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wifi技术论文
第1章绪论
1.1引言
随着网络技术和手机用户对无线通讯的需求与日俱增,出现了越来越多的无线通讯协议,直接带动了全球WiFi设备呈现迅猛增长的态势,WiFi在互联网时代作为一种短距离无线传输的技术应用,以其独有的优势备受各界的关注。
目前我们上网主要采用的是有线接入的方式,正因为这样的接入方式,导致了我们享受网络咨询的同时,受到了上网地点的限制,从而使网络咨询的快速传达大打折扣。
而WiFi技术,就解决了这一难题。
不仅如此,WiFi作为一种更加方便的接入方式,在同样身为无线接入方式的3G技术,Wi-MAX等技术中也有着自己的优势。
3G传输速率只有2M,而且还只限于话音跟数据业务,而Wi-MAX的构建更加的复杂,WiFi与之相比,有着更快的传输速率,更丰富的业务和更简单的构建方法,所以WiFi必将在未来很长一段时间内占据这无线接入方式的主流地位[1]。
随着我国WiFi网络技术建设的加速发展,各大场所的WiFi热点数量会越来越多,相信将来无线上网的WiFi创新应用一定会有更大的市场空间。
1.2WiFi产生的背景及意义
无线网络是IEEE定义的无线网技术,在1999年IEEE官方定义802.11标准的时候,选择并认定了CSIRO发明的无线网技术是世界上最好用的无线技术,因此CSIRO的无线网技术标准就成了2010年无线保真的核心技术标准[2]。
1996年,美国网络通讯设备大厂朗讯率先发起成立无线以太兼容性联盟,着手创立无线网络协议,发展起初发展不顺,声势远落蓝牙之后。
1999年,WECA更名为WiFi联盟,再度架构一套认证标准,提出通行业界的无线网络技术--802.11一系列规格,包括802.11.b、802.11.a、802.11.等。
WiFi作为802.11b的昵称,与以太网络作为IEEE 802.3的昵称道理一样。
经过WiFi联盟兼容性测试的无线网络产品,即使制造商不同,也可互通与兼容,如PCMCIA无线网卡、USB无线模块等。
根据WiFi联盟数据显示,自2000年联盟开始进行认证以来,截止2002年底约有680项产品已获得WiFi认证。
WiFi技术从提出到现在已经在电信业和IT业引起了广泛的关注和应用。
WiFi技术在全球的商用范围很广,用户量巨大,有较为广泛的应用,除了运营商经营以外,包括政府、企业和个人在内,在公共场合、企业内部、家庭都有应用。
凭借良好的市场应用基础和快速发展的用户规模,WiFi创新应用的市场空间会越来越大,会对人们的日常生活产生更加深远的影响。
1.3国内外发展现状
在我国的大中城市中,许多服务性营业场所和图书馆,办公楼等公共场所都已经被WiFi信号覆盖,在这些区域携带支持WiFi的终端即可接入互联网。
随着无线城市概念的提出,许多国家和地区都提出来了WiFi网络覆盖计划。
2008年香港提出了香港政府WiFi通计划。
计划在指定的公共场所设置AP,让所有市民都能免费的接入互联网。
另外,据一份WiFi联盟的数据显示,中国已经成为WiFi需求量最大的市场。
WiFi在中国的渗透率达到21.8%。
到2016年,预计中国将新增1.1亿个WiFi家庭,占全球WiFi家庭总量的31%。
在全球WiFi热点部署中,68.6%的WiFi热点在亚太地区部署,拉丁美洲占了12.3%,欧洲占了9%,北美占了8.7%,中东及非洲地区则仅有1.4%。
在亚太地区,仅中国就已部署了62万个WiFi热点[3]。
预计2017年末的WiFi设备累计出货量将接近200亿台,并且将在2013年-2018年之间继续保持15%的年复合增长率,届时将超过1.05亿个[4]。
第2章WiFi技术概述
2.1WiFi简介
“WiFi”是WirelessFidelity的缩写,即无限局域网,是一种可以将个人电脑、手持设备(如pad、手机)等终端以无线方式互相连接的技术,事实上它是一个高频无线电信号。
无线保真是一个无线网络通信技术的品牌,由Wi-Fi联盟所持有。
目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性[5]。
有人把使用IEEE 802.11系列协议的局域网就称为无线保真。
甚至把无线保真等同于无线网际网路(Wi-Fi是WLAN的重要组成部分)
由于作为WiFi产品的标准是遵循IEEE所制定的802.11x系列标准,所以一般所谓的802.11x系列标准都属于WiFi。
而目前最流行的标准就是802.11b,也就是无线的标准协议。
该标准从802.11的2MB基础带宽增加到11MB,达到局域网水平,而且802.11g还可以兼容802.11b,因此成为市场新贵[6]。
2.2WiFi技术的发展
WiFi产品的标准是遵循IEEE——美国电工电子技术协会所制定的802.11系列标准,它是美国电机电子工程师协会为解决无线网络设备互连,于1997年6月制定发布的无线局域网标准。
所以一般所谓的802.11X系列标准都属于WiFi。
IEEE802.11主要用于解决办公室局域网和校园中用户与用户终端的无线连接,其业务主要局限于数据访问,速率最高只能达到2Mbps。
由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要,因此,IEEE又相继推出了802.11b,802.11a和802.11g3个新标准,下面分别进行简要的介绍。
IEEE802.11标准的制定推动了无线网络的发展,但由于传输速率只有1~2Mbps,该标准未能得到广泛的发展与应用。
1999年,IEEE通过了新的IEEE802.11a和IEEE802.11b标准。
IEEE802.11b定义了使用直接序列扩频调制技术,在2.4GHz频带实现速率为11Mbps的无线传输。
由于DSSS技术的实现比OFDM容易,IEEE802.11b标准的发展比IEEE802.11a快得多,在1999年年末首先出现了支持IEEE802.11b标准的产品,随后得到广泛商用,并通过互通性测试。
IEEE802.11b已成为当今WLAN的主流标准。
随着用户需求的增加,又诞生了IEEE802.11a标准,该标准工作在5GHz频段,最大速率可达54Mbps。
采用OFDM调制技术的IEEE802.11a标准与IEEE802.11b相比,具有两个明显的优点:
第一,提高了每个信道的最大传输速率(11~54Mbps)第二,增加了非重叠的信道数。
2002年年初,首次出现了支持IEEE802.11a标准的产品。
2001年1月,IEEE802.11g标准以草案的形式面世,在2003年5月以成为正式标准。
IEEE802.11g标准既能提供与IEEE802.11a相同的传输速率,又能与已有的IEEE802.11b设备后向兼容[7]。
IEEE802.11g也工作在ISM2.4GHz频段,在速率不大于11Mbps时,仍采用DSSS调制技术;当传输速率高于11Mbps时,则采用传输效率更高的OFDM调制技术。
虽然IEEE802.11高的传输效率高,但是性能却下降许多。
2.3WiFi技术优点
(1)无需布线
WiFi最主要的优势在于不需要布线,可以不受布线条件的限制,因此非常适合移动办公用户的需要,具有广阔市场前景。
目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去,甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。
(2)简单的组建方法
一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP,如此便能以无线的模式,配合既有的有线架构来分享网络资源,架设费用和复杂程序远远低于传统的有线网络。
如果只是几台电脑的对等网,也可不要AP,只需要每台电脑配备无线网卡。
它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。
有了AP,就像一般有线网络的Hub一般,无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。
特别是对于宽带的使用,WiFi更显优势。
有线宽带网络ADSL、小区LAN等到户后,连接到一个AP,然后在电脑中安装一块无线网卡即可。
普通的家庭有一个AP已经足够,甚至用户的邻里得到授权后,则无需增加端口,也能以共享的方式上网。
(3)长距离工作
无线WiFi的工作距离不大,在网络建设完备的情况下,802.11b的真实工作距离可以达到100米以上,而且解决了高速移动时数据的纠错问题、误码问题,WiFi设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证都得到了很好的解决。
第3章WiFi技术的原理
WiFi技术是目前最主流的无线网络标准,虽然标准在很久以前就已经制定了,但是由于技术不成熟所导致的传输速度慢(遗失数据严重),使得市场接受程度偏低。
不过自从英特尔公司向市场推出名为迅驰(Centrino)的无线整合技术后,整个无线网络市场又被重新挖掘出来。
WiFi正逐渐走向成熟,下面就来介绍下这种逐渐被社会认可的技术的系统原理。
3.1WiFi关键技术
WiFi所遵循的802.11标准是以前军方所使用的无线电通信技术。
而且,至今还是美军军方通信器材对抗电子干扰的重要通信技术。
因为,WiFi中所采用的SS(SpreadSpectrum,展频)技术具有非常优良的抗干扰能力,并且当需要反跟踪、反窃听是同时具有很出色的效果,所以不需要担心WiFi技术不能提供稳定的网络服务。
而常用的展频技术有如下4种:
DD-SS直序展频,FH-SS调频展频,TH-SS跳时展频,C-SS连续波调频。
在上面常用的技术中,前两种展频技术很常见,也就是DS-SS和FH-SS。
后两种则是根据前面的技术加以变化,也就是TH-SS和C-SS通常不会单独使用,而且整合到其他的展频技术上,组成信号更隐密、功率更低、传输更为精确的混合展频技术。
综合来看展频技术有以下方面的优势:
反窃听,抗干扰,有限度的保密[3]。
(1)直序扩频技术[11]
直接序列序列扩频系统又称为直接序列调制系统或伪噪声系统,简称直扩系统,是目前应用较广的一种扩频系统。
直扩系统的组成原理框图如图3-1所示其中(a)是发射端(b)是接收端。
图3-1直扩系统原理框图
由信源输出的信号a(t)是码元持续时间Ta的信息流,伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t),每一伪随机码码元宽度为Tc,将信码a(t)与伪随机码c(t)进行模2加,产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列,然后再用扩频序列去调制载波,这样就得到已扩频调制的射频信号。
在接收端,接收到的扩频信号经高放和混频后,用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩,将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带,即为中频调制信号;然后再进行解调,恢复出所传输的信号a(t),从而完成信息传输。
对于干扰信号和噪声而言,由于与伪随机序列不相关,在相关解调器的作用下,相当于进行了一次扩频。
干扰信号和噪声频带被扩展后,其谱密度降低,这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率,使解调器的输入信噪比和信干比提高,从而提高了系统的抗干扰能力。
(2)跳频技术[11]
跳频技术(Frequency-HoppingSpreadSpectrum,FH-SS)技术,是指把整个带宽分割成不少于75个频道,每个不同的频道都可以单独的传送数据。
当传送数据时,根据收发双方预定的协议,在一个频道传送一定时间后,就同步“跳”到另一个频道上继续通信,其原理框图如图3-2所示:
图3-2跳频系统原理框图
用信源产生的信息流a(t)去调制频率合成器产生的载频,得到射频信号。
频率合成器产生的载频受伪随机码控制,按一定规律跳变。
在接收端,接收到的信号与干扰经高放滤波器后送至混频器。
接收机的本振信号也是一种频率跳变信号,发端的本振和收端的本振的跳变规律相同。
两个合成器产生的频率相对应,但对应的频率有一频差为fI,正好为接收机的中频。
只要收发双方的伪随机码同步,就可以得到一不变的中频信号,再对中频信号进行解调,就可以恢复出发送的信息。
(3)OFDM技术[10]
它是一种无线环境下的高速多载波传输技术。
其主要思想是:
在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,各子载波并行传输,从而能有效的抑制无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰(ISI).这样就减少了借手机内均衡的复杂度,有时甚至可以不采用均衡器,仅通过插入循环前缀的方式消除ISI的不利影响。
OFDM技术有非常广阔的发展前景,已成为第四代移动通信的核心技术。
IEEE802.11a,g标准为了支持高速数据传出都采用了OFDM调制技术。
目前,OFDM结合时空编码、分集、干扰(包括符号间干扰ISI)和邻道干扰(ICI)抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了物理层的可靠性;如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配和动态比特分配算法等技术,可以使其性能进一步优化。
3.2WiFi协议
3.2.1WiFi协议框架
与蓝牙一样,WiFi的协议体系遵循OSI参考模型如图3-3所示协议架构如图3-4所示:
图3-3OSI参考模型
图3-4WiFi协议体系
物理层:
802.11b定义了工作在2.4GHzISM频段上数据传输率为11Mbps的物理层,使用跳频扩频传输技术(Frequency-HoppingSpread、Spectrum,FHSS)和直接序列扩频传输技术
MAC层:
MAC层提供了支持无线网络操作的多种功能。
通过MAC层站点可以建立网络或接入已存在的网络,并传送数据给LLC层。
MAC层采用CSMA∕CA协议。
即总线型局域网在MAC层得标准协议是CSMA/CD,但是由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突,因此802.11定义了一种新的协议,就是CSM/MA。
它一方面经行载波真挺,以查看介质是否空闲;另一方面通过随机的时间等待,使得信号冲突发生的概率减到最小,比避免冲突。
当侦听到介质空闲时,优先发送。
不仅如此,为了系统更加稳固,802.11还提供了带确认(ACK)的CSMA/CA。
一旦遭受其他噪声干扰或者在侦听失败时,就有可能发生信号冲突,儿这种工作于MAC层得ACK此时能够提供快速的恢复能力[7]。
LLC层:
IEEE802.11使用与IEEE802.2完全相同的LLC层和48位MAC地址,这使得无线和有线之间的桥接非常方便。
但MAC地址只对WLAN唯一确定。
网络层:
采用IP协议,是互联网中最重要的协议,规定了在互联网上进行通信时应遵守的准则。
传输层:
采用TCP/UDP协议,TCP是面向连接的协议,可以提供IP环境下的可靠传输;UDP是面向非连接的协议,不为IP提供可靠性传输。
对于高可靠的应用,传输层一般采用TCP协议。
应用层:
根据应用需求实现,如HTTP协议、DNS(Domainnamesystem,域名解析系统)协议。
3.2.2TCP/IP协议[10]
TCP的可靠传输控制方法:
首先,TCP协议采用确认机制和流量控制等机制保证数据传送的正确性。
其次,采用TCP进行传送时,发送端通过发送计时器控制数据包的确认。
如果特定时间内没有接收到数据发送确认信息,则发送端就认为数据包已经丢失,随之进行数据包的重发。
最后,在接收端,错误的IP数据包将被重新排序,重复的数据包将被丢弃。
从而保证正确的IP数据包序列传送到应用层。
TCP的慢启动与拥塞控制机制:
如果发送端所传送的数据量过大,超出了网络的传送能力或者接收端的接收能力和处理能力,将可能造成网络拥塞,即数据包虽然被送上网络,但大多数数据包本身或其相应的确认在到达目的地之前被中间路由器丢弃,将引起发送端数据重传,使拥塞问题恶化。
在TCP/IP进行传送数据时,使用的可靠传输和流量控制机制包括慢启动机制、拥塞避免机制和快速重传与快速恢复机制。
3.3WiFi技术结构
3.3.1WiFi技术的网络结构
(1)参考模型
无线局域网由端站(STA)、接入点(AP)、接入控制器(AC)、AAA服务器以及网元管理单元组成,其网络参考模型如图3-5所示。
AAA服务器是提供AAA服务的实体,在参考模型中,AAA服务器支持RADIUS协议。
Portal服务器适用于门户网站推送的实体,在Web认证是辅助功能完成认证功能[5]。
图3-5无线局域网网络参考模型
(2)接口定义
在该网络模型中,定义了如下接口。
WA接口:
STA和接入点之间的接口,即空中接口。
WB接口:
接入点和接入控制器之间该接口为逻辑接口,可以不对应具体的物理接口。
WT接口:
STA和用户终端的接口;该接口为逻辑接口,可以不对应具体的物理接口。
WU接口:
公共无线局域网(PWLAN)与Internet之间的接口。
WS接口:
AC与AAA服务器之间的接口;该接口为逻辑接口,可以不对应具体的物理接口。
WP接口:
AC与Portal服务器之间的接口;该接口为逻辑接口,可以不对应具体的物理接口。
WM接口:
公众无线局域网网元管理单元之间的接口,该接口为逻辑接口。
(3)网络单元功能
在该无线局域网网络参考模型中,各个网络单元的功能如下所述。
端站(STA)是无线网络中的终端,可以通过不同接口接入计算机终端,也可以是非计算机终端上的嵌入式设备;STA通过无线链路接入AP,STA和AP之间的接口为空中接口。
接入点(AP)通过无线链路和STA进行通信;无线链路采用标准的空中接口协议;AP和STA均为可以寻址的实体;AP上行方向通过WB接口采用有线方式与AC连接。
接入控制器(AC)在无线局域网和外部网之间充当网管功能;AC将来自不同AP的数据进行汇聚,与Internet相连;AC支持用户安全控制、业务控制、计费信息采集及对网络的监控;AC可以直接和AAA服务器相连,也可以通过IP城域网骨干网(支持Radius协议)相连;在特定的网络环境下,接入控制器AC和接入点AP对应的功能可以在物理实现上一体化。
AAA服务器具备认证、授权和计费(AAA)功能;AAA服务器在物理上可以由具备不同功能的独立的服务器构成,即认证服务器(AS)、授权服务器和计费服务器;认证服务器保存用户的认证信息和相关属性,当接收到认证申请时,支持在数据库中对用户数据的查询;在认证完成后,授权服务器根据用户信息授权用户具有不同的属性;在本标准中,AAA服务器即支持RADIUS协议的服务器。
Portal服务器负责完成PWLAN用户门户网站的推送,Portal服务器为必选网络单元。
3.3.2WiFi技术的拓扑结构
无线局域网的拓扑结构可归纳为两类,即无中心网络和有中心网络[7]。
(1)无中心网络
无中心网络是最简单的无线局域网结构,又称为无AP网络,对等网络或Ad-Hoc(特别)网络,它由一组有无线接口的计算机(无线客户端)组成一个独立基本服务集(IBSS),这些无线客户端由相同的工作组名、ESSID和密码,网络中任意两个站点之间均可直接通信。
无中心网络的拓扑结构如图3-6所示。
无中心网络一般使用公用广播信道,每个站点都可竞争公用信道,而信道接入控制(MAC)协议大多采用CSMA(载波监测多址接入)类型的多址接入协议。
这种结构的优点是:
网络抗毁性好、建网容易、成本较低。
这种结构的缺点是:
当网络中用户数量(站点数量)过多时,激烈的信道竞争将直接降低网络性能。
此外,为了满足任意两个站点均可直接通信,网络中的站点布局受环境限制较大。
因此,这种网络结构仅适应于工作站数量相对较少(一般不超过15台)的工作群,并且这些工作站应离得足够近。
图3-6无中心网络的拓扑结构
(2)有中心网络
有中心网络也成结构化网络,它由一个或多个无线AP以及一系列无线客户端构成,网络拓扑结构如图3-7所示。
在有中心网络中,一个无线AP以及与其关联(Associate)的无线客户端被称为一个BSS(BasicServiceSet,基本服务集),两个或多个BSS可构成一个ESS(ExtendedServiceSet,扩展服务集)。
图3-7有中心网络的拓扑结构[4]
有中心网络使用无线AP作为中心站,所有无线客户端对网络的访问均由无线AP控制。
这样,当网络业务量增大时,网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不强烈。
由于每个站点只要在中心站覆盖范围内就可与其他站点通信,故网络布局受环境限制比较小。
此外,中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑访问点。
有中心网络拓扑结构的弱点是:
抗毁性差,中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪,并且中心站点的引入增加了网络成本。
虽然在IEEE802.11标准中并没有明确定义构成ESS的分布式系统的结构,但目前大都是指以太网。
ESS的网络结构只包含物理层和数据链路层,不包含网络层及其以上各层。
因此,对于IP等高层协议IP来说,一个ESS就是IP子网。
3.4WiFi的传输方式
传输方式设涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。
目前,无线局域网采用的传输媒体主要有两种,即微波与红外线。
按照不同的调制方式,采用微波作为传输媒体的无线局域网又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。
微波和红外线都属于电磁波。
3.4.1数据的传输
当把数据传送到一个近距离的设备时,可以通过网络连接进行同步输出到远程的接收设备。
而且,在传送过程中能同时传输整个字节(8位)的数据,或是多个字节,这样就可以整个传输速度大幅度提升。
但是,对于远距离的传输则可能会因为传送信号被干扰,导致不能同时传送多个字节。
接收方必须对所收到的数据进行ErrorChecking(侦错)操作,以确保传输数据的正确性。
若发现收到的数据中又不符合侦错算法的内容,那么就会使用一定的措施来修复该错误,例如要求发送方重新发送被侦察到的错误位或字节。
对于无线局域网来说,因为其技术跟有线局域网是相似的,所以在每个接受通信前都会有三次“握手”的过程。
这三次“握手”可以保证传送数据的双方能在可靠的连接下进行通信。
(1)握手
在传送数据前,发送方并不会立即把数据传送到网络上。
因为发送方并不清楚接收方是否能立即处理数据。
所以为了避免发送过去的数据被接收方“置之不理”,会先发送一个要求同步的握手要求。
当接收方收到这样的要求,而且接收方也有足够的资源接收时,就会返回响应要求的包。
在发送和接收双方之间经过三次“握手”操作后,就能确立一条持续通信的网络连接。
图3-8三次握手
(2)寻找目的地
通常一个连接需要建立时,首先要确认连接是连接好的(即使是发送∕接受双方之间有路由器等设备,把双方分割的两个不同子网络之间连接也算在该范围之内)。
但由于WiFi是利用无线电波传送数据,所以在建立无线网络时并不需要有直接的设备连接。
在传输介质能连接后,设备就一直处于连接状态,直到设备被断开电源。
但是该状态的连接并没有附带任何可以作为实际应用中用到的信息,例如IP地址、路由信息等内容。
所以,需要利用操作系统为这些连接进行初次系统级别的连接操作——handshaking。
虽然在许多连接种类中,大部分都能传送高品质的语音或者是简单的数据传输功能。
但是,对于大规模数字数据的传输则显得有点力不从心。
这是因为这些连接所使用的连接是使用连接不断的通信,一旦在传输数据过程中连接受到干扰,那么所传送的大规模的数据就会发生错误。
所以,为了传送大规模数字数据,就要把数据分成一块块的、空间占用比较小的数据,也就是所谓的packets(数据包)。
这些packets是从一个数据信息中切割出来的,并且通过系统封装为packets。
所谓的封装,就是把切割出来的数据整合到网络传输格式中去。
所封装的packets会包含许多信息,例如数据的目的地、内容的大小等。
每一个包中都会包含目的地的IP地址以及邻近的序列号,这样在发送过程中就会根据序列号侦测没有到达目的地的包,并且根据该号码重新组合为信息。
所以,无线网络传送包要经过切割信息、封装(把目的地的IP地址封装到包)、发送到目的地、解开包、重组信息的步骤,而这些传送操作,对于用户而言,却不会感觉到烦琐的操
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