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硕士论文无线局域网服务质量分析与研究 摘要 随着科技的日新月异，无线局域网技术得到了更快的发展，无线局域网普及程度越 来越高，与此同时，其服务质量也成为研究的热点。现在，第三代移动通信( 3 g ) 系 统全球商用已经取得了成功，3 g 网络在我国已经开始试运行。在接入速率和适应环境 上与3 g 技术互为补充的无线局域网也将会有极大的发展空间。论文对无线局域网的服 务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 进行了研究，并利用网络微积分理论对其进行了建模 和定量分析。 首先，论文在介绍了无线局域网发展的现状和趋势之后，详细阐述了无线局域网技 术。其次，在详细介绍了无线局域网的基础知识之后，引入了网络微积分理论。网络微 积分的基础是最小加代数，它是计算机网络中研究确定性排队系统的理论，也被看作是 应用到计算机网络的一个系统理论。再次，论文利用网络微积分理论对无线局域网进行 了建模分析，得出了数据流延迟上限。最后，在对无线局域网利用网络微积分理论进行 建模分析之后，论文利用o p n e tm o d e l e r 对无线局域网进行了仿真实验，并把实验结 果与理论分析的结果进行比较。利用概率论与数理统计的方法对实验数据进行分析，并 对理论分析的结果给出了肯定评价。论文通过理论研究和实验证明了利用网络微积分对 无线局域网的服务质量进行建模分析是可行的。 关键词：无线局域网，服务质量，网络微积分 硕士论文 a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) i sd e v e l o p i n gm o r eq u i c k l yw i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , a n di ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eu n i v e r s a l a tt h es a n l et i m e ， t h eq u a l i t yo fi t ss e r v i c eh a sa l s ob e c o m eah o tr e s e a r c h n o w , c o m m e r c i a lo p e r a t i o no ft h e t h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ng l o b a la r e ah a sa l r e a d ys u c c e e d e d ， 3 gn e t w o r k sh a sb e g u nt r i a lo p e r a t i o ni no u rc o u n t r y w l a nt e c h n o l o g yw i l la l s oh a v eg r e a t s p a c ef o rd e v e l o p m e n t ，b e c a u s ei ti sc o m p l e m e n t a r yw i t h3 gi na c c e s sr a t ea n dt h ea d a p t a t i o n t oe n v i r o n m e n t t h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o nt h ew l a ni ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h e t h e o r yo fn e t w o r kc a l c u l u si su s e di nw l a nm o d e l e da n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s i nt h i sp a p e r , t h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fw l a na n dt h et e c h n o l o g y o fw l a na r ei n t r o d u c e df i r s t l y s e c o n d l y , a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i c so fw l a n ，t h e n e t w o r kc a l c u l u st h e o r yi sd e s c r i b e d t h eb a s i so fn e t w o r kc a l c u l u si st h em i n i - p l u s a l g e b r a n e t w o r kc a l c u l u si st h et h e o r yu s e di nt h ec o m p u t e rn e t w o r k sq u e u i n gt h e o r y , a n d a l s oi ti ss e e na sas y s t e mt h e o r ya p p l i e dt oc o m p u t e rn e t w o r k s t h i r d l y , w l a ni sm o d e l e d a n da n a l y z e dw i t ht h en e t w o r kc a l c u l u s ，a n dt h em a x i m u mo ft h ed a t as t r e a md e l a yi sg i v e n f i n a l l y , a f t e rm o d e l i n ga n da n a l y z i n gt h ew l a nw i t ht h en e t w o r kc a l c u l u st h e o r y , w l a n i sm o d e l e d 、析t l lo p n e tm o d e l e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s ap o s i t i v ec o n c l u s i o no f t h ea n a l y s i si sg i v e na f t e ra n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s u s i n gp r o b a b i l i t yt h e o r ya n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c st h e o r y b yt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t ，i ti sf o u n dt h a tt h em e t h o do fu s i n gt h en e t w o r kc a l c u l u st om o d e la n dt o a n a l y z et h eq o so fw l a n i sf e a s i b l e k e yw o r d s ：w l a n ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，n e t w o r kc a l c u l u s i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：翻兽 眵年删日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：壅扭勇 口年f 其扣 硕士论文 无线局域网服务质量分析与研究 1 绪论 1 1 引言 无线局域网( w h e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) p , 2 1 是9 0 年代计算机网络与无 线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的方法来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奠定了基础。近几年来，越来越多的人使 用i n t e m e t ，促使其迅猛发展，便携机、p d a ( p e r s o n a ld a t a a s s i s t a n t ) 等移动智能终端 的使用日益增长。无线局域网在给广大用户提供诸多便利的同时，也提高了人们的工作 效率，它的高速发展以及广泛应用成为网络发展的必然。 在第2 9 届北京夏季奥林匹克运动会上，中国移动的无线宽带网络给人们留下了深 刻的印象。该系统有史以来第一次成功应用了包括w i f i 等在内的无线局域网技术，让 注册人员能在奥运会热点区域通过笔记本电脑、掌上电脑等设备无线上网登录后台的奥 运信息系统，并能对相关赛事信息进行剪辑，极大地提升了奥运报道的效率。目前，无 线局域网开始在越来越多的地区、越来越广的领域获得应用。 伴随着运营商对网络建设的加快，3 g 网络的建设也进一步提速。中国移动在获得 3 g 牌照的当日，就正式推出全新3 g 品牌标志“g 3 ”和3 g 专属的1 8 8 号段；中国电信也 在部分省市开始3 g 试商用，在2 0 0 9 年元旦前后，1 8 9 放号在全国掀起了一场c d m a 风暴；中国联通获得了全球目前商用最广泛、设备成熟度最高、终端品种最丰富的3 g 牌照w c d m a 。由此可见，3 g 时代已经到来，与此同时，在接入速率和适应环境上与 3 g 技术互为补充的无线局域网也将会有迅猛发展，成为新一代高速无线接入网络。无 线局域网的迅猛发展必然会引起社会对其服务质量的关注，随着无线局域网应用范围的 拓展，广大无线局域网用户对其服务质量的要求也越来越高。因此无线局域网服务质量 的分析与研究也将会越来越受到社会的关注。 1 2 无线局域网服务质量研究的现状及前景 现代科技的进步以及个人对便携式终端设备的广泛而迫切的需求，促使便携式终端 设备的使用更为普遍，同时也极大地推动了无线局域网的普及。随着用户体验到无线连 接性带来的便利，无线网络支持在今天有线网络上所运行的同样的应用己成趋势。目前， 越来越多的通信应用希望创建于高传输速率平台之上，无线局域网所扮演的角色也不仅 只是替换网线，它将提供更为广泛的通信应用，包括结合g p r s 的双网计划以及与3 g 网络的结合【3 4 5 】。在此情况之下，虽然现在无线网络的传输速率已超过了1 0 m b p s ，并 且还在不断变快，但是随着无线通信技术的发展和对无线局域网通信速率要求的不断提 l 绪论硕士论文 高，无线局域网不只要提升传输速率还必须搭配完善的协议。现在，对无线局域网服务 质量的研究主要是集中在协议的改进和路由算法的研究等方面1 6 , 7 , 8 1 。 无线局域网与有线局域网相比，其环境更加复杂，有很多独特的性质。首先，无线 传输的开放性会导致信号的衰落与干扰，如多径衰落、多普勒频移、远近效应等，从而 导致无线信道的有效带宽不是固定不变的，而是随时间变化的；其次，由于信道的时变 特性以及发射、接收功率的不同，处于无线局域网不同位置的用户具有不同的信道特性， 无线信道还具有位变性。也正是由于无线信道的低带宽及高误码特性，使得某些上层的 协议如t c p 等在无线链路的环境下效率低下，并导致吞吐量恶化【9 1 。因此，服务质量 在无线网络中显得越来越重要，对无线局域网服务质量的分析与研究将越来越多，也是 今后无线通信领域乃至整个通信行业的研究热点。 1 3 网络微积分研究现状及应用 网络微积分( n e t w o r kc a l c u l u s ) 1 0 1 最初来源于r l c r u z 和c s c h a n g 的工作。它 作为一种新的用于网络建模和定量分析的数学工具逐步发展成熟起来，网络微积分的基 础是最小加代数，随着最小加代数被引入到网络分析领域，最小加代数在这一应用领域 取得了很多重要的成果，同时也进一步丰富和完善了最小加代数理论。而最小加代数在 网络分析中的应用也使得它自身逐渐演变成一个相对独立、较为完善的体系，称之为网 络微积分【l 们。 以往，对网络的定性和定量分析多借助于概率论、随机过程以及排队论等数学工具， 这些工具在取得很好的应用效果的同时也表现出一些不足，它们在一些应用中取得的结 果并不理想。同时，随着网络服务质量控制需求的提出，对流量进行整形，在网络节点 对数据分组进行调度都需要有较为精确的定量计算，这样才能实现较为严格和精确的服 务质量控制，而网络微积分的出现则在很大程度上满足了这种需要。 现在，对网络微积分的研究，在理论方面有了更深入的探讨，在应用方面也有了更 为广泛的扩展。国外对网络微积分的研究与应用有：2 0 0 1 年，普林斯顿大学的a i k a t e r i n i v a r s o u 将网络微积分理论应用到研究保证速率的异构网络中 1 1 1 ；2 0 0 3 年，迈阿密大学 的j i n s o n gz h a n g 在分析网络的拥塞控制和资源管理时，也用到了网络微积分【1 2 1 ；2 0 0 4 年，伊利诺伊大学的h w a n g n a mk i m 在分析大规模网络建模时，用网络微积分理论对 大规模网络进行理论建模分析，并取得了很好效果【1 3 1 ；2 0 0 4 年，哥伦比亚大学的m e h r a n a z i m i 在分析交互式数字电视数据传输时也涉及到了网络微积分的应用1 1 4 1 等等。国内应 用网络微积分理论做研究的例子有：2 0 0 3 年，上海交通大学的顾声飞在这一方面，将 网络微积分理论应用于d i f f s e r v 网络服务质量的分析；2 0 0 5 年天津大学的王晓欣在分 析交换式工业以太网与时间触发c a n 总线系统的实时性研究时也用到了网络微积分理 论等等。随着人们对网络传输服务质量要求的不断提高，网络微积分作为一种新型的、 2 硕士论文无线局域网服务质量分析与研究 能够进行精确性能分析的网络建模和分析工具，必将会受到越来越多的关注。 1 4 论文组织结构 论文主要对无线局域网的服务质量进行建模分析，并借助网络微积分理论对其进行 研究，然后利用网络仿真工具o p n e t 对无线局域网模型进行仿真实验，最后，根据实 验结果对理论分析结果做出评价。论文共分为六章，具体结构如下： 第一章绪论引出论题，分析了无线局域网的现状和发展趋势，无线局域网服务质量 分析的现状以及前景，并简单介绍了网络微积分的发展，为下面的详细研究做好铺垫。 第二章详细介绍了无线局域网的发展历史，以及无线局域网的技术特点，包括无线 局域网的分类、协议标准以及无线局域网的媒体接入控制等等。 第三章介绍了网络微积分的创立以及发展，对最d , ) j n 代数、广义增函数、最小加卷 积等概念都进行了详细阐述，并介绍了网络微积分的线性转化原理、到达曲线、服务曲 线以及三个特征函数等。 第四章介绍了无线局域网服务质量的基本概念，利用网络微积分理论对无线局域网 进行建模分析与研究，在分析服务质量方面主要是针对数据流延迟上限，最后给出了无 线局域网的不同模型中数据流的延迟上限。 第五章对第四章的无线局域网服务质量模型利用o p n e tm o d e l e r 进行仿真实验， 通过设定无线局域网的各种属性来组建无线局域网，利用仿真实验得到的结果和网络微 积分理论建模分析的结果进行对比分析，并对理论分析结果进行评价。 第六章对整篇论文进行归纳总结，总结了论文的主要工作及成果，在分析研究成果 之后，为今后对无线局域网的服务质量的分析与研究提出展望。 3 2 无线局域网 硕士论文 2 无线局域网 2 1 引言 无线局域网( w i ，a n ) 1 5 , 1 6 1 是一种利用无线方式提供无线连接性的数据通信系统。 无线局域网作为传统的双绞线、同轴电缆或光纤布线网络的一种替代方案或延伸，具有 组网方便、节点移动性高等特点，所以它更适用于野外勘探、战地、救灾、突发事件等 需要临时搭建网络以及需要节点频繁移动的场景。无线局域网可以执行像文件传输、外 设共享、w e b 浏览、电子邮件和数据库访问等传统网络的通信功能。 无线局域网的初步应用可以追溯到上世纪四十年代初，在第二次世界大战中，美国 陆军采用了无线电信号做资料传输。无线局域网的最初形式是在2 0 世纪7 0 年代初期形 成的。1 9 7 1 年，夏威夷大学的研究员创建了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络， 被称为a l o h n e t 的网络，1 9 8 0 年加利福尼亚惠普实验室从事了真正意义上的无线局 域网项目研究。如果把无线局域网的发展过程划分为不同阶段的话，那么它的发展大体 可以分为以下四个阶段。 第一代无线局域网出现于2 0 世纪8 0 年代中期，美国联邦通信委员会颁布的电波法 规为无线局域网的发展扫清了道路。这个时期的无线局域网采用两种频段：一种是专用 频段，这个频段避开了比较拥挤的用于蜂窝电话和个人通信服务的频段，采用了更高的 频率；另一种是免许可证的频段，主要是i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段，它在 无线局域网发展的历史上发挥了重要作用。针对i e e e 8 0 2 1 1 协议，各国制定了相应的 i s m 频段标准。中国国家无线电管理委员会也于1 9 9 6 年1 2 月规定中国扩频数据通信使 用的频段为2 4 2 4 8 3 5 g h z 。从此之后，许多无线局域网产品陆续上市，这些产品可认 为是第一代无线局域网产品1 1 7 1 。 第二代无线局域网出现于2 0 世纪8 0 年代末期，1 9 9 0 年7 月，i e e e 委员会成立了 i e e e 8 0 2 1 1 工作委员会，之后，又成立了独立的i e e e8 0 2 1 1 任务组，主要负责制定无 线局域网物理层及媒体访问控制协议的标准。1 9 9 3 年1 1 月，形成了i e e e8 0 2 1 1 基础 协议，1 9 9 7 年6 月，i e e e8 0 2 1 1 标准制定完成【l 引。同年，a m d 、3 c o m 、l u c e n t 、n e t w a r e 等公司提议成立了无线局域网联盟，在此之后，越来越多的通信公司加盟到该组织。在 i e e e8 0 2 1 1 标准和联盟协议的基础上，各个生产厂家实现了产品的标准化。从1 9 9 8 年 开始，许多厂商相继推出了基于i e e e8 0 2 1 1 标准的无线局域网产品，它们大都工作在 2 4 g h z 频段，传输速率可达2 m b p s ，属于第二代无线局域网产品。 第三、四代无线局域网出现于2 0 世纪9 0 年代末期，随着计算机网络的迅速发展， 人们对无线局域网传输速率的要求越来越高，由于i e e e8 0 2 1 l 的传输速率最高只能达 到2 m b p s ，在传输速率上已经不能满足人们的需要，因此，能够提供更高的传输速率的 4 硕士论文 无线局域网服务质量分析与研究 i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 b 两种标准于1 9 9 9 年制定完成。i e e e8 0 2 1 1 9 标准与i e e e 8 0 2 1 1 b 标准兼容并且理论上提供高达5 4 m b p s 的传输速率。在此期间推出的无线局域 网产品中，符合i e e e8 0 2 1 l b 标准的产品市场占有率比较大，可以将其归为第三代无线 局域网产品，而将符合i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 l g 标准的产品归为第四代无线局域 网产品【17 1 。 在我国，西安电子科技大学综合业务网的国家重点实验室从1 9 9 2 年开始对无线局 域网进行研究和开发，并于1 9 9 4 年推出了我国第一套无线局域网样机，1 9 9 9 至2 0 0 0 年完成了“宽带无线i p 技术 的国家8 6 3 项目，并开发出了基于i e e e8 0 2 1 l b 的无线 局域网产品和移动口软件。2 0 0 3 年1 2 月，国家标准正式确立。 现在无线局域网的应用范围越来越广泛，其范围覆盖了制造业、仓储业、学术界和 医疗界等，而且与之相关的技术也一直在突飞猛进。对用户而言，要转换到无线局域网 不但更加容易，而且费用也越来越便宜了。在传输速率上，现在无线网络的传输速率已 超过了1 0 m b p s ，并且还在不断变快。随着对无线局域网传输速率要求上的不断提高和 无线通信技术的发展，无线局域网的标准也在不断发展。总之，无线局域网的发展趋势 是数据速传输率越来越高、安全性越来越好、服务质量越来越有保证。 2 2 无线局域网的网络构件 无线局域网主要由无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 、无线网卡n i c 、无线网桥以及 配套软件组成 2 1 。无线局域网内的所有用户都具有一个可以实现无线连接的无线网卡， 它们通过一个a p 组成无线局域网，若干个这样的无线局域网可以通过无线网桥连接起 来。无线局域网中各个网络构件的特性如下。 ( 1 ) 无线接入点a p 无线接入点a p 主要用于无线局域网的子网中，是无线子网的基站，它的功能类似 于有线网络中的h u b 。在多个站点组网时，a p 是作为子网核心所必需的设备，它的主 要功能是实现子网内无线设备的互联。同时，它也实现无线局域网和有线局域网之间的 桥接。目前，大多数无线接入点a p 都支持多用户接入、数据加密、多速率发送等功能， 一些产品还可以提供比较完善的无线网络管理功能。 ( 2 ) 无线网卡 简单来说，无线网卡就是使终端设备可以利用无线来上网的一个装置，它是高频、 宽带无线组网设备。无线网卡通过采用载波监听访问协议把无线终端与无线局域网连接 起来。按规格划分，无线网卡可分为p p c m c i a 、i s a p c i 、u s b 等几种。 ( 3 ) 无线网桥 无线网桥可以用于连接两个或多个独立的网络段，这些独立的网络段通常位于不同 的建筑内，相距几百米到几十公里。无线网桥不能单独使用，必需要两个以上。无线网 s 2 无线局域网硕士论文 桥的功率大，传输距离远，抗干扰能力强，但它不白带天线，一般配备抛物面天线来实 现长距离的点对点连接。无线网桥是一种在数据链路层实现无线局域网互联的存储转发 设备，可用于固定数字设备之间的远距离、高速无线组网。特别适用于远距离高速组网 和野外作业的临时组网。只实现链路层功能的无线网桥是透明网桥，而具有路由等网络 层功能、在网络层实现异种网络互联的设备叫无线路由器，也可作为第三层网桥使用。 ( 4 ) 无线网关 广义上的网关是指一个网络连接到另一个网络的接口，无线网关也称无线协议转换 器，它在传输层实现网络互联，是最复杂的网间互联设备，仅用于两个高层协议不同的 网络互联。无线网关通过不同设置可完成无线网桥和无线路由器的功能，也可以直接连 接外部网络，同时实现a p 功能。 2 3 无线局域网的技术特点 无线局域网利用电磁波作为媒介来发送和接收数据，而无需线缆介质。它是对有线 联网方式的一种补充和扩展，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络联通问 题。与有线网络相比，无线局域网具有以下优点。 ( 1 ) 安装便捷 在网络建设中，一般施工周期最长、对周边环境影响最大的就是网络布线施工工程。 在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最大的优势就是省去或减 少了网络布线的工作量，一般只需要安装若干个接入点a p 设备，就可建立覆盖一定区 域的无线局域网。 ( 2 ) 使用灵活 在有线局域网中，网络设备的安放位置受网络信息接入点的限制，而对于无线局域 网，一旦网络建成后，在无线局域网信号覆盖区域内，用户在任何时间、任何位置都能 方便快速地接入无线局域网，终端在使用过程中可以移动，而不影响数据传输。 ( 3 ) 经济节约 由于有线局域网缺少灵活性，这就要求网络规划者在规划网络时，就要尽可能地考 虑网络未来发展的需要，这不但会增加网络设计的难度，而且还将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设计规划，又要花费较多费用进行网络改造， 而无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。 ( 4 ) 易于扩展 无线局域网有多种配置方式，能够根据需要灵活选择，无线局域网的规模从只有几 个用户到上千用户不等，并且能够提供像漫游等有线网络无法提供的功能特性。 ( 5 ) 故障定位容易 在有线局域网中，一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断， 6 硕论文无线局域日服务质量分析与研究 往往很难查明故障所在点，而且无论是检修线路还是替换原有线路都需要付出很大的代 价。在无线局域网中则很容易定位故障，只需要更换故障设备即可使网络恢复正常，不 但节省人力物力，而且还缩短了网络恢复正常所需要的时间。 2 4 无线局域网的分类 无线局域网可以分为两大类，第一类是有固定基础设旆的无线局域网第二类是无 固定基础设施的无线局域网”1 。固定基础设施是指预先建立起来的能够覆盖一定地理范 围的固定基站。 2 4 1 有固定基础设箍的无线局域网 8 0 21 l 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集b s s ( b a s l cs e r v i c es e t ) ”。一 个基本的b s s 包括一个基站和若干个移动站。所有的站在本b s s 内都可以直接通信， 但在和本b s s 咀外的站进行通信时都必须通过本站的基站。一个b s s 所覆盖的地理范 围叫做一个基本服务区b s a ( b a s i es e r v i e e a r e a ) t ”】。b s a 和无线移动通信的蜂窝小区相 似。在无线局域网中，一个b s a 的范围有几十米的直径。如果在学校里则可以覆盖整 个图书馆或整座教学楼；如果在工厂则可以覆盖一个厂区或一株办公大楼。一个b s s 可以是孤立的，也可以通过a p 连接到一个主千分配系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，然后 再接入另一个b s s ，这样就构成了一个扩展服务集e s s ( e x t e n d e d s e r v i c e s e t ) ，d s 的作 用就是使e s s 对上层表现就像一个b s s 一样，如图2 4 1 所示。 图2 41 扩展的服务集e s s 2 4 2 无固定基础设施的无线局域网 无固定基础设施的无线局域网也叫做自组网( a d h o e n e t w o r k ) 。这种白组网投有 a p 而是有一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。如图2 42 l 所示。 2 无线局域网 碗论文 当a 和b 进行通信时，是经过c 和d 的存储转发实现的。c 和d 结点起到了路由器的 功能。a dh o e 网络一般有两种结构：分层结构和平面结构”i 。 图2 4 21 白组织阿络结构图 ( 1 ) 在分层结构的网络中，结点被划分为组，称为簇( c l u s t e r ) 。每个簇由一个簇头 和多个簇成员组成。簇头主要负责簇间数据转发，如图2 4 22 所示。分层结构的优点 是：可扩展性好，网络规模不受限制可以通过增加簇的个数或级数来提高网络的容量， 簇内的结构比较简单，基本上不需要维护路由，簇头的结点比较复杂一些，它要维护到 其他簇头的路由，还要知道所有节点与簇的关系。如果簇内的通信占大多数，则系统的 吞吐量要比平面结构要高。其缺点是要有复杂的簇头算法以及路由通常不是最佳路由。 第一e 图2 42 2a d h o c 网络分居结构 。nj， 簇 _ 旌啦员 镞， ( 2 ) 在平面结构的网络中，所有的节点都是平等的，而且各节点都是同一种类型 的，这样不但可以节省能源，而且安全性比较高。如图2 423 所示。平面结构的最大 的优点是：相互通信的两个节点之间可以存在多条路径，可以在多条路径上实现流量平 衡减少网络拥塞。 随着社会的发展和技术的进步，a dh o c 网络的应用也正逐步扩大，其中包括军用 和民用等许多领域。在军事领域，它支持野外联络、独立战斗群、舰队战斗群、无人侦 j ， 层第 硕士论文无线局域网服务质量分析与研究 察与情报传输等；在民用领域，它支持移动会议、移动网络、灾难营救过程的信息交流 等。因此，在未来移动通信市场上，a dh o e 将扮演非常重要的角色。 图2 4 2 3a dh o e 网络平面机构 ( 3 ) a dh o c 网络与i n t e m e t 的互联 a dh o c 网络中的节点通常都有一个m 地址，可以在i n t e m e t 中路由，但与i n t e m e t 的分层地址结构不同，这些节点地址相互之间没有联系，一般只用作节点的标识，而不 是像i n t e r n e t 中的地址的前缀是用来表示节点的地理位置的。因此在a dh o c 网络中不 能使用地址前缀的寻址方式，通常采用主机路由，即每条路径都是针对单独的节点的。 但如果i n t e m e t 也采用主机路由，那势必会增加路由表的负担，严重影响网络的稳定性。 对于a dh o c 网络和i n t e m e t 的互联，现在已经提出了许多解决方案，这些方案大都利 用移动i p 把二者进行互联。一种方案是为a dh o c 网络中的每一个节点分配一个具有相 同前缀的口地址，只需要一个专门的网关为a dh o c 网络中的所有节点服务。虽然这种 方案绕过了寻址问题，但违背了a dh o e 网络的随意性和自组织性，降低了灵活性。另 一种方案是利用隧道技术把a dh o e 与移动i p 进行隔离。a dh o c 网络中的节点与i n t e m e t 中的节点进行通信时，它把数据包进行封装并发送到移动i p 的外地代理，然后由外地 代理把数据包发送到通信对端。这种方案保留了a dh o c 网络的地址的独立性。 2 5 无线局域网协议标准 无线局域网技术( 包括i e e e 8 0 2 1 1 、蓝牙技术和h o m e r f 等) 将是未来无线通信 领域最有发展前景的重大技术之一。以电气和电子工程师协会( i e e e ) 为代表的多个 研究机构针对不同的应用场合，制定了一系列协议标准，推动了无线局域网的实用化， 加快了无线局域网的发展。 2 5 1i e e e 8 0 2 1 1 系列协议 i e e e 8 0 2 1 1 标准支持两种类型的无线媒体：无线电信号和红外线信号。由于红外线 信号覆盖的范围远远小于无线电波的覆盖范围，因此，大多数无线局域网使用无线电波 作为媒体。下面介绍几个主要标准【1 9 1 。 9 2 无线局域网硕士论文 ( 1 ) 8 0 2 1 1f h s s ( 跳频扩频技术) 8 0 2 11f h s s 工作在2 4 g h z 的i s m 频段上，能够提供1 m b p s 和2 m b p s 两种比特速 率。它使用7 9 个调频信道，每个信道的宽度都是1 m h z ，采用的是基于频移键控( f s k ) 技术的调制方法。对于1 m b p s 速率，每个比特映射到一个跳频信道的频率上；对于2 m b p s 速率，每两个比特映射到一个跳频信道频率上。 ( 2 ) 8 0 2 1 1d s s s ( 直接序列扩频技术) 8 0 2 1 1d s s s 也是工作在2 4 g h z 的i s m 频段上，同样也能提供1 m b p s 和2 m b p s 两种比特速率。每一位数据比特在传输过程中被映射为11 位的码片，1 m b p s 采用的是 二进制相移键控( b p s k ) 调制技术，而2 m b p s 采用的是正交相移键控( q p s k ) 调制技术， 因此，波特率信令速度分别是1 m 波特和2 m 波特。 ( 3 ) 8 0 2 1 l a o f d m ( 正交频分复用技术) 8 0 2 1 l ao f d m 工作在5 g h z 的美国非国家许可信息基础建设su n l i c e n s e d n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 的频段上，可以提供高达5 4 m b p s 的比特速率，支持语 音、数据、图像业务。它使用了5 2 个正交副载波频率，其中4 8 个用于信息帧，其余的 用于同步功能。每个副载波用b p s k 技术调制可以提供高达9 m b p s 的速率，q p s k 可以 到达1 8 m b p s ，1 6 q a m ( 正交调幅) 可以达到3 6 m b p s ，6 4 q a m 可以达到5 4 m b p s 。 ( 4 ) 8 0 2 1l bh r - d s s s ( 高速直接序列扩频技术) 8 0 2 1l bh r - d s s s 工作在2 4 g h z 的i s m 频段，提供1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 比 特速率，最高比特速率可达1 1 m b p s 。1 m b p s 和2 m b p s 使用的是与d s s s 相同的1 1 码 片，并采用相同的调制技术。5 m b p s 和1 1 m b p s 采用8 码片补码键控的编码方式，在这 个标准下，为了减少干扰，在配置a p 时，需要选择三个不重叠的信道。该标准是目前 使用范围比较广泛的标准。 ( 5 ) 8 0 2 1l go f d m ( 正交频分复用技术) 8 0 2 1 l go f d m 工作在2 4 g h z 的i s m 频段上，理论上提供5 4 m b p s 的比特速率， 采用与8 0 2 1 1 a 相同的o f d m 调制方案，与8 0 2 1 1 b 向后兼容，并采用了向前纠错技术。 2 0 0 1 年1 1 月，在8 0 2 1 1i e e e 会议上形成了8 0 2 1 l g 标准草案，目的是在2 4 g h z 频段 上实现8 0 2 1 l a 的速率要求，2 0 0 3 年6 月1 6 日该标准正式定案。 ( 6 ) 其他相关协议 i e e e 8 0 2 工作组今后将继续对8 0 2 1 1 系列协议进行探讨，并计划推出一系列用于完 善无线局域网应用的协议，其中主要包括8 0 2 1 l c ( 无线局域网与以太网的互通协议) 、 8 0 2 1 1 d ( 开发工作在其他频段的8 0 2 1 l b ) 、8 0 2 1 1 e ( 定义服务质量和服务类型) 、8 0 2 1 l f ( a p 间协议) 、8 0 2 1 l h ( 欧洲5 g h z 规范) 、8 0 2 1 l i ( 增强的安全性& 认证) 、8 0 2 1 1 j ( 日本的4 9 g h z 规范) 、8 0 2 1 1 k ( 高层无线网络测量规范) 以及高吞吐量研究工作组 的相关协议 9 1 。 1 0 硕士论文无线局域网服务质量分析与研究 2 5 2 蓝牙规范 蓝牙规范是由特别兴趣小组( s i g ) 制定的一个公共的、无需许可证的规范，其目 的是实现短距离无线语音和数据通信【1 4 】。它主要应用在自组织结构的微微网( a dh o e p i c o n e t ) 中，蓝牙技术工作于2 4 g h z 的i s m 频段，基带部分的数据速率为1 m b p s ，有 效无线通信距离为1 0 到1 0 0 m ，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术采用 自动寻道技术和快速跳频技术保证传输的可靠性，具有全向传输能力，不需对连接设备 进行定向。它是一种改进的无线局域网技术，其设备尺寸更小，成本更低。在任意时间， 只要蓝牙技术产品进入彼此有效范围之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这 一切工作都是设备自动完成的，无需用户参与。 2 5 3h o m e r f 标准 在美国联邦通信委员会( f c c ) 正式批准h o m e r f 标准之前，h o m e r f 工作组于 1 9 9 8 年为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，即共享无线访问 协议( s w a p ) 。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的i e e e 8 0 2 1 1 协议标准。在这之后，h o m e r f 工作组又制定了h o m e r f 标准，用于实现p c 机和用户 电子设备之间的无线数字通信，它是i e e e 8 0 2 1 1 与泛欧数字无绳电话标准( d e c t ) 相 结合的一种开放标准。h o m e r f 标准采用扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，可同步支持 4 条高质量语音信道并且具有低功耗的优点，它适用于笔记本电脑。 2 5 4h y p e r l a n 标准 h y p e r l a n 标准包括h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 ，它是由欧洲通讯标准协会e t s i ( t h e e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ) 在b r a n ( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s s n e t w o r k s ) 铝l j 定的，在欧洲设置4 5 5 m h z 的频宽使用。h i p e r l a n l 对应i e e e 8 0 2 1 1 b ，而 h i p e r l a n 2 与i e e e 0 8 2 1 1 a 具有相同的物理层。h y p e r l a n 的技术是采用在5 g h z 上传 输，并可用不同速度进行，最快可达到5 4 m b p s ，由于它是采用o f d m 技术，所以不仅 可以在室外传送，就连在室内有许多阻碍物的情况下，也可用多重路径的方式来传送， 通常室内覆盖半径可达3 0 m ，户外可达到1 5 0 m 。 h y p e r l a n 2 标准定义了动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和 功率控制等多种信令和测量方法，用来支持无线网络的功能。基于h y p e r r f 标准的网 络有其特定的应用，可以用于企业局域网的最后一部分网段，支持用户在子网之间的礤 移动性。在热点地区，为商业人士提供远端高速接入因特网的服务，以及作为w c d m a 系统的补充，用于3 g 的接入技术，使用户可以在两种网络之间移动或进行业务的自动 切换，而不影响通信。 2 无线局域网 硕士论文 2 5 5 无线局域网标准的比较 8 0 2 1 1 系列协议是由i e e e 制定的，目前它是居于主导地位的无线局域网标准。 h o m e r f 主要是为家庭网络设计的，是8 0 2 1 1 与d e c t 的结合。h o m e r f 和蓝牙都工 作在2 4 g h zi s m 频段，并且都采用跳频扩频( f h s s ) 技术。因此，h o m e r f 产品和蓝 牙产品之间几乎没有相互干扰。蓝牙技术适用于松散型的网络，可以让设备为一个单独 的数据建立一个连接，而h o m e r f 技术则不像蓝牙技术那样随意。组建h o m e r f 网络 前，必须为各网络成员事先确定个惟一的识别代码，因而比蓝牙技术更安全。8 0 2 1 1 使用的是t c p i p 协议，适用于功率更大的网络，有效工作距离比蓝牙技术和h o m e r f 要长得多。 2 6 无线局域网中的媒体接入控制 媒体接入控制m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层的主要任务是控制介质访问，8 0 2 1 1 定义了两种m a c t 聊1 1 ：分布式配置功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和单点 协调功能p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。d c f 是无线局域网的基本m a c 协议，也是 a dh o e 网络配置的惟一接入方法。d c f 是一种竞争接入技术，接入用户要通过竞争获 得传输信道。d c f 是基于基本的因特网m a c 协议，载波侦听多址接入( c s m a ) 附加冲 突避免( c a ) ，即c s m a c a t l 9 1 。不使用c s m a c d 是因为检测冲突不像有线局域网中那 么容易，有可能涉及到隐蔽站问题。p c f 是可选项，自组织网络中没有p c f 子层，p c f 使用集中控制的接入算法，用类似探询的方式将发送数据的权利轮流交给各个站点，从 而避免产生碰撞，p c f 一般适用于时间敏感的业务，如分组话音等。m a c 层的协议结 构图如图2 6 所示。 图2 68 0 2 1 1m a c 层 大多数情况下，无线局域网的默认配置采用d c f 方式而不是p c f 方式。因为d c f 基本上能够满足传送数据业务的服务要求，而p c f 由于采用轮循的方式，增加了系