无线局域网.docx
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无线局域网
无线局域网
4.1无线局域网的含义与特点
无线局域网(WirelessLocalAreaNetworks,WLAN),就是在局部区域内以无线媒介或介质进行通信的无线网络。
无线局域网采用的传输媒体或介质分为射频(RadioFrequency,RF)无线电波和光波两种。
射频无线电波主要使用无线电波和微波,光波主要使
用红外线。
因此无线局域网可分为基于无线电的无线局域网和基于红外线
的无线局域网两大类。
所谓局部区域就是距离受限的区域,它是一个相对的概念,是相对于广
域而言的。
两者的区别主要在于数据传输的范围不同,由此而引起网络设
计和实现方面的一些区别。
介于广域网和局域网之间还有一种局部网络,
称为城域网。
比局域网覆盖范围更小的局域网络称为个域网。
因此,广义
的无线局域网还包括无线城域网(WMAN)和无线个域网(WPAN)。
换句话说,无线网络可以粗略的分为无线广域网和无线局域网两种。
WLAN是一种能在几十米到几公里范围内支持较高数据速率的无线网
络,可以采用微蜂窝,微微蜂窝结构,也可以采用非蜂窝结构。
目前无线
局域网的两个典型标准是IEEE802.11系列标准和HiperLAN系列标准。
无线局域网利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输,可以作为
传统有线网络的延伸,补充或替代。
相比较而言,无线局域网具有以下许
多优点:
安装便捷:
一般在网络建设中,施工周期最长、对周边环境影响最大的,
就是网络布线施工工程。
在施工过程中,往往需要破墙掘地、穿线架管。
而无线局域网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量,一般只要
安装一个或多个接入点AP(accesspoint)设备,就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。
使用灵活:
在有线网络中,网络设备的安放位置受网络信息点位置的
限制。
而一旦无线局域网建成后,在无线网的信号覆盖区域内任何一个位
置都可以接入网络。
经济节约:
由于有线网络缺少灵活性,这就要求网络规划者尽可能地
考虑未来发展的需要,这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。
而一
旦网络的发展超出了设计规划,又要花费较多费用进行网络改造,而无线局
域网可以避免或减少以上情况的发生。
易于扩展:
无线局域网有多种配置方式,能够根据需要灵活选择。
这
样,无线局域网就能胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型
网络,并且能够提供像“漫游(roaming)”等有线网络无法提供的特性。
由于无线局域网具有多方面的优点,所以发展十分迅速。
在最近几年里,无线
局域网已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广
泛应用。
无线局域网并非完美无缺的,也有许多面临的问题需要解决,这些局限
性实际上也是无线局域网必须克服的技术难点。
这些局限性有些是低层技
术方面的问题,需要无线局域网设计者在研发过程中加以考虑;有些则是
应用层面的问题,需要使用者在应用时加以克服和注意。
例如,可靠性,
带宽与系统容量,兼容性与共存性,覆盖范围,干扰,安全性,节能管理,
多业务与多媒体,移动性等,而其中比较重要的是带宽与系统容量和安全
性问题,因为现有的无线局域网的信道带宽远小于有线网的带宽,因此无
线局域网的一个重要的发展方向就是提高系统的传输带宽和系统容量。
而
对于安全性,因为信道的封闭性,在有些网络中存在着固定的安全保障。
但在WLAN中,鉴于无线电波不能局限于网络设计的范围内,因此有被偷
听和恶意干扰的可能性。
目前,无线局域网系统中存在着一些安全漏洞。
以蜂窝移动通信为代表的广域网;以802.11b为代表的无线局域网;
以蓝牙技术为代表的个人区域网;三者的有机结合构成一个完整的无线网
络世界。
由于这些网络在应用场合方面,具有移动性、方便性和低成本的
优势,所以发展很快。
4.1.1无线网络的适用场合
1.移动办公和移动工作;2.会议系统;3.布线困难的场所;4.需要经常改变布线的场所。
4.1.2无线网络的低成本特性
1.硬件投入低;2.增加了可靠性;3.缩短布线时间;4.提高工作效率。
4.2无线局域网的传输介质
与有线网络一样,无线局域网同样需要传输介质。
通常适用红外线或
者无线电波。
4.2.1红外线系统
红外线局域网采用小于1um波长的红外线作为传输媒体。
优点是视距传输,不受其他无线电信号干扰,保密性好;缺点是不能
穿透非透明物体,受环境背景噪声影响大,方向性太强不灵活,应用受到
很大限制。
适用于低成本、跨平台、点到点的高速数据传输。
4.2.2无线电波
采用无线电波作为传输介质是目前无线局域网的主流。
主要使用S频段(2.4~2.4835GHz),即ISM(IndustryScienceMedical)工业科学医疗频段。
属于工业自由辐射频段,不会对人体健康造
成伤害。
4.3无线局域网传输的调制方式
无线局域网传输的调制方式主要有两种调制方式:
扩展频谱方式和窄
带调制方式。
通常使用前者,这里主要讨论扩展频谱方式。
1)扩展频谱方式
扩展频谱(SpreadSpectrum,SS)技术简称为扩频技术。
简单表述如下:
“扩频技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频
带宽度远大于所传信息必需的最小带宽;频带的扩展是通过一个独立的码
序列来完成,用编码及调制的方法来实现,与所传信息数据无关;在接收
端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。
采用扩频技术的优点是:
提高抗干扰能力;进行多址通信和安全保密。
(1)提高抗干扰能力
扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽,而接收端又采用相关检
测的办法来解扩,使有用宽带信息信号恢复成窄带信号,而把非所需信号
扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。
这祥,对于各
种干扰信号,因其在接收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的
成份,信噪比很高,因此抗干扰性强。
对于宽带干扰和脉冲干扰在扩频设备中如何被抑制的物理过程,可以
用图4.1和图4.2加以说明。
对于各种形式人为的(如电子对抗中)干扰或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰,只要波形、时间和码元稍有差异,解扩后仍然保持其宽带性,而
有用信号将被压缩,见图4.1所示。
图4.1扩频系统抗宽带干扰能力示意图
对于脉冲干扰,带宽将被展宽到B,而有用信号恢复(压缩)后,保证高于干扰,见图4.2所示。
图4.2扩频系统抗脉冲干扰能力示意图
由于扩频系统这一优良性能,误码率很低,正常条件下可低到10的-10次方,最差条件下约10的-6次方,完全能满足国内相关系统对通道传输质
量的要求。
当Gp=35dB时,抗干扰容限Mj=22dB,即在负信噪声比(-22dB)条件下,可以将信号从噪声的湮灭中提取出来。
在目前商用的通信系统中,扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件
下的通信方式。
(2)进行码分多址通信
扩频通信提高了抗干扰性能,但付出了占用频带宽的代价。
如果让许多用户共用这一宽频带,则可大为提高频带的利用率。
在扩频通信中,使用扩频码序列的扩频调制,充分利用各种不同码型
的扩频码序列,优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测
技术进行解扩,称为扩频多址通信方式(SSMA)。
在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号,提取出有用信号。
这样一来,在一宽
频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。
(3)安全保密
在无线通信的扩频系统中,利用扩频码的自相关特性,在接收端从多径
信号中提取和分离出最强的有用信号,或把多个路径来的同一码序列的波
形相加合成,这相当于梳状滤波器的作用。
另外,采用频率跳变扩频调制
方式的扩频系统中,由于用多个频率的信号传送同一个信息,实际上起到
了频率分集的作用。
2)扩频通信的几种工作方式
按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可以分为:
(1)直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum)工作方式,简称直扩(DS)方式
所谓直接序列(DS-DirectScquency)扩频,就是直接用具有高码率的扩
频码序列在发端去扩展信号的频谱。
而在收端,用相同的扩频码序列去进
行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
直接序列扩频的原理如图4-3所示。
例如我们用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。
如果采用
平衡调制器,则调制后的输出为二相相移键控信号,它相当于载波抑制的
调幅双边带信号。
输入载波信号的频率为fc,窄脉冲序列的频谱函数为
G(C),它具有很宽的频带。
平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度,而
fc被抑制的双边带的展宽了的扩频信号,其频谱函数为fc+G(C)。
在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器。
可将频谱为fc+G(C)的扩频信号,用相同的码序列进行再调制,将其恢复成原始的载波信号fc。
(2)跳变频率(FrequencyHopping)工作方式,简称跳频(FH)方式
另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频(FH-FrequencyHopping)。
所
谓跳频,比较确切的意思是:
用一定码序列进行选择的多频率频移键控。
也就是说,用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变,
所以称为跳频。
简单的频移键控如2FSK,只有两个频率,分别代表传号和空号。
而跳频系统则有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合
去进行选择控制,不断跳变。
图4-4(a)为跳频的原理示意图。
发端信息码序列与扩频码序列组合以
后按照不同的码字去控制频率合成器。
从图4-4(b)中可以看出在频域上输出频谱在一宽频带内所选择的某些
频率随机地跳变。
在收端,为了解跳跳频信号,需要有与发端完全相同的
本地扩频码发生去控制本地频率合成器,使其输出的跳频信号能在混频器
中与接收信号差频出固定的中频信号,然后经中频带通滤波器及信息解调
器输出恢复的信息。
总之,跳频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带。
(3)跳变时间(TimeHopping)工作方式,简称跳时(TH)方式
与跳频相似,跳时(TH-TimeHopping)是使发射信号在时间轴上跳变。
首先把时间轴分成许多时片。
在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去
进行控制。
可以把跳时理解为:
用一定码序列进行选择的多时片的时移键
控。
由于采用了窄得很多的时片去发送信号,相对说来,信号的频谱也就
展宽了。
图4-5是跳时系统的原理方框图。
在发端,输入的数据先存储起
来,由扩频码发生器的扩频码序列去控制通-断开关,经二相或四相调制
后再经射频调制后发射。
在收端,由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩
频码序列控制通-断开关,再经二相或四相解调器,送到数据存储器和再
定时后输出数据。
只要收发两端在时间上严格同步进行,就能正确地恢复
原始数据。
跳时也可以看成是一种时分系统,所不的地方在于它不是在一帧中固
定分配一定位置的时片,而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的
时片。
跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。
由于简单的跳时抗干拢性不强,很少单独使用。
跳时通常都与其他方
式结合使用,组成各种混合方式。
(4)宽带线性调频(ChirpModulation)工作方式,简称Chirp方式
如果发射的射频脉冲信号在一个周期内,其载频的频率作线性变化,
则称为线性调频。
因为其频率在较宽的领带内变化,信号的频带也被展宽了。
这种扩频
调制方式主要用在雷达中,但在通信中也有应用。
图4-6是线性调频的示意图。
发端有一锯齿波去调制压控振荡器,从而产生线性调频脉冲。
它和扫
频信号发生器产生的信号一样。
在收端,线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩,把能量集中在一
个很短的时间内输出,从而提高了信噪比,获得了处理增益。
匹配滤波器
可采用色散延迟线,它是一个存储和累加器件。
其作用机理是对不同频率
的延迟时间不一样。
如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出,
则匹配滤波器起到了脉冲压缩和能量集中的作用。
匹配滤波器输出信噪比
的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。
一般,线性调频在通信中很少
应用。
4.4无线局域网的组成结构
1)点对点Ad-Hoc对等拓扑结构,相当于有线网络中的多机(一般最多是3台机)直接通过网卡互联,中间没有集中接入设备[没有无线接入点(AP)],信号是直接在两个通信端点对点传输的,如图4.7所示。
图4.7Ad-Hoc对等无线局域网拓扑结构
在有线网络中,因为每个连接都需要专门的传输介质,所以在多机互
连中,一台中可能要安装多块网卡。
而在WLAN中,没有物理传输介质,
信号不是通过固定的传输作为信道传输的,而是以电磁波的形式发散传播
的,所以在WLAN中的对等连接模式中,各用户无须安装多块WLAN网卡,相比有线网络来说,组网方式要简单许多。
Ad-Hoc对等结构网络通信中没有一个信号交换设备,网络通信效率较
低,所以仅适用于较少数量的计算机无线互连(通常是在5台主机以内)。
由于这一模式没有中心管理单元,所以这种网络在可管理性和扩展性方
面受到一定的限制,连接性能也不是很好。
而且各无线节点之间只能单点
通信,不能实现交换连接,就像有线网络中的对等网一样。
这种无线网络
模式通常只适用于临时的无线应用环境,如小型会议室,SOHO家庭无线网络等。
2)基于无线AP的Infrastructure拓扑结构
基于无线AP的Infrastructure(基础)结构,与有线网络中的星型交换模
式一样,属于集中式结构类型,其中的无线AP相当于有线网络中的交换机,
起着集中连接和数据交换的作用。
在这种无线网络结构中,除了需要像
Ad-Hoc对等结构中在每台主机上安装无线网卡,还需要一个AP接入设备,俗称“访问点"或“接入点"。
这个AP设备就是用于集中连接所有无线节点,
并进行集中管理的。
一般的无线AP还提供了一个有线以太网接口,用于与有线网络、工作
站和路由设备的连接。
基础结构网络如图4—8所示。
4.8基于无线AP的Infrastructure拓扑结构
这种网络拓扑结构模式的特点,主要表现在网络易于扩展、便于集中管
理、能提供用户身份验证等优势,另外数据传输性能也明显高于Ad-Hoc对等结构。
在这种AP网络中,AP和无线网卡还可针对具体的网络环境调
整网络连接速率,如11Mbps的IEEE802.11b可使用速率可以调整为1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps4档;54Mbps的IEEE802.11a和IEEE802.11g的则更是方便地在54Mbps、48Mbps、36Mbps、24Mbps、18Mbps、12Mbps、11Mbps、9Mbps、6Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps共12个不同速率下动态转换,以发挥相应网络环境下的
最佳连接性能。
理论上一个IEEE802.11b的AP最大可连接72个无线节点,实际应用中考虑到更高的连接需求,我们建议为10个节点以内。
其实在实际的应用环境中,连接性能往往受到许多方面因素的影响,所以实际连接速率要
远低于理论速率,如上面所介绍的AP和无线网卡可针对特定的网络环境动
态调整速率。
对于带宽要求较高(如多媒体教学、电话会议和视频点播等)
的应用,最好单个AP所连接的用户数少些;对于简单的网络应用可适当多
些。
同时,要求单个AP所连接的无线节点要在其有效的覆盖范围内,这个
距离通常为室内100米左右,室外可达300米左右。
如果是IEEE802.11a或IEEE802.11g的AP,因为它的速率可达到54Mbps,有效覆盖范围也比IEEE802.11b的大1倍以上,理论上单个AP的理论连接节点数在l00个以上,但实际应用中所连接的用户数最好在
20个左右。
基础结构的无线局域网不仅可以应用于独立的无线局域网中,如小型办
公室无线网络、SOHO家庭无线网络,也可以以它为基本网络结构单元组
建成庞大的无线局域网系统,如ISP在“热点"位置为各移动办公用户提供的无线上网服务。
要充分考虑各AP所用的信道,在同一有效距离内只能使
用3个不同的信道。
如图4.9所示的是一办公楼的无线网络方案,各楼层中的无线网络用
户通过一条宽带接入线路与因特网连接。
无线网络与有线网络连接的网络
结构与图4—8差不多,不同的只是图中的交换机通常要与公司有线网络的
核心交换机相连,而不是直接连接其他网络或无线设备。
图4.9办公楼无线网络拓扑结构
4.4IEEE802.11协议
IEEE802.11系列标准的协议体系如图1所示。
LLC(LogicalLinkControl)层与其他IEEE802局域网一样并共用,而MAC子层为多种物理层标准所共用。
在IEEE802.11系列标准中,通常把相对复杂的物理层又进一步划分
为物理层会聚过程(PhysicalLayerConvergenceProcedure,PLCP)子层,物理媒体依赖(PhysicalMediumDependent,PMD)子层和物理层管理子层。
PLCP子层将MAC帧映射到媒体上,主要进行载波监听的分析和针对不同
的物理层形成相应格式的分组。
PMD子层用于识别相关媒体传输的信号所
使用的调制和编码技术,完成这些帧的发送。
物理层管理子层为物理层进
行信道选择和协调。
MAC层也分为MAC子层和MAC管理子层。
MAC子层负责访问机制的实现和分组的拆分与重组。
MAC管理子层负责ESS散步管理,电源(节能)管理,以及联结过程中的联结,解除联结和重新联结等过程的管理。
此外,IEEE802.11还定义了一个站管理子层,其主要任务是协调物
理层和MAC层之间的交互作用。
综合考虑多个标准工作组的研究情况,
IEEE802.11x标准较为完整的协议体系如图2。
4.4.1无线局域网MAC层
在无线局域网领域,IEEE802.11WLANMAC/PHYspecification是国际性权威标准。
这个标准包含着MAC层的技术资料和PHY层的通讯协议。
迄今为止在802.11家族中使用最广泛的是802.11b,它选用的是2.4GHz的频段,传输速率为11Mbps。
其它的还有802.11a,它使用的是5GHz的频段,而传输速率为54Mbps。
最新的是802.11g,它虽然也选用2.4GHz的频段,但能提供54Mbps的传输速率。
在IEEE802.11标准中媒体访问控制(MAC)协议是主体部分,因为它决定了在有限的无线信道带宽下共享信
LLCIEEE802.2道的方式和效率。
IEEE802.11e-Qos扩展
IEEE802.11i-安全扩展
IEEE802.11MAC
分段重装
WEPMAC控制
-同步
RTS,CTS,ACK-节电
-信标协调功能(DCF,PCF)
SIFS,PIFS,DIFS,EIFSCSMA/CA
物理层
IEEE802.11-1/2Mb/s2.4GHz
IEEE802.11a-54Mb/smaxOFDM5GHzIEEE802.11b-11Mb/smaxCCK2.4GHz
IEEE802.11g-54Mb/smaxOFDM2.4GHz
图2IEEE802.11x标准较为完整的协议体系
网络的性能(吞吐量,时延)主要取决于MAC子层的接入协议,而且系统的频谱利用率,系统容量,小区结构,设备的复杂度和成本等也受MAC
协议的影响。
所以,选择适当的MAC子层规范,根据网络业务特征有效的
配置信道资源,提高无线资源的使用效率,提高系统的容量和传输质量,
是无线网络研究的重要课题。
IEEE802.11MAC子层的功能首先是为MAC子层用户提供可靠的数
据传输。
通过MAC子层帧交换协议,IEEE802.11相对于以前的WLAN而言,大大提高了在无线媒介上的数据传输可靠性,MAC子层还能够实现对共享媒介访问的公平控制。
该功能通过以下两种访问机制来实现。
IEEE802.11标准MAC协议中,规定了两种媒体访问方式:
DCF(DistributedCoordinationFunction)方式和PCF(PointCoordination
Function)方式。
DCF是一种异步数据传输方式,适用于时延要求低的数据
服务,采用的是载波监听多址访问/碰撞避免(CSMA/CA)机制。
当数据报发送产生碰撞时,则由二进制指数退避算法来管理数据报的重发。
DCF方式中又描述了两种数据报发送时所采用的方法。
一种为基本访问方法,另
一种为可选的RTS/CTS(RequestToSend/ClearToSend)方法。
RTS/CTS方法可解决隐藏终端和数据报过大时信道效率下降等的问题。
PCF方式为可选的服务方式,提供无竞争的帧传送。
它采用轮询的方式来降低碰撞,
适用于时延要求高的数据服务,如:
语音,图像等。
CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,载波监听多点接入/避免冲撞)是一种基本的访问方式,而在以太网中最常用
的是CSMA/CD(CollisionDetection冲突检测)。
一方面,载波侦听----查看介质是否空闲;另一方面,避免冲撞----通过随机的时间等待,使信号冲突
发生的概率减到最小,当介质被侦听到空闲时,优先发送。
不仅如此,为
了系统更加稳固,IEEE802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。
在一旦遭受其他噪声干扰,或者由于侦听失败时,信号冲突就有可能发生,
而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。
在IEEE802.11标准中CSMA/CA机制由二进制指数退避算法来实
现。
采用碰撞避免而非碰撞检测(CSMA/CD)是因为无线设备在发送时不能
同时监听,通常发送和接受数据报都由一根天线来完成。
退避算法是在(0,,,1)中,随机选择一个数作为退避时间计数,计数为0时则发送数据报;
,如果数据报发生冲突,则乘以2后重新开始退避,其中为竞争窗口,其
CWCWmax值与数据报发送失败重发的次数有关,取值范围为(min,)。
但是,二进制退避算法存在着公平性等的一些问题。
一些站点能达到
比其他站点更大的吞吐量。
公平性问题的发生是由于该算法把成功发送的
站点的竞争窗口重置为CWmin,而此时其他站点仍然维持着较大的竞争窗口,
这就降低了它们竞争信道的机会,从而导致信道被成功发送的站点控制。
无线局域网的第一个版本发布于1997年,其中定义了媒体层(MAC层)和物理层。
物理层定义了工作在2.4GHz的ISM頻段上的两种无线调频方式和一
种红外传输的方式,总数据传输速率设计为2Mbit/s。
两个设备之间的通信
可以设备到设备(adhoc)的方式进行,也可以在基站(BaseStation,BS)或者访问点(AccessPoint,AP)的协调下进行。
为了在不同的通讯环境下,取得良好的通讯质量,采用CSMA/CA(CarrierSenseMultiAccess/CollisionAvoidance)方式。
1999年增加两
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