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浅谈WLAN对实时业务的支持以及WLAN的应用和发展

来源:互联网  宽屏版  评论
2008-05-31 18:32:09

摘要:无线局域网具有网络配置灵活、适应性强、安装维护方便等优点,而且有较好的经济性,是实现Intemet高速接入的一种方案。介绍了无线局域网标准IEEE802.11的网络拓朴结构、物理层实现方式和媒体接入机制;以点协调功能为例分析了无线局域网对实时业务的支持;还介绍了无线局域网的应用与发展。

要害词:无线局域网IEEE802.11DCFPCF

IP电话的发展越来越受人瞩目。然而,IP数据在网络中传递时由于排队、拥挤和数据处理等引起的时延等因素的影响,IP电话的质量存在一定的问题。

Internet网的实时机频服务也存在同样的问题。解决以上问题需从Internet网的骨干网和接入网两方面着手:骨干网传输通道可采用光纤通信技术(如SDH,WDM等)予以拓宽;节点处理设备可采用IP0verATM方案或吉比交换路由器方案;接入网的高速化也在不断的研究和发展之中。本文介绍的无线局域网(WLAN)作为一种高速接入方案对实时业务的支持策略,是WLAN的亮点之一,而传统有线局域网(LAN)对此没有明确的保障机制。

一、无线局域网简介

WLAN就是将无线技术应用到LAN当中。与有线LAN相比,WLAN网络配置灵活、适应性较强、安装维护方便,而且在某些情况下经济性较好。它主要用于以下场合:

·在移动工作环境下,面向移动计算机用户,访问网络的信息资源,为移动办公提供便利;

·临时组网,如灾后复苏、短时商用系统及大型会议;

·有线LAN的无线延伸,亦可作为LAN的无线互连。

目前,WLAN与无线ATM(WATM)、本地多点分布业务(LMDs)、多点多信道分布业务(MMDS)一起,构成很有发展前景的宽带无线接入技术。

当前,有关WLAN的标准影响较大的有IEEE802.11,ETSIHIPERLAN,WINForum和ETSIRESl0等。以下以IEEE802.11为代表予以介绍。

IEEE802委员会在1990年成立了专门工作小组制定IEEE802.11WLAN标准,并在1996年提出了第四版草案标准,现已趋于完成。

IEEE802.11标准是基于市场上的现有产品制定出来的,因而既考虑了技术问题又考虑了市场问题。

IEEE802.11标准考虑了两种网络拓扑结构:Adhoc和基本结构(InfrastrUCture)。Adhoc网由某基本业务群(BSS)内的一组站点组成,又称为IBSS,如图NJ所示。其中基本业务群是IEEE802.11结构的基本功能块,它覆盖的地理区域类似于蜂窝通信网中的蜂窝。在基本业务群内,任一站点可与任一其它站点直接建立通信过程。与Adhoc网不同,基本结构网通过接入点(AP)而建立。接入点类似于蜂窝通信网中的基站,可以看作是将IEEE802.11网连到有线骨干网的网桥。接入点通过提供多个基本业务群互连的连接点来扩展通信范围,形成扩展业务群(ESS)。扩展业务群包括多个基本业务群,通过DS连到一起。DS可以是IEEE802.3以太网、IEEE802.4令牌总线、IEEE802.5令牌环、FDDI城域网或其它IEEE802.11无线媒体。扩展业务群也可通过入口部件Portal为无线用户提供至有线网(如Internet)的网关接入。Portal是规定IEEE802.11网与非IEEE802.11网在DS上的连接点的逻辑实体。假如网络是IEEE802.x,Portal功能类似于网桥。图1(b)所示为基本结构网结构。

IEEE802.11草案标准规定了三种不同的物理层实现方式:跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)和红外(IR)。这使符合IEEE802.11的WLAN用户可充分利用每个物理层的不同优点,但采用不同物理层的两个用户需要另外规定所在的WLAN系统的类型和数据率,以支持互通性。接入速率有1Mbit/s和2Mbit/s两种。跳频扩频和直接序列扩频使用2.4GHzISM(工业、科学和医学)频段。红外使用850~950nm波长的红外线传输数据。

IEEE802.11物理层的无线媒体决定了WLAN具有独特的媒体接入控制(MAC)机制。IEEE802.11支持两种不同的MAC方案:第一种方案是分布协调功能(DCF),类似于传统的分组网,支持异步数据传输等异步业务,所有要传输数据的用户拥有平等接入网络的机会;第二种方案是点协调功能(PCF),基于由接入点控制的轮询(poll)方式,主要用于传输实时业务。MAC子层由DCF和PCF两部分组成。DCF直接位于物理层之上。所有站点均支持DCF。在Adhoc网中,DCF独立工作;在基本结构网中,DCF可独立工作也可与PCF共同工作。

MAC子层负责信道分配过程、PDU寻址、帧形成、差错校验、分组拆装。传输媒体可工作于竞争方式,每个站点传输任一分组时需对信道进行竞争接入;媒体也可在竞争期(CP)和非竞争期(CFP)间交替工作。在非竞争期间,媒体的使用由接入点控制或作为中介,因而站点不必进行接入信道竞争。

IEEE802.11支持3种不同类型的帧:治理帧、控制帧和数据帧。治理帧用于站点与接入点的连接和分离、定时和同步、身份认证。控制帧用于竞争期间的握手通信和正向确认、结束非竞争期。数据帧用于在竞争期和非竞争期间传输数据,并且在非竞争期间可与轮询和确认(ACK)结合在一起。无线媒体的优先接入通过使用各帧传输之间的帧间间隔IFS(interframespace)来控制。IFS是传输媒体上的空闲时间。有3种IFS:SIFS(shortIFS),PIFS(PCFIFs)和DIFS(DCFIFS)。SIFS最短,PIFS居中,DIFS最长。最高优先级帧使用SIFS传输,如接收站发送ACK给发信站时使用SIFS,以保证没有其它站干扰介入;PIFS用于实时性要求强的数据帧的情况;DIFS用于一般异步数据传输帧。

DCF基于载波侦听多址接入/碰撞预防(CSMA/CA)而未采用有线LAN中主要使用的载波侦听多址接入/碰撞检测(CSMA/CD)多址接入方式。这是因为站点传输时听不到信道碰撞。由于无线信道动态范围大,在有效带宽内采用碰撞检测方式是很困难的,故只能采取随机退避方式以减少两帧碰撞的概率。

另外,HIPERLAN也是草案标准。与IEEE802.11标准不同的是,它不是由现存的产品或治理引出的,而是着手于满足一系列的功能需求。HIPERLAN工作频段为5.15~5.30GHz和17.1~17.2GHz,数据率可达23.529Mbit/s。它支持多跳选路(multihoprouting)、实时业务和节电特性,使用一种类似于CSMA/CD的接入方式来共享频带。HIPERLAN主要集中在Adhoc连网应用和支持更高的数据率。

二、点协调功能对实时业务的支持机制

PCF是可选功能,面向连接,提供无竞争帧传送。PCF支持实时性强的业务,提供一定的QoS保证。PCF依靠点协调器(PC)来执行轮询,使被轮询的站点不必竞争信道就可传送数据。点协调器功能由基本业务群内的接入点完成。基本业务群内能在非竞争期间工作的站点称为CF-aware站点。维持轮询表和决定轮询顺序的方法可以进行设置。

PCF需与DCF共存,逻辑上位于DCF之上。非竞争期重复间隔(CFP周期)用于决定PCF产生的频率。重复间隔内的一部分时间分配给无竞争业务流,剩下的提供给基于竞争的业务流。非竞争期重复间隔由标志帧(B)初始化。标志帧由接入点传送,主要功能之一是同步和定时。非竞争期重复间隔长度是一可调参数,可随输入负荷而变化。假如负载轻,接入点会缩短非竞争期,提供更多的时间给DCF。图2所示为非竞争期重复间隔内PCF和DCF共存的情况。

在非竞争期,假如某站由接入点轮询发送,该站可直接发送至同一基本业务群内的另一站或另一基本业务群内的某站。当传送被引导至另一基本业务群内的某站时,源站将帧传至接入点,由接入点负责通过DS将帧转送至为目的站服务的远端接入点。

一般在每一非竞争期重复间隔的开始,基本业务群内的所有站更新其网络分配向量至非竞争期的最大值。在非竞争期,站点被答应发送的唯一机会是回答点协调器的轮询或在接收到一MAC协议数据单元之后的SIFS时间回送ACK。一般在非竞争期开始时,点协调器侦听媒体。假如媒体在PIFS时间内保持空闲,点协调器即发送一标志帧来初始化非竞争期。

在标志帧发送之后的SIFS时间点协调器开始无竞争(CF)传送,发送CF-Poll(nodata),Data或Data+CF-Poll帧。点协调器可发送CF-END帧来立即终上非竞争期,这在网络负载轻或点协调器元业务在缓存器中待发送时很普遍。假如某CF-aware站从点协调器接收到CF-Poll(data)帧,该站可在SIFS空闲期之后通过发送CF-ACK(nodata)或Data+CF-ACK帧对点协调器予以响应。假如点协调器接收到某站的Data+CF-ACK帧,点协调器可发送Daia+CF,ACK+CF-Poll帧至

另一站,其中该帧的CF-ACK部分用于对前一数据帧确认。在点协调器和站点之间将轮询和确认帧结合起来传送是为了提高效率。假如点协调器发送CF-Poll(nodata)帧而目的站无数据帧要发送,则目的站向点协调器回送无任务(NullFunction)帧。

某站收到来自点协调器的轮询信号时,可发送一帧至基本业务群内的其它站。当目的站接收到该帧时,将DCFACK回送到源站。点协调器在ACK帧之后等待PIFS时间,然后发送任何其它帧。

文献[1]中的仿真表明,PCF完全可以支持分组话音等实时业务。加入回波抵消器以后,端到端时延可以进一步降低,达到25ms以下。

三、无线局域网的应用与发展

目前市场上WLAN芯片有不少,如AMD公司的AM79C930(IEEE802.11MAC)。有的已系列化,如可在直接序列扩频物理层的基础上,用Hams公司1996年5月新推出的PRISMDSSS芯片组,构成符合1EEE802.11标准的无线Modem,通过该无线Modem可构成WLAN。

与WLAN有关的产品也很多,如无线网桥、无线集线系统和无线网络接口卡,另外还有无线打印共享装置、无线数据链装置、无线Modem、无线网络收发器。无线手持通信机、无线数据终端、无线串口和无线并口等。用AIRONET无线通信公司提供的ARLAN600系列产品WLAN集成方案可以很方便地组建一个具体的WLAN。由于采用了微蜂窝(TMA)技术,可以很方便地将多个无线工作站分组构成多个相对独立的局部工作域,从而使无线组网在地理上和逻辑上更加灵活、方便和实用,也使无线网络的通信速度和组网规模大为提高。ARLAN系列产品有:ARLAN610和610E无线以太集线器;ARLAN620和620E无线以大网桥;ARLAN655,670和690无线网络接口卡,ARLAN680无线网络适配器等。

WLAN的组建方式非常灵活,可以是单独的WLAN,也可以是无线和有线LAN的集成。而无线和

有线LAN的集成可以是接入方式,也可以是中继方式,两者均是现阶段WLAN最常见的形式,也是IEEE802.11极力推广的应用方式。

接入方式WLAN(一点对多点方式)是带有无线设备的工作站和便携式计算机在WLAN的有效范围内的任何地方通过无线集线器或无线网桥等接入有线骨干网。

中继方式WLAN(点对点方式)是桥接两个固定的有线LAN网络,即网络互连。

纯WLAN适用于那些还没有建网的用户,或组建一个临时性的网络。它和有线LAN的组网方式非常相似。可以组成一个星形网,每个无线节点直接同中心集线器通信;可以组成一个环形网,每个节点向其邻居传送数据,该邻居接收想要的信息或向下一节点转送信息;也可以组成一个总线型网,每个无线节点都能听到其它节点发出的一切信息。

组建一个临时性的WLAN,最典型的应用是Adhoc网(完全可移动方式)。通常是一群具有便携式终端的用户为会议或其它目的聚集到一起,需要在无法预料的距离间构筑一个临时性的WLAN。

 
  摘要:无线局域网具有网络配置灵活、适应性强、安装维护方便等优点,而且有较好的经济性,是实现Intemet高速接入的一种方案。介绍了无线局域网标准IEEE802.11的网络拓朴结构、物理层实现方式和媒体接入机制;以点协调功能为例分析了无线局域网对实时业务的支持;还介绍了无线局域网的应用与发展。 要害词:无线局域网IEEE802.11DCFPCF IP电话的发展越来越受人瞩目。然而,IP数据在网络中传递时由于排队、拥挤和数据处理等引起的时延等因素的影响,IP电话的质量存在一定的问题。 Internet网的实时机频服务也存在同样的问题。解决以上问题需从Internet网的骨干网和接入网两方面着手:骨干网传输通道可采用光纤通信技术(如SDH,WDM等)予以拓宽;节点处理设备可采用IP0verATM方案或吉比交换路由器方案;接入网的高速化也在不断的研究和发展之中。本文介绍的无线局域网(WLAN)作为一种高速接入方案对实时业务的支持策略,是WLAN的亮点之一,而传统有线局域网(LAN)对此没有明确的保障机制。 一、无线局域网简介 WLAN就是将无线技术应用到LAN当中。与有线LAN相比,WLAN网络配置灵活、适应性较强、安装维护方便,而且在某些情况下经济性较好。它主要用于以下场合: ·在移动工作环境下,面向移动计算机用户,访问网络的信息资源,为移动办公提供便利; ·临时组网,如灾后复苏、短时商用系统及大型会议; ·有线LAN的无线延伸,亦可作为LAN的无线互连。 目前,WLAN与无线ATM(WATM)、本地多点分布业务(LMDs)、多点多信道分布业务(MMDS)一起,构成很有发展前景的宽带无线接入技术。 当前,有关WLAN的标准影响较大的有IEEE802.11,ETSIHIPERLAN,WINForum和ETSIRESl0等。以下以IEEE802.11为代表予以介绍。 IEEE802委员会在1990年成立了专门工作小组制定IEEE802.11WLAN标准,并在1996年提出了第四版草案标准,现已趋于完成。 IEEE802.11标准是基于市场上的现有产品制定出来的,因而既考虑了技术问题又考虑了市场问题。 IEEE802.11标准考虑了两种网络拓扑结构:Adhoc和基本结构(InfrastrUCture)。Adhoc网由某基本业务群(BSS)内的一组站点组成,又称为IBSS,如图NJ所示。其中基本业务群是IEEE802.11结构的基本功能块,它覆盖的地理区域类似于蜂窝通信网中的蜂窝。在基本业务群内,任一站点可与任一其它站点直接建立通信过程。与Adhoc网不同,基本结构网通过接入点(AP)而建立。接入点类似于蜂窝通信网中的基站,可以看作是将IEEE802.11网连到有线骨干网的网桥。接入点通过提供多个基本业务群互连的连接点来扩展通信范围,形成扩展业务群(ESS)。扩展业务群包括多个基本业务群,通过DS连到一起。DS可以是IEEE802.3以太网、IEEE802.4令牌总线、IEEE802.5令牌环、FDDI城域网或其它IEEE802.11无线媒体。扩展业务群也可通过入口部件Portal为无线用户提供至有线网(如Internet)的网关接入。Portal是规定IEEE802.11网与非IEEE802.11网在DS上的连接点的逻辑实体。假如网络是IEEE802.x,Portal功能类似于网桥。图1(b)所示为基本结构网结构。 IEEE802.11草案标准规定了三种不同的物理层实现方式:跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)和红外(IR)。这使符合IEEE802.11的WLAN用户可充分利用每个物理层的不同优点,但采用不同物理层的两个用户需要另外规定所在的WLAN系统的类型和数据率,以支持互通性。接入速率有1Mbit/s和2Mbit/s两种。跳频扩频和直接序列扩频使用2.4GHzISM(工业、科学和医学)频段。红外使用850~950nm波长的红外线传输数据。 IEEE802.11物理层的无线媒体决定了WLAN具有独特的媒体接入控制(MAC)机制。IEEE802.11支持两种不同的MAC方案:第一种方案是分布协调功能(DCF),类似于传统的分组网,支持异步数据传输等异步业务,所有要传输数据的用户拥有平等接入网络的机会;第二种方案是点协调功能(PCF),基于由接入点控制的轮询(poll)方式,主要用于传输实时业务。MAC子层由DCF和PCF两部分组成。DCF直接位于物理层之上。所有站点均支持DCF。在Adhoc网中,DCF独立工作;在基本结构网中,DCF可独立工作也可与PCF共同工作。 MAC子层负责信道分配过程、PDU寻址、帧形成、差错校验、分组拆装。传输媒体可工作于竞争方式,每个站点传输任一分组时需对信道进行竞争接入;媒体也可在竞争期(CP)和非竞争期(CFP)间交替工作。在非竞争期间,媒体的使用由接入点控制或作为中介,因而站点不必进行接入信道竞争。 IEEE802.11支持3种不同类型的帧:治理帧、控制帧和数据帧。治理帧用于站点与接入点的连接和分离、定时和同步、身份认证。控制帧用于竞争期间的握手通信和正向确认、结束非竞争期。数据帧用于在竞争期和非竞争期间传输数据,并且在非竞争期间可与轮询和确认(ACK)结合在一起。无线媒体的优先接入通过使用各帧传输之间的帧间间隔IFS(interframespace)来控制。IFS是传输媒体上的空闲时间。有3种IFS:SIFS(shortIFS),PIFS(PCFIFs)和DIFS(DCFIFS)。SIFS最短,PIFS居中,DIFS最长。最高优先级帧使用SIFS传输,如接收站发送ACK给发信站时使用SIFS,以保证没有其它站干扰介入;PIFS用于实时性要求强的数据帧的情况;DIFS用于一般异步数据传输帧。 DCF基于载波侦听多址接入/碰撞预防(CSMA/CA)而未采用有线LAN中主要使用的载波侦听多址接入/碰撞检测(CSMA/CD)多址接入方式。这是因为站点传输时听不到信道碰撞。由于无线信道动态范围大,在有效带宽内采用碰撞检测方式是很困难的,故只能采取随机退避方式以减少两帧碰撞的概率。 另外,HIPERLAN也是草案标准。与IEEE802.11标准不同的是,它不是由现存的产品或治理引出的,而是着手于满足一系列的功能需求。HIPERLAN工作频段为5.15~5.30GHz和17.1~17.2GHz,数据率可达23.529Mbit/s。它支持多跳选路(multihoprouting)、实时业务和节电特性,使用一种类似于CSMA/CD的接入方式来共享频带。HIPERLAN主要集中在Adhoc连网应用和支持更高的数据率。 二、点协调功能对实时业务的支持机制 PCF是可选功能,面向连接,提供无竞争帧传送。PCF支持实时性强的业务,提供一定的QoS保证。PCF依靠点协调器(PC)来执行轮询,使被轮询的站点不必竞争信道就可传送数据。点协调器功能由基本业务群内的接入点完成。基本业务群内能在非竞争期间工作的站点称为CF-aware站点。维持轮询表和决定轮询顺序的方法可以进行设置。 PCF需与DCF共存,逻辑上位于DCF之上。非竞争期重复间隔(CFP周期)用于决定PCF产生的频率。重复间隔内的一部分时间分配给无竞争业务流,剩下的提供给基于竞争的业务流。非竞争期重复间隔由标志帧(B)初始化。标志帧由接入点传送,主要功能之一是同步和定时。非竞争期重复间隔长度是一可调参数,可随输入负荷而变化。假如负载轻,接入点会缩短非竞争期,提供更多的时间给DCF。图2所示为非竞争期重复间隔内PCF和DCF共存的情况。 在非竞争期,假如某站由接入点轮询发送,该站可直接发送至同一基本业务群内的另一站或另一基本业务群内的某站。当传送被引导至另一基本业务群内的某站时,源站将帧传至接入点,由接入点负责通过DS将帧转送至为目的站服务的远端接入点。 一般在每一非竞争期重复间隔的开始,基本业务群内的所有站更新其网络分配向量至非竞争期的最大值。在非竞争期,站点被答应发送的唯一机会是回答点协调器的轮询或在接收到一MAC协议数据单元之后的SIFS时间回送ACK。一般在非竞争期开始时,点协调器侦听媒体。假如媒体在PIFS时间内保持空闲,点协调器即发送一标志帧来初始化非竞争期。 在标志帧发送之后的SIFS时间点协调器开始无竞争(CF)传送,发送CF-Poll(nodata),Data或Data+CF-Poll帧。点协调器可发送CF-END帧来立即终上非竞争期,这在网络负载轻或点协调器元业务在缓存器中待发送时很普遍。假如某CF-aware站从点协调器接收到CF-Poll(data)帧,该站可在SIFS空闲期之后通过发送CF-ACK(nodata)或Data+CF-ACK帧对点协调器予以响应。假如点协调器接收到某站的Data+CF-ACK帧,点协调器可发送Daia+CF,ACK+CF-Poll帧至 另一站,其中该帧的CF-ACK部分用于对前一数据帧确认。在点协调器和站点之间将轮询和确认帧结合起来传送是为了提高效率。假如点协调器发送CF-Poll(nodata)帧而目的站无数据帧要发送,则目的站向点协调器回送无任务(NullFunction)帧。 某站收到来自点协调器的轮询信号时,可发送一帧至基本业务群内的其它站。当目的站接收到该帧时,将DCFACK回送到源站。点协调器在ACK帧之后等待PIFS时间,然后发送任何其它帧。 文献[1]中的仿真表明,PCF完全可以支持分组话音等实时业务。加入回波抵消器以后,端到端时延可以进一步降低,达到25ms以下。 三、无线局域网的应用与发展 目前市场上WLAN芯片有不少,如AMD公司的AM79C930(IEEE802.11MAC)。有的已系列化,如可在直接序列扩频物理层的基础上,用Hams公司1996年5月新推出的PRISMDSSS芯片组,构成符合1EEE802.11标准的无线Modem,通过该无线Modem可构成WLAN。 与WLAN有关的产品也很多,如无线网桥、无线集线系统和无线网络接口卡,另外还有无线打印共享装置、无线数据链装置、无线Modem、无线网络收发器。无线手持通信机、无线数据终端、无线串口和无线并口等。用AIRONET无线通信公司提供的ARLAN600系列产品WLAN集成方案可以很方便地组建一个具体的WLAN。由于采用了微蜂窝(TMA)技术,可以很方便地将多个无线工作站分组构成多个相对独立的局部工作域,从而使无线组网在地理上和逻辑上更加灵活、方便和实用,也使无线网络的通信速度和组网规模大为提高。ARLAN系列产品有:ARLAN610和610E无线以太集线器;ARLAN620和620E无线以大网桥;ARLAN655,670和690无线网络接口卡,ARLAN680无线网络适配器等。 WLAN的组建方式非常灵活,可以是单独的WLAN,也可以是无线和有线LAN的集成。而无线和 有线LAN的集成可以是接入方式,也可以是中继方式,两者均是现阶段WLAN最常见的形式,也是IEEE802.11极力推广的应用方式。 接入方式WLAN(一点对多点方式)是带有无线设备的工作站和便携式计算机在WLAN的有效范围内的任何地方通过无线集线器或无线网桥等接入有线骨干网。 中继方式WLAN(点对点方式)是桥接两个固定的有线LAN网络,即网络互连。 纯WLAN适用于那些还没有建网的用户,或组建一个临时性的网络。它和有线LAN的组网方式非常相似。可以组成一个星形网,每个无线节点直接同中心集线器通信;可以组成一个环形网,每个节点向其邻居传送数据,该邻居接收想要的信息或向下一节点转送信息;也可以组成一个总线型网,每个无线节点都能听到其它节点发出的一切信息。 组建一个临时性的WLAN,最典型的应用是Adhoc网(完全可移动方式)。通常是一群具有便携式终端的用户为会议或其它目的聚集到一起,需要在无法预料的距离间构筑一个临时性的WLAN。
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