（电磁场与微波技术专业论文）多媒体无线传输平台的研究与开发.pdf

北京邮电大学硕士论文 摘要 多媒体无线传输平台的研究与开发 现代个人通信的目的是为了实现在任何时间、任何地点为用户提 供任何类型的数据传输服务，特别随着3 g 技术发展而带来的丰富多 彩的多媒体业务。因此，必然要求通信系统或平台除了具备无线通信 的能力，还应具有较高的数据通信速率，来支持包括音视频在内的多 媒体流的传输。 作为有线网络的延伸，i e e e8 0 2 1 l 无线局域网以其组网灵活、 兼容性等优势在宽带无线接入领域获得了快速发展，同时，在此基础 上以视频数据为代表的高速数据流传输，已引起业内广泛关注。 本论文主要研究了基于无线局域网的多媒体数据流无线实时传 输的软件实现，主要完成以下五方面工作： 1 研究i e e e8 0 2 1 1 系列标准，了解无线局域网的技术特点和组 网方式，明确无线信道的带宽抖动和时变特性。 2 分析了多媒体数据业务在无线局域网上的应用现状和前景，提 出课题研究重点和所要达到的功能和性能要求。 3 根据现有的比较成熟的网络传输协议、音视频压缩解压技术， 分析比较并选择了其中较为典型的技术作为平台开发的技术基 础。 4 确定软件开发环境和编程语言，选择与以上技术相对应的应用 程序开发包，引入软件模块化概念，明确了软件设计思路、体 系架构和开发步骤。 5 理论与技术相结合，通过面向对象思想，完成了平台的视频处 理模块、音频处理模块、网络传输网络状态检测模块和音视频 同步模块四个主要部分以及相关接口和控制机制的软件实现。 ， 最后，总结本次工作，并对后续改进提出了可行性建议。 关键词：无线局域网、i e e e 8 0 2 1 l b 、r t p 册c p 、视频、音频、 k ， 北京邮电大学硕士论文 a b s t r a c t m u l t i m e d i at r a n s m i s s i o no v e ri e e e 8 0 2 1 1 b b a s e dw l a nj y l u l t l m e d l alr a n s m l s s l o n0 v e rl e e e 苓u 厶l ld 一髟a s e ( iwl a 州 m o d e m p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e sp r o v i d i n gh i g hs p e e dd a t a s e n ，i c e sa n y w h e r ea ta n 、，t i m e e s p e c i a l l yf o rt h o s ed i f f e r e n tk i n d so f m u l t i m e d i as e r v i c e sw h i c ha r eb r o u 曲t b y3 g t e c h n o l o g y a sa ne x t e n s i o no ft h e e x i s t i n g w i r e dn e t w o r k s ，i e e e 8 0 2 11 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) i s 舒o w i n gf a s t i nw i d e b a n d w i r e l e s sa c c e s sf i e l dd u et oi t ss u p p o i r cf o rh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n s u c ha sv i d e os t r e a m s ，w h i c hm a k e si tah o ts p o ti nm u l t i m e d i as e i c e s r e s e a r c h p l u st h et e c l u l i c a l i m l ) r o v e m e n to fa u d i o v i d e od a t ac o m p r e s s i o na n d d e c o n l p r e s s i o nm u l t i m e d i at r a n s m i s s i o no v e ri e e e 8 0 2 11b b a s e d w r l a nw a sb o m i ti sac o m b i n a t i o no fm u l t i m e d i as e i c e sa n d 凡a n p r o v i d i n gas o l u t i o no fa u d i o v i d e ot r a n s m i s s i o no nw i r e l e s sn e t w o r k i t f o c u s e so nt h o s et a s k sb e l o w ： 1 f i r s t l ym a k ear e s e a r c ha b o u tt h eb a c k g r o u n dt h e o 巧o fw l a n b e s u r eo fi t sp e r f o r m a n c ep a r 锄e t e r s 2 a n a l y z ea n dc h o o s es e v e r a lm a i nt e c h n o l o g i e sw h i c ha r eu s e da sa s t 趾d a r d ，s u c ha sr t p r t c pn e t w o r kt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，h 2 6 3 v i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y ，t h e ya r eb a s i co fd e v e l o p m e n t 3 p r o p o s e t 1 1 es o r w a r e d e s i g np r i n c i p l e ： m n c t i o n r e a l i z a t i o n ， a r c h i t e c t l l r e ，m o d u l ep a r t i t i o n ，a n ds oo n 4 w i t ht h ep r o g r a md e v e l o p m e n t ：d e of o rw i n d o w s ( w ) a n d w a v e f o r ma u d i o a p i s ，c o m p l e t e d t h em a i nf o u rm o d u l e s ： a u d i o d e o l 呵e t w o r kt r a n s m i s s i o n s v n c h r o n i z a t i o n p l u si n t e r f a c e a n dc o n t r o lm e c h a n i s m 1 v i e a n w h i l e ，e a c hm o d u l eh a si t so 、v np r o g r a m 1 a n g u a g ee ) ( p l a n a t i o ni nd e t a i l s a tl a s t ，s o m ep r o b l e m sw e r ep u tf o r w a r df o rr e s o l v ea n ds u g g e s t i o n a r ep r o p o s e df o rt h e 如t u r ew o r k s k e y w o r d s ：w l a n ，i e e e 8 0 2 1 1b ，m u l t i m e d i a ，a u d i o ，v i d e o ，r 1 、p r t c p ，v f w 北京邮电大学硕= l = 论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：多李豪j 樊卜日期：1 盆二；扯 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 黝张 日期：碰：； 旦 讥韶。 ；、f ，占 北京邮电大学硕二l 论文 图表1 图表2 图表3 图表4 图表5 图表6 图表7 图表8 图表9 图表1 0 图表1 l 图表j2 图表13 图表1 4 图表15 图表1 6 图表1 7 图表18 图表1 9 图表目录 使用w l a n 的优点1 4 a d h o cm o d e 15 i n f r as t r u c t u r em o d e 1 5 8 0 2 1 1 b 的优点1 6 q o s 参数的分类表19 端到端h 2 6 3 视频流传输系统2 6 多媒体无线传输平台的软件体系架构2 9 视频模块编程处理原理31 视频处理流程3 3 网络传输模块流程图4 2 面向连接的s o c k e t 传输模型4 4 面向无连接的s o c k et 传输模型4 5 对h 。263 视频流的r t p 封装一4 6 对g 723 音频流的r t p 封装4 6 多媒体传输平台各层的数据封装格式4 7 h 2 6 3 视频数据的r t p 封装过程4 8 接收速率的计算5 0 基于r t p r t c p 的双向通信。5l 利用时间戳实现音视频同步：_ 5 2 3 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 基于无线局域网的多媒体业务 1 1 1无线局域网的发展 i e e e 8 0 2 1 l 【1j 2 l 无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。 它使得各种不同厂商的无线产品得以互联，让更多的的核心设备执行单芯片解决 方案。8 0 2 1 1 标准的颁布，使得无线局域网在有各种移动要求的环境中被广泛 接受。它是无线局域网目前最常用的传输协议，各个公司都有基于该标准的无线 网卡产品。不过由于8 0 2 1 1 速率最高只能达到2 m b p s ，在传输速率上不能满足 人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 l b 【1 】【4 1 和8 0 2 1 1a 【1 】【4 】oi e e e 8 0 2 1 1 b 采用2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为1 1 m b p s ，无须直线传 播。动态速率转换，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b p s ，2 m b p s 和1m b p s 。且在2m b p s 和1m b p s 速率时与i e e e 8 0 2 1 1 兼容。支持的范 围是室外3 0 0 米；办公环境中最长为1 0 0 米。8 0 2 1 1 b 使用与以太网类似的连接 协议和数据包确认。目前使用的无线局域网大多符合i e e e 8 0 2 1 1 标准。 i e e e8 0 2 1 1 a 是已经在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用 的8 0 2 1 l b 无线联网标准的后续标准。可提供2 5m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d 和t d m a 的空中接口，支持语音、 数据和图像业务，但该标准实现成本较高，目前使用还不多。 随着无线技术及市场的快速发展，i e e e 组织已正式批准了更为高速的无线 局域网技术标准一8 0 2 1 l 2 1 。最新批准的8 0 2 1 l g 有两个最为主要的特征：高速 率和兼容8 0 2 1 l b 。i e e e8 0 2 1 1 9 在2 4 g h z 频段使用正交频分复用( o f d m ) 调制技术，使数据传输速率提高到2 0 m b p s 以上，能够与i e e e 8 0 2 1 l b 的w i f i 系统互联互通，可共存于同一a p 的网络里，从而保障了后向兼容向性。这样原有 的w l a n 系统可以平滑地向高速w l a n 过度，延长了i e e e 8 0 2 1 1 b 产品的使 用寿命，降低了用户的投资。 1 1 2 多媒体数据通信 2 0 世纪8 0 年代未发展起来的多媒体技术，到9 0 年代初就席卷全世界。与 现代通信手段相结合的多媒体通信技术【7 】则使人们冲破了地域的限制，可以通过 4 北京邮电大学硕士论文 现代的通信网络跟世界上任何地区与之有网络连接的任何机构或个人进行文字、 声音、图形、图像等信息的交流。多媒体数据主要包含音频和视频数据f 5 j ，尤其 是视频数据，数据量一般都很大，这就需要非常高的网络带宽，同时，为了减少 传输数据量，可以在传输之前对其进行压缩处理，数据压缩技术也就成为了多媒 体数据传输的核心问题之一。随着通信技术的不断发展，带宽已不是造成网络瓶 颈的主要问题，而伴随着新的视频和音频压缩编码标准【9 】的不断涌现，因此，研 究多媒体通信已成为当今比较热门的话题，不管是网络会议还是交互式远程教育 系统，还是视频监控、基于互联网的可视电话、远程医疗等等多种多媒体业务都 已经广泛应用到实际的生产、生活以及工作当中并受到越来越多的欢迎。 1 1 3基于w l a n 多媒体业务的特点 传统有线局域网( l a n ) 中，计算机等设备被网络连线紧紧牵制着而无法实现 可移动的通信，更无法发挥便携式计算机的通信功能。而无线局域网作为有线网 络的“最后一跳”，有效弥补了任何时间，在任何地点为用户提供任何类型的数 据传输服务的个人通信要求。在目前的几种移动数据传输方式中，无线局域网最 足以支持视频业务【8 1 的高数据速率，而随其技术的不断发展，w l a n 传输的带宽 不断增大，加上通信终端设备功能不断完善和用户对基于无线局域网传输的多媒 体业务的需求增加，移动视频会议及远程无线视频监控系统等，都是无线局域网 上多媒体应用的具体体现。 但较于传统有线网络的实时视频与音频传输【l0 1 ，让在无线局域网上实时传输 可靠的、高质量多媒体数据面临了一些困难。首先，无线信道的带宽资源有限， 而原始多媒体尤其是视频数据较大，因此如何处理压缩编码，成为需要解决的首 要问题。其次，无线局域网的带宽不定，处于时变，如何采取有效的措施保证实 时音视频流最大程度上适应无线局域网的带宽变化，也是一大问题。除此之外， 无线信道具有的多径和衰落特性使得容易导致较高的误码率，所以设计中还要充 分考虑如何减小丢包率和差错控制也是不可避免的问题。 1 2 多媒体无线传输平台研究的应用及前景 尽管基于无线局域网传输多媒体数据的技术还不算完善，但我们不能忽略这 一研究课题所带来的巨大社会和经济价值。无线网络除了提供语音服务之外，还 提供多媒体、高速数据和视频图像业务。无线通信环境( 无线信道、移动终端等) 以及移动多媒体应用业务的特点对视频图像的视频图像编码与传输技术订1 已成 为当今信息科学与技术的前沿课题。 北京邮电大学硕士论文 无线局域网由于组网灵活，能够将网络延伸到线缆无法或不便连接的地方，拓 宽了网络传输的地理范围，可为用户提供实时的无处不在的网络接入功能，而取得 了飞速发展。目前，基于i e e e 8 0 2 1 1 b 协议族的w l a n 已成为该领域的主流技术， 逐渐在家庭、教育、科研以及商业中取得了广泛应用。随着无线局域网带宽的增 加以及视频编解码技术的发展，视频及音频传输。们在w l a n 的应用中占据了重要 地位，例如基于w l a n 的视频监控系统以及新兴的数字家庭网络中视频资源的无 线共享等。 相对于音频传输而言，视频应用需要消耗大量带宽，对时延有严格的要求； 而w l a n 的无线信道具有易受干扰、差错率高以及时变和不对称传播的特性。 另一方面，i n t e m e t 环境下造成视频传输延迟的主要原因是网络拥塞；在w l a n 中，延迟则主要是由无线信道的位错误率以及m a c 层机制决定。这些差异使传统 的基于i n t e m e t 的视频传输技术并不完全适用于w l a n 的视频传输。因而，w l a n 的视频传输技术既是一个难点，也是一个热点问题。目前针对这个研究课题主要 集中在下面几个方面： 一 通过调整传输层和无线局域网m a c 层参数改进音视频传输的质量； 一 更改t c p 和u d p 协议的配置使其更能适应实时音视频传输的需求； 一如何更改m a c 协议适应实时视音频传输的需求； 一研究表明某些程度上链路层的改进算法对实时视频传输效果的影响大 于在网络层和传输层上做的改动。很多学者对现有的w l a n 技术提出 了改进意见，包括分布式无线调度机制和改进的分布式协调功能( d c f ) 协议，以及i e e e 为满足服务质量( q o s ) 方面的要求而制订的w l a n 标 准i e e e 8 0 2 1 1 e 阳i ，在i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层，i e e e 8 0 2 1 1 e 加入了q o s 功 能； 本文提出的多媒体无线传输平台是音视频无线传输技术的软件实现，就整体 而言，是8 0 2 1 1 b 协议的一个点对点的无线实时通信传输系统，包括语音的传输 和图像的传输。先是在终端完成音频视频采集、压缩编码，再交由网络进行码流 发送和接收。同时，不同于常用的的t c p 肘dp 【l 胡n 6 1 协议，引入了i m r t c p 哺1 协 议来为实现实时流媒体传输的q o s 保证，除了携带多媒体数据外，还给出了所 携带负载的时间戳、序列号等信息，使发送端可以最大限度的利用网络资源进行 可靠、高效的传输。 通过这样一个研究只是解决无线多媒体传输的基础问题：视频数据的压缩问 题、编码的实时实现等。事实上，除了上述问题，还有许多与无线视频传输密切 相关的领域，它们对无线音视频传输的实现、推广有着举足轻重的影响。以通信 协议为例，中国公众多媒体通信网是一个基于i p 协议的通信网，它的通信协议 6 北京邮电火学硕：l 一论文 是基于t c p i p 的。当然，i p 协议和t c p 协议仅是核心协议。为保证实时视频通 信业务能很好地运行，需要使用实时传送协议( i p ) 和实时传送控制协议 ( 1 玎c p ) 。为了给实时业务或其它特定业务的传送留有足够宽的通道，还必须使 用资源预留协议( r s v p ) 。上述五个通信协议是i p 网的主要通信协议。加上i p v 6 作h t e n l e tp r o t o c o l 的新版本，将继承和取代传统i p ( i p v 4 ) 。从i p v 4 到i p v 6 的 改变将为下一代因特网奠定更坚实的基础，如i p v 6 力求使网络管理变得更加简 单，考虑到不同用户对服务质量的不同需要，其中若干技术十分有利于实时多媒 体业务的实理。此外，接入控制( a d m i s s i o rc o n t r 0 1 ) 、资源预留( r e s o u r c e r e s e r v a t i o n ) 、q o s 业务模型( q o ss e r v i c em o d e l ) 等方面都是研究的扩展，需 要进一步的理论分析和软件设计论证。 1 3 论文的主要内容 针对于无线局域网上的多媒体传输技术，论文首先简单介绍了关于i e e e 8 0 2 1 1 规范、无线局域网技术和多媒体技术的一些基本概念。针对目前无线局域 网的几个标准，最终选择了i e e e8 0 2 1 1 b 为主要的论述对象，主要是由于 i e e e 8 0 2 1 1 b 目前是技术最成熟、应用最广泛的标准，此外由于带宽的原因在 i e e e 8 0 2 1 1 b 实现视频传输比在i e e e 8 0 2 1 1 9 、i e e e 8 0 2 1 l a 上要稍显容易。在音 视频压缩标准方面，我们选择h 3 2 3 体系作为主要标准，采用h 2 6 3 视频流压缩 和g 7 2 3 音频流压缩技术，并应用i 玎p i 盯c p 完成压缩数据的网络传输和速率控 制。 在此基础上，作者参考了大量文献，选择目前比较通用且易行有效的算法， 在基于w i n d o w s 环境，运用v c 抖开发工具，实现了这一多媒体传输平台的软件 架构。该平台的最大优点在于模块化设计和良好的编程接口，使用了开源的、便 于进行二次开发的音视频压缩编码算法和成熟的w i n d o w ss o c k e t 网络传输机制， 并在此基础上，加入了个人的一些控制思想和算法，并且预留了软件开发接口， 方便以后进行扩展应用和改进。 论文的核心内容包括：基于i e e e 8 0 2 1 1 bw l a n 多媒体无线传输平台的模 块设计与划分、使用r t p r t c p 协议动态调整视频数据的传输速率、音视频模块 实现原理等，通过理论与软件编程相结合，这是论文最有效的支撑点。 1 4 论文的结构 论文各部分内容安排如下： 第二章和第三章介绍论文的相关理论基础，包括以下几个方面： 北京邮电大学硕士论文 i e e e 8 0 2 1 l b 、无线局域网w l a n 、多媒体通信的基本概念、音视频压缩编解码 标准和r t p r t c p 网络传输协议。 第四章从平台功能、设计思想、软件模块化架构和处理流程这四个方面，重 点讨论了用软件来实现基于无线局域网的多媒体传输平台的核心思想和模块化 设计方法，运用c + + 编程语言中类的概念解释了如何化繁为简，使得基于无线局 域网且融合了网络传输技术、音视频压缩解压技术和同步技术的软件平台直观的 展现于眼前。 第五章是论文的核心部分。继承第四章的软件平台架构思想和设计思路，作 者分模块( 视频处理模块、音频处理模块、网络传输网络状态检测模块、音视 频同步模块) 详细分析了各个模块需采用的关键技术，或通过w i n d o w s 自带的 编程a p i 接口，或采用开源的、易用于二次开发的算法，或根据有效的动态链 接库d l l ，把各模块完整的组合在一起，既相互独立，又相互关联，通过使用 良好的接口和控制机制，达到了平台的有效运行，更重要的是，还预留了开发接 口，以待平台的补充、更新和完善。 第六章是对整个论文和研究课题的总结和思考。尽管现有的理论和算法已得 到了实现，但平台不可避免的存在某些缺陷，比如延时接收、音视频无法精确同 步的问题。针对这些分析了导致这些问题产生的原因和改进措施，并提出了加入 w l a n 质量检测以配合r t p 检测实现更好的网络链路控制和传输方案，以此改 善多媒体无线传输平台性能。 8 北京邮电大学硕士论文 第二章 i e e e8 0 2 1 1 协议和w l a n 概述 介绍无线局域网相关理论，概括了其关键技术以及相对于传统有线网的优越 之处，还涉及了较新的i e e e8 0 2 1 1 9 标准。 2 1 。l e e e8 0 2 1 1 协议 随着数字通信、手提电脑和半导体技术的飞速发展，无线局域网领域也在不 断扩大。无线接入主要基于“接入点”和“无线网络适配器”这两个部件。接入 点是工作于多频段的无线电接收装置，有点类似于卫星，负责发送、接收、管理网 络上计算机或设备的信息；而无线网络适配器就类似于网卡，安装于计算机内，负 责接入点通信。目前，无线局域网三个主要标准，i e e e 8 0 2 1 1 、蓝牙和家庭网络 的h o m e i 强，其中以i e e e 8 0 2 1 1 应用最为广泛。 i e e e8 0 2 1 1 标准主要服务是发送两个同级l l c 之间m s d u ( m a c 服务数 据单元) 。8 0 2 1 l 标准提供m a c 和p h y 功能，在局域网内为固定、便携式和以 步行或行车速度移动的移动站提供无线连接。8 0 2 1 1 标准包括下列一些具体的特 征： 一提供异步和限时发送服务。 一通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务。 一 自动调节适应传输速率。 支持大部分市场应用。 _ 多点传送( 包括广播发送) 服务。 网络管理服务。 注册和认证服务。 2 1 1 协议标准简介 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。 i e e e8 0 2 1 1 标准除了介绍无线局域网的优点及各种不同性能外，还使得各种不 同厂商的无线产品得以互联。另外，标准使核心设备执行单芯片解决方案，降低 了无线局域网的造价。8 0 2 1 1 标准的颁布，使得无线局域网在有各种移动要求 的环境中被广泛接受。它是无线局域网目前最常用的传输协议，各个公司都有基 于该标准的无线网卡产品。不过由于8 0 2 1 1 速率最高只能达到2 m b p s ，在传输 9 北京邮电大学硕士论文 速率上不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 。1 l a 。 i e e e8 0 2 1 1 b 采用2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为1 1 m b p s ，无须直 线传播。动态速率转换，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b p s ， 2m b p s 和1m b p s 。且在2m b p s 和lm b p s 速率时与i e e e 8 0 2 1 l 兼容。支持的 范围是室外3 0 0 米，办公环境中最长为1 0 0 米。8 0 2 1 1 b 使用与以太网类似的连 接协议和数据包确认。目前使用的无线局域网大多符合i e e e 8 0 2 1 1 标准。 i e e e8 0 2 1 l a 是已经在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用 的8 0 2 1 1 b 无线联网标准的后续标准。可提供2 5m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d 和t d m a 的空中接口，支持语音、 数据和图像业务，但该标准实现成本较高，目前使用还不多。i e e e8 0 2 1 1 9 在 2 4 g h z 频段使用正交频分复用( o f d m ) 调制技术，使数据传输速率提高到 2 0 m b p s 以上，能够与i e e e 8 0 2 1 1 b 的w i f i 系统互联互通，可共存于同一a p 的 网络里，从而保障了后向兼容向性。这样原有的w l a n 系统可以平滑地向高速 w l a n 过度，延长了i e e e8 0 2 。l l b 产品的使用寿命，降低了用户的投资。 2 1 2 主要技术特点 - 通信可靠。抗干扰和抗多径干扰能力强，能够高速、高质量地传输数据。 一 低成本。节省了网络综合布线高额费用、节省租用线路月租费和线路的 维护费用。 _ 灵活性高。无线缆限制，可任意增加和配置工作站。 一 移动性强。允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，可在无线网 络覆盖的范围内自动漫游。 高吞吐量大。可以实现1 1 m b i t s 的数据传输速率，并可以在5 5 m b i t s 、 2 m b i t s 、1 m b i t s 之间自动速率调整。 2 1 38 0 2 1 1 b 传输方式 8 0 2 1 1b 【2 】是全世界普遍接受的无线局域网标准，其传输方式涉及到无线局域 网采用的传输媒体、选择频段及调制方式。目前，无线局域网的传输媒体主要有 无线电波和红外线。以无线电波为媒体的无线局域网主要有扩频和窄带调制两种 方式。 一 扩频方式 采用扩频方式的无线局域网一般工作i s m 2 4 g 频段，i s mi n d u s t r i a l s c i e n t i f l cm e d i c a l 各频段是免费开放的，无须申请和注册。这里的2 4 g 只是i s m 北京邮电火学硕士论文 的其中一个频段，各个国家和地区的2 4 gi s m 频段稍有差异，如美国和欧洲为 2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z ，日本是2 4 7 1 2 4 9 7 g h z 。 扩频( 扩展频谱) ，是指数据基带信号的频谱被扩展到几倍几十倍后再被搬 到射频发射出去。8 0 2 1 1 b 定义了两种扩频技术： 1 )跳频扩频f h s s ( 1 i r e q u e n c yh o p p i n gs p a ds p e c t r u m ) ： 2 4 g h z 频段被分成7 5 个1 m h z 子信道，发送者和接受者工作在相同的跳 频模式下，数据就在这一系列的子信道中传输。采用f h s s 的传输速率被限制在 2 m b p s 之内，这是1 m h z 的子信道带宽迫使传输中经常跳频、增大了开销引起的。 2 ) 直接序列扩频d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ： 2 4 g h z 频段被分成1 4 个2 2m h z 信道，因为信道之间有重叠，在这1 4 个 信道中传输时，就会有噪声，它采用一种叫c h i p p i n g 的技术来消除噪声。 由于f h s s 不支持更高速率，8 0 2 1 1 b 采用d s s s 扩频技术，同时它采用了 q p s k 调制技术和c c k ( c o n l p i e m e n t a d ，c o d ek e y i n g ) 编码技术来提高速率。 现在的大部分无线局域网设备都是采用d s s s 扩频、q p s k 调制和c c k 编码技 术，可以达到1 l m b p s 的m a c 层速率。 窄带调制方式 在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展即被搬移到射频发射 出去。与扩频方式相比，一这种方式占用频带小，频带利用率高，但是抗干扰能力 和安全性都不及扩频方式。 一 红外线方式 作为无线局域网的传输方式之一，红外线方式最大优点是不受无线电干扰， 但红外线穿透性差，传输距离受限。 2 1 4 8 0 2 1 1 9 标准介绍 随着无线技术及市场的快速发展，i e e e 组织已正式批准了更为高速的无线 局域网技术标准一8 0 2 1 1 9 【2 2 1 。最新批准的8 0 2 1 1 9 有两个最为主要的特征：高速 率和兼容8 0 2 1 l b 。高速率是由于其采用o f d m ( 正交频分复用) 调制技术可得 到高达5 4 m b p s 的数据通信带宽；兼容8 0 2 1 1 b 是由于其仍然工作在2 4 g h z ，并 保留了8 0 2 1 1 b 所采用的c c k ( 补码键控) 技术，采用了一个“保护 机制， 因此可与8 0 2 1 1 b 产品保持兼容。 _ 8 0 2 1 1 9 标准剖析 8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 9 设备都是工作在2 4 g h z ，但它们采用了不同的调制技术： 8 0 2 1 1 b 采用c c k ，8 0 2 1 1 9 采用o f d m 技术。为保证兼容性，8 0 2 1 1 9 采用了两 个方法来解决这个问题。 北京邮电大学硕士论文 第一个方法是8 0 2 1 1 9 设备同时支持0 f d m 和c c k 两种调制技术，第二个 办法是采用“保护”机制。保护机制提供了一种能控制无线工作站是采用o f d m 还是采用c c k 的调制技术。具体实现是采用了8 0 2 1 1 b 规范当中已有的 r t s c t s 机制。当使用保护机制时，每一个8 0 2 1 1 9 的0 f d m 数据包之前都有 一个c c k 的r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 。 一 8 0 2 1 l g 通信速率与距离 由于8 0 2 1 1 9 在2 。4 g h z 频段采用了与8 0 2 1 1 b 相同的调制技术，因此8 0 2 1 1 9 设备在采用c c k 调制时与8 0 2 1 l b 设备具有相同的距离范围。8 0 2 1 l g 虽然也采 用了与8 0 2 1 1 a 相同的调制技术o f d m ，但由于8 0 2 1 1 a 设备是工作在5 g h z ，较 8 0 2 1 l g 设备有更多的信号损耗，所以8 0 2 1 1 9 设备有比8 0 2 1 1 a 设备更远的覆盖 范围。 不同环境下的8 0 2 1 1 9 性能变化 在8 0 2 1 1 9 与8 0 2 1 1 b 设备共存的混合网络环境中，所有8 0 2 1 1 b 设备性能 没有什么变化，但8 0 2 1 1 9 设备在混合网络环境中使用o f d m 调制时将有不同的 性能变化。性能的具体变化与网络拓扑结构及网络中8 0 2 1 1 b 及8 0 2 1 1 9 的客户 端数量均有关系。 纯8 0 2 1 1 b 网络环境一a p 与无线客户端均工作在8 0 2 1 1 b 模式时，可得到 1 1 m b p s 的数据通信带宽，实际的t c p 吞吐量约为5 8 m b p s 纯8 0 2 1 1 9 网络环境一a p 与无线客户端均工作在8 0 2 1 l g 模式时，此时a p 将检测到整个网络中全部是8 0 2 1 l g 无线客户端，因此将不采用为与原来8 0 2 1 1 b 设备保持兼容的保护机制。此环境下可得到高达5 4 m b p s 的数据通信带宽，实际 t c p 吞吐量约为2 2 2 4m b p s 。 8 0 2 1 l g a p ，混合的无线客户端一a p 工作在8 0 2 n b g 混合模式之下，同时 存在混合无线客户端网络环境。此时a p 将通知8 0 2 1 1 9 客户端采用保护机制， 此时8 0 2 1 l g 客户端将得到较低的8 0 2 1 1 9 数据吞吐量( 最高可为1 5 m b p s ) ，当 然此时8 0 2 1 1 9 客户端仍然比其他8 0 2 1 1 b 客户端具有更高的性能。 8 0 2 1 1 b 标准a p ，混合的无线客户端一a p 工作在8 0 2 1 1 b 模式之下，同时 存在混合无线客户端的网络环境。此时8 0 2 1 1 9 客户端可成功地与8 0 2 1 l b a p 相 连接，但最高只能得到5 8 m b p s 的实际吞吐量，相当于一个8 0 2 1 1 b 客户端。 一 8 0 2 1 1 9 应用与发展 总结起来， 8 0 2 1 1 9 标准的优势包括以下几个方面： 高数据速率； 完全兼容8 0 2 1 1 b 标准； 在相同的物理环境下，在同样达到5 4 m b p s 的数据速率时，8 0 2 1 1 9 的设 1 2 北京邮电大学硕士论文 备能提供大约两倍于8 0 2 1 1 a 设备的距离覆盖； 免费的2 4 g h z 频带在全球绝大部分国家是可用的；由于采用了与 8 0 2 1 1 a 标准相同的o f d m 调制，便于双频产品的设计与实现。 2 0 0 3 年7 月8 日，w e c a 组织已开始发布通过8 0 2 1 1 9 兼容性认证的第一 波产品。n e t g e a r ( 美国网件) 公司作为全球无线局域网的领先厂商，目前率 先在国内提供全线基于8 0 2 1 1 9 正式规范的无线局域网产品。有理由相信， 8 0 2 二l l g 产品将得到市场的快速接受，在较短时间内替代8 0 2 1 1 b 成为无线局域 网新的主流标准。 2 。2 无线局域网w l a n w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e 铆o r k s ，无线局域网络) 是采用无线传输方式， 进行语音、数据及图像传输的系统，它利用射频( r a d i of r e q u e n c y ：i 强) 技术， 以不同于有线局域网的方式提供随时、随地可以与i m e m e t 交互的组网方式。 1 9 9 7 年6 月，i e e e 发布了w l a n 的第一个标准8 0 2 1 1 协议；1 9 9 9 年9 月，又提出了8 0 2 1 1 b “h i 曲r a t e ”协议，用来对8 0 2 1 1 协议进行补充：随后以 8 0 2 。l l 为框架，制定了相应的协议，如：i e e e8 0 2 1 1 a 、i e e e8 0 2 1 1g 、i b e e 8 0 2 1 1 d i e e e 8 0 2 1 1 e 等，都是无线协议组的必要补充。其中8 0 2 1 1 b 是目前市 场产品所采用的主流标准。 无线局域网络以其安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等特点，正日 益受到市场的欢迎。随着w l a n 技术的发展和标准的不断完善，w l a n 技术正 广泛地应用于各个领域。 2 2 1w l a n 的优点 无线局域网是在有线网基础上发展起来的，作为有线l a n 的_ 种补充，大 部分应用也是有线l a n 的扩展和替换，即网络共享处理能力和文件服务。 w l a n 【2 1 的出现克服了有线l a n 发展中的以下缺陷： _ 布线繁琐、改线工程量大、线路易损坏、不易连接远程站点，在施工过程 中，往往需要破墙掘地、穿线架管等。 无法支持移动客户对网络的访问要求，其站点不可移动。w l a n 一般只要 安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络， 包括临时组网与移动通信，不仅解决了有线l a n 的大量有关组网与接入的 难题，而且也方便地拓展了网络信息服务的能力，对于“把信息资源贴近 最终用户”具有深远的影响。近年来客户终端的便携化倾向产生了对移动 北京邮电大学硕士论文 通信的巨大需求，能使用户在需要的时候方便地获取所需信息。 w l a n 的优点还表现在： 一 经济节约，由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑 未来发展的需要，这样常会导致预设大量利用率较低的信息点，而一旦网 络的发展超出了规划，又要花费较多费用进行改造j 而w l a n 可以避免或 减少以上情况的发生。 一 易于扩展，w l a n 有多种配置方式，能够根据需要灵活选择，这样，w l a n 就能够胜任从只有几个用户的小型l a n 到上千用户的大型网络，并且能够 提供像“漫游”等有线网络无法提供的特性。 w l a n 拥有以太网和令牌网等传统有线局域网的一切优点，而没有它们在线 缆等方面的种种限制，因此，它是非常自由灵活的。且应用非常广泛，像学校、医院 等都可以方便的使用。具体见下表：一 一 功能优点 2 4 9 h z 直接序列扩频无线电提供最大为l l m b p s 的数据传输速率，无须 速度 直线传播 动态速率 转换 当射频情况变差时，降低数据传输速率为5 5 m b p s 、2 m b p s 和l m b p s 8 0 2 1 l b ：支持以百米为单位的范围( 在室外为3 0 0 米；在办公环境中最 使用范围 长为1 0 0 米) 与以太网类似的连接协议和数据包确认提供可靠的数据传送和网络带 可靠性 宽的有效使用 与以前的标准不同的是，8 0 2 1 1 b 只允许一种标准的信号发送技术。w e c a 互用性 将认证产品的互用性 8 0 2 1 1 b 网络接口卡可转到休眠模式，访问点将信息缓冲到客户，延长 电源管理 了笔记太电脑的电池寿命 漫游支持当用户在楼房或公司部门之间移动时，允许在访问点之间进行无缝连接 8 0 2 1 1 bn i c 更改与之连接的访问点，以提高性能( 例如，当前的访问 加载平衡 点流量较拥挤，或发出低质量的信号时) 可伸缩性最多三个访问点可以同时定位于有效使用范围中，以支持上百个用户 安全性内置式鉴定和加密 图表1 使用w l a n 的优点 2 2 2 w l a n 的组网模型 w l a n 由无线网卡、无线接入点( a p ) 、计算机和有关设备组成，采用单元 结构，整个系统被分割成许多单元，有以下2 种组网模式1 ： 一 对等( a dh o c ) 模式： 对等模式可以容许无线客户端通过点对点模式进行