基于IEEE802.11無線局域網(wǎng)的研究

陳同姓

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州310012）

1 前言

隨著無線技術(shù)和Internet的發(fā)展，對可攜帶、可移動的計算機(jī)或I作站的需求不斷增長。而無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)以其高靈活性、緊急狀況下的健壯性被廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線局域網(wǎng)本身的無線特性也帶來一定的問題。無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，信號易受干擾，傳輸時誤碼率較高。這些不利因素，在語音、視頻等各種實時業(yè)務(wù)竟相涌現(xiàn)的今大，顯得更加突出。實時業(yè)務(wù)對諸如帶寬、延遲、丟包率等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)有更加嚴(yán)格的要求，尤其是在移動的環(huán)境中，在噪音干擾和信號衰減都比較嚴(yán)重的條件下，要保證實時業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量，就需要有更適合于實時業(yè)務(wù)的接入模型和控制調(diào)度算法。作為世界上無線局域網(wǎng)部署應(yīng)用最為廣泛，最具代表性的IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，自從1997年，IEEE發(fā)布了第一個802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以來，隨著WLAN應(yīng)用的日益廣泛，各種多媒體業(yè)務(wù)，如VOIP、視頻會議對WLAN的QoS支持要求也越來越高，而最初IEEE802.11協(xié)議主要是針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行的設(shè)計，對于諸如視頻、音頻等實時多媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用;}沒有做充分的考慮，為此，IEEE802.11 e小組針對無線局域網(wǎng)本身發(fā)展的特點就實時多媒體業(yè)務(wù)的QoS保障做出了補(bǔ)充方案，于2005年11月發(fā)布了IEEE802.11 e協(xié)議，為無線局域網(wǎng)提供服務(wù)質(zhì)量保障。

2 無線局域網(wǎng)及IEEE802.11e協(xié)議分析

無線局域網(wǎng)以其可移動性、應(yīng)用靈活、維護(hù)方便、易于擴(kuò)展以及良好的性價比在商業(yè)和民用無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越引起人們的關(guān)注。IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。無線局域網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，然后介紹IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，并對傳統(tǒng)的IEEE802.11MAC層的兩種接入訪問機(jī)制進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)重點的研究和分析IEEE802.11e協(xié)議及給出的參考調(diào)度算法。

2.1 IEEE802.11家族

作為全球公認(rèn)的無線局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE802工作組建立的標(biāo)準(zhǔn)在過去二十年內(nèi)在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)獨領(lǐng)風(fēng)騷。這些協(xié)議包括了802.3 Ethernet協(xié)議、802.5 Token Ring協(xié)議、802.3z100BASE-T快速以太網(wǎng)協(xié)議。在1997年，經(jīng)過了7年的工作以后，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這也是在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的第一個國際上被認(rèn)可的協(xié)議。它主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，速率最高只能達(dá)到2Mbps。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，工作組又陸續(xù)對傳輸速率、服務(wù)性能和安全性等方面進(jìn)行了改進(jìn)，逐漸發(fā)展了一支龐大的IEEE802.11協(xié)議族。

802.11 a標(biāo)準(zhǔn)，它擴(kuò)充了標(biāo)準(zhǔn)的物理層，頻帶為5GHz，采用QFSK調(diào)制方式，傳輸速率為6Mbps-54Mbps。它采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的獨特擴(kuò)頻技術(shù)，可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應(yīng)用場合。但是，采用該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品目前還沒有進(jìn)入市場。

802.11 b標(biāo)準(zhǔn)，采用2.4GHz頻帶和補(bǔ)償編碼鍵控（CCK）調(diào)制方式。該標(biāo)準(zhǔn)可提供11Mbps的數(shù)據(jù)速率，大約是現(xiàn)有IEEE標(biāo)準(zhǔn)無線LAN速度的5倍。還能夠支持5.5Mbps和11Mbps兩個新速率，而且802.11b可以根據(jù)情況的變化，在11Mbps，5.5Mbps，2Mbps,1Mbps的不同速率之間自動切換，并在2Mbps，1Mbps速率時與IEEE802.11兼容。它從根本上改變WLAN載波偵聽多路訪問/避免沖突CSMA/CA，這有別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)上的沖突檢測（CSMA/CD）。由于在射頻傳輸網(wǎng)絡(luò)中沖突檢測比較困難，所以該協(xié)議采用改進(jìn)后的避免沖突檢測代替在802.3協(xié)議使用的沖突檢測，使用信道空閑評估（CCA）算法來決定信道是否空閑，通過測試天線口能量和決定接收信號強(qiáng)度來完成。CSMA/CA使用RTS、CTS和ACK幀減少沖突。CSMA/CA相關(guān)內(nèi)容是在802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義的，802.11b、802.11a、802.11g等標(biāo)準(zhǔn)直接沿用。

802.11 是MAC層標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，為了滿足在安全性、QoS等方面的進(jìn)一步要求，IEEE相繼提出了802.11e、802.11f[11]、802.11i[12]等標(biāo)準(zhǔn)。802.11e主要用來解決802.11網(wǎng)的QoS（服務(wù)質(zhì)量）特性。它不像以太網(wǎng)那樣采用MAC層，而是采用時分多路接入（TDMA）技術(shù)，并且對重要通信增加額外糾錯功能。802.11e主要體現(xiàn)在兩項基本內(nèi)容：一個是EDCA機(jī)制，另一種是HCCA機(jī)制。此外，還有802.11f主要解決802.11在網(wǎng)間互連方面存在的不足。用戶在兩個不同的交換網(wǎng)段（無線信道）或兩種不同類型無線網(wǎng)的接入點間進(jìn)行漫游時，如何更好地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，使WLAN具備與蜂窩電話相同的靈活性是該標(biāo)準(zhǔn)的主要任務(wù)。802.11i是為了解決WLAN的安全認(rèn)證問題而制訂的新安全標(biāo)準(zhǔn)。802.11n是新一代高速WLAN新規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到500Mbps。

2.2 IEEE802.11無線局域網(wǎng)系統(tǒng)

2.2.1 IEEE802.11無線局域網(wǎng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

無線局域網(wǎng)有兩種基本的體系結(jié)構(gòu)：基于基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure-Based）和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。在IEEE802.11中，對這兩種網(wǎng)絡(luò)有更詳細(xì)的描述。如圖1和圖2分別所示IEEE802.11中帶有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)以及Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的組成部分。

2.2.2 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)是對一個局域范圍內(nèi)各種固定的、便攜的和移動節(jié)點間的無線連接所作的規(guī)范。和其它IEEE802.x局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一樣，IEEE802.11僅覆蓋了ISO開放系統(tǒng)互連參考模型中的媒體訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）。

圖3中圖示描述了IEEE802.11無線局域網(wǎng)與IEEE802.3以太網(wǎng)相連時的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。可以清楚的看到，IEEE802.11與IEEE802.x局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對上層協(xié)議都是透明的。除了較低的帶寬和可能較高的延遲以外，上層應(yīng)用程序不應(yīng)該從無線局域網(wǎng)看到任何不同。因此，上層協(xié)議（應(yīng)用層、TCP，IP）對無線結(jié)點和有線結(jié)點同樣看待。數(shù)據(jù)鏈路層的上面一個部分，邏輯鏈路控制（LLC，Logical Link Control）子層覆蓋了不同介質(zhì)所需要的介質(zhì)訪問機(jī)制的不同之處。在目前的網(wǎng)絡(luò)中，看不到很明顯的LLC子層。圖3 IEEE802.11和IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。

[1]杜娟.IEEE802.11DCF模式下的優(yōu)先級調(diào)度機(jī)制研究[D].天津:天津大學(xué),2004.

[2]IEEE Standard 802.11e-2005.IEEE Standards Board 802 part 11:Wireless LAN Medium AccessControl (MAC)and Physical Layer (PHY)specifications,Amendment 8:Medium Access Control(MAC)Quality of Service Enhancements[S].