基于IEEE802.11無線局域網的研究

陳同姓

（杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州310012）

1 前言

隨著無線技術和Internet的發展，對可攜帶、可移動的計算機或I作站的需求不斷增長。而無線局域網WLAN(Wireless Local Area Network)以其高靈活性、緊急狀況下的健壯性被廣泛應用。與傳統的有線網絡相比，無線局域網本身的無線特性也帶來一定的問題。無線網絡的帶寬有限，信號易受干擾，傳輸時誤碼率較高。這些不利因素，在語音、視頻等各種實時業務竟相涌現的今大，顯得更加突出。實時業務對諸如帶寬、延遲、丟包率等網絡服務質量參數有更加嚴格的要求，尤其是在移動的環境中，在噪音干擾和信號衰減都比較嚴重的條件下，要保證實時業務的傳輸質量，就需要有更適合于實時業務的接入模型和控制調度算法。作為世界上無線局域網部署應用最為廣泛，最具代表性的IEEE802.11系列標準，自從1997年，IEEE發布了第一個802.11協議標準以來，隨著WLAN應用的日益廣泛，各種多媒體業務，如VOIP、視頻會議對WLAN的QoS支持要求也越來越高，而最初IEEE802.11協議主要是針對數據業務進行的設計，對于諸如視頻、音頻等實時多媒體業務的應用;}沒有做充分的考慮，為此，IEEE802.11 e小組針對無線局域網本身發展的特點就實時多媒體業務的QoS保障做出了補充方案，于2005年11月發布了IEEE802.11 e協議，為無線局域網提供服務質量保障。

2 無線局域網及IEEE802.11e協議分析

無線局域網以其可移動性、應用靈活、維護方便、易于擴展以及良好的性價比在商業和民用無線網絡中的應用越來越引起人們的關注。IEEE802.11系列標準是無線網絡技術發展史上的一個重要里程碑，是迄今為止應用最為廣泛的標準。無線局域網相關標準，然后介紹IEEE802.11標準系統體系結構和協議體系結構，并對傳統的IEEE802.11MAC層的兩種接入訪問機制進行了研究，在此基礎重點的研究和分析IEEE802.11e協議及給出的參考調度算法。

2.1 IEEE802.11家族

作為全球公認的無線局域網權威，IEEE802工作組建立的標準在過去二十年內在局域網領域內獨領風騷。這些協議包括了802.3 Ethernet協議、802.5 Token Ring協議、802.3z100BASE-T快速以太網協議。在1997年，經過了7年的工作以后，IEEE發布了802.11協議，這也是在無線局域網領域內的第一個國際上被認可的協議。它主要用于解決辦公室局域網和校園網中，用戶與用戶終端的無線接入，業務主要限于數據存取，速率最高只能達到2Mbps。隨著無線網絡的進一步發展，工作組又陸續對傳輸速率、服務性能和安全性等方面進行了改進，逐漸發展了一支龐大的IEEE802.11協議族。

802.11 a標準，它擴充了標準的物理層，頻帶為5GHz，采用QFSK調制方式，傳輸速率為6Mbps-54Mbps。它采用正交頻分復用（OFDM）的獨特擴頻技術，可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網線幀結構接口，并支持語音、數據、圖像業務。這樣的速率完全能滿足室內、室外的各種應用場合。但是，采用該標準的產品目前還沒有進入市場。

802.11 b標準，采用2.4GHz頻帶和補償編碼鍵控（CCK）調制方式。該標準可提供11Mbps的數據速率，大約是現有IEEE標準無線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，這有別于傳統以太網上的沖突檢測（CSMA/CD）。由于在射頻傳輸網絡中沖突檢測比較困難，所以該協議采用改進后的避免沖突檢測代替在802.3協議使用的沖突檢測，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度來完成。CSMA/CA使用RTS、CTS和ACK幀減少沖突。CSMA/CA相關內容是在802.11標準中定義的，802.11b、802.11a、802.11g等標準直接沿用。

802.11 是MAC層標準的基礎，在此基礎上，為了滿足在安全性、QoS等方面的進一步要求，IEEE相繼提出了802.11e、802.11f[11]、802.11i[12]等標準。802.11e主要用來解決802.11網的QoS（服務質量）特性。它不像以太網那樣采用MAC層，而是采用時分多路接入（TDMA）技術，并且對重要通信增加額外糾錯功能。802.11e主要體現在兩項基本內容：一個是EDCA機制，另一種是HCCA機制。此外，還有802.11f主要解決802.11在網間互連方面存在的不足。用戶在兩個不同的交換網段（無線信道）或兩種不同類型無線網的接入點間進行漫游時，如何更好地維護網絡連接，使WLAN具備與蜂窩電話相同的靈活性是該標準的主要任務。802.11i是為了解決WLAN的安全認證問題而制訂的新安全標準。802.11n是新一代高速WLAN新規范，數據傳輸速率可達到500Mbps。

2.2 IEEE802.11無線局域網系統

2.2.1 IEEE802.11無線局域網系統體系結構

無線局域網有兩種基本的體系結構：基于基礎設施（Infrastructure-Based）和Ad hoc網絡。在IEEE802.11中，對這兩種網絡有更詳細的描述。如圖1和圖2分別所示IEEE802.11中帶有基礎設施的網絡以及Ad hoc網絡的組成部分。

2.2.2 協議體系結構

IEEE802.11標準是對一個局域范圍內各種固定的、便攜的和移動節點間的無線連接所作的規范。和其它IEEE802.x局域網標準一樣，IEEE802.11僅覆蓋了ISO開放系統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無線局域網與IEEE802.3以太網相連時的協議體系結構。可以清楚的看到，IEEE802.11與IEEE802.x局域網標準對上層協議都是透明的。除了較低的帶寬和可能較高的延遲以外，上層應用程序不應該從無線局域網看到任何不同。因此，上層協議（應用層、TCP，IP）對無線結點和有線結點同樣看待。數據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所需要的介質訪問機制的不同之處。在目前的網絡中，看不到很明顯的LLC子層。圖3 IEEE802.11和IEEE802.3以太網協議體系結構。

[1]杜娟.IEEE802.11DCF模式下的優先級調度機制研究[D].天津:天津大學,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].