無線局域網(wǎng)對實時業(yè)務(wù)的支持

2019-11-05 03:08:01

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供稿：網(wǎng)友

　　 ip電話的發(fā)展越來越受人矚目。然而，IP數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞時由于排隊、擁擠和數(shù)據(jù)處理等引起的時延等因素的影響，IP電話的質(zhì)量存在一定的問題。
　　 Internet網(wǎng)的實時機頻服務(wù)也存在同樣的問題。解決以上問題需從Internet網(wǎng)的骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)兩方面著手：骨干網(wǎng)傳輸通道可采用光纖通信技術(shù)（如SDH，WDM等）予以拓寬；節(jié)點處理設(shè)備可采用IP 0ver ATM方案或吉比交換路由器方案；接入網(wǎng)的高速化也在不斷的研究和發(fā)展之中。本文介紹的無線局域網(wǎng)（WLAN）作為一種高速接入方案對實時業(yè)務(wù)的支持策略，是WLAN的亮點之一，而傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)（LAN）對此沒有明確的保障機制。
　　一、無線局域網(wǎng)簡介
　　 WLAN就是將無線技術(shù)應(yīng)用到LAN當(dāng)中。與有線LAN相比，WLAN網(wǎng)絡(luò)配置靈活、適應(yīng)性較強、安裝維護方便，而且在某些情況下經(jīng)濟性較好。它主要用于以下場合：
　　 1．在移動工作環(huán)境下，面向移動計算機用戶，訪問網(wǎng)絡(luò)的信息資源，為移動辦公提供便利；
　　 2．臨時組網(wǎng)，如災(zāi)后復(fù)蘇、短時商用系統(tǒng)及大型會議；
　　 3．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(yè)務(wù)（LMDs）、多點多信道分布業(yè)務(wù)（MMDS）一起，構(gòu)成很有發(fā)展前景的寬帶無線接入技術(shù)。
　　當(dāng)前，有關(guān)WLAN的標(biāo)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(biāo)準，并在1996年提出了第四版草案標(biāo)準，現(xiàn)已趨于完成。
　　 IEEE 802．11標(biāo)準是基于市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品制定出來的，因而既考慮了技術(shù)問題又考慮了市場問題。
　　 IEEE 802.11標(biāo)準考慮了兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：Ad hoc和基本結(jié)構(gòu)（InfrastrUCture）。Ad hoc網(wǎng)由某基本業(yè)務(wù)群（BSS）內(nèi)的一組站點組成，又稱為IBSS，如圖NJ所示。其中基本業(yè)務(wù)群是IEEE 802．11結(jié)構(gòu)的基本功能塊，它覆蓋的地理區(qū)域類似于蜂窩通信網(wǎng)中的蜂窩。在基本業(yè)務(wù)群內(nèi)，任一站點可與任一其它站點直接建立通信過程。與Ad hoc網(wǎng)不同，基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)通過接入點（AP）而建立。接入點類似于蜂窩通信網(wǎng)中的基站，可以看作是將IEEE 802．11網(wǎng)連到有線骨干網(wǎng)的網(wǎng)橋。接入點通過提供多個基本業(yè)務(wù)群互連的連接點來擴展通信范圍，形成擴展業(yè)務(wù)群（ESS）。擴展業(yè)務(wù)群包括多個基本業(yè)務(wù)群，通過DS連到一起。DS可以是IEEE 802.3以太網(wǎng)、IEEE 802．4令牌總線、IEEE 802．5令牌環(huán)、FDDI城域網(wǎng)或其它IEEE 802． 11無線媒體。擴展業(yè)務(wù)群也可通過入口部件Portal為無線用戶提供至有線網(wǎng)（如Internet）的網(wǎng)關(guān)接入。Portal是規(guī)定IEEE 802．11網(wǎng)與非IEEE 802．11網(wǎng)在DS上的連接點的邏輯實體。假如網(wǎng)絡(luò)是IEEE 802.x，Portal功能類似于網(wǎng)橋。圖1(b)所示為基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
　　 IEEE 802.11草案標(biāo)準規(guī)定了三種不同的物理層實現(xiàn)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(yōu)點，但采用不同物理層的兩個用戶需要另外規(guī)定所在的WLAN系統(tǒng)的類型和數(shù)據(jù)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(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段。紅外使用850～950 nm波長的紅外線傳輸數(shù)據(jù)。
　　 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(xié)調(diào)功能（DCF），類似于傳統(tǒng)的分組網(wǎng)，支持異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)犬惒綐I(yè)務(wù)，所有要傳輸數(shù)據(jù)的用戶擁有平等接入網(wǎng)絡(luò)的機會；第二種方案是點協(xié)調(diào)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(yè)務(wù)。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(wǎng)中， DCF獨立工作；在基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)中，DCF可獨立工作也可與PCF共同工作。
　　 MAC子層負責(zé)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(shù)據(jù)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(jié)束非競爭期。數(shù)據(jù)幀用于在競爭期和非競爭期間傳輸數(shù)據(jù)，并且在非競爭期間可與輪詢和確認（ACK）結(jié)合在一起。無線媒體的優(yōu)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(yōu)先級幀使用SIFS傳輸，如接收站發(fā)送ACK給發(fā)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(shù)據(jù)幀的情況；DIFS用于一般異步數(shù)據(jù)傳輸幀。
　　 DCF基于載波偵聽多址接入/碰撞預(yù)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(tài)范圍大，在有效帶寬內(nèi)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(biāo)準。與IEEE 802.11標(biāo)準不同的是，它不是由現(xiàn)存的產(chǎn)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(shù)據(jù)率可達23.529 Mbit/s。它支持多跳選路（multihop routing）、實時業(yè)務(wù)和節(jié)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(wǎng)應(yīng)用和支持更高的數(shù)據(jù)率。二、點協(xié)調(diào)功能對實時業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)，提供一定的QoS保證。PCF依靠點協(xié)調(diào)器（PC）來執(zhí)行輪詢，使被輪詢的站點不必競爭信道就可傳送數(shù)據(jù)。點協(xié)調(diào)器功能由基本業(yè)務(wù)群內(nèi)的接入點完成。基本業(yè)務(wù)群內(nèi)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(shè)置。
　　 PCF需與DCF共存，邏輯上位于DCF之上。非競爭期重復(fù)間隔（CFP周期）用于決定PCF產(chǎn)生的頻率。重復(fù)間隔內(nèi)的一部分時間分配給無競爭業(yè)務(wù)流，剩下的提供給基于競爭的業(yè)務(wù)流。非競爭期重復(fù)間隔由標(biāo)志幀(B)初始化。標(biāo)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(fù)間隔長度是一可調(diào)參數(shù)，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(fù)間隔內(nèi)PCF和DCF共存的情況。
　　在非競爭期，假如某站由接入點輪詢發(fā)送，該站可直接發(fā)送至同一基本業(yè)務(wù)群內(nèi)的另一站或另一基本業(yè)務(wù)群內(nèi)的某站。當(dāng)傳送被引導(dǎo)至另一基本業(yè)務(wù)群內(nèi)的某站時，源站將幀傳至接入點，由接入點負責(zé)通過DS將幀轉(zhuǎn)送至為目的站服務(wù)的遠端接入點。
　　一般在每一非競爭期重復(fù)間隔的開始，基本業(yè)務(wù)群內(nèi)的所有站更新其網(wǎng)絡(luò)分配向量至非競爭期的最大值。在非競爭期，站點被答應(yīng)發(fā)送的唯一機會是回答點協(xié)調(diào)器的輪詢或在接收到一MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元之后的SIFS時間回送ACK。一般在非競爭期開始時，點協(xié)調(diào)器偵聽媒體。假如媒體在PIFS時間內(nèi)保持空閑，點協(xié)調(diào)器即發(fā)送一標(biāo)志幀來初始化非競爭期。
　　在標(biāo)志幀發(fā)送之后的SIFS時間點協(xié)調(diào)器開始無競爭（CF）傳送，發(fā)送CF-Poll（no data）， Data或Data＋CF-Poll幀。點協(xié)調(diào)器可發(fā)送CF-END幀來立即終上非競爭期，這在網(wǎng)絡(luò)負載輕或點協(xié)調(diào)器元業(yè)務(wù)在緩存器中待發(fā)送時很普遍。假如某CF-aware站從點協(xié)調(diào)器接收到CF-Poll（data）幀，該站可在SIFS空閑期之后通過發(fā)送CF-ACK（no data）或Data＋ CF-ACK幀對點協(xié)調(diào)器予以響應(yīng)。假如點協(xié)調(diào)器接收到某站的Data＋ CF-ACK幀，點協(xié)調(diào)器可發(fā)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(shù)據(jù)幀確認。在點協(xié)調(diào)器和站點之間將輪詢和確認幀結(jié)合起來傳送是為了提高效率。假如點協(xié)調(diào)器發(fā)送CF-Poll（no data）幀而目的站無數(shù)據(jù)幀要發(fā)送，則目的站向點協(xié)調(diào)器回送無任務(wù)（Null Function）幀。圖3所示為點協(xié)調(diào)器到站點的幀傳送。站點到點協(xié)調(diào)器的幀傳送與此類似。假如點協(xié)調(diào)器未接收到已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的ACK信號，則等待一PIFS時間，然后繼續(xù)對輪詢表中的下一站發(fā)送。
　　某站收到來自點協(xié)調(diào)器的輪詢信號時，可發(fā)送一幀至基本業(yè)務(wù)群內(nèi)的其它站。當(dāng)目的站接收到該幀時，將DCF ACK回送到源站。點協(xié)調(diào)器在ACK幀之后等待PIFS時間，然后發(fā)送任何其它幀。圖4所示為站點之間非競爭期的幀傳送。點協(xié)調(diào)器也可發(fā)送一幀至某非CF-aware站。一旦幀成功接收，站點將等待SIFS時間，對點協(xié)調(diào)器應(yīng)答ACK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(yè)務(wù)。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(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)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(chǔ)上，用Hams公司1996年5月新推出的PRISM DSSS芯片組，構(gòu)成符合1EEE802.11標(biāo)準的無線Modem，通過該無線Modem可構(gòu)成WLAN。
　　與WLAN有關(guān)的產(chǎn)品也很多，如無線網(wǎng)橋、無線集線系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)接口卡，另外還有無線打印共享裝置、無線數(shù)據(jù)鏈裝置、無線Modem、無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。無線手持通信機、無線數(shù)據(jù)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(chǎn)品WLAN集成方案可以很方便地組建一個具體的WLAN。由于采用了微蜂窩（TMA）技術(shù)，可以很方便地將多個無線工作站分組構(gòu)成多個相對獨立的局部工作域，從而使無線組網(wǎng)在地理上和邏輯上更加靈活、方便和實用，也使無線網(wǎng)絡(luò)的通信速度和組網(wǎng)規(guī)模大為提高。ARLAN系列產(chǎn)品有：ARLAN 610和610E無線以太集線器；ARLAN620和620E無線以大網(wǎng)橋；ARLAN 655，670和690無線網(wǎng)絡(luò)接口卡，ARLAN 680無線網(wǎng)絡(luò)適配器等。
　　 WLAN的組建方式非常靈活，可以是單獨的WLAN，也可以是無線和有線LAN的集成。而無線和有線LAN的集成可以是接入方式，也可以是中繼方式，兩者均是現(xiàn)階段WLAN最常見的形式，也是IEEE802.11極力推廣的應(yīng)用方式。
　　接入方式WLAN（一點對多點方式）是帶有無線設(shè)備的工作站和便攜式計算機在WLAN的有效范圍內(nèi)的任何地方通過無線集線器或無線網(wǎng)橋等接入有線骨干網(wǎng)。
　　中繼方式WLAN（點對點方式）是橋接兩個固定的有線LAN網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)互連。
　　純WLAN適用于那些還沒有建網(wǎng)的用戶，或組建一個臨時性的網(wǎng)絡(luò)。它和有線LAN的組網(wǎng)方式非常相似。可以組成一個星形網(wǎng)，每個無線節(jié)點直接同中心集線器通信；可以組成一個環(huán)形網(wǎng)，每個節(jié)點向其鄰居傳送數(shù)據(jù)，該鄰居接收想要的信息或向下一節(jié)點轉(zhuǎn)送信息；也可以組成一個總線型網(wǎng)，每個無線節(jié)點都能聽到其它節(jié)點發(fā)出的一切信息。
　　組建一個臨時性的WLAN，最典型的應(yīng)用是Ad hoc網(wǎng)（完全可移動方式）。通常是一群具有便攜式終端的用戶為會議或其它目的聚集到一起，需要在無法預(yù)料的距離間構(gòu)筑一個臨時性的WLAN。
　　除了上述WLAN標(biāo)準的發(fā)展，人們還致力于為ATM網(wǎng)絡(luò)工作設(shè)計非凡的無線接入系統(tǒng)。其中歐洲已開始了稱作無線ATM（WATM）網(wǎng)絡(luò)示范產(chǎn)品（WAND）的工作，該工程目標(biāo)在于研究和證實ATM通過一個高速無線接口可以很輕易地完成接近HIPER。LAN速率的速率轉(zhuǎn)換。另外，以德國為首、有11個國家參加的MEDIAN工程正評價和實現(xiàn)工作于60 GHz。提供155 Mb/s的WLAN。
　　使用無線局域網(wǎng)技術(shù)來解決醫(yī)療場所的數(shù)據(jù)采集及傳輸，不僅可以滿足上網(wǎng)的需求，而且更適合于醫(yī)務(wù)人員的移動辦公，實施起來也極為簡便。

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