淺談無線局域網技術（WLAN）對實時業務的支持以及WLAN的應用和發展

2019-11-05 02:38:21

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　　摘要：無線局域網具有網絡配置靈活、適應性強、安裝維護方便等優點，而且有較好的經濟性，是實現Intemet高速接入的一種方案。介紹了無線局域網標準IEEE 802．11的網絡拓樸結構、物理層實現方式和媒體接入機制；以點協調功能為例分析了無線局域網對實時業務的支持；還介紹了無線局域網的應用與發展。
　　
　　要害詞：無線局域網 IEEE 802．11 DCF PCF
　　
　　ip電話的發展越來越受人矚目。然而，IP數據在網絡中傳遞時由于排隊、擁擠和數據處理等引起的時延等因素的影響，IP電話的質量存在一定的問題。
　　
　　Internet網的實時機頻服務也存在同樣的問題。解決以上問題需從Internet網的骨干網和接入網兩方面著手：骨干網傳輸通道可采用光纖通信技術（如SDH，WDM等）予以拓寬；節點處理設備可采用IP 0ver ATM方案或吉比交換路由器方案；接入網的高速化也在不斷的研究和發展之中。本文介紹的無線局域網（WLAN）作為一種高速接入方案對實時業務的支持策略，是WLAN的亮點之一，而傳統有線局域網（LAN）對此沒有明確的保障機制。
　　
　　一、無線局域網簡介
　　
　　WLAN就是將無線技術應用到LAN當中。與有線LAN相比，WLAN網絡配置靈活、適應性較強、安裝維護方便，而且在某些情況下經濟性較好。它主要用于以下場合：
　　
　　·在移動工作環境下，面向移動計算機用戶，訪問網絡的信息資源，為移動辦公提供便利；
　　
　　·臨時組網，如災后復蘇、短時商用系統及大型會議；
　　
　　·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）、本地多點分布業務（LMDs）、多點多信道分布業務（MMDS）一起，構成很有發展前景的寬帶無線接入技術。
　　
　　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，現已趨于完成。
　　
　　IEEE 802．11標準是基于市場上的現有產品制定出來的，因而既考慮了技術問題又考慮了市場問題。
　　
　　IEEE 802.11標準考慮了兩種網絡拓撲結構：Ad hoc和基本結構（InfrastrUCture）。Ad hoc網由某基本業務群（BSS）內的一組站點組成，又稱為IBSS，如圖NJ所示。其中基本業務群是IEEE 802．11結構的基本功能塊，它覆蓋的地理區域類似于蜂窩通信網中的蜂窩。在基本業務群內，任一站點可與任一其它站點直接建立通信過程。與Ad hoc網不同，基本結構網通過接入點（AP）而建立。接入點類似于蜂窩通信網中的基站，可以看作是將IEEE 802．11網連到有線骨干網的網橋。接入點通過提供多個基本業務群互連的連接點來擴展通信范圍，形成擴展業務群（ESS）。擴展業務群包括多個基本業務群，通過DS連到一起。DS可以是IEEE 802.3以太網、IEEE 802．4令牌總線、IEEE 802．5令牌環、FDDI城域網或其它IEEE 802． 11無線媒體。擴展業務群也可通過入口部件Portal為無線用戶提供至有線網（如Internet）的網關接入。Portal是規定IEEE 802．11網與非IEEE 802．11網在DS上的連接點的邏輯實體。假如網絡是IEEE 802.x，Portal功能類似于網橋。圖1(b)所示為基本結構網結構。
　　
　　IEEE 802.11草案標準規定了三種不同的物理層實現方式：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點，但采用不同物理層的兩個用戶需要另外規定所在的WLAN系統的類型和數據率，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、科學和醫學）頻段。紅外使用850～950 nm波長的紅外線傳輸數據。
　　
　　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調功能（DCF），類似于傳統的分組網，支持異步數據傳輸等異步業務，所有要傳輸數據的用戶擁有平等接入網絡的機會；第二種方案是點協調功能（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網中， DCF獨立工作；在基本結構網中，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、控制幀和數據幀。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、結束非競爭期。數據幀用于在競爭期和非競爭期間傳輸數據，并且在非競爭期間可與輪詢和確認（ACK）結合在一起。無線媒體的優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。最高優先級幀使用SIFS傳輸，如接收站發送ACK給發信站時使用SIFS，以保證沒有其它站干擾介入；PIFS用于實時性要求強的數據幀的情況；DIFS用于一般異步數據傳輸幀。
　　
　　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。由于無線信道動態范圍大，在有效帶寬內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，它不是由現存的產品或治理引出的，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，數據率可達23.529 Mbit/s。它支持多跳選路（multihop routing）、實時業務和節電特性，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連網應用和支持更高的數據率。
　　
　　二、點協調功能對實時業務的支持機制
　　
　　PCF是可選功能，面向連接，提供無競爭幀傳送。PCF支持實時性強的業務，提供一定的QoS保證。PCF依靠點協調器（PC）來執行輪詢，使被輪詢的站點不必競爭信道就可傳送數據。點協調器功能由基本業務群內的接入點完成?；緲I務群內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產生的頻率。重復間隔內的一部分時間分配給無競爭業務流，剩下的提供給基于競爭的業務流。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參數，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PCF和DCF共存的情況。
　　
　　在非競爭期，假如某站由接入點輪詢發送，該站可直接發送至同一基本業務群內的另一站或另一基本業務群內的某站。當傳送被引導至另一基本業務群內的某站時，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，基本業務群內的所有站更新其網絡分配向量至非競爭期的最大值。在非競爭期，站點被答應發送的唯一機會是回答點協調器的輪詢或在接收到一MAC協議數據單元之后的SIFS時間回送ACK。一般在非競爭期開始時，點協調器偵聽媒體。假如媒體在PIFS時間內保持空閑，點協調器即發送一標志幀來初始化非競爭期。
　　
　　在標志幀發送之后的SIFS時間點協調器開始無競爭（CF）傳送，發送CF-Poll（no data）， Data或Data＋CF-Poll幀。點協調器可發送CF-END幀來立即終上非競爭期，這在網絡負載輕或點協調器元業務在緩存器中待發送時很普遍。假如某CF-aware站從點協調器接收到CF-Poll（data）幀，該站可在SIFS空閑期之后通過發送CF-ACK（no data）或Data＋ CF-ACK幀對點協調器予以響應。假如點協調器接收到某站的Data＋ CF-ACK幀，點協調器可發送Daia＋CF，ACK＋CF-Poll幀至
　　另一站，其中該幀的CF-ACK部分用于對前一數據幀確認。在點協調器和站點之間將輪詢和確認幀結合起來傳送是為了提高效率。假如點協調器發送CF-Poll（no data）幀而目的站無數據幀要發送，則目的站向點協調器回送無任務（Null Function）幀。
　　
　　某站收到來自點協調器的輪詢信號時，可發送一幀至基本業務群內的其它站。當目的站接收到該幀時，將DCF ACK回送到源站。點協調器在ACK幀之后等待PIFS時間，然后發送任何其它幀。
　　
　　
　　
　　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、無線局域網的應用與發展
　　
　　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，構成符合1EEE802.11標準的無線Modem，通過該無線Modem可構成WLAN。
　　
　　與WLAN有關的產品也很多，如無線網橋、無線集線系統和無線網絡接口卡，另外還有無線打印共享裝置、無線數據鏈裝置、無線Modem、無線網絡收發器。無線手持通信機、無線數據終端、無線串口和無線并口等。用AIRONET無線通信公司提供的ARLAN600系列產品WLAN

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