第十一章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

1、第十一章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)11.1 無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)11.1.1 無(wú)線局域網(wǎng)和有線局域網(wǎng)的比較從最本質(zhì)上說(shuō)，交換型網(wǎng)絡(luò)需要電纜，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不需要。這看似顯得可笑，卻指出了它們的物理層之間的不同。傳統(tǒng)以太網(wǎng)是由 IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)定義的。每條以太網(wǎng)連接都必須在嚴(yán)格的條件下運(yùn)行，尤其是對(duì)物理鏈路本身來(lái)說(shuō)。例如，鏈路狀態(tài)、鏈路速度和雙工模式都必須符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。無(wú)線局域網(wǎng)使用類似的協(xié)議，但由 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)定義的。有線以太網(wǎng)設(shè)備必須采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)方法來(lái)傳輸和接收以太網(wǎng)幀。在共享的以太網(wǎng)網(wǎng)段上，PC 以半雙工模式工作，每臺(tái) PC 都可以先“發(fā)言”， 然后偵聽(tīng)

2、是否其他正在發(fā)言的設(shè)備發(fā)生沖突。整個(gè)檢測(cè)沖突的過(guò)程是基于有線連接的最大長(zhǎng)度的，從網(wǎng)段的一端發(fā)送到另一端檢測(cè)到?jīng)_突之間的最大延遲是確定的。在全雙工或交換型以太網(wǎng)鏈路上，不存在沖突或爭(zhēng)取帶寬的問(wèn)題，但它們必須遵循相同的規(guī)范。例如，在全雙工鏈路上，必須在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)發(fā)送或接收以太網(wǎng)幀，這要求全雙工雙絞線的最大長(zhǎng)度與半雙工鏈路相同。雖然無(wú)線局域網(wǎng)也基于一組嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，但無(wú)線介質(zhì)本身難以控制。一般而言，當(dāng)PC 連接到有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，與其共享網(wǎng)絡(luò)連接的其他設(shè)備的數(shù)量是已知的；而當(dāng) PC 使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用的傳輸介質(zhì)為空氣；由于接入層沒(méi)有電纜和插口，因此無(wú)法限制其他最終用戶使用相同頻率無(wú)線電波。因此，無(wú)線局域

3、網(wǎng)實(shí)際上是一種共享型網(wǎng)絡(luò)，且爭(zhēng)用相同頻率電波的主機(jī)數(shù)量不是固定的。在無(wú)線局域網(wǎng)中，沖突猶如家常便飯，因?yàn)槊織l無(wú)線連接都是半雙工模式的。IEEE 802.11 WLAN 總是半雙工模式的，因?yàn)閭鬏斦竞徒邮照臼褂玫念l率相同。雙方不能同時(shí)傳輸，否則將發(fā)生沖突。要實(shí)現(xiàn)全雙工模式，必須在一個(gè)頻率進(jìn)行傳輸，在另一個(gè)頻率進(jìn)行接收，這類似于全雙工以太網(wǎng)鏈路的工作原理。雖然這完全可行，但 802.11 標(biāo)準(zhǔn)不允許采用全雙工模式。11.1.2 在無(wú)線局域網(wǎng)中避免沖突多個(gè)無(wú)線工作站同時(shí)傳輸時(shí)，它們的信號(hào)將相互干擾，接收站收到的將是混亂的數(shù)據(jù)、噪聲或錯(cuò)誤。 如果沒(méi)有明確的方式來(lái)確定是否發(fā)生了沖突。傳輸站也無(wú)法知道發(fā)生

4、了沖突，因?yàn)閭鬏敃r(shí)將關(guān)閉其接收器。作為一個(gè)基本的反饋機(jī)制，每當(dāng)無(wú)線工作站傳輸一幀后，接收工作站必須發(fā)送一個(gè)確認(rèn)，確認(rèn)已正確地收到該幀。 確認(rèn)幀充當(dāng)了基本的沖突檢測(cè)工具，然而，它并不能預(yù)先防止沖突的發(fā)生。IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)使用一種名為載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）的方法來(lái)實(shí) 現(xiàn)沖突避免。注意，802.3 有線網(wǎng)絡(luò)是檢測(cè)沖突，而 802.11 網(wǎng)絡(luò)盡可能避免沖突。為實(shí)現(xiàn)沖突避免，要求所有工作站在傳輸每幀前進(jìn)行偵聽(tīng)。工作站有幀需要發(fā)送時(shí)，面臨的將是下列情況之一：1. 沒(méi)有其他設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)：工作站可立刻傳輸其幀。接到工作站必須發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，確認(rèn)原始幀已在沒(méi)有發(fā)生沖突的情況下

5、到達(dá)。2. 另一臺(tái)設(shè)備正在傳輸：工作站必須等待，等到當(dāng)前幀傳輸完畢后，它再等待一段隨機(jī)時(shí)間，然后傳輸自己的幀。無(wú)線幀的長(zhǎng)度不是固定的。一個(gè)工作站傳輸其幀時(shí)，其他工作站如何知道該幀已傳輸完畢，可以使用無(wú)線介質(zhì)呢？顯然，工作站可以進(jìn)行偵聽(tīng)，等待靜默期的到來(lái)，但這樣做并非總是有效。其他工作站也在偵聽(tīng)，可能同時(shí)決定開(kāi)始傳輸。802.11 標(biāo)準(zhǔn)要求所有工作站在開(kāi)始傳輸前等待一段時(shí)間，這段時(shí)間被稱為 DCF 幀間間隔（interframe space ，DIFS）。傳輸工作站可以在 802.11 報(bào)頭中包含一個(gè)持續(xù)時(shí)間值，以指出傳輸完當(dāng)前幀所需的大 概時(shí)間。持續(xù)時(shí)間值包含傳輸完當(dāng)前幀所需要的間隙數(shù)（單位通

6、常為豪秒）。其他無(wú)線工作站必須查看持續(xù)時(shí)間值，并在考慮傳輸數(shù)據(jù)前等待相應(yīng)的時(shí)間。由于每個(gè)偵聽(tīng)站在傳輸?shù)膸锌吹降某掷m(xù)時(shí)間值相同，因此它們都可能在這段時(shí)間過(guò) 去后決定傳輸自己的幀。這可能導(dǎo)致沖突應(yīng)避免這樣的情況發(fā)生。除持續(xù)定期器外，每個(gè)無(wú)線工作站還必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)隨機(jī)后退定時(shí)器。傳輸幀之前，工作站必須選擇一個(gè)要等待的隨機(jī)時(shí)隙數(shù)。這個(gè)數(shù)字位于 0 和最大爭(zhēng)用窗口值之間。這里的基本思想是，準(zhǔn)備傳輸?shù)墓ぷ髡颈仨毜却欢坞S機(jī)時(shí)間，以減少試圖馬上傳輸?shù)墓ぷ髡緮?shù)量。這個(gè)過(guò)程被稱為分布式協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function DCF），圖 1 對(duì)其進(jìn)行了說(shuō)明。三位無(wú)線用戶都有

7、一個(gè)幀需要發(fā)送，它們所需的時(shí)間各不相同。發(fā)生的情況如下：（1）用戶 A 偵聽(tīng)并確定沒(méi)有其他用戶在傳輸，因此傳輸自己的幀并通告持續(xù)時(shí)間。（2）用戶 B 有一個(gè)幀需要傳輸。他必須等待用戶 A 的幀傳輸完畢，再等待 DIFS 時(shí)間過(guò) 去。（3）用戶 B 在傳輸前等待一段隨機(jī)后退時(shí)間。（4）在用戶 B 等待期間，用戶 C 有一個(gè)幀需要傳輸。他通過(guò)偵聽(tīng)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有人在傳輸。 用戶 C 等待一段隨機(jī)時(shí)間，但比用戶 B 的隨機(jī)時(shí)間短。（5）用戶 C 傳輸一個(gè)幀，并通告其持續(xù)時(shí)間。（6）用戶 B 傳輸前必須等待該持續(xù)時(shí)間加上 DIFS 時(shí)間。 圖 1 使用 DCF 過(guò)程避免沖突由于后退定時(shí)器是隨機(jī)的，多臺(tái)工作站仍

8、可能選擇相同的后退時(shí)間，因此無(wú)法防止這些工作站同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)致沖突。這樣，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中看到的將是錯(cuò)誤，接受站不會(huì)返回確認(rèn)。為此發(fā)送站必須考慮重新發(fā)送其幀。最后，工作站在其隨機(jī)后退定時(shí)器過(guò)期后并準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有人正在傳輸，該如何辦嗎？它必須再等待當(dāng)前正在傳輸?shù)膸某掷m(xù)時(shí)間、DIFS 時(shí)間和隨機(jī)后退時(shí)間。11.1.3 WLAN 的組成部分從最底層說(shuō)，無(wú)線介質(zhì)沒(méi)有固定的組織結(jié)構(gòu)。例如，具有無(wú)線功能的 PC 可以隨時(shí)隨地啟動(dòng)其無(wú)線適配器。當(dāng)然，必須與其他設(shè)備也能夠通過(guò)無(wú)線介質(zhì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，該P(yáng)C 才能進(jìn)行通信。在 IEEE 802.11 中，一組無(wú)線設(shè)備被稱為服務(wù)集（service

9、set）。這些設(shè)備的服務(wù)集標(biāo)識(shí)符（SSID）必須相同，服務(wù)集標(biāo)識(shí)符是一個(gè)文本字符串，包含在發(fā)送的每幀中。如果發(fā)送方和接收方的 SSID 相同，這兩臺(tái)設(shè)備將能夠通信。作為最終用戶工作站，PC 為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的客戶端，它必須有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器和支持程序（同無(wú)線協(xié)議交互的軟件）。802.11 標(biāo)準(zhǔn)讓多個(gè)無(wú)線客戶端能夠彼此直接通信，而無(wú)需其他網(wǎng)絡(luò)連接方式。這被稱為對(duì)等（ad-hoc）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或獨(dú)立基本服務(wù)集（Independent Basic Service Set，IBSS），如圖 2 的 A 部分所示。對(duì)于可通過(guò)無(wú)線介質(zhì)進(jìn)行傳輸和接收幀的設(shè)備數(shù)量沒(méi)有限制。一個(gè)無(wú)線工作站能否接收來(lái)自其他工作站的數(shù)據(jù)以及向

10、它們發(fā)送數(shù)據(jù)取決于很多因素，這使得難以為所有的工作站提供可靠的無(wú)線接入。圖 2 無(wú)線服務(wù)集的組成802.11 基本服務(wù)集（BBS） 包含一個(gè)接入點(diǎn)（AP），它充當(dāng)該服務(wù)集的集線器，負(fù)責(zé)集中控制一組無(wú)線設(shè)備的接入。如何要使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線客戶端都必須向 AP 申請(qǐng)成員資格。AP 要求客戶端滿足下述條件才允許其加入：1. 匹配的 SSID；2. 兼容的無(wú)線數(shù)據(jù)率；3. 身份驗(yàn)證憑證。向 AP 申請(qǐng)成員資格被稱為關(guān)聯(lián)（association）?？蛻舳吮仨毎l(fā)送一條關(guān)聯(lián)請(qǐng)求消息，AP 通過(guò)發(fā)送關(guān)聯(lián)應(yīng)答消息來(lái)批準(zhǔn)或拒絕請(qǐng)求。關(guān)聯(lián)后，前往和來(lái)自該客戶端的數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過(guò) AP，如圖 2 的 B 部分所示?？蛻?/p>

11、端之間不能象對(duì)等網(wǎng)絡(luò)或IBSS那樣直接通信。別忘了，無(wú)論關(guān)聯(lián)狀態(tài)如何，任何 PC 都能構(gòu)偵聽(tīng)和接收通過(guò)無(wú)線介質(zhì)傳輸?shù)膸?。在無(wú)線電波的覆蓋范圍內(nèi)，任何人都可以接收通過(guò)它們傳輸?shù)膸?。然而，無(wú)線 AP 并不像以太網(wǎng)集線器那樣屬于被動(dòng)設(shè)備。AP 負(fù)責(zé)管理其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通 告自己的存在讓客戶端能夠與之關(guān)聯(lián)，并控制通信過(guò)程。例如，前面介紹過(guò)，通過(guò)無(wú)線介質(zhì)成功發(fā)送（沒(méi)有發(fā)生沖突）的每個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須得到確認(rèn)，AP 負(fù)責(zé)將確認(rèn)幀發(fā)回給發(fā)送工作站。注意，一個(gè) BSS 只包含一個(gè) AP，且沒(méi)有連接到常規(guī)以太網(wǎng)。在這種設(shè)置中，AP 及其關(guān)聯(lián)的客戶端組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。AP 也可以連接到以太網(wǎng)，因?yàn)樗瑫r(shí)具備無(wú)線有線功能

12、。對(duì)于為于不同地方的 AP， 可以通過(guò)交換型基礎(chǔ)設(shè)施將它們連接起來(lái)，這被稱為 802.11 擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)，如圖 2 的C 部分所示。在 ESS 中，無(wú)線客戶端可同其附近的 AP 相關(guān)聯(lián)；如果該客戶端移到其他地方，可同 另一個(gè)位于附近的 AP 相關(guān)聯(lián)。802.11 標(biāo)準(zhǔn)還定義了一種支持客戶端漫游（當(dāng)客戶端移動(dòng) 時(shí)，可調(diào)整其關(guān)聯(lián)的 AP）的方法。11.1.4接入點(diǎn)的工作原理AP 的主要功能是將無(wú)線數(shù)據(jù)橋接到常規(guī)有線網(wǎng)絡(luò)中。AP 能夠接受來(lái)自大量無(wú)線客戶 端的連接，讓它們成為 LAN 的一員，就像這些客戶端使用的是有線連接一樣。AP 還可以用做網(wǎng)橋，在兩個(gè)相隔較遠(yuǎn)的局域網(wǎng)之間建立一條無(wú)線鏈路

13、。在這種情況 下，無(wú)線鏈路的兩端都需要一個(gè)AP。AP 到AP（視線可達(dá)）鏈路常用于連接辦公大樓或城市。Cisco 開(kāi)發(fā)了一種 AP 平臺(tái)（無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)），能夠以菊花鏈或網(wǎng)狀網(wǎng)的方式在 AP之 間傳輸數(shù)據(jù)流。這讓無(wú)線局域網(wǎng)能夠覆蓋更大的戶外開(kāi)闊區(qū)域，而不需要使用網(wǎng)絡(luò)電纜。AP 之間組成一個(gè)全互連拓?fù)?，就像一個(gè) AP 之間通過(guò)無(wú)線連接互聯(lián)的 ESS。AP 充當(dāng)中央接入點(diǎn)（名稱 AP 由此而來(lái)），負(fù)責(zé)控制客戶端對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的訪問(wèn)。客戶端要使用 WLAN，必須首先同 AP 建立關(guān)聯(lián)。AP 允許隨便接入（任何客戶端可與之關(guān)聯(lián)），也能夠嚴(yán)格控制接入：允許關(guān)聯(lián)前要求提供認(rèn)證憑證或滿足其他條件。WLAN 的工

14、作原理與來(lái)自無(wú)線連接遠(yuǎn)端的反饋密切相關(guān)。例如在關(guān)聯(lián)和使用 WLAN之前，客戶端必須同 AP 握手。這確保無(wú)線連接是雙向和正常運(yùn)行的，因?yàn)榭蛻舳撕?AP 必須能夠成功地發(fā)送和接收幀。這消除了單向通信（客戶端能夠偵聽(tīng)到 AP，但 AP 無(wú)法偵 聽(tīng)到客戶端）的可能性。另外，AP 還能夠要求客戶端滿足某些條件才允許其關(guān)聯(lián)，從而控制其 WLAN 的眾多 方面。例如，AP 可以要求客戶端在關(guān)聯(lián)期間支持特定的數(shù)據(jù)率、特定的安全措施和特定的憑證?？梢詫?AP 視為轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋，在第 2 層對(duì)來(lái)自不同介質(zhì)的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)換和橋接。簡(jiǎn)單的 說(shuō)，AP 負(fù)責(zé)將 VLAN 映射到 SSID。圖 3 的左半部分說(shuō)明了一點(diǎn)，在這里，

15、位于有線網(wǎng)絡(luò) 中的 VLAN10 通過(guò)一個(gè)處于接入模式的交換機(jī)端口擴(kuò)展到了 AP，該 AP 將 VLAN10 映射 到一個(gè) SSID 為 Marketing 的無(wú)線局域網(wǎng)。SSID 為 Marketing 的用戶將屬于 VLAN10。圖 3 VLAN 和 SSID 的映射可以將這種概念進(jìn)行擴(kuò)展，以便能夠?qū)⒍鄠€(gè) VLAN 映射到多個(gè) SSID。為此，AP 必須通過(guò)一條為多個(gè) VLAN 傳輸數(shù)據(jù)的 中繼鏈路連接到交換機(jī)。在圖 3 的右半部分，VLAN10和 VLAN20 都通過(guò)中繼鏈路連接到 AP。AP 根據(jù) 802.1 Q 標(biāo)記將不同的 VLAN 映射到不同的 SSID。例如，VLAN10 被映

16、射到 SSID Marketing，而 VLAN20 被映射到 SSID Engineering。實(shí)際上，當(dāng) AP 使用多個(gè) SSID 時(shí)，它通過(guò)無(wú)線介質(zhì)將 VLAN 連接到最終用戶。最終 用戶必須使用合適的 SSID，后者被映射到相應(yīng)的 VLAN。11.1.5無(wú)線局域網(wǎng)蜂窩AP 為其覆蓋范圍內(nèi)的客戶端提供 WLAN 連接性。信號(hào)的覆蓋范圍取決于 AP 的天線 輻射圖。在戶外，這可能是環(huán)繞全向天線的一個(gè)圓，至少在透視上是一個(gè)圓別忘了輻射 圖是三維的，在多層大樓中，也將覆蓋上面和下面的樓層。必須仔細(xì)規(guī)劃 AP 的位置，使其覆蓋范圍與所需的范圍匹配。即使根據(jù)樓層平面圖或 戶外布局來(lái)確定 AP 的位

17、置，WLAN 也將在不斷變換的條件下運(yùn)行。別忘了，雖然 AP 的 位置是固定的，但無(wú)限客戶端將頻繁地變換位置。為確定 AP 的位置和覆蓋范圍，最好的方法是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查（site survey）。將 AP 放在所需的位置，讓客戶端不斷移動(dòng)，并實(shí)時(shí)地測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量。這里的理念是，在實(shí)際環(huán)境中測(cè)試AP的覆蓋范圍，其中有可能干擾客戶端連接的障礙物。障礙物及其對(duì)RF信號(hào)的影響將在本章后面的內(nèi)容中介紹。AP 的覆蓋區(qū)域被稱為蜂窩（cell），位于該蜂窩內(nèi)的客戶端能夠同 AP 相關(guān)聯(lián)，并使用無(wú)線局域網(wǎng)。圖 4 說(shuō)明了這種概念，其中有一個(gè)客戶端位于蜂窩外，因?yàn)樗辉?AP 的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)。圖 4 位于

18、蜂窩內(nèi)的客戶端假設(shè)一個(gè)典型的室內(nèi) AP 蜂窩的半徑為 100 英尺，能夠覆蓋多個(gè)房間或走廊的一部 分?？蛻舳丝梢栽谠摲涓C內(nèi)移動(dòng)，并在如何地方使用 WLAN。然而，該蜂窩的局限性非常強(qiáng)，因?yàn)榭蛻舳丝赡苄枰频街車姆块g或樓層，而不希望失去網(wǎng)絡(luò)連接。為擴(kuò)大 WLAN 的覆蓋范圍，可在周圍安裝其他 AP，從而添加更多的蜂窩。這里的理 念是，通過(guò) AP，使用蜂窩覆蓋客戶端可能移動(dòng)到的所有區(qū)域。實(shí)際上，蜂窩之間應(yīng)該有一定程度的重疊，如圖 5 所示。圖 5 通過(guò)排列蜂窩實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋如果 AP 蜂窩發(fā)生重疊，相鄰的 AP 將不能使用相同的頻率。如果兩個(gè)相鄰的 AP 使用相同的頻率，將相互干擾。在整個(gè)覆蓋區(qū)域

19、，AP 的頻率應(yīng)交替變化。這種概念將在第下面的章節(jié)更詳細(xì)地介紹?？蛻舳送粋€(gè)AP關(guān)聯(lián)后，便可以自由移動(dòng)?？蛻舳藦囊粋€(gè)AP蜂窩移動(dòng)到另一個(gè)AP 蜂窩后，將同另一個(gè)AP關(guān)聯(lián)。從一個(gè)AP移動(dòng)到另一個(gè)AP被稱為漫游，圖5說(shuō)明了這種 移動(dòng)：筆記本電腦沿圖中所示的路徑移動(dòng)時(shí)，將穿越多個(gè)AP蜂窩?？蛻舳藦囊粋€(gè)AP蜂窩移動(dòng)到另一個(gè) AP 蜂窩內(nèi)后，必須同新的 AP 建立關(guān)聯(lián)。另外， 在發(fā)生漫游前，客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)也將從原來(lái)的AP中繼到新AP。這樣，每個(gè)客戶端在任何時(shí)刻都只通過(guò)一個(gè)AP連接到WLAN，這也最大限度地降低了漫游期間發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)丟失的可能性。設(shè)計(jì)無(wú)線局域網(wǎng)時(shí)，你可能試圖將每個(gè) AP 覆蓋盡可能大

20、的區(qū)域，并讓每個(gè) AP 以最大的發(fā)射功率運(yùn)行，以充分利用其覆蓋范圍。這樣做還可以減少所需的 AP 數(shù)，進(jìn)而降低總體成本。然而，應(yīng)考慮其他一些因素。例如將 AP 配置為提供較大的覆蓋范圍時(shí)，也為過(guò)度擁擠打開(kāi)了大門。別忘了，AP 蜂 窩實(shí)際上是一種半雙工共享介質(zhì)，所有的客戶端將共享它。隨著客戶端數(shù)量的增多，每個(gè)客戶端可用的寬帶和可傳輸時(shí)間將減少。相反，應(yīng)考慮縮小蜂窩（通過(guò)降低發(fā)射功率），使得只有離 AP 較近的客戶端才能與之相關(guān)聯(lián)并使用其提供的寬帶。AP 還可控制在給定時(shí)刻關(guān)聯(lián)的客戶端數(shù)量，這對(duì)于對(duì)時(shí)間敏感或帶寬密集型數(shù)據(jù)流（如語(yǔ)音、視頻和醫(yī)療應(yīng)用程序）來(lái)說(shuō)非常重要。被縮小的蜂窩常被稱為微蜂窩。在

21、需要嚴(yán)格控制的環(huán)境中（如股票交易所），可進(jìn)一步擴(kuò)展這種概念。在這種環(huán)境中，將最大限度地縮小 AP 的功率和蜂窩，此時(shí)蜂窩被稱為皮蜂窩（Pico cell）。11.2 無(wú)線局域網(wǎng)射頻（RF）簡(jiǎn)介射頻傳輸?shù)慕邮帐?WLAN 的有機(jī)組成部分，我們應(yīng)該理解射頻（RF）的基本理論，以便能夠高效地設(shè)計(jì)和診斷 WLAN 網(wǎng)絡(luò)。然而，RF 理論涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)和物理原理，本 節(jié)從實(shí)用的角度介紹 RF，不涉及任何方程式。11.2.1 RF 的工作原理在射頻（RF）通信中，一臺(tái)設(shè)備發(fā)送振動(dòng)信號(hào)，并由一臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備接收。這種振動(dòng)信號(hào)基于一個(gè)常數(shù)，被稱為頻率。發(fā)送方使用固定的頻率，接收方可以調(diào)到相同的頻率，以便接收該信

22、號(hào)，我們?cè)谄囍姓{(diào)收音機(jī)時(shí)就有這方面的經(jīng)驗(yàn)。發(fā)送站有生成 RF 信號(hào)的發(fā)射器、天線以及連接兩者的電纜。接收站與此相同，但通過(guò)天線和電纜接收信號(hào)。出于簡(jiǎn)化的目的，假設(shè)無(wú)線工作站使用的天線非常小，且在所有方向均勻地發(fā)送或接收 RF 信號(hào)，如圖 6 的上半部分所示，其中的每個(gè)弧表示發(fā)射器生成的無(wú)線電波的一部分。每個(gè)弧實(shí)際上是一個(gè)球，因?yàn)闊o(wú)線電波是在三維空間移動(dòng)的。這也可以顯示為表示RF 信號(hào)的振動(dòng)波，如圖 6 的下半部分所示。雖然該示意圖從技術(shù)上說(shuō)不正確，但這里旨在說(shuō)明 RF 信號(hào)是如何在兩臺(tái)設(shè)備之間傳輸?shù)摹?圖 6 無(wú)線信號(hào)用于類似功能的頻率范圍稱為波段，例如，調(diào)幅無(wú)線波段落的頻率范圍為 5501

23、720MHz。有些無(wú)線局域網(wǎng)通信使用的是 2.4GHz 的波段，而其他無(wú)線局域網(wǎng)使用的波段為5GHz。在這里，波段是使用大概的頻率表示的，2.4GHz 實(shí)際上表示的是頻率范圍2.4122.484GHz；而 5GHz 實(shí)際上指的是頻率范圍 5.1505.825GHz。 無(wú)線工作站發(fā)送的信號(hào)被稱為載波信號(hào)。以頻率 840MHz 進(jìn)行廣播的廣播站的載波在840MHz 處振動(dòng)。如果僅接收到載波信號(hào)，將無(wú)法從中提取任何內(nèi)容；載波信號(hào)只是一種頻率固定的穩(wěn)定信號(hào)；載波信號(hào)本身不包含任何音頻、視頻或數(shù)據(jù)，因?yàn)樗怯糜诔休d其 他東西的。要發(fā)送其他信息，發(fā)射器必須對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制：以獨(dú)特的方式插入信息（對(duì)其進(jìn)行

24、編碼）；接收站必須進(jìn)行相反的處理：對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以恢復(fù)原始信息。 有些調(diào)制技術(shù)很簡(jiǎn)單調(diào)幅（AM）廣播采用調(diào)幅技術(shù)，即根據(jù)音頻信息改變載波信號(hào)的強(qiáng)度。FM 廣播采用調(diào)頻技術(shù)（FM），即音頻的高低導(dǎo)致載波信號(hào)的頻率發(fā)生變化。WLAN 使用的調(diào)制技術(shù)要復(fù)雜得多，因?yàn)樗鼈兊臄?shù)據(jù)率比音頻信號(hào)高得多。WLAN 調(diào)制的理念是在無(wú)線信號(hào)中封裝盡可能多的數(shù)據(jù)，并盡可能減少由于干擾或噪聲而丟失的數(shù)據(jù)量。這是由于數(shù)據(jù)丟失后必須重傳，從而占用更多的無(wú)線資源。調(diào)制方案通常會(huì)導(dǎo)致載波信號(hào)有輕微的變化，因此發(fā)送方和接收方期望載波的頻率是固定的，并在特殊性定的范圍內(nèi)變化。這種范圍稱為信道（channel），雖然信道通常用數(shù)字

25、或索引（而不是頻率）表示。WLAN 信道是由當(dāng)前使用的 802.11 標(biāo)準(zhǔn)決定的。11.2.2 RF 的特征RF 信號(hào)以電磁波的方式通過(guò)空氣傳播。在理想情況下，信號(hào)到達(dá)接收方時(shí)與發(fā)送方發(fā)送的相同；而實(shí)際上并非總是如此。RF 信號(hào)從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗綍r(shí)，將受其遇到的物體和材質(zhì)的影響，影響無(wú)線信號(hào)傳播的條件有多種，這里省略。11.2.3描述 RF 信號(hào)強(qiáng)度的術(shù)語(yǔ)可使用單位為瓦（W）或毫瓦（mW）的功率或能量來(lái)度量 RF 信號(hào)的強(qiáng)度。為讓大 家對(duì)信號(hào)功率有深入的認(rèn)識(shí)，表 3 列出了各種信號(hào)源的典型輸出功率。表 3 典型 RF 的輸出功率信號(hào)源輸出功率短波廣播站500 000WAM 廣播站50 000

26、W微波爐（2.4GHz）600 1 000W手機(jī)200mW無(wú)線局域網(wǎng) AP（2.4GHz）1 100m/w功率的范圍非常大，這使得比較和計(jì)算起來(lái)非常困難。分貝（dB）是一種更靈活的表示功率的方式，原因有兩個(gè)：l dB 度量的是實(shí)際功率和參考功率的比例；l dB 是對(duì)數(shù)，能夠以線性方式表示更大范圍的值。最常用的參考功率為 1.0mW 或 1.0W，在這種情況下，分貝的縮寫(xiě)將被修改為指出所用的參考功率：l dBm：信號(hào)相對(duì)于 1mW 的強(qiáng)度（dBm 中的 m 表示毫瓦）。l dBw：信號(hào)相對(duì)于 1W 的強(qiáng)度。在無(wú)線局域網(wǎng)中經(jīng)常使用單位 dBm，因?yàn)樗鼈兪褂玫墓β试?100mW 左右。例如，假 設(shè)一

27、個(gè)無(wú)線 AP 的發(fā)射功率為 100mW，則使用分貝表示時(shí)，輸出功率為10log10 (100mW/1mW)，即 20dBm。如果輸出功率降低到 1mW，結(jié)果將為 10log10(1mW/1mW) ,即 0dBm。因此，0dBm 表 示輸出功率與參考功率相同。到目前為止，這里討論的 dB 值都為正，這表示實(shí)際功率比參考功率高。在大多數(shù)情況下，發(fā)射器的 dBm 值為正，因?yàn)樗鼈兊墓β矢哂趨⒖脊β省B 值也可以為負(fù)，這并不意味著功率為負(fù)，而意味著功率比參考功率低。例如，信號(hào)功率為 0.5mW 時(shí)，dB 值將為 10log10(0.5mW/1mW)，即-3dBm。在該示例中，功率 0.5mW 為前一

28、個(gè)示例中的功率 1.0mW 的一半，而 dBm 值卻從 0 變成了-3，這種變化幅度很重要，它說(shuō)明了兩個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：l 功率每減少一半，dB 值將減小大約束；l 功率每增加一倍，dB 值將增大大約 3。接收器的 dBm 值通常為負(fù)，因?yàn)榻邮掌鞅仨殞?duì)低功率信號(hào)（功率比參考功率 1mW低 得多）非常敏感，這樣才能清晰地接收到非常弱的信號(hào)。接收器的功率被稱為接收器的靈敏度。經(jīng)常會(huì)在 AP 看到其發(fā)射功率標(biāo)稱，這通常指的是發(fā)射器的輸出功率，沒(méi)有考慮天線 和電纜的影響，實(shí)際發(fā)射的信號(hào)的功率取決于使用的天線類型和天線電纜的長(zhǎng)度。一種更真實(shí)的標(biāo)稱是各向同性有效輻射功率（Effective Isotrop

29、ic Radiated Power，EIRP）。EIRP 的計(jì)算方法是，將發(fā)射器功率（單位為 dBm）加上發(fā)射天線的增益（單位為 dBi）再減去電纜衰減（單位為 dB）。例如，使用衰減為 3dB 的電纜將功率為 100mW(20dBm)的發(fā)射器連接到增益為 16dBi的天線時(shí)，該發(fā)射系統(tǒng)的 EIRP 為 20dBm+16dBi-3dB=33dBm。 設(shè)計(jì)完整的無(wú)線系統(tǒng)時(shí)，不能僅僅考慮發(fā)射器或 AP 的功率，還需要考慮整個(gè)無(wú)線鏈路中將導(dǎo)致增益或衰減的每個(gè)組件。 為確定路徑性能或總體增益，最簡(jiǎn)單的方法是將所有的增益或衰減 dB 值相加。作為一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，可使用下面的公式： 系統(tǒng)增益發(fā)射功率（dBm

30、）+發(fā)射天線的增益（dBi）+接收天線的增益（dBi）-發(fā)射端的電纜衰減(dB)-接收端的電纜衰減（dB）-接收器的靈敏度（dB） 注意，這里將接收器的靈敏度視為衰減，因此將其減去。接收器的靈敏度指的是可用信號(hào)的最低功率，因此必須減去它，以得到最終的增益。無(wú)線鏈路的最大長(zhǎng)度取決于整體路徑性能。當(dāng)總路徑衰減等于或大于總路徑增益時(shí)， 接收器將無(wú)法收到信號(hào)。11.2.4WLAN 天線可在無(wú)線局域網(wǎng)中使用的天線有很多，每種天線都有特殊性定的用途，這取決于其覆蓋范圍（輻射圖）或給信號(hào)帶來(lái)的增益。1. 全向天線全向天線（例如，如圖所示的天線）可制作為圓柱形。圖中所示的橡皮條式天線可根據(jù) AP 的安裝方式進(jìn)

31、行折疊。另一種全向天線是偶極天線，它也呈細(xì)圓柱體狀，很多型號(hào)的 AP 都內(nèi)置了這種天線。全向天線通常在同一個(gè)平面的各個(gè)方向上均勻地傳播信號(hào)，但在天線所在的方向上并 非如此，因此輻射圖為圓環(huán)形，如圖的右半部分所示。這種天線非常適合用于大房間或整個(gè)樓層的，在這種環(huán)境下，將 AP 或其天線放在中央。圖 18 一種全向天線及其輻射圖由于全向天線在廣闊的區(qū)域內(nèi)分配 RF 能量，因此基增益較低，大約為 2dBi。有時(shí)候，RF 信號(hào)將由于反射、折射或衍射而處遲或失真。受影響的信號(hào)和原始信號(hào)一起到達(dá)接收器后，兩個(gè)信號(hào)通常會(huì)彼此抵消。因此，接收器收到的信號(hào)強(qiáng)度將急劇降低，甚至收不到信號(hào)。信號(hào)同其采取不同路徑的拷

32、貝相互競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，將導(dǎo)致多路干擾（multipath interference）。為解決這種問(wèn)題，只需稍微移動(dòng)接收器的天線（大約半個(gè)波長(zhǎng)的距離），以接收到質(zhì)量更好的信號(hào)。很多 AP 都默認(rèn)有兩根全向天線，這些天線相隔的 距離很合適，使得其中有一個(gè)天線能夠收到質(zhì)量最好的信號(hào)。同時(shí)使用兩根天線被稱為分集（diversity）。2. 半定向天線半定向天線一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的區(qū)域，非常適合用于覆蓋長(zhǎng)走廊上的很多房間，在這種環(huán)境中，天線安裝在區(qū)域的一端。它們還可用于覆蓋室外區(qū)域。 安裝在墻面上的板狀天線呈扁平的矩形狀，以方便安裝在走廊一端的墻面上。板狀天線的輻射圖呈雞蛋狀，其中的一端為墻面。這種天線的增益為 6 8d

33、Bi。如圖所示的 Yagi 天線呈細(xì)圓柱狀，內(nèi)部有多個(gè)平行的元件組成。其輻射圖呈雞蛋狀，并沿天線的兩端向外延伸。注意，在這種天線的后面，幾乎沒(méi)有信號(hào)，這不同于全向天線。Yagi 天線的增益大約為 10 14dBi。半定向天線及其輻射圖3. 高度定向的天線在視線無(wú)線路徑中，RF信號(hào)必須沿狹窄的信號(hào)束傳播很長(zhǎng)的距離。高度定向的天線是專門為此設(shè)計(jì)的，它將RF能量聚焦到一個(gè)狹長(zhǎng)的橢圓形區(qū)域內(nèi)。由于目標(biāo)是一個(gè)接收器的位置，因此天線無(wú)需覆蓋視線之外的其他區(qū)域。這種天線非常適合用于建立大樓到大樓或場(chǎng)點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的鏈路：兩個(gè)AP或天線相隔很遠(yuǎn)。如圖所示的碟形天線使用呈拋物面狀的盤(pán)碟將收到的信號(hào)聚焦到中央的天線上。

34、這種天線的輻射圖長(zhǎng)而窄，從盤(pán)碟向外延伸出去。這種聚焦輻射使得天線的增益大于22dBi，這在所有無(wú)線局域網(wǎng)天線中是最高的。高度定向的碟形天線及其輻射圖11.2.5 WLAN 標(biāo)準(zhǔn)所有的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都屬于 IEEE 802.11 系列，每臺(tái)無(wú)線設(shè)備都必須遵循其中一個(gè) 或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能同其他無(wú)線設(shè)備交互。802.11 標(biāo)準(zhǔn)定義了無(wú)線局域網(wǎng)在第 1 層和第 2 層的工作方式，這包括無(wú)線頻率和信道 以及吞吐量、安全性和移動(dòng)性。接下來(lái)的幾小節(jié)將介紹幾個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。1. 管理機(jī)構(gòu)無(wú)線局域網(wǎng)頻段無(wú)需許可就可使用，這使得任何人都可以使用它們，而無(wú)需申請(qǐng)使用牌照。然而，有多個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行管制，它們制定了有關(guān)可

35、以使用哪些頻率及信號(hào)功率的規(guī)則。例如，在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC ，網(wǎng)址為 ）負(fù)責(zé)管制無(wú)線頻率的使用。其他機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)制定全世界都必須遵守的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，這包括制定了 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE ，網(wǎng)址為 ）和歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI，網(wǎng)址為）。在中國(guó)，信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線電管理局（網(wǎng)址為 。還有一些組織致力于無(wú)線開(kāi)發(fā)人員和用戶提供有幫助的信息。Wi-Fi 聯(lián)盟（http:/www.wi-）致力于測(cè)試不同廠商和平臺(tái)之間的互操作性，其前身為無(wú)線以太 網(wǎng)兼容性聯(lián)盟（WECA）。

36、無(wú)線設(shè)備通過(guò) Wi-Fi 聯(lián)盟的認(rèn)證意味著可以更好的支持 IEEE802.11 協(xié)議，各個(gè)廠商無(wú)線設(shè)備通過(guò)認(rèn)證的詳情可以到下面的網(wǎng)址查詢：/wbcs_certified_products.php?lang=en 。WLAN 協(xié)會(huì)（WLANA，網(wǎng)址為 ）是一個(gè)非盈利的教育行業(yè)協(xié) 會(huì)，致力于提供有關(guān)無(wú)線局域網(wǎng)及其公共應(yīng)用的信息。2. WLAN 幀類型和長(zhǎng)度遵循 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備必須使用特定類型的幀在 WLAN 進(jìn)行通信，有些幀由無(wú)線客 戶端使用，而其他幀只能供 AP 使用。我們應(yīng)熟悉下述幾種幀

37、：l 管理幀：用于管理 WLAN 通告和客戶端成員資格，這包括下面幾種類型的 幀： 通告 AP 及其 WLAN 參數(shù)的信標(biāo)； 客戶端關(guān)聯(lián)、重新關(guān)聯(lián)和解除關(guān)聯(lián)； 客戶端認(rèn)證和撤銷認(rèn)證。l 控制幀：用于控制客戶端同 AP 的關(guān)聯(lián)，包括下面幾種類型的幀： 探針請(qǐng)求和響應(yīng)，用于客戶請(qǐng)求有關(guān) AP 的信息時(shí)；RTS 和 CTS 消息，用于 AP 必須代表客戶端通告幀持續(xù)時(shí)間時(shí)。l 數(shù)據(jù)幀：由任何無(wú)線設(shè)備發(fā)送，包含數(shù)據(jù)或有效負(fù)載信息。WLAN 幀包含長(zhǎng) 32 字節(jié)的幀頭和長(zhǎng) 4 字節(jié)的幀校驗(yàn)序列（FCS）。幀中包含的源地址和目標(biāo)地址是 48 位的 MAC 地址，就像 802.3 以太網(wǎng)幀一樣。 在發(fā)送的管

38、理幀中，總是包含一個(gè) 48 位的基本服務(wù)集標(biāo)識(shí)符(Basic Service Set Identifier，BSSID)字段。前面介紹過(guò)，BSS 必須包含一個(gè) AP，它充當(dāng)中央集線器，與所有客戶端相連。BSSID 是該 AP 的 MAC 地址，它唯一地標(biāo)識(shí) AP 服務(wù)的一組設(shè)備。3.802.11b標(biāo)準(zhǔn) 802.11b 規(guī)定 WLAN 使用頻段 2.4GHz(2.42.5GHz)，而 FCC 只允許 WLAN 使用 頻率范圍 2.40002.4835GHz。有趣的是，F(xiàn)CC 認(rèn)為頻段 2.4GHz 的主要用戶是諸如微波爐等設(shè)備，其次才是 WLAN設(shè)備，必要時(shí)總是讓主要用戶優(yōu)先。您可能有過(guò)這樣的經(jīng)

39、歷：有人做爆米花時(shí)，你辦公室內(nèi)的 WLAN 無(wú)法使用。2.4GHz 頻段被稱為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段，它包含 14 個(gè)信道，每個(gè)信道的寬度為 22MHz。無(wú)線 AP 和客戶如何隔離信道呢？(1)802.11b 的信道802.11b 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)頻譜屏蔽器，即用于根據(jù)中間頻率過(guò)濾出單個(gè)信道的模板。 如圖所示，在中點(diǎn)兩邊的 11MHz 處，信號(hào)必須衰減到-30dBm，這形成了一個(gè)寬22MHz 的信道。信號(hào)可以進(jìn)一步覆蓋更大的頻率范圍，但在中點(diǎn)兩邊的 22MHz 處，必須 衰減到-50dBm。圖 802.11b 信道頻譜屏蔽器注意，整個(gè)頻段覆蓋的范圍為 2.40002.4835GHz，其寬

40、度為 0.0835GHz(83.5MHz)， 這只能容納大約 3.8(83.5/22)個(gè)完整的信道，又如何能提供 14 個(gè)信道呢？信道中心之間的間隔實(shí)際上為 5MHz，而不是讀者認(rèn)為的 22MHz，這導(dǎo)致信道之間幾乎是完全重疊的。如果兩個(gè)無(wú)線工作站使用相鄰的信道，將導(dǎo)致問(wèn)題：它們的信號(hào)滲透到對(duì)方的信道中，導(dǎo)致兩個(gè)信道都受到破壞。解決方案是使用盡可能多的彼此不重疊的信道，這使得只有信道 1、6 和 11 可用，如 圖所示。圖 三個(gè)彼此不重疊的信道：1、6 和 11(2)802.11b 的數(shù)據(jù)率遵循 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)軒通常使用直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Sp

41、ectrum，DSSS）調(diào)制。信道的數(shù)據(jù)率取決于客戶端的功能和狀態(tài)，然而，只支持?jǐn)?shù)據(jù)率 1、2、5.5和 11Mbit/s。無(wú)線客戶端和 AP 必須就支持的數(shù)據(jù)率達(dá)成一致，客戶端才能關(guān)聯(lián)到 AP。 為何支持不同的數(shù)據(jù)率呢？這主要是 802.11b 不斷演進(jìn)的結(jié)果。它最初只支持 1Mbit/s的數(shù)據(jù)率，然后不斷發(fā)展，支持的數(shù)據(jù)率在不斷提高。很自然，我們可能認(rèn)為無(wú)線設(shè)備應(yīng)該始終以最高的數(shù)據(jù)率運(yùn)行，以獲得最高的吞吐量。支持不同數(shù)據(jù)率帶來(lái)的副作用之一是，僅當(dāng)離 AP 很近時(shí)才能成功地獲得較高的數(shù)據(jù)率。較高的數(shù)據(jù)率使用的調(diào)制比較低的數(shù)據(jù)率復(fù)雜，這要求信號(hào)質(zhì)量更高，而這僅當(dāng)離AP 更近時(shí)才可能?？梢韵胂竦?/p>

42、到，隨著客戶端遠(yuǎn)離 AP，信號(hào)強(qiáng)度將降低，而噪音將增強(qiáng)。通過(guò)支持多種不同的數(shù)據(jù)率，向無(wú)線客戶端提供了一定的靈活性?？蛻舳嗽?AP 蜂窩內(nèi)移動(dòng)時(shí)，其數(shù)據(jù)率可能隨信號(hào)質(zhì)量而變化，這被稱為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)率調(diào)整（dynamic data rata scaling）。當(dāng)客戶端逐漸遠(yuǎn)離 AP，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量降低到低于特定的閾值時(shí)，其數(shù)據(jù)率將從 11Mbit/s 降低到 5.5Mbit/s、2Mbit/s 條件是 AP 允許在其蜂窩內(nèi)使用這些數(shù)據(jù)率。如果 AP 支持?jǐn)?shù)據(jù)率 1、2、5.5 和 11Mbit/s，在 AP 蜂窩內(nèi)是否只能使用一種數(shù)據(jù)率？ 對(duì)于 802.11 而言，答案是否定的，各個(gè)客戶端可以使用任何一種數(shù)據(jù)率。別忘了，在給定 的時(shí)刻，只有一個(gè)工作站可以在信道內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，可以根據(jù)傳輸或接收客戶端的需 求，每幀都使用不同的數(shù)據(jù)率。4.802.11g802.11g 標(biāo)準(zhǔn)是建立在 802.11b 的基礎(chǔ)