基于IEEE802.11无线局域网的研究

陈同姓

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州310012）

1 前言

随着无线技术和Internet的发展，对可携带、可移动的计算机或I作站的需求不断增长。而无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)以其高灵活性、紧急状况下的健壮性被广泛应用。与传统的有线网络相比，无线局域网本身的无线特性也带来一定的问题。无线网络的带宽有限，信号易受干扰，传输时误码率较高。这些不利因素，在语音、视频等各种实时业务竟相涌现的今大，显得更加突出。实时业务对诸如带宽、延迟、丢包率等网络服务质量参数有更加严格的要求，尤其是在移动的环境中，在噪音干扰和信号衰减都比较严重的条件下，要保证实时业务的传输质量，就需要有更适合于实时业务的接入模型和控制调度算法。作为世界上无线局域网部署应用最为广泛，最具代表性的IEEE802.11系列标准，自从1997年，IEEE发布了第一个802.11协议标准以来，随着WLAN应用的日益广泛，各种多媒体业务，如VOIP、视频会议对WLAN的QoS支持要求也越来越高，而最初IEEE802.11协议主要是针对数据业务进行的设计，对于诸如视频、音频等实时多媒体业务的应用;}没有做充分的考虑，为此，IEEE802.11 e小组针对无线局域网本身发展的特点就实时多媒体业务的QoS保障做出了补充方案，于2005年11月发布了IEEE802.11 e协议，为无线局域网提供服务质量保障。

2 无线局域网及IEEE802.11e协议分析

无线局域网以其可移动性、应用灵活、维护方便、易于扩展以及良好的性价比在商业和民用无线网络中的应用越来越引起人们的关注。IEEE802.11系列标准是无线网络技术发展史上的一个重要里程碑，是迄今为止应用最为广泛的标准。无线局域网相关标准，然后介绍IEEE802.11标准系统体系结构和协议体系结构，并对传统的IEEE802.11MAC层的两种接入访问机制进行了研究，在此基础重点的研究和分析IEEE802.11e协议及给出的参考调度算法。

2.1 IEEE802.11家族

作为全球公认的无线局域网权威，IEEE802工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域内独领风骚。这些协议包括了802.3 Ethernet协议、802.5 Token Ring协议、802.3z100BASE-T快速以太网协议。在1997年，经过了7年的工作以后，IEEE发布了802.11协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。它主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。随着无线网络的进一步发展，工作组又陆续对传输速率、服务性能和安全性等方面进行了改进，逐渐发展了一支庞大的IEEE802.11协议族。

802.11 a标准，它扩充了标准的物理层，频带为5GHz，采用QFSK调制方式，传输速率为6Mbps-54Mbps。它采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。但是，采用该标准的产品目前还没有进入市场。

802.11 b标准，采用2.4GHz频带和补偿编码键控（CCK）调制方式。该标准可提供11Mbps的数据速率，大约是现有IEEE标准无线LAN速度的5倍。还能够支持5.5Mbps和11Mbps两个新速率，而且802.11b可以根据情况的变化，在11Mbps，5.5Mbps，2Mbps,1Mbps的不同速率之间自动切换，并在2Mbps，1Mbps速率时与IEEE802.11兼容。它从根本上改变WLAN载波侦听多路访问/避免冲突CSMA/CA，这有别于传统以太网上的冲突检测（CSMA/CD）。由于在射频传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议采用改进后的避免冲突检测代替在802.3协议使用的冲突检测，使用信道空闲评估（CCA）算法来决定信道是否空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强度来完成。CSMA/CA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。CSMA/CA相关内容是在802.11标准中定义的，802.11b、802.11a、802.11g等标准直接沿用。

802.11 是MAC层标准的基础，在此基础上，为了满足在安全性、QoS等方面的进一步要求，IEEE相继提出了802.11e、802.11f[11]、802.11i[12]等标准。802.11e主要用来解决802.11网的QoS（服务质量）特性。它不像以太网那样采用MAC层，而是采用时分多路接入（TDMA）技术，并且对重要通信增加额外纠错功能。802.11e主要体现在两项基本内容：一个是EDCA机制，另一种是HCCA机制。此外，还有802.11f主要解决802.11在网间互连方面存在的不足。用户在两个不同的交换网段（无线信道）或两种不同类型无线网的接入点间进行漫游时，如何更好地维护网络连接，使WLAN具备与蜂窝电话相同的灵活性是该标准的主要任务。802.11i是为了解决WLAN的安全认证问题而制订的新安全标准。802.11n是新一代高速WLAN新规范，数据传输速率可达到500Mbps。

2.2 IEEE802.11无线局域网系统

2.2.1 IEEE802.11无线局域网系统体系结构

无线局域网有两种基本的体系结构：基于基础设施（Infrastructure-Based）和Ad hoc网络。在IEEE802.11中，对这两种网络有更详细的描述。如图1和图2分别所示IEEE802.11中带有基础设施的网络以及Ad hoc网络的组成部分。

2.2.2 协议体系结构

IEEE802.11标准是对一个局域范围内各种固定的、便携的和移动节点间的无线连接所作的规范。和其它IEEE802.x局域网标准一样，IEEE802.11仅覆盖了ISO开放系统互连参考模型中的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）。

图3中图示描述了IEEE802.11无线局域网与IEEE802.3以太网相连时的协议体系结构。可以清楚的看到，IEEE802.11与IEEE802.x局域网标准对上层协议都是透明的。除了较低的带宽和可能较高的延迟以外，上层应用程序不应该从无线局域网看到任何不同。因此，上层协议（应用层、TCP，IP）对无线结点和有线结点同样看待。数据链路层的上面一个部分，逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）子层覆盖了不同介质所需要的介质访问机制的不同之处。在目前的网络中，看不到很明显的LLC子层。图3 IEEE802.11和IEEE802.3以太网协议体系结构。

[1]杜娟.IEEE802.11DCF模式下的优先级调度机制研究[D].天津:天津大学,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].