計算機網(wǎng)絡(luò)筆記四 無線局域網(wǎng)

1、隨著便攜筆記本和智能手機的普遍使用，人們希望不論在何時、何地都能夠與任何人進行包括數(shù)據(jù)、語音、圖像和視頻等任何內(nèi)容的通信。在這樣的大背景下，無線網(wǎng)受到越來越多的關(guān)注，成為近年來發(fā)展最快的計算機網(wǎng)絡(luò)。無線局域網(wǎng)是無線網(wǎng)絡(luò)中最重要的。4.1 無線網(wǎng)絡(luò)4.1.1無線網(wǎng)絡(luò)介紹無線網(wǎng)絡(luò)是利用無線介質(zhì)（無線電波、紅外線和激光等）作為信息傳輸媒介而構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡(luò)。按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理范圍分為無線廣域網(wǎng)（WWAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個域網(wǎng)（WPAN）。 1. 無線廣域網(wǎng)無線廣域網(wǎng)（WWAN）是指傳輸范圍可跨越國家或不同城市的無線網(wǎng)絡(luò)，由于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大

2、，需要運營商來架設(shè)及維護整個網(wǎng)絡(luò)。通常我國WWAN指的就是幾大電信運營商（中國移動、中國電信、中國聯(lián)通等）的移動通信網(wǎng)。用戶可以通過遠程公用網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)建立無線網(wǎng)絡(luò)連接，通過使用由運營商負責維護的若干天線基站或衛(wèi)星系統(tǒng)，覆蓋若干城市或者國家（地區(qū)）。目前，WWAN的應用形式包括全球數(shù)字移動電話系統(tǒng)（GPRS）、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字包數(shù)據(jù)（CDPD）和多址代碼分區(qū)訪問（CSMA）。WWAN標準由IEEE 802.20和3G蜂窩移動通信系統(tǒng)構(gòu)成。WWAN應用如圖4.1和圖4.2所示。圖4.1圖4.21. 無線城域網(wǎng)無線城域網(wǎng)（WMAN）通常用于城市范圍內(nèi)，其有效覆蓋區(qū)域為210km，最大可達到30km，數(shù)據(jù)

3、傳輸速率最快可達70Mbps。WMAN采用IEEE 802.16標準，采用WiMAX和WiMesh。(1) WiMAX。全球微波接入互操作性網(wǎng)絡(luò)。采用IEEE802.16標準，范圍覆蓋50KM，點對點、點對多點的固定接入。如圖4.3所示。圖4.3(2) WiMesh，無線網(wǎng)狀網(wǎng)。支持多點對多點網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；采用移動自組織結(jié)構(gòu)；每個接入設(shè)備是并列關(guān)系；覆蓋范圍5KM，傳輸速率6Mb/s; 移動汽車時可達1-1.5Mb/s。如圖4.4所示。圖4.41. 無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）是以太網(wǎng)和無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無線方式實現(xiàn)傳統(tǒng)以

4、太網(wǎng)的所有功能。主要用于寬帶家庭、辦公大樓以及園區(qū)內(nèi)部。WLAN采用IEEE 802.11系列標準。1. 無線個域網(wǎng)無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）也叫無線個人網(wǎng)，是指在個人活動范圍內(nèi)所使用的無線網(wǎng)絡(luò)，主要用途是讓個人使用的手機、PDA、筆記本等可互相通信，交換數(shù)據(jù)。其典型的傳輸距離為幾米，目前主要技術(shù)為藍牙（Bluetooth）和超寬帶（UWB）等。WPAN采用IEEE 802.15標準。路由器路由器表4.1    廣義無線局域網(wǎng)類別名稱WLAN（Wi-Fi系統(tǒng)）IEEE 802.11bIEEE 80

5、2.11aIEEE 802.11gIEEE 802.11nWPAN藍牙（Bluetooth）超寬帶（UWB）ZigBeeHomeRF IrDA  4.1.2無線局域網(wǎng)1. 無線局域網(wǎng)分類作為無線網(wǎng)絡(luò)的一大重要門類，無線局域網(wǎng)有狹義和廣義之分。狹義無線局域網(wǎng)：特指采用了IEEE 802.11系列標準的局域網(wǎng)。IEEE 802.11系列的無線局域網(wǎng)又叫做Wi-Fi系統(tǒng)。廣義無線局域網(wǎng)：以無線為傳輸介質(zhì)的局部網(wǎng)絡(luò)，它包含無線局域網(wǎng)(WLAN)和個人網(wǎng)技術(shù)(WPAN)。廣義無線局域網(wǎng)對應的具體內(nèi)容見表3.1。本章介紹廣義無線局域網(wǎng)。 2. 無線局域網(wǎng)工

6、作頻率世界上大多數(shù)國家政府都預留出了一些頻段稱為ISM頻段用于非授權(quán)用途。目前常用的ISM有三個頻段：900MHz、2.4GHz和5.8GHz（見圖4.5），主流的802.11系列WLAN產(chǎn)品使用ISM的后兩個（2.4GHz和5.8GHz）頻段。路由器路由器圖4.5    ISM頻段        除WLAN以外，現(xiàn)在大多數(shù)短距離的無線裝置，如電視遙控器、無線鼠標、無線電控制的玩具及諸多的紅外、藍牙設(shè)備等也都在使用著ISM。為了使這些未經(jīng)協(xié)調(diào)的設(shè)備之間干擾盡可能地小，工作在I

7、SM上的設(shè)備大多采用了擴頻技術(shù)。4.2. 無線局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)4.2.1 基本結(jié)構(gòu)1. 有固定基礎(chǔ)設(shè)施WLAN利用預先建立起來的、能夠覆蓋一定地理范圍的一批固定基站實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，該基站稱為接入點AP。無線站點（STA）又叫移動站，通常由計算機加無線網(wǎng)卡構(gòu)成，通過AP進行通信。如圖4.6所示。路由器路由器圖4.6 有固定基礎(chǔ)設(shè)施的WLAN路由器路由器圖4.7 無固定基礎(chǔ)設(shè)施的Ad-hoc網(wǎng) 1. 無固定基礎(chǔ)設(shè)施WLAN這種網(wǎng)絡(luò)沒有接入點AP，而是由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網(wǎng)絡(luò)（圖4.7）。當移動站A和E通信時，經(jīng)過AB，BC，CD和最后DE這樣一連串的過程。因

8、此在從源結(jié)點A到目的結(jié)點E的路徑中的移動站B、C和D都是轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點。這種無固定基礎(chǔ)設(shè)施WLAN稱為自組織網(wǎng)絡(luò)，又稱Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。由于沒有預先建好的基站，因此它的服務(wù)范圍通常是受限的。 無線局域網(wǎng)與有線的以太網(wǎng)相比，具有以下幾大特點。1. 可移動性。通信不受環(huán)境條件的限制，拓寬了網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍。2. 靈活性。組網(wǎng)不受布線接點位置的制約，具有傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法比擬的靈活性。2. 擴展能力強。只需通過增加AP即可對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行有效擴展。3. 經(jīng)濟節(jié)約。不需要布線或開挖溝槽，安裝便捷，建設(shè)成本低。4.2.2 基本結(jié)構(gòu)擴展一個無線AP以及與其關(guān)聯(lián)的無線客戶端被稱為一個基本服務(wù)集（BSS）；一個B

9、SS是孤立的，可通過接入點AP連接到一個分配系統(tǒng)DS(例如：以太網(wǎng))，然后再接到另一個BSS這就構(gòu)成一個擴展的服務(wù)集ESS。ESS還可通過門橋（Portal，無線網(wǎng)橋）為無線用戶提供到802.x局域網(wǎng)的接入。現(xiàn)在許多地方，如辦公室、機場、快餐店、旅館、購物中心等都能向公眾提供有償或無償接入Wi-Fi的服務(wù)。這樣的地點叫做熱點（hot spot）。由許多熱點和接入點AP連接起來的區(qū)域叫熱區(qū)（hot zone）。熱點也就是公眾無線入網(wǎng)點。4.3 無線局域網(wǎng)的運行1. 無線客戶端訪問BSS一個移動站若要加入到一個BSS，就必須與該BSS中的AP建立關(guān)聯(lián)。這和手機開機后必須和某個基站建立關(guān)聯(lián)是相似的，

10、分3個步驟。(1)    選擇AP移動站選擇AP的方法有兩種：· 被動掃描移動站等待接收附近AP周期性發(fā)出的（例如每秒10次或100次）信標幀。信標幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)。· 主動掃描移動站主動發(fā)出探測請求幀，然后等待從AP發(fā)回的探測響應幀。(2)    身份鑒別建立關(guān)聯(lián)之前，移動站首先要向該AP鑒別自身。鑒別身份使用IEEE 802.11i協(xié)議，它是IEEE 802.11標準系列中對無線網(wǎng)絡(luò)安全方面做出的補充規(guī)范。(3)    建立關(guān)聯(lián)移動站與選定的AP

11、之間必須互相關(guān)聯(lián)。移動站只有通過關(guān)聯(lián)的AP才能向BSS內(nèi)的其他站點發(fā)數(shù)據(jù)幀，只有關(guān)聯(lián)的AP也才能向這個移動站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。移動站與選定的AP之間使用802.11關(guān)聯(lián)協(xié)議進行對話。1. WLAN漫游漫游是指無線客戶端（STA）在一組無線接入點（AP）之間移動，并提供對于用戶透明的無縫連接。已有的業(yè)務(wù)不中斷，STA的標識不改變。漫游包括基本漫游和擴展漫游：基本漫游是指無線客戶端的移動僅局限在一個擴展服務(wù)集內(nèi)部；擴展漫游是指無線客戶端從一個擴展服務(wù)集ESS中的一個BSS移動到另一個擴展服務(wù)集ESS的一個BSS。【例】移動站A要和另一個BSS中的移動站B通信，就必須經(jīng)過兩個接入點（AP1和AP2），即：

12、AAP1AP2B。從AP1到AP2的通信經(jīng)由分配系統(tǒng)DS完成的。4.4 無線局域網(wǎng)組成4.4.1無線網(wǎng)卡無線網(wǎng)卡是以無線方式連接用戶終端進行上網(wǎng)使用的計算機配件。具體來說它就是使你的電腦能以無線方式接入Wi-Fi系統(tǒng)的一個裝置。1. 無線網(wǎng)卡分類1. 筆記本電腦專用的PCMCIA網(wǎng)卡。例如：Cisco-Linksys WPC300N是一款基于IEEE802. 11n（草案）的筆記本電腦無線網(wǎng)卡。數(shù)據(jù)傳輸速率可在270Mb/s、54Mb/s至1Mb/s之間自動調(diào)整，支持工業(yè)標準的256位AES加密技術(shù)。1. 筆記本電腦內(nèi)置的MINI-PCI無線網(wǎng)卡。例如：Sony WLl3020 - D92是一

13、款工業(yè)包裝無線網(wǎng)卡，采用標準Mini - PCI接口，支持IEEE802. 11b/g無線標準。1. 臺式機專用的PCI無線網(wǎng)卡。例如：WMP54GS最高可以達到125 Mb/s的物理傳輸速率，完全兼容IEEE802. 11b/g標準，可與其他品牌或不同速率的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品混合使用。 1. USB無線網(wǎng)卡，這種網(wǎng)卡不管是臺式機還是筆記本都可以使用，是目前最常見的。例如：WUSB54G兼容IEEE802. 11b/g標準，采用USB2.O接口，可提供54Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，并支持自動速率退調(diào)功能，可視網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境自動降為5. SMb/s、2Mb/s、1Mb/s，最大覆蓋范圍500m，

14、支持128位的WEP數(shù)據(jù)加密。 (5)    SD/CF無線網(wǎng)卡，主要應用于掌上電腦、智能手機等數(shù)碼設(shè)備。SD接口的無線網(wǎng)卡比一般的SD卡要長一些，通常不能用于內(nèi)置式SD卡插槽。1. 迅馳平臺無線網(wǎng)絡(luò)模塊迅馳1代筆記本電腦中捆綁的無線網(wǎng)絡(luò)模塊是Intel Pro/Wireless Mini Adapter（原始代號為Calexico），一開始僅有單頻的IEEE802. 11b產(chǎn)品標準。迅馳2代筆記本電腦中捆綁的無線網(wǎng)絡(luò)模塊，可支持IEEE802. 11g標準迅馳3代筆記本電腦中捆綁的無線網(wǎng)絡(luò)模塊，支持IEEE802. 11a/b/g標準迅馳4代

15、筆記本電腦中捆綁的無線網(wǎng)絡(luò)模塊，增加了對IEEE802. 11n的支持。4.4.2無線AP無線接入點（AP）將各無線站點連接到一起，相當于以太網(wǎng)的集線器或交換機，使裝有無線網(wǎng)卡的PC通過AP共享整個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的資源。無線AP在結(jié)構(gòu)上包括發(fā)送器、接收器、天線和橋接器。無線電波在傳播過程中會不斷衰減，導致無線AP的通信范圍被限定在幾十到上百米范圍之內(nèi)。一個無線AP雖然理論上最多可以連接255臺無線客戶端，但要達到比較理想的性能，最好不要超過30臺。無線AP通過橋接器將無線網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)。        &

16、#160;                       路由器路由器圖2.3    單純型AP                   

17、0;路由器路由器4.4.3 無線天線天線( Antenna)的功能是發(fā)射和接收電磁波。無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去；電磁波到達接收地點后，由天線接下來（僅僅接收到極小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機。無線天線主要有室內(nèi)和室外兩種。室內(nèi)天線的優(yōu)點是方便靈活，缺點是增益小、傳輸距離短。室內(nèi)天線通常沒有防水和防雷設(shè)計，一般不可用于室外。室外天線的優(yōu)點是傳輸距離遠，比較適合遠距離傳輸。無線天線主要的性能參數(shù)包括：傳播方向、工作頻段、天線增益和天線接口。1傳播方向根據(jù)傳播方向的不同，無線天線主要分為全向天線與定向天線兩種。如圖2.11所示

18、。全向天線的輻射與接收在水平面上無最大方向，通常用做點對多點通信的中心站。通常全向天線的外觀呈棒狀。定向天線在水平面上具有最大輻射或接收方向，因此，能量集中，增益相對全向天線要高，適合于遠距離點對點通信，同時由于具有方向性，抗干擾能力也比較強。通常定向天線的外觀呈鍋狀或平板狀圖2.11 (a)全向天線 (b)定向天線2工作頻段無線天線的工作頻段應與無線基站的工作頻段相同。若要配合IEEE802.11b或IEEE802. 11g標準的無線局域網(wǎng)設(shè)備，需要選擇工作于2.4GHz頻段的無線天線；若要配合IEEE802. lla標準的無線局域網(wǎng)設(shè)備，需要選擇工作于5.8GHz頻段的無線天線。3天線接口

19、天線接口是指天線本身與無線設(shè)備之間的接口，只有二者類型匹配，天線才能順利地安裝到相應設(shè)備上。無線天線最常見的是SMA接口和TNC接口。SMA接口全稱為SMA反級性公頭，其特點是天線接頭內(nèi)部有螺紋和孔形觸點，相對應的無線設(shè)備接口處則是外部有螺紋和針形觸點。如圖2.12所示，圖2.12 SMA接口TNC接口全稱為TNC反級性公頭，其外形比SMA要粗一些，天線接頭的外部與內(nèi)部觸點之間有一層金屬屏蔽。如圖2.13所示，圖2.13 TNC接口4天線增益天線增益表示天線對信號變形和在特定方向聚焦的能力。增益值越高，表示天線對信號的放大能力越強，傳輸質(zhì)量就越好。無線天線的增益被表示為一個相對值，如果以最壞的

20、全方向天線為基準的話，天線增益的單位為dBi。例如，一些普通的無線網(wǎng)卡比較簡單的雙極天線，其增益值約為2. 2dBi。單個雙極天線每增加6dBi增益值才能使傳輸距離加倍。有些無線產(chǎn)品配有兩組天線，這對于改善傳輸質(zhì)量很有好處，但其增益值并非是兩組天線的累加。4.4.4無線網(wǎng)橋無線網(wǎng)橋通過無線（微波）進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸，主要用于無線或有線局域網(wǎng)之間的互連。根據(jù)協(xié)議不同，無線網(wǎng)橋又可以分為工作在2, 4GHz頻段的IEEE802.11b/g無線網(wǎng)橋以及工作在5.8GHz頻段的IEEE802. 11a無線網(wǎng)橋等。路由器路由器圖2.5 無線網(wǎng)橋（室外型）    &

21、#160;     (1)點對點連接圖2.6 點對點連接在A.B兩個有線局域網(wǎng)段間，通過兩臺網(wǎng)橋戶外定向天線將它們連接在一起。(2)多點之間的連接圖2.8 多點之間同頻多點連接A有線網(wǎng)為中心點，外圍有B網(wǎng)、C網(wǎng)和D網(wǎng)。A網(wǎng)分別以不同的頻道以戶外無線路由器與B、C、D3網(wǎng)建立連接。其中A網(wǎng)采用全向天線，B、C、D網(wǎng)采用定向天線。(3) 傳輸距離無線網(wǎng)橋一般不自帶天線，需要配備拋物面天線實現(xiàn)長距離的點對點連接。無線網(wǎng)橋傳輸距離的遠近取決于環(huán)境和天線。在無高大障礙（山峰或建筑）的條件下，一對27dBi的定向天線可以實現(xiàn)lOkm的點對點微波互連，一對1

22、2dBi的定向天線可以實現(xiàn)2km的點對點微波互連。最大距離50KM。4.4.5 無線局域網(wǎng)交換機1.以太網(wǎng)交換機+企業(yè)級無線AP無線AP作用：1. 實現(xiàn)無線局域網(wǎng)和有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接工作。1. 承擔著自己區(qū)域的數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)、過濾、加密，客戶端的接入、斷開、認證等任務(wù)。管理員必須針對每一臺無線AP進行管理，包括信道管理和安全性設(shè)置等。當企業(yè)的無線局域網(wǎng)規(guī)模較大時，對眾多無線AP的管理就成為網(wǎng)絡(luò)管理員的繁重負擔。2. 無線局域網(wǎng)交換機+輕量級AP 無線交換機實現(xiàn)方式：1. 無線交換機既可以是獨立的設(shè)備;2. 也可以是集成于企業(yè)級交換機的一個刀片式模塊。無線交換機的優(yōu)勢：2. 更高的安

23、全性：無線交換機使網(wǎng)絡(luò)管理員能夠更靈活地混合和匹配用戶安全性能，通過認證控制非法無線AP的接入。3. 更低的部署成本: 由于所有的處理能力都集中在一臺無線交換機上，分布的輕量級無線AP無需很強的處理能力，也就大幅降低了成本。4. 更有效率的管理：無線交換機通過實時監(jiān)控空間、網(wǎng)絡(luò)增長和用戶密度等，動態(tài)地調(diào)整帶寬、接人控制、QoS和移動用戶等參數(shù)，因而成為整個無線局域網(wǎng)的控制中心。輕量級無線AP有時也被稱作智能天線。雖然無線交換機采用和普通以太網(wǎng)交換機類似的方式連接無線AP。但在IEEE802. 11幀處理上與傳統(tǒng)方式不同：它不將IEEE802. 11幀轉(zhuǎn)換為以太幀，而是將其封裝進IEEE802.

24、3幀當中，然后通過專用隧道傳輸?shù)綗o線交換機。4.5 物理層技術(shù)IEEE 802.11標準規(guī)定的底層協(xié)議相當復雜，物理層分為物理層匯聚協(xié)議（PLCP）、物理介質(zhì)相關(guān)（PMD）子層和PHY管理子層，如圖3.18所示。路由器路由器圖3.18    IEEE 802.11 WLAN底層協(xié)議模型       · 物理層匯聚協(xié)議（PLCP）：主要進行載波偵聽的分析和針對不同的物理層形成相應格式的分組；· 物理介質(zhì)相關(guān)（PMD）：子層主要用于識別相關(guān)介質(zhì)傳輸?shù)男盘査褂玫恼{(diào)制和編

25、碼技術(shù)，它提供了在兩個或多個STA之間用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的接口。EEE 802.11原始標準定義在2.4GHz和5.8GHz的ISM頻段內(nèi)，在PMD中使用擴頻技術(shù)或者紅外線，對應實現(xiàn)擴頻無線局域網(wǎng)和紅外無線局域網(wǎng)。· PHY管理子層：負責為不同的物理層進行信道選擇和調(diào)諧；站管理主要任務(wù)是協(xié)調(diào)物理層和MAC層之間的交互作用。4.5.1 802.11原始標準由于物理層采用技術(shù)的復雜多樣，WLAN的物理層標準并不是一次制定完成的。1997年頒布的802.11原始標準只制定了第一部分，規(guī)定了物理層擴頻和紅外實現(xiàn)方法。所謂擴頻是擴展頻譜通信的簡稱。它是指用來傳輸信息的射頻帶寬遠大于信息本身帶寬

26、的一種通信方式。信號可以跨越很寬的頻段，數(shù)據(jù)基帶信號的頻譜被擴展至幾倍至幾十倍，然后才搬移至射頻發(fā)射出去。這一做法雖然犧牲了頻帶帶寬，但由于其功率密度隨頻譜擴寬而降低，甚至可以將通信信號淹沒在自然背景噪聲中，因此其保密性、抗干擾能力很強。擴頻包括跳頻擴頻和直接序列擴頻。1. 跳頻擴頻路由器路由器圖3.28    FHSS的工作原理跳頻擴頻（FHSS）是擴頻技術(shù)中常用的一種方法。使用2.4GHz的ISM頻段（即2.40002.4835GHz），共有79個信道可供跳頻使用。第一個頻道的中心頻率為2.402GHz，以后每隔1MHz有一個信道。因此每個信道可使用

27、的帶寬為1MHz。當使用二元高斯移頻鍵控GFSK時，基本接入速率為1Mbps；當使用四元GFSK時，接入速率為2Mbps。IEEE 802.11定義了對應于FHSS通信的PLCP幀格式，包括6個不同字段，如圖所示。路由器路由器圖3.29    用于FHSS通信的PLCP幀格式     其中：SYNC是0和1的序列，共占80b作為同步信號；Start Frame Delimiter（SFD）用作幀的起始符，其比特模式為0000110010111101；PLW表示幀長度，共12b，因此幀的最大長度為4096b

28、；PSF是分組信令字段，用來標識不同的數(shù)據(jù)速率；Head Error Check是用于糾錯的，常用CRC算法，它能夠糾正2b的錯誤；MPDU表示MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 目前，跳頻擴頻在藍牙產(chǎn)品中廣泛使用。1. 直接序列擴頻直接序列擴頻（DSSS）是另一種擴頻方法，它也使用2.4GHz的ISM頻段。DSSS將2.4002.4835GHz之間的ISM頻帶劃分成11個互相覆蓋的信道，其中心頻率間隔為5MHz。在傳輸過程中，數(shù)據(jù)比特將被編碼為11的Barker碼，采用二進制差分移相鍵控（DBPSK）和差分正交移相鍵控（DQPSK）。當使用二元相對移相鍵控時，基本接入速率為1Mbps；當使用四元

29、相對移相鍵控時，接入速率為2Mbps。HR-DSSS是High Rate DSSS（高速直接序列擴頻）的縮寫。高速直接序列擴頻可以得到更高地傳輸速率。SYNCStart Frame DelimiterSignalServiceLengthCRCMPDU路由器路由器圖3.31    用于DSSS通信的PLCP幀格式IEEE 802.11定義了對應于DSSS通信的PLCP幀格式，包括7個不同字段，如圖所示。其中的一些字段表示意義與對應于FHSS的PLCP幀格式是不同的。SFD字段的比特模式為1111001110100000；Signal字段表示數(shù)據(jù)速率，單位

30、為10kbps，比FHSS的精確度提高了5倍；Service字段為保留字段，并未使用；Length字段指MPDU的長度，單位為s。3. 紅外傳輸IR紅外無線信號是按視距方式傳播的，也就是說發(fā)送點必須能夠直接"看到"接收點，中間沒有阻擋。紅外線IR（infrared）的波長為850950nm，可用于室內(nèi)傳送數(shù)據(jù)。接入速率為12Mbps。紅外線頻譜非常寬，所以就有可能提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率。紅外線由于與可見光有一部分的特性是一致的，所以它可以被淺色的物體漫反射，這樣就可以用天花板來覆蓋整個房間。(1)    紅外基本技術(shù)紅外局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳

31、輸有3種基本技術(shù)：定向光束紅外傳輸、全方位紅外傳輸與漫反射紅外傳輸。圖3.32給出了多種紅外局域網(wǎng)應用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。路由器路由器圖3.32    各種紅外局域網(wǎng)應用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)· 定向光束紅外線紅外線連接可以被用于連接幾座大樓的網(wǎng)絡(luò)，但是每幢大樓的路由器或網(wǎng)橋都必須在視線范圍內(nèi)。· 全方位紅外傳輸技術(shù)一個全方位配置要有一個基站。基站能"看到"紅外線無線局域網(wǎng)中的所有結(jié)點。· 漫反射紅外傳輸技術(shù)而漫反射配置則不需要基站。紅外線射到天花板上，被漫反射到房間內(nèi)的所有接收器上。(2)  

32、60; 優(yōu)點和缺點    紅外線通信比起微波通信不易被入侵，由此提高了安全性。    安裝在大樓中每個房間里的紅外線網(wǎng)絡(luò)可以互不干擾，因此建立一個大的紅外線網(wǎng)絡(luò)是可行的。    紅外線局域網(wǎng)設(shè)備相對便宜又簡單。 (3)    802.11的紅外標準IEEE 802.11在物理層PMD中使用DFIR（擴散紅外線）技術(shù)，定義了對應于DFIR通信的PLCP幀格式，包括7個不同字段，如圖3.33所示。路由器路由器圖3.33&

33、#160;   用于DFIR通信的PLCP幀格式     其中SYNC字段比FHSS和DSSS的長度都要短，占5773b，因為采用光敏二極管檢測紅外信號時不需要復雜的同步過程；SFD字段占4b；Data rate字段表明對MPDU、Length和CRC字段的傳輸或接收將使用的數(shù)據(jù)速率。當它為000時速率為1Mbps，為001時速率為2Mbps，它占3b；DCLA字段用于穩(wěn)定直流電平，通過發(fā)送32個時隙的脈沖序列來確定接收信號的電平；MPDU的長度不超過2500B。4.5.2主流WLAN的物理層原始標準定義了3種PL

34、CP幀格式來對應以上3種不同的PMD子層通信技術(shù)。它們在運營機制上完全不同，沒有互操作性。在1999年IEEE又制定了剩下的兩部分，即802.11a和802.11b物理層標準。為了提升無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，實現(xiàn)有線以太網(wǎng)與無線局域網(wǎng)的無縫結(jié)合，從2003年起IEEE成立了IEEE 802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網(wǎng)標準，該標準已于2009年獲批。除IEEE的802.11委員會外，歐洲電信標準協(xié)會ETSI的RES10工作組也為歐洲制定無線局域網(wǎng)的標準，他們把這種局域網(wǎng)取名為HiperLAN（現(xiàn)為HiperLAN2）。ETSI和IEEE的標準是可以互操作的。這樣，根據(jù)物理層（

35、工作頻段、數(shù)據(jù)率、調(diào)制方法等）的不同，WLAN產(chǎn)品可再細分為不同的類型。表3.4是它們的簡單比較。表3.4    主流WLAN產(chǎn)品標準頻段最高速率物理層優(yōu)缺點802.11g2.4GHz54MbpsOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時上網(wǎng)，信號傳播距離最遠且不易受阻礙，價格比802.11b貴802.11b2.4GHz11MbpsHR-DSSS*最高數(shù)據(jù)率較低，價格便宜，信號傳播距離遠不易受阻礙802.11a5.8GHz54MbpsOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持多用戶同時上網(wǎng)，但價格昂貴，信號傳播距離較短且易受阻礙802.11n2.4/5.8GHz320M

36、bps600MbpsMIMOOFDM滿足高質(zhì)量的語音、視頻流媒體需求，尚未正式大規(guī)模普及，各廠商解決方案互不兼容，配套的無線產(chǎn)品價格頗高。HiperLAN25.3GHz54MbpsOFDM最為完善的WLAN協(xié)議：高速傳輸、面向連接、支持QoS、自動頻率配置、安全保密，但全球范圍內(nèi)頻譜分配不統(tǒng)一，主要在歐洲使用 傳統(tǒng)802.11b的物理層使用工作在2.4GHz的高速直接序列擴頻技術(shù)，數(shù)據(jù)速率5.5Mbps或11Mbps。技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了融合，一些4G及3.5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)，如OFDM、MIMO、智能天線和軟件無線電等，也開始應用到WLAN中以提升性能。802.11a/g的物理層都

37、不再采用擴頻而是用正交頻分復用OFDM，載波數(shù)可多達52個，提高了傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。802.11n則采用MIMO與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍地提高！而跳頻擴頻FHSS和紅外IR技術(shù)只在早期WLAN產(chǎn)品中用過，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了。1. OFDM(高速無線傳輸技術(shù))頻分復用/頻分多址( FDM/FDMA)技術(shù)其實是一種傳統(tǒng)的技術(shù)，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶(子載波)進行并行發(fā)送是最樸素的實現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒?。但是為了避免各子載波之間的干擾，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔如圖4-2 所示，這大大降低了頻譜效率。近幾年，由于數(shù)字信號處理技術(shù)FFT(快速傅里葉變換)的發(fā)展，使

38、FDM技術(shù)有了革命性的變化。FFT允許將FDM的各個子載波重疊排列，同時保持子載波之間的正交性(以避免子載波之間干擾)。如圖4-3所示，部分重疊的子載波排列可以大大提高頻譜效率。因為相同的帶寬內(nèi)可以容納更多的子載波圖4-2傳統(tǒng)FDM/FDMA頻譜原理圖4-3 OFDM/OFDMA頻譜原理 2. MIMO（多入多出）技術(shù)MIMO技術(shù)在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多信道的傳輸方式，如圖4 -3所示。圖4-3 MIMO系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先進行多重切割，然后再利用多重天線進行同步傳送。無線信號在傳送過程中，會以多種多樣的直接、反射或穿透等路徑進行傳輸，從而導致信號

39、到達接收天線的時間不一致，即所謂的多徑效應。MIMO技術(shù)充分利用了多徑效應的特點，在接收端采用多重天線來接收數(shù)據(jù)，并依靠頻譜相位差等方式來解算出正確的原始數(shù)據(jù)利用MIMO技術(shù)不僅可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。MIMO是IEEE802. 11n標準所采用的最重要的技術(shù)之一。目前的IEEE802. 11n標準可以支持3 x3天線陣列，不過有些廠商出于成本考慮，也會推出一些1x2或者1x1天線規(guī)格的產(chǎn)品，以簡化天線設(shè)計、降低產(chǎn)品成本，因此市場上的IEEE802. 11n產(chǎn)品有的有兩條天線、有的有三條天線。4.6無線MAC協(xié)議：CSMA/CA主流WLAN都使用共同的媒體接

40、入控制MAC協(xié)議CSMA/CA，這是WLAN的通行協(xié)議，均可用于有固定基礎(chǔ)設(shè)施或無固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)。4.6.1設(shè)計思路1. CSMA/CD有兩個要點一是發(fā)送前先檢測信道，信道空閑就立即發(fā)送，信道忙則隨機推遲發(fā)送；二是邊發(fā)送邊檢測信道，一發(fā)現(xiàn)碰撞就立即停止發(fā)送。路由器路由器圖3.35    WLAN站點有時"聽不見"對方2. 無線局域網(wǎng)存在兩個問題1. 隱蔽站問題（hidden station problem）。圖3.35(a)表示站點A和C都想和B通信。但A和C相距較遠，彼此都"聽不見"對方。當A和C檢測到

41、信道空閑時，就都向B發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生了碰撞。2. 暴露站問題（exposed station problem）。站點B向A發(fā)送數(shù)據(jù)。而C又想和D通信。但C檢測到信道忙，于是就停止向D發(fā)送數(shù)據(jù)，其實B向A發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響C向D發(fā)送數(shù)據(jù)。因為在無線局域網(wǎng)中，在不發(fā)生干擾的情況下，可允許同時多個移動站進行通信。這點與有線以太網(wǎng)完全不同！1. 碰撞避免既然無線局域網(wǎng)不能使用碰撞檢測，那么就應當盡量減少碰撞的發(fā)生。802.11委員會對CSMA/CD協(xié)議進行了修改，把碰撞檢測改為碰撞避免CA，變成CSMA/CA協(xié)議。碰撞避免的思路是：(1) 協(xié)議的設(shè)計要盡量減少碰撞發(fā)生的概率。在無線局域網(wǎng)中，即使在發(fā)送

42、過程中發(fā)生了碰撞，也要把整個幀發(fā)送完畢，因此一旦出現(xiàn)碰撞，在這個幀的發(fā)送時間內(nèi)信道資源都被浪費了。(2) 802.11局域網(wǎng)在使用CSMA/CA的同時還使用停止等待協(xié)議。這是因為無線信道的通信質(zhì)量遠不如有線信道，因此站點每通過無線信道發(fā)送完一幀后，都要等收到對方的確認幀（ACK）后才繼續(xù)發(fā)送下一幀。這叫做鏈路層確認。4.6.2 802.11的MAC層路由器路由器圖3.36    802.11的MAC層802.11標準設(shè)計了獨特的MAC層（圖3.36）。它通過協(xié)調(diào)功能（Coordination Function）來確定在基本服務(wù)集BSS中的移動站在什么時間

43、能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。802.11的MAC層在物理層的上面，包括兩個子層。1.分布協(xié)調(diào)功能DCFDCF（Distributed Coordination Function）不采用任何中心控制，而是在每一個結(jié)點使用CSMA機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此DCF向上提供爭用服務(wù)。802.11協(xié)議規(guī)定，所有的實現(xiàn)都必須有DCF功能。路由器路由器圖3.37    等待時間2. 點協(xié)調(diào)功能PCFPCF（Point Coordination Function）是選項，用于接入點AP集中控制整個BSS內(nèi)的活動，因此自組網(wǎng)絡(luò)就沒有PCF子層。PC

44、F使用集中控制的接入算法，用類似于探詢的方法把發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對于時間敏感的業(yè)務(wù)，如分組話音，就應使用提供無爭用服務(wù)的點協(xié)調(diào)功能PCF。為了盡量避免碰撞，802.11規(guī)定：所有的站在完成發(fā)送（接收站完成接收）后，必須再等待一段很短的時間（如圖3.37）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔IFS（InterFrame Space）。幀間間隔的長短取決于該站要發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)，但低優(yōu)先級幀就必須等待較長的時間。若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送

45、了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機會。至于各種幀間間隔的具體長度，則取決于所使用的物理層特性。幀間間隔包括：2. 短幀間間隔(SIFS)、3. 點協(xié)調(diào)功能幀間間隔(PIFS)、4. 分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔(DIFS)3. 擴展幀間間隔(EIFS)。EIFS是為站點收到壞幀需要報告而設(shè)置的等待時間。EIFS最長，表明報告這種壞幀的優(yōu)先級最低，必須等其他的幀都發(fā)送完畢后才能發(fā)送。4.6.3 CSMA/CA協(xié)議原理CSMA/CA協(xié)議的工作原理比較復雜，我們先討論圖3.38比較簡單的情況。路由器路由器圖3.38    常用的三種幀間間隔1. 數(shù)據(jù)幀發(fā)送(1) 

46、   先檢測信道（進行載波監(jiān)聽）。若檢測到信道空閑，則在等待一段時間DIFS后；如果這段時間內(nèi)信道一直是空閑的就發(fā)送整個數(shù)據(jù)幀，并等待確認。信道空閑還要再等待就是考慮可能有其他站點有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。如有，就讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。(2)    目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時間間隔SIFS后，向源站發(fā)回確認幀ACK。(3)    所有其他站都設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV，表明在這段時間內(nèi)信道忙，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。(4)    當確認幀ACK結(jié)束時，NAV（信

47、道忙）也就結(jié)束了。在經(jīng)歷了幀間間隔之后，接著會出現(xiàn)一段空閑時間，叫做爭用窗口，表示在這段時間內(nèi)有可能出現(xiàn)各站點爭用信道的情況。 爭用信道的情況比較復雜，因為有關(guān)站點要執(zhí)行退避算法。我們用圖3.39的例子來說明。路由器路由器圖3.39    CSMA/CA的退避機制圖3.39表示當A正在發(fā)送數(shù)據(jù)時，B、C和D都有數(shù)據(jù)要發(fā)送（用向上的箭頭表示）。由于它們都檢測到信道忙，因此都要執(zhí)行退避算法，各自隨機退避一段時間再發(fā)送數(shù)據(jù)。CSMA/CA規(guī)定：退避時間必須是整數(shù)倍的時隙時間。2. CSMA/CA信道預約為了更好地解決隱蔽站帶來的碰撞問題，CSMA/C

48、A協(xié)議允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預約。· A給B發(fā)數(shù)據(jù)幀(1) A發(fā)預約幀：在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)一個短的控制幀，叫做請求發(fā)送RTS（Request To Send）幀，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應的確認幀）所需的持續(xù)時間。如圖3.41(a)所示。(2) B對預約幀確認：若信道空閑，則目的站B就響應一個控制幀，叫做允許發(fā)送CTS（Clear To Send）幀。它也包括這次通信所需的持續(xù)時間（從RTS幀中把這個持續(xù)時間復制到CTS幀中）。如圖3.41(b)所示。(3) A收到CTS幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。     

49、0;       (a)    A發(fā)送RTS幀                            (b)    B響應CTS幀路由器路由器圖3.41 

50、60;  CSMA/CA協(xié)議中的信道預約· A和B兩個站附近一些站反應C站：C處于A的傳輸范圍內(nèi)，但不在B的傳輸范圍內(nèi)。因此C能夠收到A發(fā)送的RTS幀，但經(jīng)過一小段時間后，C不會收到B發(fā)回的CTS幀。這樣，在A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時，C也可以發(fā)送自己的數(shù)據(jù)給其他的站而不會干擾B。D站：D收不到A發(fā)送的RTS幀，但能收到B發(fā)送的CTS幀。因此D知道B將要和A通信，在A和B通信的一段時間內(nèi)不能發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不會干擾B接收A發(fā)來的數(shù)據(jù)。E站：它能收到RTS和CTS，因此E和D一樣，在A發(fā)送數(shù)據(jù)幀和B發(fā)送確認幀的整個過程中都不會發(fā)送數(shù)據(jù)。可見，這種協(xié)議實際上就是在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先

51、對信道進行預約一段時間。· 預約幀的使用與數(shù)據(jù)幀（最長可達2346字節(jié)）相比，使用RTS和CTS幀很短，開銷不算大。若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費的時間就更多。當數(shù)據(jù)幀本身就很短時，再使用RTS和CTS幀只能增加開銷，可以不使用RTS和CTS幀。· 碰撞發(fā)生的處理雖然協(xié)議經(jīng)過了精心設(shè)計，但碰撞仍然會發(fā)生。例如，B和C同時向A發(fā)送RTS幀。這兩個RTS幀發(fā)生碰撞后，使得A收不到正確的RTS幀，因而A就不會發(fā)送后續(xù)的CTS幀。這時，B和C像以太網(wǎng)發(fā)生碰撞那樣，各自隨機地推遲一段時間后重新發(fā)送其RTS幀。推遲時間的算法也是使用二進制指數(shù)退避。圖3.42

52、給出了RTS和CTS幀以及數(shù)據(jù)幀和ACK幀的傳輸時間關(guān)系。路由器路由器圖3.42    各種幀的傳輸時間關(guān)系 (1)源站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前要檢測信道。如信道忙，則按照前面的退避算法推遲發(fā)送。如空閑，則等待時間DIFS后發(fā)出RTS幀。(2) 如收到CTS幀，則在再等待時間SIFS后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。(3) 在除源站和目的站以外的其他站中，有的在收到RTS幀后就設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV，有的則在收到CTS幀或數(shù)據(jù)幀后才設(shè)置其NAV。4.6.4 802.11局域網(wǎng)的MAC幀802.11局域網(wǎng)的MAC幀如圖3.43所示。路由器路由器圖3.43    802.11局域網(wǎng)的MAC幀IEEE802. 11幀結(jié)構(gòu)分為前導信號(Preamble)、信頭(Header)、負載(Payload)和幀檢驗。(1) 前導信號: 主要用于確定無線客戶端和