节点连接型无线局域网.doc

基于IEEE802.11a的高速无线局域网技术肖鹏 王长林(西南交通大学 计算机与通讯工程学院, 四川 成都 610031)摘要：本文通过对基于IEEE802.11a的高速无线局域网拓扑结构、防数据丢失、自动速率选择、电源消耗管理、正交频分复用、数据保密等技术介绍，分析了现阶段基于IEEE802.11a的高速无线局域网推广存在的问题和广阔应用前景。关键词：无线局域网、拓扑结构、正交频分复用、自动速率选择0. 前言传统意义上的局域网的各类网络设备被网络连线所禁锢，无法实现可移动的网络通信。随着便携式计算机、Pad、电话等广泛应用，无线局域网（WLAN）开始步入我们的IT生活，WLAN是通过无线信道传输数据，采用分组交换技术进行信息交换的计算机局域网。它克服了传统网络的不足，实现了移动的数据交换，为局域网开辟了崭新的技术和应用领域。目前，IEEE已经开发了3种无线局域网规范：802.11、802.11b、802.11a。802.11a标准是802.11标准第二次扩展版本，规定物理层使用5GHz的频段，正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制，传输速率范围为654Mbit/s。下面，就基于IEEE802.11a的高速无线局域网关键技术进行介绍。1. 无线局域网拓扑结构无线局域网拓扑结构包括：无中心或对等式（peer to peer）拓扑图（见图一）和有中心（hub-Based）拓扑图（见图二）5 第 页图二 有中心拓扑结构图图一 无中心拓扑结构图图二是由三个AP的有中心的无线局域网构成的扩展服务集（ESS，Extended Service Set），包括：站（station）、接入点（AP，Access Point）、基本服务集（BSS，Basic Service Set）、分布系统（DS，Distribution system）。另外，还提供了两种服务作为为体系结构幕后支持：站服务（SS，Station Service）和分布系统服务（DSS，Distribution System Service）。SS包括：认证、取消认证、数据投递和加密；DSS包括：关联、再关联、断开关联、集成和分布。2. 防数据丢失技术源CTSDATAACK图三 802.11a无线局域网单元工作过程RTS目的站信道检测有线网络的数据链路层协议是载波侦听多点接入/冲突检测（CSMA/CD）。对于无线局域网，由于无线适配器不能检测网络信道是否存在冲突，因此采用载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA），IEEE802.11a无线局域网的单元要发送信息以前，都要对无线信道中的能量进行探测，当无线信道的能量大于某个阀值的时候，就随机后退若干个间隙，再重新进行发送。在实际的系统中通常采用CSMA/CA+ACK+RTS+CTS来确保系统性能。这种方式是在完成信道的探测后，负责发送的无线局域网单元在每次发送数据之前发送一个请求发送（RTS）帧，然后，当收到对方回覆的清除发送（CTS）帧以后才会发送数据。在发送数据过程中，也要每一次的发送都得到对方接收无误的确认ACK以后才会继续发送数据，这就是所说的四次握手过程。具体过程见图三所示。3. 自动速率选择（ARS）技术ARS会根据信号质量的以及与AP的距离自动为每个传输路径选择最佳的传输速率，无线局域网的传输速率与其相对间距成反比，如果两台无线设备相互靠近，它们将以两接口所支持的最高传输速率进行通信。相反，如果相互移开一些距离，WLAN的站接口将自动降低传输速率，并尽量保持与无线网络的连接。AP端相应动态的进行速率转换，亦即：射频情况变差时，可将传输速率从54Mbps逐步降低为48bps、36Mbps、24 Mbps、18 Mbps、12 Mbps、9 Mbps或6 Mbps，以牺牲速率为代价保持在恶劣条件下的通信畅通。如果覆盖的区域里同时存在多个AP的情况下，当网络负载过重，将启动网络负载均衡机制，即当一个AP变得负载过大或信号减弱时，无线网卡（NIC）能更改与之连接的访问接点AP，切换到最佳可用的AP，以提高系统的通信性能。例如：当无线用户在楼房或公司部门之间自由移动时，IEEE802.11允许在访问接点之间进行无缝连接，即：在不同的信道之间互相漫游。4. 电源消耗管理技术无线局域网的一个主要局限：无线设备电池寿命。通过电源消耗管理，尽可能地延长无线设备的电池寿命。电源管理会在无数据传输时使网络处于休眠（低电源或断电）状态，为了解决由此造成的丢失数据包的问题，在AP上设置了缓冲区来存储临时发送的信息，处于休眠的无线设备会定期醒来收取该信息。5. 正交频分复用技术无线信道存在严重的多径效应和频率选择性衰落。限制了无限信道数据传输速率，IEEE802.11a采用了OFDM技术，它是一种抗多径衰落能力很强和频率利用率很高的多载波调制技术，适用于高速无线传输。5.1 基本原理OFDM的基本原理是把高速数据流分散成一组相互正交的载波，使子载波的符号速率大大降低，符号持续率时间加长，降低了符号间干扰（ISI）。在具体实现时，OFDM采用IFFT/FFT算法来实现调制和解调，当子信道数目比较多的D（t）d(0)(N-1)(1)(0)d(1)d(N-1)S/P 无线信道P/S 积分积分积分时候，采用IFFT/FFT算法可以大大减少系统的复杂度，原理详见图四。图四 OFDM的调制和解调原理框图图四中假设原始的基带数据信号的带宽为B，码元速率为R，码元周期为T。OFDM是将原始信号串/并变换后，分割成N路子信号，分割后的码元速率为R/N，周期为NT。然后用这N个子信号分别去调制N个相互正交的子载波。子载波重叠，可以获得较高的频谱利用率。接收端，对收到的N路信号分别进行相关运算，完成信号的提取，实现信号的传输。5.2 IEEE802.11 a的物理层参数（见表 1）表1 IEEE802.11a的物理层参数RF信道带宽20MHz调制方式BPSK QPSK16-QAM 64-QAMNSD 子载波数48NSP 导频子载波4F子载波间隔0.3125 MHzIFFT/FFT周期3.2s保护间隔0.8s符号间隔4s数据传输速率（Mbps）6、9、12、18、24、36、48、54信道编码速率1/2、2/3、3/45.3 OFDM分组结构导符号1导符号2SIGNALDATA（20个OFDM符号）图五 OFDM分组结构图导符号1是由10个持续时间皆为0.8s的短训练符号组成，导符号2包含两个相同的长训练符号（时间长度等于正常的OFDM符号时间的长度），总的训练时间长度为16s；导符号后面是“SIGNAL”域，提供后续数据的调制类型、编码速率和数据长度等信息。短训练符号由间距为4的12个子载波组成，上传已知的伪随机序列，具有自动增益控制、符号同步、粗频偏估计等功能；长训练符号由53个子载波（包括直流处一个空符号，取“0”值）组成，具有精频偏估计、信道估计等功能。5.4 系统结构框图数据输入卷积编码块交织映射插入导频序列IFFT加循环前缀加窗函数D/A扰码器IEEE802.11a中的OFDM物理层分为物理汇聚子层（PLCP）和物理介质子层（PMD）。OFDM物理层发送/接收方框图见图六、图七图六 OFDM发送系统结构数据输出信道纠错解映射定时和频率同步去循环前缀A / DFFT解交织解码解扰器图七 OFDM接收系统结构6. 数据保密技术虚拟专用网（VPN）是目前最好的网络安全技术之一，未来的高速无线局域网将广泛的采用VPN进行数据保密。VPN指在一个公共IP网络平台上通过隧道及加密技术保证专用数据网络的安全性， VPN的服务器可以集中管理，管理成本能够保持在很低的水平，并且可以提供基于Radius的用户拨号认证与计费。VPN比有线等效加密（WEP）协议具有更高层的网络安全性，能够支持用户与网络之间的端对端的安全隧道连接，与WEP和MAC地址过滤不同，VPN解决方案可以扩展到支持非常多的用户。完全可以替代连线对等保密解决方案以及物理地址过滤解决方案，是一种增强性的网络解决方案。7. 结束语IEEE802.11a在推广使用中，也带来了一系列的问题。首先，射频频率从2.4GHz变化到5GHz将会加大电波在空间传输的损耗，引入6.9dB的能量损失，从而，减小了设备的有效覆盖范围；其次，OFDM的信号有很大的峰值与均值之比，它对系统中使用的功率放大器有较高的要求，从而增加了系统的成本和能量损耗。基于IEEE802.11a的高速无线局域网尽管存在以上的局限，但IEEE802.11a是工作在5GHz的无线局域网标准，避免了与工作在2.4GHz的蓝牙设备的干扰。现有的IEEE802.11和IEEE802.11b标准仅能满足数据和简单图像的处理的要求，已经不能满足用户对带宽密集型的要求，新一代的基于IEEE802.11a的高速无线局域网在覆盖范围内能够提供54Mbps的数据传输率，可以有效地满足工程CAD设计、语音、数据、图像等业务功能的需求。随着WLAN日益增多和广泛流行，IEEE802.11a高速无线局域网必将成为新一代的主流WLAN。参考文献：（1）IEEE802.11a 1999，Supplement to IEEE Standard for Information Technology and Telecommunications and Information Exchange between Systems part 11：Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification: High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band, Sep 1999 （2）Richard Van Nee，OFDM for Wireless Multimedia CommunicationM，Artech House，Jan. 2000（3）刘元安等，宽带无线接入和无线局域网，北京邮电大学出版社，2000High-speed Wireless Local Area Network Technology about IEEE802.11aXIAO Peng WANG Changlin( Computation And Communication Engineering CollegeOf Southwest Jiaotong Universty Chengdu Sichuan 610031)ABSTRACT: This paper introduces High-speed Wirless Local Area Network technology about IEEE802.11a,in which included Topology Structure、Prevention of Data Losed、Automatic Velocity Selection、Power Consume Management、Orthogonal Frequency Division