1、 第 页1BS-3DAP2E有 线 局 域 网路 由 器服 务 器Inter1有 线 局 域 网 AP图 例 说 明 ：粗 实 线 ：表 示 ： 有 线 网 的 缆 线粗 虚 线 ：表 示 ： 省 略 了 有 线 网 部 分细 虚 线 ：表 示 ： 的 覆 盖 范 围细 点 划 线 ：表 示 ： 的 范 围有 线 局 域 网基于 IEEE802.11a 的高速无线局域网技术肖鹏 王长林(西南交通大学 计算机与通讯工程学院, 四川 成都 610031)摘要：本文通过对基于 IEEE802.11a 的高速无线局域网拓扑结构、防数据丢失、自动速率选择、电源消耗管理、正交频分复用、数据保密等技术介绍，
2、分析了现阶段基于 IEEE802.11a 的高速无线局域网推广存在的问题和广阔应用前景。关键词：无线局域网、拓扑结构、正交频分复用、自动速率选择0. 前言 传统意义上的局域网的各类网络设备被网络连线所禁锢，无法实现可移动的网络通信。随着便携式计算机、Pad、电话等广泛应用，无线局域网（WLAN）开始步入我们的 IT 生活，WLAN 是通过无线信道传输数据，采用分组交换技术进行信息交换的计算机局域网。它克服了传统网络的不足，实现了移动的数据交换，为局域网开辟了崭新的技术和应用领域。 目前，IEEE 已经开发了 3 种无线局域网规范：802.11、802.11b、802.11a。802.11a 标
3、准是 802.11 标准第二次扩展版本，规定物理层使用 5GHz 的频段，正交频分复用（ OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制，传输速率范围为 654Mbit/s 。下面，就基于IEEE802.11a 的高速无线局域网关键技术进行介绍。1. 无线局域网拓扑结构 无线局域网拓扑结构包括：无中心或对等式（peer to peer）拓扑图（见图一）和有中心（hub-Based ）拓扑图（见图二）图一 无中心拓扑结构图图二是由三个 AP 的有中心的无线局域网构成的扩展服务集（ESS ，Extended Service Set） ，包括：站
4、（ station） 、接入点（AP，Access Point） 、基本服务集（ BSS，Basic Service Set） 、分布系统（DS，Distribution 图二 有中心拓扑结构图第 页2源CTSDATAACK图三 802.11a 无线局域网单元工作过程RTS 目的站信道检测system） 。另外，还提供了两种服务作为为体系结构幕后支持：站服务（SS，Station Service）和分布系统服务（DSS，Distribution System Service） 。SS 包括：认证、取消认证、数据投递和加密； DSS 包括：关联、再关联、断开关联、集成和分布。2. 防数据丢失技术
5、有线网络的数据链路层协议是载波侦听多点接入/冲突检测（ CSMA/CD） 。对于无线局域网，由于无线适配器不能检测网络信道是否存在冲突，因此采用载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA） ，IEEE802.11a 无线局域网的单元要发送信息以前，都要对无线信道中的能量进行探测，当无线信道的能量大于某个阀值的时候，就随机后退若干个间隙，再重新进行发送。在实际的系统中通常采用CSMA/CA+ACK+RTS+CTS 来确保系统性能。这种方式是在完成信道的探测后，负责发送的无线局域网单元在每次发送数据之前发送一个请求发送（RTS ）帧，然后，当收到对方回覆的清除发送（CTS）帧以后才会发送数据。在发
6、送数据过程中，也要每一次的发送都得到对方接收无误的确认 ACK 以后才会继续发送数据，这就是所说的四次握手过程。具体过程见图三所示。3. 自动速率选择（ARS）技术ARS 会根据信号质量的以及与 AP 的距离自动为每个传输路径选择最佳的传输速率，无线局域网的传输速率与其相对间距成反比，如果两台无线设备相互靠近，它们将以两接口所支持的最高传输速率进行通信。相反，如果相互移开一些距离，WLAN 的站接口将自动降低传输速率，并尽量保持与无线网络的连接。AP 端相应动态的进行速率转换，亦即：射频情况变差时，可将传输速率从 54Mbps 逐步降低为 48bps、36Mbps 、24 Mbps、 18 M
7、bps、12 Mbps、9 Mbps或 6 Mbps，以牺牲速率为代价保持在恶劣条件下的通信畅通。如果覆盖的区域里同时存在多个 AP 的情况下，当网络负载过重，将启动网络负载均衡机制，即当一个 AP 变得负载过大或信号减弱时，无线网卡（NIC）能更改与之连接的访问接点 AP，切换到最佳可用的 AP，以提高系统的通信性能。例如：当无线用户在楼房或公司部门之间自由移动时，IEEE802.11 允许在访问接点之间进行无缝连接，即：在不同的信道之间互相漫游。4. 电源消耗管理技术无线局域网的一个主要局限：无线设备电池寿命。通过电源消耗管理，尽可能地延长无线设备的电池寿命。电源管理会在无数据传输时使网络
8、处于休眠（低电源或断电）状态，为了解决由此造成的丢失数据包的问题，在 AP 上设置了缓冲区来存储临时发送的信息，处于休眠的无线设备会定期醒来收取该信息。5. 正交频分复用技术无线信道存在严重的多径效应和频率选择性衰落。限制了无限信道数据传输速率，IEEE802.11a 采用了 OFDM 技术，它是一种抗多径衰落能力很强和频率利用率很高的多载波调制技术，适用于高速无线传输。第 页35.1 基本原理OFDM 的基本原理是把高速数据流分散成一组相互正交的载波，使子载波的符号速率大大降低，符号持续率时间加长，降低了符号间干扰（ISI ） 。在具体实现时，OFDM 采用 IFFT/FFT 算法来实现调制
9、和解调，当子信道数目比较多的时候，采用 IFFT/FFT 算法可以大大减少系统的复杂度，原理详见图四。图四 OFDM 的调制和解调原理框图图四中假设原始的基带数据信号的带宽为 B，码元速率为 R，码元周期为T。OFDM 是将原始信号串/并变换后，分割成 N 路子信号，分割后的码元速率为 R/N，周期为 NT。然后用这 N 个子信号分别去调制 N 个相互正交的子载波。子载波重叠，可以获得较高的频谱利用率。接收端，对收到的 N 路信号分别进行相关运算，完成信号的提取，实现信号的传输。5.2 IEEE802.11 a 的物理层参数（见表 1）表 1 IEEE802.11a 的物理层参数RF 信道带宽
10、 20MHz调制方式 BPSK QPSK16-QAM 64-QAMNSD 子载波数 48NSP 导频子载波 4F 子载波间隔 0.3125 MHzIFFT/FFT 周期 3.2s保护间隔 0.8s符号间隔 4s数据传输速率（Mbps）6、9、12、18、24、36、48、54信道编码速率 1/2、2/3、3/45.3 OFDM 分组结构导符号 1 导符号 2 SIGNAL DATA（20 个 OFDM 符号）图五 OFDM 分组结构图导符号 1 是由 10 个持续时间皆为 0.8s 的短训练符号组成，导符号 2 包含两个相同的长训练符号（时间长度等于正常的 OFDM 符号时间的长度） ，总的训
11、练时间长度为 16s；导符号后面是“SIGNAL ”域，提供后续数据的调制D（t）d(0)tje0 tje0(N-1)d(1)d(0)d(1)tj1d(N-1)tjNe1S/P 无线信道 tj1tjNe1P/S 积分积分积分第 页4类型、编码速率和数据长度等信息。短训练符号由间距为 4 的 12 个子载波组成，上传已知的伪随机序列，具有自动增益控制、符号同步、粗频偏估计等功能；长训练符号由 53 个子载波（包括直流处一个空符号，取“0”值）组成，具有精频偏估计、信道估计等功能。5.4 系统结构框图IEEE802.11a 中的 OFDM 物理层分为物理汇聚子层（PLCP）和物理介质子层（PMD
12、） 。OFDM 物理层发送/接收方框图见图六、图七图六 OFDM 发送系统结构图七 OFDM 接收系统结构6. 数据保密技术虚拟专用网（VPN）是目前最好的网络安全技术之一，未来的高速无线局域网将广泛的采用 VPN 进行数据保密。VPN 指在一个公共 IP 网络平台上通过隧道及加密技术保证专用数据网络的安全性， VPN 的服务器可以集中管理，管理成本能够保持在很低的水平，并且可以提供基于 Radius 的用户拨号认证与计费。VPN 比有线等效加密（WEP）协议具有更高层的网络安全性，能够支持用户与网络之间的端对端的安全隧道连接，与 WEP 和 MAC 地址过滤不同，VPN 解决方案可以扩展到支
13、持非常多的用户。完全可以替代连线对等保密解决方案以及物理地址过滤解决方案，是一种增强性的网络解决方案。7. 结束语IEEE802.11a 在推广使用中，也带来了一系列的问题。首先，射频频率从2.4GHz 变化到 5GHz 将会加大电波在空间传输的损耗，引入 6.9dB 的能量损失，从而，减小了设备的有效覆盖范围；其次，OFDM 的信号有很大的峰值与均值之比，它对系统中使用的功率放大器有较高的要求，从而增加了系统的成本和能量损耗。基于 IEEE802.11a 的高速无线局域网尽管存在以上的局限，但IEEE802.11a 是工作在 5GHz 的无线局域网标准，避免了与工作在 2.4GHz 的蓝牙设
14、备的干扰。现有的 IEEE802.11 和 IEEE802.11b 标准仅能满足数据和简单图像的处理的要求，已经不能满足用户对带宽密集型的要求，新一代的基于IEEE802.11a 的高速无线局域网在覆盖范围内能够提供 54Mbps 的数据传输率，可以有效地满足工程 CAD 设计、语音、数据、图像等业务功能的需求。随着WLAN 日益增多和广泛流行，IEEE802.11a 高速无线局域网必将成为新一代的主流 WLAN。数据输入卷积编码 块交织 映射插入导频序列 IFFT 加循环前缀 加窗函数 D/A扰码器数据输出信道纠错 解映射定时和频率同步 去循环前缀A / D FFT解交织 解码 解扰器第 页
15、5参考文献：（1）IEEE802.11a 1999，Supplement to IEEE Standard for Information Technology and Telecommunications and Information Exchange between Systems part 11：Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification: High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band, Sep 1999 （2）Richard V
16、an Nee，OFDM for Wireless Multimedia CommunicationM，Artech House，Jan. 2000（3）刘元安等，宽带无线接入和无线局域网，北京邮电大学出版社，2000High-speed Wireless Local Area Network Technology about IEEE802.11aXIAO Peng WANG Changlin( Computation And Communication Engineering CollegeOf Southwest Jiaotong Universty Chengdu Sichuan 610
17、031)ABSTRACT: This paper introduces High-speed Wirless Local Area Network technology about IEEE802.11a,in which included Topology Structure、Prevention of Data Losed、Automatic Velocity Selection、Power Consume Management、Orthogonal Frequency Division Multiplexing、 Data security and so on. The text analyzes the problems and depicts the bright applied foreground of it.KEY WORD: Wirless Local Area Network, Topology Structure, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Automatic Velocity Choice
