基于IEEE802_11系列无线局域网协议的比较及发展趋势_田芳 (1)

Comparision and develop trends of WLAN protocols based IEEE802. 11 series
TIAN Fang , ZHAO Fang ming, YAO Zong guo
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( 1. School of Information Sci. and Eng. , Shandong Univ. , Jinan 250100, China; 2. Administration for Industry & Commerce of Shandong Province, Jinan 250014, China) Abstract : Present the transport manner, medium access control rules, carrier sense mechanism specified in the IEEE802. 11 series of WLAN specificat ions. It makes a comparison between the 802. 11 families and also makes a recently future development prediction about them. Key words: network analysis; radio signals; computer networks 域.
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2Mbps 外 , 还支持 5. 5Mbps 和 11Mbps 两个新速 率. 802. 11b 在与原 来的 802. 11DSSS 技术兼 容的基 础 上, 融入了补码键控( CCK) 的调制方式, 从而打破了 以太网 10Mbps 速率的纪录 , 将数据速率提高到 11 Mbps. 另外 , 还采用了一种可选的编码方案: 分组二 进制卷积码( PBCC) 方式. 因为这种方式能提高 3dB 的编码增益 , 所 以使得当 站工 作在 5. 5 和 11Mbps 时, 能提供更好的性能. IEEE802. 11b 规 定的是动 态速率 , 允许数 据速 率根据噪音状况进行自动调整. IEEE802. 11b 的 PLCP 有两种结构 : 长和短前导 码. 其中长前导码是所有的 IEEE802. 11b 系统必须 支持的; 而短前导码是可选项 . 使用短的前导码可以 减小开销 , 因此可以提高网络吞吐量. 目前 , IEEE802. 11b 已经成为 WLAN 市场 上的 主流标准 , 被多数厂商采用. 1. 3 IEEE802. 11a
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IEEE802 标 准 化 委 员 会 于 1990 年 成 立 了 IEEE802. 11WLAN 标准工作组 , 该工作组于 1997 年 6 月公布了 IEEE802. 11 标准. 该标准主要用于解决 办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接
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开放系统认证
和共享密钥认证 , 除此之外, 还提供了加密算法 , 来
IEEE 802. 11a 扩充了标准的物理层 , 规定物理 层工作在 U- NII 波段的 5GHz 频段 , 在射频采用多 载波调制技术 正交频分复用 ( OFDM) 调制技术 来传输数据, 支持的速率有 6、 9、 12、 18、 24、 36、 48、 54Mbps. 根 据不同 速率 需求, OFDM 子载波 可采 用 BPSK 、 DPSK、 16- QAM 、 64- QAM 调制方法进 行调 制. 由于 802. 11a 工作在 5GHz 波段 , 所以既不能与 802. 11b 也不能与最初的 802. 11WLAN 标准兼容, 另 外, 在很多 国家, 5GHz 还是受限制 的频段. 802. 11a 解决方 案缺少互操作 性的保障 , IEEE802. 11a 技术 的普及仍需一段时间. 预计到 2004 年 , 基于 80211a 标准 的产品销售将 会取代 802. 11b 而成为市 场主 流, 在此 之前, 802. 11b 仍 将是无 线联网 产品的 主 流. 1. 4 IEEE802. 11g 由于 802. 11b 和 802. 11a 标准互不兼容 , 面对市 场上现存的两种产品 , 一些终端用户对于使用哪种 技术更能满足他们的未来需要很是迷惑, 而网络制 造商也不能确定哪种 标准最有益于指导他们 的生 产. 在这 种 情 况下 , 802. 11g 应 运 而 生, 它 融 合 了 802. 11b 和 802. 11a, 为 WLAN 市场 持续、 快速 的发 展提供了一个美好的前景.
第 33 卷 第 2 期 2003 年 4 月
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JOURNAL OF SHANDONG UNIVERSITY ( ENGINEERING SCIENCE)
Vol. 33 No. 2 Apr. 2003
文章编号 : 1672 3961( 2003) 02 0163 05
基于 IEEE802. 11 系列无线局域网 协议的比较及发展趋势
0 引言
无线局域网 ( Wireless LAN, 以下简称 WLAN) 是 90 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物 , 它使用无线信道支持计算机之间的通信, 并为通信 的移动化、 个人化和多媒体应用提供了潜在的手段 . 90 年代以来 , 随着个人数据通信的发展以及功能强 大的便携式数据终端和多媒体终端的广泛应用 , 为 了实现能随时随地的进行数据通信, 这就要求传统 的计算机网络须由有线向无线、 由固定向移动、 由单 一向多媒体业务进一步发展 , 扩展 WLAN 的业务领
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( 1. 山东大学 信息科学与工程学院 ,
芳 , 赵方明 , 姚宗国
山东 济南 250100;
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2 山东 济南 250014)
2. 山东省工商行政管理局 ,
摘要 : 文中对 IEEE802. 11 协议标准规定的传输方式 、 介质访问规则 、 载波监听机制等与无 线标准 IEEE 802. 11 家族 进行了比较和分析 , 并对各自的发展趋势作了初步展望 . 关键词 : 网络分析 ; 无线电信号 ; 计算机网络 中图分类号 : TN923 文献标识码 : A
是一种可选方式 . 在这种工作方式 下, 由访问 节点 ( AP) 决定当前哪个工作站有权发送数据 , 其实是一 种轮询机制, 主要用于传输实时业务 . 在 CFP 开始, AP 首先监听介质, 如果确定介质在大于或等于一个 PIFS 的时间段内介质持续空闲, 便获得对介质的控 制权并在整个 CFP 周期内维持对介质的控制. 直到 CFP 结束才允许工作站获得介质的控制权, 然后根 据 DCF 访问方式竞争使用介质. 1 1 2 2 载波监听机制 标准规定 了物理和虚拟 相结合的载波监 听机 制. 物理载波监听机制由 PHY 层使用信道空闲评估 ( CCA) 算法提供, 通过测试天线能量和确定接收信 号强度 RSSI 来完成 , 并将物理信道评估结果发送到 MAC 层. 虚拟载波监听机制由 MAC 层提供, 通过在 帧中 持续时间 字段发布预留信息实现. 总之, 介质 访问控制规则通过物理信道评估 CCA 和 NAV 的内 容决定信道状态, 两者之一指示介质忙则说明介质 处于忙状态, 否则说明介质空闲, 这样能有效的减少 碰撞 . 1 1 2 3 RTS/ CTS 机制 该标准使用 RTS CTS 机制和 ACK 帧来进一步 减少冲突 . 由于无线 网络 有时 只能实 现 部分 互通 , 所 以 WLAN 协议必须考 虑可能存 在的隐 藏工作站 的情 况. 如图 1 所示网络中, 站 A 和 B 都可和 C 直接通 信, 但障碍物阻碍了 A 和 B 之间的直接通信 . 如果 B 正在发送信息的时候, A 也准备访问介质, 而 A 检测 不到 B 站在发送信息, 这时就会造成碰撞.
图 1 隐藏工作站情形 Fig . 1 The case of hidden stations
解决碰撞问题的办法是采用 RTS CTS 机制 , 即
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芳 , 等 : 基 于 IEEE802. 11 系列无线局域网协议的比较及发展趋势
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在发 送实 际 数 据 前, 先 交 换 短的 控 制 帧 ( RTS 和 CTS) . 正在发送信息的 B 站在发送前应向其它站发 送 RTS 帧, 请求预留 介质一段时间. C 站能够收到 RTS 帧, 然后向 B 站回送 CTS 帧 , 虽然 A 站不能收 到 B 站发送 的 RTS 帧 , 但 能收到 C 站 发送的 CTS 帧, 则 B 发送的这段时间内, 包括 A 在内的所有站 都不会企图访问介质了. 这就有效的减少了碰撞. 1. 1. 3 认证和加密 802. 11 提供两 种认证服务 增强 802. 11 网络的安全性能 . 1. 1. 4 漫游 IEEE802. 11 标准规定的 漫游功能使 得无线用 户无缝的从一个小区移动到另一个小区. 为了提供 漫游功能, 每个 AP 定期发送信标. 漫游站点定期的 检测从所连接的 AP 接 收的信号强度, 并利用信标 来判断与当前 AP 连接 的强度. 如果站点感觉到信 号微弱 , 漫游站点就执行重新结合服务连接到一个 信号更强的 AP. 1. 1. 5 同步和电源管理 该标准还规定了电源管理和同步功能, 使得移 动用户能具有最长的电池寿命 . IEEE802. 11 规定 AP 具有缓存信息的能力 , 且定期性的发送信标帧 . 处于 休眠状态的移动站定期 醒来 接收该信息, 以判断 是否有数据缓存在 AP 中 . 信标还包含 AP 的时钟信 息, 每个工作站接收到信标帧后, 利用其中的时钟信 息更新自己的时钟, 以获得与整个网络的同步 . 目前, 基于 802. 11 的 1Mbps 和 2Mbps 的 WLAN 技术与产品已相当成熟, 整个系统的实现成本也正 逐渐下降 . IEEE 802. 11 WLAN 标准使得不同供应商的产 品具有了互操作性, 但与以太网 ( 10Mbps) 相比, 附和 IEEE 802. 11 WLAN 标准的 WLAN 较慢的数据传输 率和较小的传输距离成了其进一步发展的瓶颈 , 为 此, IEEE 小 组 又 相 继 推 出 了 新 的 高 速 标 准 IEEE802. 11b 和 IEEE802. 11a. 1. 2 IEEE802. 11b
入, 业务主要限于数据存 取, 它支 持的数据速率为 1 Mbps和 2 Mbps, 工作在 2. 4 GHz 频段 . 该标准定义了物理层和介质访问控制层规范 . 1. 1. 1 物理层规范 该标准对物理层定义了数据传输的信号特征和 传输方式. 传输方式涉及无线局域网采用的传输媒 体、 选择的频段及使用的调制方式 . 目前 , 无线局域网采用的传输媒体主要有两种 , 即无线电波与红外线. 采用无线电波作为传输媒体 的无线局域网依调制方式不同 , 可分为扩展频谱方 式与窄带调制方式. 扩展频谱方式又包括直接序列 扩频方式 ( DSSS) 和跳频扩频方式 ( FHSS) . IEEE802. 11 标准定义了三种物理层选择 : 一是红外线, 外加 两种无线电扩频技术 ( 直接序列扩频和跳频扩频) . 当采用无线电波传输时, 采用扩展频谱的调制方式 , 都是工作在 ISM 波段的 2. 4000~ 2. 4835 GHz 频段 . 其中 DSSS 技术使用 11 位 Barker 码序列 , 采用 DB PSK 和 DQPSK 调 制技术 , 并 分别支 持 1 Mbps ( DB PSK) 和 2 Mbps( DQPSK) 的数据速率 ; FHSS 采用 2~ 4 电平 GFSK 调制技术 , 支持 1Mbps 和可 选的 2 Mbps 的数据速率 . 当采用红外线传输时工作在 850~ 950 nm 波段, 使用 4 或 16 电平 pulse- positioning 调制技 术, 支持的数据速率为 1Mbps 和 2 Mbps. 1. 1. 2 MAC 层规范 1 1 2 1 介质访问规则 该标准在 MAC 层规定了两种介质访问规则: 分 布式协调功能( DCF) 和可选的点协调功能( PCF) . ( 1) DCF 标准规定的基本的介质访问方式是 DCF, 即我 们所熟悉的 CSMA CA, 一个类似于 IEEE802. 3 的线 路争用协议. 由于在无线网络中检测冲突比较困难 , 所以该协议用冲突避免 ( CA) 代替在 802. 3 协议使 用的冲突检测 ( CD) . 在这种方式下, 当站发送信息 时, 首先要监听介质以确定介质是否空闲. 如果在一 个 DIFS 时间段内介质连续保持空闲则可进行传送 , 否则站要推迟发送直到当前帧传送结束. 在延迟之 后, 或在成功发送完一帧后立即再次发送信息之前 , 站要选择一个随机退避时间 , 并在介质空闲时递减 退避时间计数器的值 , 即执行一段随机退避. ( 2) PCF 该方式是基于优先级别的无竞争访问方式 , 它
收稿日期 : 2002 04 26 作者简介 : 田芳 ( 1976- ) , 女 , 硕士研究生 . 现在上海交通大学读博士学位 .
目前 , 主要的无线标准是 IEEE 802. 11 家族, 这 几个标准的主要区别在于物理层规范 . 下面逐一简 要介绍.
1 IEEE802. 11 标准系列
1. 1 IEEE802. 11