淺談無線局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）對實時業(yè)務的支持以及WLAN的應用和發(fā)

2019-11-05 02:30:24

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供稿：網(wǎng)友

　　摘要：無線局域網(wǎng)具有網(wǎng)絡配置靈活、適應性強、安裝維護方便等優(yōu)點，而且有較好的經(jīng)濟性，是實現(xiàn)Intemet高速接入的一種方案。介紹了無線局域網(wǎng)標準IEEE 802．11的網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)、物理層實現(xiàn)方式和媒體接入機制；以點協(xié)調(diào)功能為例分析了無線局域網(wǎng)對實時業(yè)務的支持；還介紹了無線局域網(wǎng)的應用與發(fā)展。
　　
　　要害詞：無線局域網(wǎng) IEEE 802．11 DCF PCF
　　
　　ip電話的發(fā)展越來越受人矚目。然而，IP數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳遞時由于排隊、擁擠和數(shù)據(jù)處理等引起的時延等因素的影響，IP電話的質(zhì)量存在一定的問題。
　　
　　Internet網(wǎng)的實時機頻服務也存在同樣的問題。解決以上問題需從Internet網(wǎng)的骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)兩方面著手：骨干網(wǎng)傳輸通道可采用光纖通信技術(shù)（如SDH，WDM等）予以拓寬；節(jié)點處理設備可采用IP 0ver ATM方案或吉比交換路由器方案；接入網(wǎng)的高速化也在不斷的研究和發(fā)展之中。本文介紹的無線局域網(wǎng)（WLAN）作為一種高速接入方案對實時業(yè)務的支持策略，是WLAN的亮點之一，而傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)（LAN）對此沒有明確的保障機制。
　　
　　一、無線局域網(wǎng)簡介
　　
　　WLAN就是將無線技術(shù)應用到LAN當中。與有線LAN相比，WLAN網(wǎng)絡配置靈活、適應性較強、安裝維護方便，而且在某些情況下經(jīng)濟性較好。它主要用于以下場合：
　　
　　?在移動工作環(huán)境下，面向移動計算機用戶，訪問網(wǎng)絡的信息資源，為移動辦公提供便利；
　　
　　?臨時組網(wǎng)，如災后復蘇、短時商用系統(tǒng)及大型會議；
　　
　　?有線LAN的無線延伸，亦可作為LAN的無線互連。
　　
　　目前，WLAN與無線ATM（WATM）、本地多點分布業(yè)務（LMDs）、多點多信道分布業(yè)務（MMDS）一起，構(gòu)成很有發(fā)展前景的寬帶無線接入技術(shù)。
　　
　　當前，有關WLAN的標準影響較大的有IEEE 802.11，ETSI HIPERLAN， WINForum和ETSI RESl0等。以下以IEEE 802．11為代表予以介紹。
　　
　　IEEE 802委員會在1990年成立了專門工作小組制定IEEE 802．11 WLAN標準，并在1996年提出了第四版草案標準，現(xiàn)已趨于完成。
　　
　　IEEE 802．11標準是基于市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品制定出來的，因而既考慮了技術(shù)問題又考慮了市場問題。
　　
　　IEEE 802.11標準考慮了兩種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：Ad hoc和基本結(jié)構(gòu)（InfrastrUCture）。Ad hoc網(wǎng)由某基本業(yè)務群（BSS）內(nèi)的一組站點組成，又稱為IBSS，如圖NJ所示。其中基本業(yè)務群是IEEE 802．11結(jié)構(gòu)的基本功能塊，它覆蓋的地理區(qū)域類似于蜂窩通信網(wǎng)中的蜂窩。在基本業(yè)務群內(nèi)，任一站點可與任一其它站點直接建立通信過程。與Ad hoc網(wǎng)不同，基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)通過接入點（AP）而建立。接入點類似于蜂窩通信網(wǎng)中的基站，可以看作是將IEEE 802．11網(wǎng)連到有線骨干網(wǎng)的網(wǎng)橋。接入點通過提供多個基本業(yè)務群互連的連接點來擴展通信范圍，形成擴展業(yè)務群（ESS）。擴展業(yè)務群包括多個基本業(yè)務群，通過DS連到一起。DS可以是IEEE 802.3以太網(wǎng)、IEEE 802．4令牌總線、IEEE 802．5令牌環(huán)、FDDI城域網(wǎng)或其它IEEE 802． 11無線媒體。擴展業(yè)務群也可通過入口部件Portal為無線用戶提供至有線網(wǎng)（如Internet）的網(wǎng)關接入。Portal是規(guī)定IEEE 802．11網(wǎng)與非IEEE 802．11網(wǎng)在DS上的連接點的邏輯實體。假如網(wǎng)絡是IEEE 802.x，Portal功能類似于網(wǎng)橋。圖1(b)所示為基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
　　
　　IEEE 802.11草案標準規(guī)定了三種不同的物理層實現(xiàn)方式：跳頻擴頻（FHSS）、直接序列擴頻（DSSS）和紅外（IR）。這使符合IEEE 802.11的WLAN用戶可充分利用每個物理層的不同優(yōu)點，但采用不同物理層的兩個用戶需要另外規(guī)定所在的WLAN系統(tǒng)的類型和數(shù)據(jù)率，以支持互通性。接入速率有1Mbit/s和2Mbit/s兩種。跳頻擴頻和直接序列擴頻使用2.4 GHzISM（工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段。紅外使用850～950 nm波長的紅外線傳輸數(shù)據(jù)。
　　
　　IEEE 802.11物理層的無線媒體決定了WLAN具有獨特的媒體接入控制（MAC）機制。IEEE 802．11支持兩種不同的MAC方案：第一種方案是分布協(xié)調(diào)功能（DCF），類似于傳統(tǒng)的分組網(wǎng)，支持異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)犬惒綐I(yè)務，所有要傳輸數(shù)據(jù)的用戶擁有平等接入網(wǎng)絡的機會；第二種方案是點協(xié)調(diào)功能（PCF），基于由接入點控制的輪詢（poll）方式，主要用于傳輸實時業(yè)務。MAC子層由DCF和PCF兩部分組成。DCF直接位于物理層之上。所有站點均支持DCF。在Ad hoc網(wǎng)中， DCF獨立工作；在基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)中，DCF可獨立工作也可與PCF共同工作。
　　
　　MAC子層負責信道分配過程、PDU尋址、幀形成、差錯校驗、分組拆裝。傳輸媒體可工作于競爭方式，每個站點傳輸任一分組時需對信道進行競爭接入；媒體也可在競爭期（CP）和非競爭期（CFP）間交替工作。在非競爭期間，媒體的使用由接入點控制或作為中介，因而站點不必進行接入信道競爭。
　　
　　IEEE 802.11支持3種不同類型的幀：治理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀。治理幀用于站點與接入點的連接和分離、定時和同步、身份認證。控制幀用于競爭期間的握手通信和正向確認、結(jié)束非競爭期。數(shù)據(jù)幀用于在競爭期和非競爭期間傳輸數(shù)據(jù)，并且在非競爭期間可與輪詢和確認（ACK）結(jié)合在一起。無線媒體的優(yōu)先接入通過使用各幀傳輸之間的幀間間隔IFS（interframe space）來控制。IFS是傳輸媒體上的空閑時間。有3種IFS： SIFS（shortIFS）， PIFS （ PCF IFs）和DIFS （DCF IFS ）。SIFS最短，PIFS居中，DIFS最長。最高優(yōu)先級幀使用SIFS傳輸，如接收站發(fā)送ACK給發(fā)信站時使用SIFS，以保證沒有其它站干擾介入；PIFS用于實時性要求強的數(shù)據(jù)幀的情況；DIFS用于一般異步數(shù)據(jù)傳輸幀。
　　
　　DCF基于載波偵聽多址接入/碰撞預防（CSMA/CA）而未采用有線LAN中主要使用的載波偵聽多址接入/碰撞檢測（CSMA/CD）多址接入方式。這是因為站點傳輸時聽不到信道碰撞。由于無線信道動態(tài)范圍大，在有效帶寬內(nèi)采用碰撞檢測方式是很困難的，故只能采取隨機退避方式以減少兩幀碰撞的概率。
　　
　　另外，HIPERLAN也是草案標準。與IEEE 802.11標準不同的是，它不是由現(xiàn)存的產(chǎn)品或治理引出的，而是著手于滿足一系列的功能需求。HIPERLAN工作頻段為5.15～5.30 GHz和17.1～17.2 GHz，數(shù)據(jù)率可達23.529 Mbit/s。它支持多跳選路（multihop routing）、實時業(yè)務和節(jié)電特性，使用一種類似于CSMA/CD的接入方式來共享頻帶。HIPERLAN主要集中在Ad hoc連網(wǎng)應用和支持更高的數(shù)據(jù)率。
　　
　　二、點協(xié)調(diào)功能對實時業(yè)務的支持機制
　　
　　PCF是可選功能，面向連接，提供無競爭幀傳送。PCF支持實時性強的業(yè)務，提供一定的QoS保證。PCF依靠點協(xié)調(diào)器（PC）來執(zhí)行輪詢，使被輪詢的站點不必競爭信道就可傳送數(shù)據(jù)。點協(xié)調(diào)器功能由基本業(yè)務群內(nèi)的接入點完成。基本業(yè)務群內(nèi)能在非競爭期間工作的站點稱為CF-aware站點。維持輪詢表和決定輪詢順序的方法可以進行設置。
　　
　　PCF需與DCF共存，邏輯上位于DCF之上。非競爭期重復間隔（CFP周期）用于決定PCF產(chǎn)生的頻率。重復間隔內(nèi)的一部分時間分配給無競爭業(yè)務流，剩下的提供給基于競爭的業(yè)務流。非競爭期重復間隔由標志幀(B)初始化。標志幀由接入點傳送，主要功能之一是同步和定時。非競爭期重復間隔長度是一可調(diào)參數(shù)，可隨輸入負荷而變化。假如負載輕，接入點會縮短非競爭期，提供更多的時間給DCF。圖2所示為非競爭期重復間隔內(nèi)PCF和DCF共存的情況。
　　
　　在非競爭期，假如某站由接入點輪詢發(fā)送，該站可直接發(fā)送至同一基本業(yè)務群內(nèi)的另一站或另一基本業(yè)務群內(nèi)的某站。當傳送被引導至另一基本業(yè)務群內(nèi)的某站時，源站將幀傳至接入點，由接入點負責通過DS將幀轉(zhuǎn)送至為目的站服務的遠端接入點。
　　
　　一般在每一非競爭期重復間隔的開始，基本業(yè)務群內(nèi)的所有站更新其網(wǎng)絡分配向量至非競爭期的最大值。在非競爭期，站點被答應發(fā)送的唯一機會是回答點協(xié)調(diào)器的輪詢或在接收到一MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元之后的SIFS時間回送ACK。一般在非競爭期開始時，點協(xié)調(diào)器偵聽媒體。假如媒體在PIFS時間內(nèi)保持空閑，點協(xié)調(diào)器即發(fā)送一標志幀來初始化非競爭期。
　　
　　在標志幀發(fā)送之后的SIFS時間點協(xié)調(diào)器開始無競爭（CF）傳送，發(fā)送CF-Poll（no data）， Data或Data＋CF-Poll幀。點協(xié)調(diào)器可發(fā)送CF-END幀來立即終上非競爭期，這在網(wǎng)絡負載輕或點協(xié)調(diào)器元業(yè)務在緩存器中待發(fā)送時很普遍。假如某CF-aware站從點協(xié)調(diào)器接收到CF-Poll（data）幀，該站可在SIFS空閑期之后通過發(fā)送CF-ACK（no data）或Data＋ CF-ACK幀對點協(xié)調(diào)器予以響應。假如點協(xié)調(diào)器接收到某站的Data＋ CF-ACK幀，點協(xié)調(diào)器可發(fā)送Daia＋CF，ACK＋CF-Poll幀至
　　另一站，其中該幀的CF-ACK部分用于對前一數(shù)據(jù)幀確認。在點協(xié)調(diào)器和站點之間將輪詢和確認幀結(jié)合起來傳送是為了提高效率。假如點協(xié)調(diào)器發(fā)送CF-Poll（no data）幀而目的站無數(shù)據(jù)幀要發(fā)送，則目的站向點協(xié)調(diào)器回送無任務（Null Function）幀。
　　
　　某站收到來自點協(xié)調(diào)器的輪詢信號時，可發(fā)送一幀至基本業(yè)務群內(nèi)的其它站。當目的站接收到該幀時，將DCF ACK回送到源站。點協(xié)調(diào)器在ACK幀之后等待PIFS時間，然后發(fā)送任何其它幀。
　　
　　
　　
　　文獻[1]中的仿真表明，PCF完全可以支持分組話音等實時業(yè)務。加入回波抵消器以后，端到端時延可以進一步降低，達到25ms以下。
　　
　　三、無線局域網(wǎng)的應用與發(fā)展
　　
　　目前市場上WLAN芯片有不少，如AMD公司的AM79C930（IEEE802.11MAC）。有的已系列化，如可在直接序列擴頻物理層的基礎上，用Hams公司1996年5月新推出的PRISM DSSS芯片組，構(gòu)成符合1EEE802.11標準的無線Modem，通過該無線Modem可構(gòu)成WLAN。
　　
　　與WLAN有關的產(chǎn)品也很多，如無線網(wǎng)橋、無線集線系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡接口卡，另外還有無線打印共享裝置、無線數(shù)據(jù)鏈裝置、無線Modem、無線網(wǎng)絡收發(fā)器。無線手持通信機、無線數(shù)據(jù)終端、無線串口和無線并口等。用AIRONET無線通信公司提供的ARLAN600系列產(chǎn)品WLAN

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