WLAN

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WLAN(Wireless Local Area Network:无线局域网)

目录

什么是WLAN[1]

  WLAN计算机网络与无线通信技术相结合的产物。通俗点说,无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时,提供传统有线局域网的所有功能,网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里,网络却能够随着用户的需要移动或变化。

WLAN的发展历史[2]

  WLAN起步于1997年。当年的6月,第一个无线局域网标准IEEE802.11正式颁布实施,为无线局域网技术提供了统一标准,但当时的传输速率只有l~2Mbps。随后,IEEE委员会又开始了新的WLAN标准的制定,分别取名为IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。IEEE 802.11b标准首先于1999年9月正式颁布,其速率为11Mbps。经过改进的IEEE 802.11a标准,在2001年底才正式颁布,它的传输速率可达到54Mbps,几乎是IEEE 802.11b标准的5倍。尽管如此,WLAN的应用并未真正开始,因为整个WLAN应用环境并不成熟。

  WLAN的真正发展是从2003年3月Intel第一次推出带有WLAN无线网卡芯片模块的迅驰处理器开始的。也许是Intel特殊的专业敏感性,它认识到无线网络将在不久的将来得到广泛应用和迅速发展,于是大胆地在其新型节能的迅驰笔记本计算机处理器中集成这样一个支持IEEE 802.11b标准的无线网卡芯片。尽管当时的无线网络环境还非常不成熟,最为发达的美国也不例外。但是由于Intel的捆绑销售,加上迅驰芯片的高性能、低功耗等非常明显的优点,使得许多无线网络服务商看到了商机,同时11Mbps的接入速率在一般的小型局域网也可进行一些日常应用,于是各国的无线网络服务商开始在公共场所(如机场、宾馆咖啡厅等)提供访问“热点”,实际上就是布置一些无线访问点(Access Point,AP),方便移动商务人士无线上网。

  经过了两年多的发展,基于IEEE 802.11b标准的无线网络产品和应用己相当成熟,但毕竟11Mbps的接入速率还远远不能满足实际网络的应用需求。

  在2003年6月,经过两年多的开发和多次改进,一种兼容原来的IEEE 802.11b标准、同时也可提供54Mbps接入速率的新标准——IEEE802.11g在IEEE委员会的努力下正式发布了。这样就基本上宣告了IEEE 802.1la标准的死刑,因为IEEE 802.11g标准不但具有与IEEE 802.11a标准一样的接入速率,而且还与IEEE 802.11b标准兼容,因为都是工作于免费的2.4GHz频段,所以价格也比IEEE802.11a便宜许多。

  目前有一种接入速率更高、全面兼容以前WLAN标准的IEEE 802.11n正在被研制,据说这个标准的接入速率是原来的IEEE 80211a和IEEE 802.119标准的两倍,速率可达200Mbps以上,此时WLAN将全面迎来它的调整、发展和应用时期。

  目前基于WLAN安全和质量服务(QoS)的标准IEEE 802.11i和IEEE802.11e草案已经发布,不过国内专家认为它还达不到保护网络的效果,提出了修改现有WLAN安全标准的建议,于是一项名为国家无线局域网安全标准的WAPI正式出笼。

WLAN的优点[3]

  与有线网络相比,WLAN具有以下优点:

  ①安装便捷。无线局域网的安装工作简单,它无需施工许可证,不需要布线或开挖沟槽。它的安装时间只是安装有线网络时间的零头。

  ②覆盖范围广。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。而无线局域网的通信范围,不受环境条件的限制,网络的传输范围大大拓宽,最大传输范围可达到几十公里。

  ③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,所以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。WLAN不受布线接点位置的限制,具有传统局域网无法比拟的灵活性,可以避免或减少以上情况的发生。

  ④易于扩展。WLAN有多种配嚣方式,能够根据需要灵活选择。这样,WLAN就能胜任从只有几个用户的小型网络到上千用户的大型网络,并且能够提供“漫游”等有线网络无法提供的特性。

  ⑤传输速率高。WLAN的数据传输速率现在已经能够达到11Mbit/s,传输距离可远至20km以上。应用正交频分复用(OFDM)技术的WLAN,甚至可以达到54Mbit/s。

WLAN的组成[4]

  WLAN基本上可分为3部分:通信设备、用户终端和支持单元。

  通信设备依据功能可分为4类:WLAN“固定小区”、WLAN“移动小区”、WLAN“桥路器”,以及通信保密装置(COMSEC)。“移动小区”与“固定小区”类型相似。区别主要在于当用户移动时能否提供无中断连接和越区切换。无线“桥路器”为分散的“固定小区”或独立的“移动小区”提供中远距离的点对点连接,桥路器检查每个数据包的地址,并确定最佳路由方案。COMSEC装置是为了满足通信链路的保密要求设置的,它可以采用分组交换的数据加密设备(DED)进行网络端一端加密,也可以使用整体加密装置满足整条物理链路的安全要求。

  用户终端提供的业务包括电子邮件、数据传送、语音和图像信息。其中,计算数据、仿真结果等,在传输过程中不允许出错,所以对易出错误的无线传输信道而言,须采用纠错能力较强的编码方案,并且数据重传次数显著增加,会给系统带来大量额外开销。而用户的多媒体信息,如语音和图像数据,相对而言容错|生能较好,在一帧图像或语音采样中出现少量错误,对数据的整体性能影响不大。

  网络支持包括本地网络管理和外部接口设备两大部分。网络管理由网络的整体配置和各主要模块(设备、软件)配置组成,例如:COMSEC的加密算法和密钥管理就被作为网络管理的一部分,由中心统一控制。至于外部接口设备,在其他网络中可能已经予以考虑,但为了满足自维护网络的要求,在条件允许(如空间资源不紧张)的情况下,还是应该保留。

WLAN的拓扑结构[4]

  在WLAN中,目前使用的拓扑结构主要有3种形式:点对点型、HUB型和全分布型。这3种结构解决问题的方法各有优缺点,目的都是让用户在无线信道中,获得与有线LAN兼容或相近的传输速率。

  1)点对点型

  典型的点对点结构,是通过单频或扩频微波电台、红外发光二极管、红外激光等方法,连接两个固定的有线LAN网段,实际上是作为一种网络互联方案。无线链路与有线LAN的连接是通过桥路器或中继器完成的。点对点拓扑结构简单,采用这种方案可获得中远距离的高速率链路。由于不存在移动性问题,收发信机的波束宽度可以很窄,虽然这会增加设备调试难度,但可减小由波束发散引起的功率衰耗。

  2)HUB型

  这种拓扑由一个中心节点(HUB)和若干外围节点组成,外围节点既可以是独立的工作站,也可与多个用户相连。中心HUB作为网络管理设备,为访问有线LAN或服务器提供逻辑接入点,并监控所有节点对网路的访问,管理外围设备对广播带宽的竞争,其管理功能由软件具体实现。在此拓扑中,任何两外围节点间的数据通信都须经过HUB,所以这种路由方案是种典型的集中控制式。

  采用这种结构的网络,具有用户设备简单,维护费用低,网络管理单一等优点,并可与微蜂房技术结合,实现空间和频率复用,但是,用户之间的通信延迟增加,网络抗毁性能较差,中心节点的故障容易导致整个网络的瘫痪。

  3)完全分布型

  完全分布结构,目前还无具体应用,仅处于理论探讨阶段,它要求相关节点在数据传输过程中发挥作用,类似于分组无线网的概念。对每一节点而言,或许只有网络的部分拓扑知识(也可通过软件的安装获取全部拓扑结构),但它可与邻近节点以某种方式分享对拓扑结构的认识,由此完成一种分布路由算法,即路由上的每一节点都要协助将数据传送至目的节点。

  分布式结构抗毁性能好,移动能力强,可形成多跳网,适合较低速率的中小型网络,但对于用户节点而言,复杂性和成本较其他结构大幅度提高,网络管理困难,并存在多径干扰问题,同时随着网络规模的扩大,其性能指标下降较快。但在军事领域中,分布式WLAN具有很好的应用前景。

WLAN的传输方式[4]

  现行的WLAN按传输方式通常可分为两种:红外系统、射频系统。

  1)红外(IR)系统

  红外WLAN在室内的应用正引起极大的关注,由于它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质,其使用不受无线电管理部门的限制。红外信号要求视距传输,检测和窃听困难,对邻近区域的类似系统也不会产生干扰,如果采用微蜂房技术,小区频率复用度可为1。

  红外波段由于频率太高,不能像射频那样进行调制解调。如果采用聚焦波束的点对点方案,在距离30rn时可达到的比特速率至少为50Mbit/s,但出于安全考虑,其发射功率受到限制;漫射(diffuse)技术可为用户提供移动能力,但由于多径干扰以及对环境变化的敏感,一般工作于较低速率;准漫射技术(quasi-diffuse)综合了两者的优点,是目前红外LAN研究的热点,也是发展的方向。在实际应用中,由于IR系统具有很高的背景噪声(日光、环境照明等),一般要求的发射功率较高,而采用现行技术,特别是LED,很难获得高的比特速率,尽管如此,红外WLAN仍是目前“100Mbit/s以上、性能价格比高的网络”惟一可行的选择。

  2)射频(RF)系统

  RFWLAN是目前最为流行的WLAN,它按频段可划分为3类:

  (1)非专用频段,或称为工业、科研、医学(ISM)频段。ISM频段,位于调频无线电和蜂窝电话使用的UHF频段高端。由于此频段频谱资源拥挤,可用的带宽较少,所以必须采用扩频技术。由于优越的抗干掂|生和保密性,扩频技术其概念就是把原始信息的带宽变换成带宽宽得多的类噪声信号,扩频信号辐射的功率是被扩展过10~1000倍原始信息的带宽,这样,功率谱密度也相应降低相同的量,扩频信号对窄带信号(FDMA,TD-MA)用户的干扰也相应地降低相同的量,于是扩频信号对窄带用户的干扰就很小了。另一方面。扩频信号本身具有强的抗干扰能力,从这个意义上说,在窄带用户发射功率一定时,由于扩频处理增益的作用,扩频宽带信号可以与窄带信号共享相同的频带。也正鉴于此,美国联邦通信委员会(FCC)在1985年开放了3个频段:902~928MHz,2.4~2.4835GHz,5.725~5.85GHz,允许输出功率小于1W的扩频电台免许可证使用,这极大地促进了WLAN的发展。

  ISM频段中涉及的免许可证电台,可以采用直接序列扩频(DS)、跳频(HF),也可以是混合扩频(DS/HF)。DS技术常用于较高速率的数据通信,跳频系统从本质而言还是窄带传输过程,由于限制了调制带宽,通常速率较低,所以ISM频段的WLAN大多采用DS扩频,FCC对其使用做了较严格的技术规定。但是,扩频技术并不能从根本上解决可用带宽问题,在无线传输中,数据编码的可用带宽越多,可达到的总的数据率就越高,尽管FCC开放了多个频段,但其总的可用带宽有限,理论上,处理增益10dB的DS系统(QPSK)可得到的最大数据率分别为2.6Mbit/s(900MHz)和8.35Mbit/s(2.4GHz)。而目前工作于ISM频段中的WLAN最高数据率均小于1Mbit/s。

  此外,在ISM频段中射频信号具有一定的透射和绕射能力,频率复用度较低,无法与最新的微蜂房技术结合,阻止了其应用范围的进一步扩大。

  (2)专用频段:18.825~18.875GHz,19.165~19.215GHz。18GHz波段的主要优点是它具有一系列UHF和红外光波的混合频率特性,对于微蜂房网络应用很有吸引力,可获得较高的频率复用度,并且信号不必严格限于视距传输。18GHz波段具有足够高的频率,办公设施、生产设备对WLAN的干扰很小,而且由于所需功率小,系统产生的微波能量也不会影响其他电子系统和设备的正常工作。

  18GHz波段另一个主要优势在于具有足够的带宽,最近FCC划分的专用频段。可供10个10MHz信道使用,由于FCC的控制,也减少了潜在的系统同频干扰。专用频段一般选用频带利用率高的窄带调制方式(如TDMA),所以这一频段的WLAN多使用时分双工(TDD)复用技术,使系统在进行高速数据传输的同时,还有足够的频率间隔保证数据的可靠性和完整性。

  (3)毫米波段(mmW)。工作于毫米波段的WLAN可提供更大的信息传输容量,但在技术上还未成熟。mmW与IR系统在物理层上有许多相似之处,在mmW系统中使用天线分集技术可明显提高抗阻塞和抗多径干扰能力,而IR系统由于波长短,使用天线分集时抗多径性能改善不大,只能减小阴影、阻塞和时延扩展带来的影响。此外,在mmW中采用静态路径补偿相对简单,特别是在频率高端(58GHz左右)。在此频段中,由于大气氧产生分子谐振,比低频段正常传播损耗高约18dB/km,这种附加的衰落使信号明显具有明显的作用范围,区域外不易检测和窃听到LAN信号,也使外来干扰对LAN不会产生大的影响,因此,毫米波段WLAN在军事领域中具有极好的发展前景。

WLAN的网络协议[4]

  分布计算环境的基础是网络数据的高质量传输,以有线以太网为例,其误码率在10~12数量级,出错后还可通过分组重传采取进一步保护措施。而在WLAN中即使采用纠错编码、反馈补偿等相关技术,要获得有线u州那样的低误码率仍然困难。因此与有线传输相比,WLAN在数据链路层上存在较大差异。

  在介质访问控制子层(MAC),有线LAN多遵循IEEE 802系列标准,例如802.3的载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议,802.5的令牌环路协议等。而WLAN的MAC标准化工作还未最后完成,IEEE 802.11正致力于这方面的研究。由于MAC层及其以下各层对上层是透明的,只要配置相应的驱动程序,保证现有的有线局域网操作系统和应用软件在无线局域网上正常运行,所以我们重点讨论MAC层的协议。评价LAN协议的好坏,除了物理层传输速率,主要是吞吐量和时延特性参数。

  1)IEEE 802系列

  红外WLAN多采用IEEE802系列标准,所以它可以直接使用现有的应用软件,可工作于802.X速率。而射频波段的WLAN,由于其物理层固有的信道波动性,采用上述协议不如有线系统可靠。

  2)载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议

  由于无线介质动态范围大,一般的冲突检测方法在技术上难以实现,所以射频WLAN大多采用冲突避免的协议。CSMA/CA从本质上说,是时分复用技术和CSMA/CD的组合,其随机访问特性,保证它在协议层、带宽共享和物理信道特性方面性能可靠,但由于增加了时隙分配、同步比特等额外开销,其运行速度一般低于IEEE802.3协议。

  3)IEEE 802.11

  1993年11月,IEEE 802.11委员会提出了“基于分布方式的无线介质访问控制协议”草案,简称DFWMAC,其基本出发点是CSMA/CA,但为了增强异步传输业务的可靠性,采用了MAC层确认机制,对帧丢失予以检测并重新发送。此外,为了进一步减少碰撞,收发节点在数据传输前可交换简短的控制帧,来完成信道占用时间确定等功能。

  4)时分双工(TDD)复用技术

  TDD技术采用时分多址(TDMA)的常规传输方式,即将一时隙预约TDMA作为MAC协议,网络结构包括一个控制模块和若干用户模块。用户发送数据前要先发送请求,控制模块会在下一帧中分配时隙,从而避免了冲突。在传送突发性很强的单向高速数据时,可通过使用多时隙和不对称传输(使用上、下行时隙同向传送)来实现。帧长的选择取决于两个因素:时延和有效性。帧长越短,由于开销比特固定,有效性越差;相反则时延越大,所以帧长是采用TDD技术的WLAN设计中的关键问题。

  5)网关方式

  这种方式基于国际标准化组织定义的开放系统互联(OSI)协议体系结构,采用802.X与上层软件接口,然后安装完全不同的协议栈供无线信道使用,实现有线LAN和无线信道协议在逻辑链路控制(LLC)层的互联,使系统不必依赖于特定的有线LAN技术。

  综上所述,WLAN协议的关键在于提高吞吐量、降低网络时延、有效利用信道。同时,一些国际标准,如泛欧数字无绳电话标准DECT,也向支持WLAN应用的方向发展,它通过将桥路器和无线基站集成,使PABX和IAN系统相结合,来支持语音、数据等综合业务的传输。

WLAN的应用[4]

  1)吞吐量

  目前,有些设备吞吐量已超过15Mbit/s,而有些只能达到15Kbit/s或者更低,对用户而言,应以满足实际需求、有效利用带宽为原则。以互联有线以太网为例,虽然有线网传输速率达100Mbit/s,但实际的最大负载约为4Mbit/s(因为随着输入量增大,冲突和重传次数也相应增加),若是远距离传输,吞吐量会降低至2~3Mbit/s。此外,在有线LAN中,只有无线节点的业务才会通过无线接口。因此,工作于较低速率(2Mbit/s)的WLAN,可很好地与有线以太网相匹配,并具有较好的性能。

  从长远看,WLAN提供的速率应与FDDI(分布式光纤接口)或BISDN(宽带综合业务数字网)兼容,所以目前人们正致力于传输率100Mbit/s系统的研究开发。

  2)保密性

  由于无线传输介质的开放性,除了在网络管理层采取一定的安全措施外,在WLAN中,扩频传输技术也提供了许多安全方面的优点。不同的扩频用户选择不同的扩频码可共享同一频带,只有与发信机具有相同扩频码的收信机才能恢复或解扩信号,PN码使数据的保密性能得到增强。但直扩或跳频技术带来的优点,在单频传输时无法实现,所以有必要发展一种动态、简单的加密设备或算法,不仅易于连接和操作,而且传输密码对数据链路也不会产生太多的附加延迟或开销。在实际应用中,既可以通过独立的设备,也可采用硬件或软件方法融入WLAN设备中实现。

  3)“动中通”(OTM,on-the-move)

  随着计算机大量进入商业市场和军事部门,主机之间的相互通信变得非常重要。无论普通用户,还是军事指挥员,都希望能从网络的任何位置,不需复杂的寻址或长时间的物理连接就可发送数据。目前WLAN已完成了“无束缚”的静态操作,下一步发展目标,将是OTM能力,即在以一定速度行进时,可无中断地收发数据,这将是实现个人通信网(PCN)的一条有效途径。当然,为了扩大覆盖范围和提高频谱利用率,有必要引入蜂房或微蜂房技术,所以说未来的WLAN将是多项最新的通信技术的结合。

  WLAN技术的未来极大地依赖于标准的建立,虽然IEEE 802.11委员会的研究进展比原计划滞后,但它对WLAN的发展起着重要作用,此外,对等以太网计划也可望在WLAN发展中产生积极影响。

  为了实现通信业务的可视化、智能化和个人化,国际电信研究与开发的热点正转向宽带综合业务数字网(BISDN),而异步转移模式(ATM)作为BISDN的基本传输机制,在无线网络中的应用将无可避免。

参考文献

  1. 蒋群等编.5W时代:无线网络技术之路.化学工业出版社,2003
  2. 信必优技术学院研发部编著.搭建Windows测试环境技术.清华大学出版社,2009
  3. 周志强主编.下一代技术及影响:通信计算机与广播电视.中国广播电视出版社,2007
  4. 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 孙社文主编.现代通信及其新业务.煤炭工业出版社,2004
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