dh o s td r i v e ri np h y s i c a ll a y e ro ft h es y s t e m ，a l li n d e p e n d e n to fi n t e r r u p ts e r v i c et h r e a d i sd e s i g n e dt ob eb e n e f i c i a lt or e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi nam u l t i t a s k i n ge n v i r o n m e n t ；2 d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n go fn e t w o r kf u n c t i o nl a y e ro ft h es y s t e m m o d u l a rd e s i g nm e t h o di sa d o p t e d u n d e rt h en e t w o r kd r i v e ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o nt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ed e v e l o p m e n ta n dm a k et h e s y s t e mm a i n t e n a n c ea n du p g r a d ee a s i e r ；3 d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n go fh a r d w a r e s p e c i f i ci n t e r f a c e l a y e ro ft h es y s t e m ，as t a t i cl i b r a r yi sr e a l i z e dt oe n c a p s u l a t et h ep a r t so fh a r d w a r e - d e p e n d e n tp r o c e d u r e s ， w h i c hc a ni m p r o v et h et r a n s p o r t a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo f t h es y s t e m 1 1 1 er e s u l t so fp e r f o r m a n c et e s t si n d i c a t et h a tt h es y s t e md e s i g n e di n t h i st h e s i s w h i c hs u p p o r t s i n f r a s t r u c t u r en e t w o r ka n di n d e p e n d e n tn e t w o r kt o p o l o g i e s ，a n dw e p , w p a - p s k ，w p a 2 一p s ks e c u r i t y p r o t o c o l sc a nr u ns t a b l ya n dr e l i a b l yi ni e e e8 0 2 11b gn e t w o r k s 1 1 1 es t a b l et r a n s m i s s i o nr a t ec a nb eu pt o 5 2 0 k b s c o m p a r e dw i t ht h ew i - f is o l u t i o nb a s e do ni n t e lp x a 2 7 0 ，t h et r a n s m i s s i o nr a t ei n c r e a s e sa b o u t 7 0 p e r f o r m a n c e so f t h es y s t e ma c h i e v et h ed e s i r e dd e s i g ng o a l s k e yw o r d s ：m o b i l et e r m i n a l ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，s e c u r ed i g i t a li n p u to u t p u ti n t e r f a c e ， n e t w o r kd r i v e ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，w i - f i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇毛i i i 第一章绪论l 1 1 论文研究背景与意义一1 1 2 论文研究工作2 1 3 论文组织结构3 第二章w i f i 无线通信基础4 2 1 基本概念4 2 2 相关标准5 2 3 无线局域网设备7 2 4 无线局域网的拓扑结构。7 2 58 0 2 1 l 协议栈9 2 6 本章小结1 1 第三章w i f i 无线系统的方案设计1 2 3 1 系统总体设计要求1 2 3 2 系统硬件设计方案1 2 3 3 系统软件设计方案1 8 3 4 本章小结2 2 第四章w i f i 无线系统的软件实现一2 3 4 1w i n c e6 0 驱动程序模型2 3 4 2w i f i 无线系统物理层的设计与实现一2 3 4 3w i f i 无线系统网络功能层的设计与实现。3 3 4 4 硬件接口层的设计与实现j 4 2 4 5 本章小结4 4 第五章测试结果与分析4 5 5 1 调试与测试环境的建立4 5 5 2 系统的配置和编译4 6 5 3 功能测试4 8 5 4 性能测试5 1 5 5 本章小结5 8 总结与展望5 9 总结5 9 展望6 0 致谢6 l 参考文献6 2 研究生期间发表论文情况6 5 i 第一章绪论 1 1 论文研究背景与意义 第一章绪论 新世纪的第一个十年即将过去，在这个十年中微电子技术、通信技术和计算机技术飞速发展， 诸如无线传感网、物联网、云计算等新兴研究领域的不断拓展，移动蜂窝网络、计算机互联网和有 线电视网融合进程的加快，这一切都使得人类进入到普适计算【l 】【2 】( u b i q u i t o u s p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 时代成为可能。这个早在1 9 9 1 年提出的“古旧”概念正成为未来人们崭新生活场景的最佳概括。普 适计算的基本思想是【3 】【4 】【5 j ：计算机应迎合人的习性，强调将计算机融入到人类环境或日常工具中去， 让计算机本身从人们的实现中消失，使人的注意力回归到要完成的任务上。如今，移动计算已经成 为人们的基本生活形态之一【6 】，它与普适计算在技术上有着一脉相承的关系，所以从移动计算发展 至普适计算亦足必然的趋势。在人类迈向“无处不在的计算”的道路上，嵌入式系统的发展足前行 的必备基础之一1 7 j 。 嵌入式系统是当今研究最为活跃的领域之一，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基 础，并且软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、及功耗等有严格要求的专用计算机 系统【8 】。目前，随着3 g 技术的成熟化商用，移动互联网发展前景日趋明朗，嵌入式系统中的一脉重 要分支移动终端，正越来越受到人们的关注，无论在学术界还是产业界，都扮演着十分重要的 角色。作为与用户直接打交道的接口和一切业务的载体，移动终端已经成为整个产业链的中心环节， 谁掌控了移动终端，谁就掌控了用户，谁就掌控了产业链的话语权，进入移动互联网时代，智能手 机领域将是未来技术和市场关注的焦点 9 1 。由此可见，移动终端在目前乃至普适计算时代都会占据 相当重要的地位。 将移动终端与移动计算的时代特征相结合就可以明显看出，基于网络的丰富交互式应用是下一 代个人移动终端的发展趋势。在网络化和移动化的世界中，人们需要不受时空的约束，随心所欲、 随时随地的通过各类连接方式与外界进行交互。如果仅仅靠传统有线电缆才能连接到网络，用户的 活动范围势必受到很大的限制，也无法满足人们对信息获取的欲望。所以，传统的连接世界的方式 已经无法应对新的生活方式所带来的挑战。而作为移动无线接入技术之一的无线局域网( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 技术正以其移动性、灵活性、低成本、易扩展等特性，在传统有线网 络难以实施的场所进行网络覆盖，迅速地成为有线网络的有效补充与延伸，并且进一步地和移动蜂 窝网络相互融合，共同给用户提供覆盖范围广、传输速率高、数据质量好的服务。用户可以通过手 中小小的移动终端，随时随地通过无线局域网接入到互联网，获取需要的信息，因此，无线局域网 技术也被称为是电信网络的“最后一百米”解决方案【1 0 】。 无线局域网标准主要有i e e e8 0 2 1 l 系列协议、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术、h o m e r f 技术和欧洲的 h i p e r l a n 技术【l o j ，其中以i e e e8 0 2 1 l 系列协议应用最为广泛，在众多的标准中处于先导地位，业 已成为事实上的无线局域网标准。在其全球化推广的过程中，w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 联盟起着十 分重要的作用。w i f i 联盟是一个拥有超过3 0 0 个会员厂家的、全球性的、非盈利性的工业化组织。 尔南大学硕士学位论文 正是由丁二该联盟提供测试和认证项目，保证了不同无线产品之间的兼容性与互操作性，推动了i e e e 8 0 2 1 l 系列标准在全球的广泛的应用。w i f i 是w i f i 联盟的注册商标。在人们的认识中，w i f i 几 乎和i e e e8 0 2 1 1 系列标准，甚至和无线局域网划上等号。在本论文中，如无特别说明，所讨论的 无线局域网均指基于i e e e8 0 2 1 1 系列标准的无线局域网。目前，国内外在无线局域网领域内的研 究主要集中于四个方面：第一，针对无线局域网和其他网络( 如3 g 蜂窝网络、无线城域网络、无 线个域网络) 之间的融合而产生的无缝漫游、互操作和服务质量等问题开展研究；第二，针对无线 局域网所存在的安全问题，如身份验证、数据加密和安全架构方面开展研究；第三，针对i e e e8 0 2 1 1 系列协议中的媒介访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层，开展优化服务质量、数据吞吐量 和降低传输延迟等研究：第四，针对不同的需求和应用场合，提出不同的软硬件方案、开展用户业 务终端的设计与实现研究，本论文即属于这一方面。目前在这一方面，国内主要研究集中于视频监 控、多媒体和语音传输等媒体应用，所采用的方案在硬件上以a r m 7 、a r m 9 系列芯片为移动终端 的微处理器；无线方案上多为集成单芯片方案，其集成方式为s p i 、u s b 或p c m c i a 接口；软件平 台多为l i n u x 系列操作系统，如基于l i n u x2 6 内核的操作系统或u c l i n u x ，少量为w i n d o w sc e5 0 操作系统。如今，随着信息呈现方式的多元化，高质量和经过压缩的媒体数据多媒体信息将逐渐占 据无线网络的主要流量【1 1 】，上述方案小能很好地满足应用需求。本论文顺应技术和应用的趋势，提 出一种w i f i 无线系统软硬件方案以更好地满足无线网络的需求。 1 2 论文研究工作 本论文的主要工作是基于w i n d o w se m b e d d e dc e6 0 操作系统，采用高性能a r m l1 微处理器 s 3 c 6 4 l o ，遵循i e e e8 0 2 1 i b g 标准，设计并实现个人便携式移动终端中的w i f i 无线系统，主 要应用场景面向互联网的无线接入和无线独立型网络，并对该无线系统进行功能测试和性能测试。 本论文的具体工作分为以下几个方面： 前期预研：收集相关资料，深入调研移动终端的发展现状与前景和i e e e8 0 2 11 技术的研究现 状；学习i e e e8 0 2 11 b g 标准，包括网络基本组件、组网方式、运作方式和m a c 层中的协调 机制与成帧方式等；学习目前嵌入式系统中的w i f i 实现方案，结合现有软硬件资源，确定本 论文的技术路线和实现方案。 开发环境搭建：依据前期预研，完成软硬件开发环境的选型和搭建，包括硬件和软件部分。在 硬件方面，通过调研，确定本论文硬件方案采用微处理器加单芯片无线模组的形式，并确定两 者的集成方式；学习相关硬件芯片的工作原理和功能定义；在软件方面，学习w i n d o w se m b e d d e d c e6 0 操作系统的工作机制，以及在该操作系统中的驱动程序的开发和调试的方法。 软件设计与实现：通过学习w i n d o w se m b e d d e dc e6 0 操作系统中的网络开发框架和w i f i 无 线网络的软件框架，制定软件总体方案并完成该系统中软件部分的设计与实现工作；利用该操 作系统提供的协议层驱动程序及网络协议栈、无线零配置( w i r e l e s sz e r oc o n f i g u r a t i o n ，w z c ) 服务完成对无线模组配置工作；并利用自带的i n t e r n e te x p l o r e r 浏览器实现w i f i 的无线互联网 接入功能。主要工作包括： 2 第一章绪论 完成无线系统物理层中的s d 主控制器驱动程序的设计与实现。封装对主控制器的操作， 并向上层提供一套函数接口，供与上层进行数据交互之用，独立的中断处理线程使得系统 在多任务环境中，拥有更好的实时性。 完成无线系统网络功能层的设计与实现。按照模块化开发方法，符合网络驱动开发规范的 要求，将该层按功能划分为各个模块，分别予以实现。实现模组的初始化和网络功能，并 向上层协议栈提供一套函数接口，供进一步开发网络应用程序之用。 完成无线系统硬件接口层的设计与实现。将软件中与接口相关的部分进行封装，设计了一 套与s d i o 接口相关的函数接l ，单独实现为静态库，把网络功能层和系统物理层关联起 来。 功能测试与性能测试：在理解系统配置文件种类和作用的基础l ，编写了适合本论文的系统配 置文件，完成各模块整合、编译与调试；功能测试部分包括互联网接入功i i i ! i 试、独立型网络 组网测试和无线网络安全接入测试。性i i i i 试部分包括系统稳定性测试、传输速率测试、不同 传输距离和环境下的速率对i i j l 9 1 , i 试，并对测试结果作出分析。 1 3 论文组织结构 根据论文所涉及到的主要研究工作，将论文结构主要安排如下： 第一章，绪论。阐述本论文研究背景与研究意义，介绍本论文主要研究工作和本论文组织结构。 第二章，w i f i 无线通信基础。本章作为本论文的基本理论支撑部分，首先介绍了无线局域网的 基本概念及相关标准，并对诸多标准进行了对比；其次介绍了组成无线局域网的基本 设备与网络拓扑结构；最后阐述了i e e e8 0 2 1 1 基本标准中的协议栈技术和所提供的网 络服务。 第三章，w i f i 无线系统的方案设计。本章完成w i f i 无线通信的整体软硬件方案设计。首先给 出总体硬件设计方案，内容包括根据系统设计要求，选择合适的微处理器并构建硬件 平台框架；选择无线模块接口方案，并与系统硬件集成；其次给出软件设计方案，内 容包括建立软件总体设计框架，分层次阐述无线通信分层软件框架，并阐述在网络驱 动接口规范下的网络开发框架。 第四章，w i f i 无线系统的软件实现。本章基于第三章确定的软硬件平台与总体软件框架完整实 现系统软件部分。首先介绍了w i n c e6 0 操作系统中的驱动开发方法；接着完成系统 物理层中s d 主控制器驱动程序设计与实现、系统网络功能层的设计与实现、系统硬件 接口层的设计与实现。 第五章，测试结果与分析。本章主要完成本论文所实现的w i f i 无线网络的功能测试与性能测 试。内容包括调试环境与测试环境的介绍和构建，重要系统配置文件的作用与写法； 以及功能测试与性i i i i 试。功i i i i i 试包括互联网接入功能测试、独立型网络组网测试 和无线网络安全接入测试；性i i i ! i 试包括系统稳定性测试、传输速率测试、不同传输 距离和环境下的速率对比测试， 3 东南人学硕士学f 连论文 第二章w i f i 无线通信基础 在本章中，将阐述、i f i 无线通信有关的理论基础。首先介绍无线局域网的基本概念、相关标 准，其次阐述了无限局域网中使用的基本设备与网络拓扑结构；接着闸述8 0 2 1 1 基本标准中的协议 栈技术，内容包括物理层技术和m a c 层技术等内容；最后是本章小结，对本章的内容进行概括和 总结。 2 1 基本概念 无线局域网是在局域区域内，以无线介质进行通信的无线网络，其特点是移动性强、灵活性高、 扩展性好、成本低廉，所谓的局部区域是相对于广域和个域而言的，无线局域网的传输范隔介于无 线城域网和无线个域网之问，一般在数十米到数百米范围内可支持较高的传输速率【l2 1 。射频无线电 波和光波是两类主要的传输介质。前者根据所用频段的不同又可以分为专用频段和自由使用频段。 专用频段需要经过无线屯管理部门批准并付费使用的独占频段，自由使用频段丰要指的足工业、科 学、医疗所用的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段或其他不需要许可证的频段。无线局域网使 用的频段根据所在国家的不同而不同。例如，美国的i s m 频段由9 0 2 m h z - 9 2 8 m h z ， 2 4 g h z - 2 4 8 3 5 g h z 和5 7 2 5 g h z - 5 8 5 g i - i z 三个频段组成i 】。而以光波传输的无线局域网主要使用红 外线，但是这种方式要求视距传输，信号穿透性差，并且易受自然背景噪声的干扰，一般应用较少， 本论文研究的限于以射频无线电波方式传播的无线局域网。无线局域网与有线局域嘲之问的比较如 表2 1 所示。从表中可以看出，相对于有线局域网，无线局域网在布线、成本、移动性和扩展性方 面占有优势，但是在数据传输的速率、安全性和可靠性方面则显得不足，两者形成优势互补的关系， 而不是取代的关系。无线局域网是有线网络的有效补充与延伸，它可以在传统有线网络难以实施的 场所进行网络覆盖，这也是其最大优势，并且它可以进一步地和移动蜂窝网络、无线城域网相互融 合，共同给用户提供覆盖范围广、传输速率高、数据质量好的服务。 表2 1 无线局域网与有线局域网的比较n 4 1 指标有线局域网无线局域网 速率 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s i 2 11 5 4 6 0 0 m b p s 布线 繁琐、线缆较多、相对固定 不需要布线 成本设备成本低、安装和维护成本高设备成本高、安装和维护成本低 移动性基本没有移动性移动性强 较弱，如果原有端口不够用，新增用较强，只需增加无线适配器即可，如 扩展性 户时会遇到重新布置线缆的问题 果网络容量受限，还需要增加接入点 高，有严密的物理防护和成熟的安全较高，但开放的信道和移动性导致网 安全性 协议与软件络易受攻击，并较难监管 传输介质同轴电缆、双绞线、光纤，可靠性高无线电波、红外线，可靠性较高 4 第二章w i f i 无线通信基础 2 2 相关标准 目前无线局域网标准主要有i e e e8 0 2 1 l 系列标准、蓝牙、h i p e r l a n 2 、h o m e r f 和i r d a ( i n f r a r e d d a t aa s s o c i a t i o n ) 技术【1 2 】【1 3 j 。其中影响最大的就是由i e e e 所制定的8 0 2 1 1 系列标准，它们也是无 线局域网的事实上的通用标准，它们之间的比较如表2 - 2 所示。从表中可以看出，较之其他标准， 8 0 2 1 l 系列标准具有明显技术优势，适用丁：校园、办公室网络或为公共场所提供无线接入服务。蓝 牙技术连接简单且功耗较低，适用于个人操作环境。h o m e r f 适用于家庭语音或数据设备互联。 h i p e r l a n 2 则适用于对安全性要求较高的场合。i r d a 适用于近距离直线无障碍小型设备互连。 表2 2 若干无线局域网络标准的比较1 5 】【1 6 ”】 传输速度 有效传输范围 标准名称传输介质备注 ( 单位：m b p s )( 单位：米) 使用最为广泛， 支持设备最多， 8 0 2 1 1 系列l 6 0 03 0 3 0 0 无线电波 无线局域网的事 实标准 针对个人区域内 联网，功耗低， 蓝牙l 2 41 0 1 0 0 无线电波 成本低，最多由 8 个设备组成微 微网 主要针对家庭应 用，可同时支持 h o m e i 强1 1 0 5 0 l o o无线电波 8 个高质量的话 音连接，目前标 准演进已停止 欧洲标准，技术 h i p e r l a n 2 6 5 45 0 - 1 5 0 无线电波 复杂，面向连接， 支持q o s 视距无障碍点对 i r d a4 1 6l 1 0 红外线 点传输，无法组 网，易受干扰 i e e e8 0 2 1 l 系列标准包括若干主要标准和补充标准，不同的主要标准采用了不同的物理层技术， 如8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l n 等，补充标准则针对某些特定领域和要求所制定，如8 0 2 1 l e 、8 0 2 1 l i 、 8 0 2 1 l s 等。本论文中的设计与实现遵循8 0 2 1 l b g 协议。 8 0 2 1 l b 标准 i e e e8 0 2 1 1 b 标准是最为人所知的无线局域网标准，起初w i f i 一度成为8 0 2 1 l b 网络的代名词。 与其前任8 0 2 1 1 标准相比，8 0 2 1 l b 引入了新的物理层技术，即高速直接序列扩频( h i g hr a t ed 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 ，h r - d s s s ) 技术，通信速率提升至5 5 m b p s 和1 1 m b p s ，工作频率为2 4 g h z 。 因为8 0 2 1 l b 的出现，无线用户获得了能够比拟有线以太网的通信速率和性能，有线和无线网络技 术可以更方便地集成起来。 5 东南大学硕士学位论文 8 0 2 1 l g 标准 这个标准在物理层中使用了正交频分复用( 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 ) 技术，使得通信速率最高可达5 4 m b p s ，工作频率仍为2 4 g h z 。并且与8 0 2 11 b 的m a c 层完全兼容， 使得8 0 2 1 1 9 设备和8 0 2 1 l b 设备可以共存于一个网络，原有的无线局域网也可以较为平滑地升级， 延长了8 0 2 1 1 b 产品的牛存期。 将8 0 2 1 l 系列标准中的主要标准进行比较，如表2 3 所示。由表中可以看出，8 0 2 1 1 系列标准 是在不断地发展之中。其中，8 0 2 1 l 原始标准是所有8 0 2 1 1 系列标准的基石，8 0 2 1 1 a 标准带宽较高， 但由于其使用频段较高，一般应用较少。最新的8 0 2 1l n 标准的高带宽性能为在无线局域网中实现 多媒体业务提供了基本保证，它将为无线局域网发展起到强有力的推进作用。 表2 3i e e e8 0 2 1 l 系列主要标准比较【1 8 】【1 9 儿2 0 1 1 2 1 1 协议使用频段最大传输速率 物理层技术备注 标准( 单位：g h z ) ( 单位：m b p s ) 首份8 0 2 1 l 标准，为以后的 8 0 2 1 l2 42f h s s d s s s i r 标准演进奠定基础 8 0 2 1 1 b 2 41 l h r d s s s 最为流行的无线局域网标准 速率较高，覆盖范围小，不 兼容8 0 2 1 1 b ，易受干扰，成 8 0 2 1 1 a55 4o f d m 本较高，适用于商用办公室 区域 结合了8 0 2 1 l a 的优点，并与 8 0 2 1 l g 2 45 4h r d s s s o f d m 8 0 2 1 1 b 完全兼容 新一代的无线局域网标准， 在物理层和m a c 层使用多 8 0 2 1 l n2 4 56 0 0m i m o o f d m 种新技术，大幅度提高通信 速率，与8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l g 兼容 除了上述5 个主要的标准之外，i e e e 还针对无线局域网中的特定场合和领域，制定了若干补充 标准。在m a c 层的增强机制方面，制订了8 0 2 1 l e 标准和8 0 2 1 1 i 标准，前者为无线局域网增强了 服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的支持，使无线局域网网络更好地支持语音、视频等应用，后 者则增强了网络的安全性，并和8 0 2 1 x 标准一起为无线局域网提供安全和认证机制。在组网和应用 方面，制订了8 0 2 1 l k 、8 0 2 1 l r 、8 0 2 1 l s 标准，前两者分别针对服务区内无线资源的有效利用和服 务区间的快速切换漫游，使得无线局域网能够更好地支持时延敏感业务。8 0 2 1 l s 标准则是基于8 0 2 1 1 的m e s h 网络的标准，扩展8 0 2 1 l 的体系和协议，提供标准化的扩展服务集的m e s h 功能。无线m e s h 网络是一种新的组网方式，它可以通过m e s h 节点对数据进行不断转发，直至把数据送至目的节点， 从而很好地解决了w l a n 的覆盖范围问题1 2 2 。 根据网络所在国家的不同，制定了8 0 2 1 l h 、8 0 2 1 l j 、8 0 2 1 l y 标准来满足欧洲、日本、美国等 地不同的使用频段和无线电管制规定。 另外，i e e e 又于2 0 0 9 年新成立了t g a c 和t g a d 两个任务组，制定8 0 2 1 l n 之后的替代标准， 6 1 ) c ) 9 卡传输的数据是借由无线电波，而后者是通过如同轴电缆、双绞线等有线介质传输。无线网络适 配器对应了o s i 网络七层模犁中的物理层和数据链路层。在实际应用中，无线网络适配器是以工作 站( s t a t i o n ，s t a ) 的形式出现的，所谓工作站是指处在无线局域网络中，配备了无线网络接口，并 且充当最终用户网络入口点的计算设备，一般足以电池供电的膝上型或便携式的计算机，本论文中 的移动终端就是工作站的一种。无论何种类型的工作站，都必须配备无线网络适配器才可能正常工 作于无线环境中。在本论文中，充当无线网络适配器角色的是无线模组。 无线接入点 无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 也叫做网络桥接器，类似于蜂窝网络中的基站，是无线局域网 络中最重要的设备之一，是一种特殊的丁作站。它负责管理作用区域内移动工作站，协调无线网络 之间或者无线与有线网络之间通信。其作用区域内的工作站町以通过无线接入点，访问到有线局域 网络或是广域网络中的资源。它的性能的优劣将直接影响网络的系统容量和业务能力。目前，随着 技术的发展，无线接入点的形式多以无线路由器为主，除了一般桥接功能外，无线路由器还提供更 多的功能如数据包路由、安全检测、流量控制等。在本论文中将选用无线路由器作为无线接入点。 天线 天线( a n t e n n a ) 是无线通信系统中的基本部件，天线的存在为辐射和接收无线电波提供了手段。 按照i e e e 的定义，天线是发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分【z 7 1 。因此，天 线是电路和空间的界面器件，是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器t 2 s 。在小型商业 网络和家庭网络中，工作站和无线接入点等设备中内置的天线已足够使用了，但对于建筑物间需要 桥接的无线局域网来说，就需要配备外部天线来增强发射功率和覆盖范围。天线的性能对无线信号 的发射与接收会产生较大影响。 除了上述三种的主要组件外，还有如无线网桥、无线中继器等组件，它们都属于无线局域网络 中的扩展组件，在本论文中就不一一介绍了。 2 4 无线局域网的拓扑结构 在介绍无线局域网的拓扑结构前，先引入一个基本的概念：基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 。 b s s 是8 0 2 1 1 网络中的基本单元，由一组相互通信的工作站所组成。b s s 内的工作站之间的通信发 生在一片边界模糊的区域内，这是由无线媒介的传输特性决定的。只要位于b s s 覆盖区域内，工作 站就可以和同一个b s s 的其他成员通信。一个或一个以上的b s s 就可以组成无线网络。b s s 有两种 形式，分别是：独立型网络基本服务集和基础结构型网络基本服务集。 独立型网络 7 东南火学硕士学位论文 独立型网络基本服务集( i n d e p e n d e n tb s s ，i b s s ) 的示意图如图2 1 所示。在图中，三种移动 设备组成了一个网络，形成独立型网络基本服务集。i b s s 中各个工作站之间，在可以直接通信的范 围内就可以相互通信。通常，i b s s 是由几个少数工作站为了特定的目的而组成的暂时性网络。i b s s 内最少有两个工作站，这也是8 0 2 1 1 网络最简单的情况。其典型的应用场景有：企业内的临时性会 议，突发性的救灾现场等等。i b s s 构成的网络规模较小、目的性强、持续时间不长，且随着应用场 景的消失而消失。 s t a 2s t a 3 图2 1 独立型网络基本服务集示意图 基础结构型网络 基础结构型网络基本服务集( i n f r a s t r u c t u r eb s s ) 的示意图如图2 2 所示。从图中右边部分可以 看出，与独立型网络相比，增加了无线接入点设备，有无无线接入点的参与是这两种网络拓扑的根 本差别。在基础结构型网络中，接入点负责基础结构型网络的所有通信，包括m a c 控制、信道的 分配、数据包转发、接入控制和加密认证控制等功能。同一区域内，连入无线接入点的工作站之间 不能直接通信，只能由无线接入点转发。如果一个b s s 是基础结构型网络，那么这个b s s 的覆盖范 围就是其中无线接入点的覆盖的最大范围。所有b s s 内的工作站都应该在无线接