IEEE802.11无线局域网研究及发展报告（2）

BSS由一个无线访问点以及与其关联（associate）的无线工作站构成，在任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微蜂窝区域就是基本服务区。无线工作站与无线访问点关联采用AP的BSSID，在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。

图1.6 ESS网络结构

扩展服务区ESS是指由多个AP以及连接它们的分布式系统组成的结构化网络，所有AP必需共享同一个ESSID，也可以说扩展服务区ESS中包含多个BSS。分布式系统在IEEE802.11标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。扩展服务区只包含物理层和数据链路层，网络结构不包含网络层及其以上各层。因此，对于高层协议比如IP来说，一个ESS就是一个IP子网。(结构如图1.5)

四、 IEEE802.11无线局域网的操作

WLAN网络的操作可分为两个主要工作过程：工作站加入一个BSS，工作站从一个BSS移动到另一个BSS，实现小区间的漫游。一个站点访问现存的BSS需要几个阶段。首先，工作站开机加电开始运行，过后进入睡眠模式或者进入BSS小区。站点始终需要获得同步信号，该信号一般来自AP接入点。站点则通过主动和被动扫频来获得同步

主动扫频是指STA启动或关联成功后扫描所有频道；一次扫描中，STA采用一组频道作为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有ESSID的探测信号；AP根据该信号做响应。被动扫频是指AP每100毫秒向外传送灯塔信号，包括用于STA同步的时间戳，支持速率以及其它信息，STA接收到灯塔信号后启动关联过程。

WLAN为防止非法用户接入，在站点定位了接入点，并取得了同步信息之后，就开始交换验证信息。验证业务提供了控制局域网接入的能力，这一过程被所有终用来建立合法介入的身份标志

站点经过验证后，关联（Associate）就开始了。关联用于建立无线访问点和无线工作站之间的映射关系，实际上是把无线变成有线网的连线。分布式系统将该映射关系分发给扩展服务区中的所有AP。一个无线工作站同时只能与一个AP关联。在关联过程中，无线工作站与AP之间要根据信号的强弱协商速率，速率变化包括：11Mbps, 5.5Mbps, 2Mbps和1Mbps（以802.11b为例）。

工作站从一个小区移动到另一个小区需要从新关联。重关联（Reassociate）是指当无线工作站从一个扩展服务区中的一个基本服务区移动到另外一个基本服务区时，与新的AP关联的整个过程。重关联总是由移动无线工作站发起。

IEEE802.11无线局域网的每个站点都与一个特定的接入点相关。如果站点从一个小区切换到另一个小区，这就是处在漫游（Roaming）过程中。漫游指无线工作站在一组无线访问点之间移动，并提供对于用户透明的无缝连接，包括基本漫游和扩展漫游。基本漫游是指无线STA的移动仅局限在一个扩展服务区内部。扩展漫游指无线SAT从一个扩展服务区中的一个BSS移动到另一个扩展服务区的一个BSS，802.11并不保证这种漫游的上层连接。近年来,无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性能显得十分重要。

五、无线局域网的优化方式：移动IP, IEEE802.11e 与双频多模WLAN

近年来,无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性能显得十分重要。

5.1网络层的优化：移动IP

移动IP概述

由于Internet使用域名来转换成IP地址，一个发给一个地址的分组总是路由到同一个地方，因此，IP地址是与一个物理网络的位置相对应，传统的IP链接方式不能经受任何地址的变化。移动IP的引入解决了WLAN跨IP子网漫游的问题，是网络层的优化方案。可以把移动IP归结为一句话：如果用户可以凭一个IP地址进行不间断跨网漫游，就是移动IP（RFC2002）。如前文所述，802.11无线局域网只规定了MAC层和物理层。为了保证移动站在扩展服务区之间的漫游，需要在其MAC层之上引入Mobile IP技术。

移IP的无线局域网

移动主机（MN）在外地通过外地代理（FA）向位于家乡的家乡代理（HA）注册,从而使HA得知MN当前的位置，从而实现了移动性。有了移动IP，主机就可以跨越IP子网实现漫游。如图１所示，ＩＰ子网的网关路由器旁连接一个FA，FA负责其下无线网段用户的注册认证。FA不断地向本地子网发送代理通告，当移动终端进入子网Ａ时，接收到ＦＡ的代理广播，获得当地FA的信息，通过当地FA向HA注册,经过认证后可以被授权接入，访问Internet。终端在本子网内部移动时，不断监测AP和FA的信号质量，通过一定的算法得出当前所有FA的优先级，再根据指定的切换策略适时发起切换。如果只是在同一网段的AP间切换，因所处IP子网未变，不需要重新注册，AP的功能可以支持这种二层的漫游。当终端在跨网段的AP间切换时，所处IP子网发生改变,此时必须通过新的FA向HA重新注册，告知当前位置,以后的数据就会被ＨＡ转发至新的位置。移动IP技术大大扩展了WLAN接入方案的覆盖范围,提供大范围的移动能力，使用户在移动中时刻保持Internet连接。

图1.7 无线局域网移动IP的网络结构

WLAN实现移动IP的问题

为实现移动IP，无线局域网要解决一些技术问题：

IP地址分配：用户将获得唯一的IP地址，如同使用移动电话时有一个唯一号码。

应用透明性：无论上层应用采用何种上层协议都感觉不到移动的影响，这要求无缝移动

性在IP层实现。

基础设施：为保证服务品质不受影响，用户在漫游时，带宽和服务质量要有保证。

协议软件：包括网络侧和用户侧的软件，客户端软件须向服务器端软件报告自己的信

息，网络侧软件则负责解析用户的实际位置，鉴定用户身份、分配权限，并

提供预定的业务。

5.2 MAC层优化：IEEE802.11e协议

概述

随着用户的增多，有线网络中提出的业务要求，如视频、语音等实时业务在WLAN中也将得到满足。这些实时业务要求WLAN的MAC层能够提供可靠的分组传输，传输时延低且抖动小。为此，IEEE 802.11工作组的媒体访问控制(MAC-Medium Access Control)改进任务组(即E任务组)着手对目前802.11 MAC协议进行改进，使其可以支持具有QoS(Quality of Service)要求的应用。

IEEE802.11MAC协议

普通的802.11无线局域网MAC层有两种通讯方式，一种叫分布式协同式（DCF），另一种叫点协同式。分布式协同（DCF）基于具有冲突检测的载波侦听多路存取方法(CSMA/CA)，无线设备发送数据前，先探测一下线路的忙闲状态，如果空闲，则立即发送数据，并同时检测有无数据碰撞发生。这一方法能协调多个用户对共享链路的访问，避免出现因争抢线路而谁也无法通信的情况。它对所有用户都一视同仁，在共享通讯介质时没有任何优先级的规定。

点协同方式（PCF）是指无线接入点设备周期性地发出信号测试帧，通过该测试帧与各无线设备就网络识别、网络管理参数等进行交互。测试帧之间的时间段被分成竞争时间段和无竞争时间段，无线设备可以在无竞争时间段发送数据。由于这种通讯方式无法预先估计传输时间，因此，与分布式协同相比，目前用得还比较少。

IEEE802.11e的EDCF机制

无论是分布式协同还是点协同，它们都没有对数据源和数据类型进行区分。因此，IEEE对分布式协同和点协同在QoS的支持功能方面进行增补，通过设置优先级，既保证大带宽应用的通讯质量，又能够向下兼容普通802.11设备。

对分布式协同（DCF）的修订标准称为增强型分布式协同（EDCF）。增强型分布式协同（EDCF）把流量按设备的不同分成8类，也就是8个优先级。当线路空闲时，无线设备在发送数据前必须等待一个约定的时间，这个时间称为"给定帧间时隙"(AIFS)，其长短由其流量的优先级决定：优先级越高，这个时间就越短。不难看出，优先级高的流量的传输延迟比优先级低的流量小得多。为了避免冲突，在8个优先级之外还有一个额外的控制参数，称为竞争窗口，实际上也是一个时间段，其长短由一个不断递减的随机数决定。哪个设备的竞争窗口第一个减到零，哪个设备就可以发送数据，其它设备只好等待下一个线路空闲时段，但决定竞争窗口大小的随机数接着从上次的剩余值减起。

对点协同的改良称为混和协同(HCF)，混和查询控制器在竞争时段探测线路情况，确定发送数据的起始时刻，并争取最大的数据传输时间。

5.3物理层优化：双频多模无线局域网

双频多模WLAN的引入

IEEE802.11工作组先后推出了802.11a、802.11b，和802.11g物理层标准。丰富多样的标准提升了无线局域网的性能，同时带来了新的问题。如前文所述802.11a和802.11b分别工作在不同频段（802.11a工作在5GHz，而802.11b工作在2.4GHz），采用不同调制方式（802.11a采用OFDM，而802.11b采用CCK方式）。一个采用802.11b标准设备工作站进入一个802.11a标准的小区中（其AP节点采用802.11a的标准设备），无法与AP节点进行联系。因此，其必须更换为同比标准的网络设备，才能正常工作。这就是由不同物理层标准，引起的网络兼容性问题。

图1.8 双频多模无线局域网结构示意图

为了解决上述问题，使不同标准的网络设备可以更为自由的移动，出现了一种无线局域网的优化方式："双频多模"的工作方式。如同有线网的发展进程，现在有线网络主要工作在多模方式下，例如10Mbps/100Mbps混合的局域网加速了有线网络的发展，成为有线局域网的主要工作方式