WLAN

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WLAN(Wireless Local Area Network:無線區域網)

目錄

什麼是WLAN[1]

  WLAN電腦網路與無線通信技術相結合的產物。通俗點說,無線區域網就是在不採用傳統電纜線的同時,提供傳統有線區域網的所有功能,網路所需的基礎設施不需要再埋在地下或隱藏在牆裡,網路卻能夠隨著用戶的需要移動或變化。

WLAN的發展歷史[2]

  WLAN起步於1997年。當年的6月,第一個無線區域網標準IEEE802.11正式頒佈實施,為無線區域網技術提供了統一標準,但當時的傳輸速率只有l~2Mbps。隨後,IEEE委員會又開始了新的WLAN標準的制定,分別取名為IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。IEEE 802.11b標準首先於1999年9月正式頒佈,其速率為11Mbps。經過改進的IEEE 802.11a標準,在2001年底才正式頒佈,它的傳輸速率可達到54Mbps,幾乎是IEEE 802.11b標準的5倍。儘管如此,WLAN的應用並未真正開始,因為整個WLAN應用環境並不成熟。

  WLAN的真正發展是從2003年3月Intel第一次推出帶有WLAN無線網卡晶元模塊的迅馳處理器開始的。也許是Intel特殊的專業敏感性,它認識到無線網路將在不久的將來得到廣泛應用和迅速發展,於是大膽地在其新型節能的迅馳筆記本電腦處理器中集成這樣一個支持IEEE 802.11b標準的無線網卡晶元。儘管當時的無線網路環境還非常不成熟,最為發達的美國也不例外。但是由於Intel的捆綁銷售,加上迅馳晶元的高性能、低功耗等非常明顯的優點,使得許多無線網路服務商看到了商機,同時11Mbps的接入速率在一般的小型區域網也可進行一些日常應用,於是各國的無線網路服務商開始在公共場所(如機場、賓館咖啡廳等)提供訪問“熱點”,實際上就是佈置一些無線訪問點(Access Point,AP),方便移動商務人士無線上網。

  經過了兩年多的發展,基於IEEE 802.11b標準的無線網路產品和應用己相當成熟,但畢竟11Mbps的接入速率還遠遠不能滿足實際網路的應用需求。

  在2003年6月,經過兩年多的開發和多次改進,一種兼容原來的IEEE 802.11b標準、同時也可提供54Mbps接入速率的新標準——IEEE802.11g在IEEE委員會的努力下正式發佈了。這樣就基本上宣告了IEEE 802.1la標準的死刑,因為IEEE 802.11g標準不但具有與IEEE 802.11a標準一樣的接入速率,而且還與IEEE 802.11b標準兼容,因為都是工作於免費的2.4GHz頻段,所以價格也比IEEE802.11a便宜許多。

  目前有一種接入速率更高、全面兼容以前WLAN標準的IEEE 802.11n正在被研製,據說這個標準的接入速率是原來的IEEE 80211a和IEEE 802.119標準的兩倍,速率可達200Mbps以上,此時WLAN將全面迎來它的調整、發展和應用時期。

  目前基於WLAN安全和質量服務(QoS)的標準IEEE 802.11i和IEEE802.11e草案已經發佈,不過國內專家認為它還達不到保護網路的效果,提出了修改現有WLAN安全標準的建議,於是一項名為國家無線區域網安全標準的WAPI正式出籠。

WLAN的優點[3]

  與有線網路相比,WLAN具有以下優點:

  ①安裝便捷。無線區域網的安裝工作簡單,它無需施工許可證,不需要佈線或開挖溝槽。它的安裝時間只是安裝有線網路時間的零頭。

  ②覆蓋範圍廣。在有線網路中,網路設備的安放位置受網路信息點位置的限制。而無線區域網的通信範圍,不受環境條件的限制,網路的傳輸範圍大大拓寬,最大傳輸範圍可達到幾十公裡。

  ③經濟節約。由於有線網路缺少靈活性,這就要求網路規劃者儘可能地考慮未來發展的需要,所以往往導致預設大量利用率較低的信息點。而一旦網路的發展超出了設計規劃,又要花費較多費用進行網路改造。WLAN不受佈線接點位置的限制,具有傳統區域網無法比擬的靈活性,可以避免或減少以上情況的發生。

  ④易於擴展。WLAN有多種配囂方式,能夠根據需要靈活選擇。這樣,WLAN就能勝任從只有幾個用戶的小型網路到上千用戶的大型網路,並且能夠提供“漫游”等有線網路無法提供的特性。

  ⑤傳輸速率高。WLAN的數據傳輸速率現在已經能夠達到11Mbit/s,傳輸距離可遠至20km以上。應用正交頻分復用(OFDM)技術的WLAN,甚至可以達到54Mbit/s。

WLAN的組成[4]

  WLAN基本上可分為3部分:通信設備、用戶終端和支持單元。

  通信設備依據功能可分為4類:WLAN“固定小區”、WLAN“移動小區”、WLAN“橋路器”,以及通信保密裝置(COMSEC)。“移動小區”與“固定小區”類型相似。區別主要在於當用戶移動時能否提供無中斷連接和越區切換。無線“橋路器”為分散的“固定小區”或獨立的“移動小區”提供中遠距離的點對點連接,橋路器檢查每個數據包的地址,並確定最佳路由方案。COMSEC裝置是為了滿足通信鏈路的保密要求設置的,它可以採用分組交換的數據加密設備(DED)進行網路端一端加密,也可以使用整體加密裝置滿足整條物理鏈路的安全要求。

  用戶終端提供的業務包括電子郵件、數據傳送、語音和圖像信息。其中,計算數據、模擬結果等,在傳輸過程中不允許出錯,所以對易出錯誤的無線傳輸通道而言,須採用糾錯能力較強的編碼方案,並且數據重傳次數顯著增加,會給系統帶來大量額外開銷。而用戶的多媒體信息,如語音和圖像數據,相對而言容錯|生能較好,在一幀圖像或語音採樣中出現少量錯誤,對數據的整體性能影響不大。

  網路支持包括本地網路管理和外部介面設備兩大部分。網路管理由網路的整體配置和各主要模塊(設備、軟體)配置組成,例如:COMSEC的加密演算法和密鑰管理就被作為網路管理的一部分,由中心統一控制。至於外部介面設備,在其他網路中可能已經予以考慮,但為了滿足自維護網路的要求,在條件允許(如空間資源不緊張)的情況下,還是應該保留。

WLAN的拓撲結構[4]

  在WLAN中,目前使用的拓撲結構主要有3種形式:點對點型、HUB型和全分佈型。這3種結構解決問題的方法各有優缺點,目的都是讓用戶在無線通道中,獲得與有線LAN兼容或相近的傳輸速率。

  1)點對點型

  典型的點對點結構,是通過單頻或擴頻微波電臺、紅外發光二極體、紅外激光等方法,連接兩個固定的有線LAN網段,實際上是作為一種網路互聯方案。無線鏈路與有線LAN的連接是通過橋路器或中繼器完成的。點對點拓撲結構簡單,採用這種方案可獲得中遠距離的高速率鏈路。由於不存在移動性問題,收發信機的波束寬度可以很窄,雖然這會增加設備調試難度,但可減小由波束髮散引起的功率衰耗。

  2)HUB型

  這種拓撲由一個中心節點(HUB)和若幹外圍節點組成,外圍節點既可以是獨立的工作站,也可與多個用戶相連。中心HUB作為網路管理設備,為訪問有線LAN或伺服器提供邏輯接入點,並監控所有節點對網路的訪問,管理外圍設備對廣播帶寬的競爭,其管理功能由軟體具體實現。在此拓撲中,任何兩外圍節點間的數據通信都須經過HUB,所以這種路由方案是種典型的集中控制式。

  採用這種結構的網路,具有用戶設備簡單,維護費用低,網路管理單一等優點,並可與微蜂房技術結合,實現空間和頻率復用,但是,用戶之間的通信延遲增加,網路抗毀性能較差,中心節點的故障容易導致整個網路的癱瘓。

  3)完全分佈型

  完全分佈結構,目前還無具體應用,僅處於理論探討階段,它要求相關節點在數據傳輸過程中發揮作用,類似於分組無線網的概念。對每一節點而言,或許只有網路的部分拓撲知識(也可通過軟體的安裝獲取全部拓撲結構),但它可與鄰近節點以某種方式分享對拓撲結構的認識,由此完成一種分佈路由演算法,即路由上的每一節點都要協助將數據傳送至目的節點。

  分散式結構抗毀性能好,移動能力強,可形成多跳網,適合較低速率的中小型網路,但對於用戶節點而言,複雜性和成本較其他結構大幅度提高,網路管理困難,並存在多徑干擾問題,同時隨著網路規模的擴大,其性能指標下降較快。但在軍事領域中,分散式WLAN具有很好的應用前景。

WLAN的傳輸方式[4]

  現行的WLAN按傳輸方式通常可分為兩種:紅外系統、射頻系統。

  1)紅外(IR)系統

  紅外WLAN在室內的應用正引起極大的關註,由於它採用低於可見光的部分頻譜作為傳輸介質,其使用不受無線電管理部門的限制。紅外信號要求視距傳輸,檢測和竊聽困難,對鄰近區域的類似系統也不會產生干擾,如果採用微蜂房技術,小區頻率復用度可為1。

  紅外波段由於頻率太高,不能像射頻那樣進行調製解調。如果採用聚焦波束的點對點方案,在距離30rn時可達到的比特速率至少為50Mbit/s,但出於安全考慮,其發射功率受到限制;漫射(diffuse)技術可為用戶提供移動能力,但由於多徑干擾以及對環境變化的敏感,一般工作於較低速率;準漫射技術(quasi-diffuse)綜合了兩者的優點,是目前紅外LAN研究的熱點,也是發展的方向。在實際應用中,由於IR系統具有很高的背景雜訊(日光、環境照明等),一般要求的發射功率較高,而採用現行技術,特別是LED,很難獲得高的比特速率,儘管如此,紅外WLAN仍是目前“100Mbit/s以上、性能價格比高的網路”惟一可行的選擇。

  2)射頻(RF)系統

  RFWLAN是目前最為流行的WLAN,它按頻段可劃分為3類:

  (1)非專用頻段,或稱為工業、科研、醫學(ISM)頻段。ISM頻段,位於調頻無線電和蜂窩電話使用的UHF頻段高端。由於此頻段頻譜資源擁擠,可用的帶寬較少,所以必須採用擴頻技術。由於優越的抗乾掂|生和保密性,擴頻技術其概念就是把原始信息的帶寬變換成帶寬寬得多的類雜訊信號,擴頻信號輻射的功率是被擴展過10~1000倍原始信息的帶寬,這樣,功率譜密度也相應降低相同的量,擴頻信號對窄帶信號(FDMA,TD-MA)用戶的干擾也相應地降低相同的量,於是擴頻信號對窄帶用戶的干擾就很小了。另一方面。擴頻信號本身具有強的抗干擾能力,從這個意義上說,在窄帶用戶發射功率一定時,由於擴頻處理增益的作用,擴頻寬頻信號可以與窄帶信號共用相同的頻帶。也正鑒於此,美國聯邦通信委員會(FCC)在1985年開放了3個頻段:902~928MHz,2.4~2.4835GHz,5.725~5.85GHz,允許輸出功率小於1W的擴頻電臺免許可證使用,這極大地促進了WLAN的發展。

  ISM頻段中涉及的免許可證電臺,可以採用直接序列擴頻(DS)、跳頻(HF),也可以是混合擴頻(DS/HF)。DS技術常用於較高速率的數據通信,跳頻系統從本質而言還是窄帶傳輸過程,由於限制了調製帶寬,通常速率較低,所以ISM頻段的WLAN大多採用DS擴頻,FCC對其使用做了較嚴格的技術規定。但是,擴頻技術並不能從根本上解決可用帶寬問題,在無線傳輸中,數據編碼的可用帶寬越多,可達到的總的數據率就越高,儘管FCC開放了多個頻段,但其總的可用帶寬有限,理論上,處理增益10dB的DS系統(QPSK)可得到的最大數據率分別為2.6Mbit/s(900MHz)和8.35Mbit/s(2.4GHz)。而目前工作於ISM頻段中的WLAN最高數據率均小於1Mbit/s。

  此外,在ISM頻段中射頻信號具有一定的透射和繞射能力,頻率復用度較低,無法與最新的微蜂房技術結合,阻止了其應用範圍的進一步擴大。

  (2)專用頻段:18.825~18.875GHz,19.165~19.215GHz。18GHz波段的主要優點是它具有一系列UHF和紅外光波的混合頻率特性,對於微蜂房網路應用很有吸引力,可獲得較高的頻率復用度,並且信號不必嚴格限於視距傳輸。18GHz波段具有足夠高的頻率,辦公設施、生產設備對WLAN的干擾很小,而且由於所需功率小,系統產生的微波能量也不會影響其他電子系統和設備的正常工作。

  18GHz波段另一個主要優勢在於具有足夠的帶寬,最近FCC劃分的專用頻段。可供10個10MHz通道使用,由於FCC的控制,也減少了潛在的系統同頻干擾。專用頻段一般選用頻帶利用率高的窄帶調製方式(如TDMA),所以這一頻段的WLAN多使用時分雙工(TDD)復用技術,使系統在進行高速數據傳輸的同時,還有足夠的頻率間隔保證數據的可靠性和完整性。

  (3)毫米波段(mmW)。工作於毫米波段的WLAN可提供更大的信息傳輸容量,但在技術上還未成熟。mmW與IR系統在物理層上有許多相似之處,在mmW系統中使用天線分集技術可明顯提高抗阻塞和抗多徑干擾能力,而IR系統由於波長短,使用天線分集時抗多徑性能改善不大,只能減小陰影、阻塞和時延擴展帶來的影響。此外,在mmW中採用靜態路徑補償相對簡單,特別是在頻率高端(58GHz左右)。在此頻段中,由於大氣氧產生分子諧振,比低頻段正常傳播損耗高約18dB/km,這種附加的衰落使信號明顯具有明顯的作用範圍,區域外不易檢測和竊聽到LAN信號,也使外來干擾對LAN不會產生大的影響,因此,毫米波段WLAN在軍事領域中具有極好的發展前景。

WLAN的網路協議[4]

  分佈計算環境的基礎是網路數據的高質量傳輸,以有線乙太網為例,其誤碼率在10~12數量級,出錯後還可通過分組重傳採取進一步保護措施。而在WLAN中即使採用糾錯編碼、反饋補償等相關技術,要獲得有線u州那樣的低誤碼率仍然困難。因此與有線傳輸相比,WLAN在數據鏈路層上存在較大差異。

  在介質訪問控制子層(MAC),有線LAN多遵循IEEE 802系列標準,例如802.3的載波偵聽多路訪問/衝突檢測(CSMA/CD)協議,802.5的令牌環路協議等。而WLAN的MAC標準化工作還未最後完成,IEEE 802.11正致力於這方面的研究。由於MAC層及其以下各層對上層是透明的,只要配置相應的驅動程式,保證現有的有線區域網操作系統和應用軟體在無線區域網上正常運行,所以我們重點討論MAC層的協議。評價LAN協議的好壞,除了物理層傳輸速率,主要是吞吐量和時延特性參數。

  1)IEEE 802系列

  紅外WLAN多採用IEEE802系列標準,所以它可以直接使用現有的應用軟體,可工作於802.X速率。而射頻波段的WLAN,由於其物理層固有的通道波動性,採用上述協議不如有線系統可靠。

  2)載波偵聽多路訪問/衝突避免(CSMA/CA)協議

  由於無線介質動態範圍大,一般的衝突檢測方法在技術上難以實現,所以射頻WLAN大多採用衝突避免的協議。CSMA/CA從本質上說,是時分復用技術和CSMA/CD的組合,其隨機訪問特性,保證它在協議層、帶寬共用和物理通道特性方面性能可靠,但由於增加了時隙分配、同步比特等額外開銷,其運行速度一般低於IEEE802.3協議。

  3)IEEE 802.11

  1993年11月,IEEE 802.11委員會提出了“基於分佈方式的無線介質訪問控制協議”草案,簡稱DFWMAC,其基本出發點是CSMA/CA,但為了增強非同步傳輸業務的可靠性,採用了MAC層確認機制,對幀丟失予以檢測並重新發送。此外,為了進一步減少碰撞,收發節點在數據傳輸前可交換簡短的控制幀,來完成通道占用時間確定等功能。

  4)時分雙工(TDD)復用技術

  TDD技術採用時分多址(TDMA)的常規傳輸方式,即將一時隙預約TDMA作為MAC協議,網路結構包括一個控制模塊和若幹用戶模塊。用戶發送數據前要先發送請求,控制模塊會在下一幀中分配時隙,從而避免了衝突。在傳送突發性很強的單向高速數據時,可通過使用多時隙和不對稱傳輸(使用上、下行時隙同向傳送)來實現。幀長的選擇取決於兩個因素:時延和有效性。幀長越短,由於開銷比特固定,有效性越差;相反則時延越大,所以幀長是採用TDD技術的WLAN設計中的關鍵問題。

  5)網關方式

  這種方式基於國際標準化組織定義的開放系統互聯(OSI)協議體繫結構,採用802.X與上層軟體介面,然後安裝完全不同的協議棧供無線通道使用,實現有線LAN和無線通道協議在邏輯鏈路控制(LLC)層的互聯,使系統不必依賴於特定的有線LAN技術。

  綜上所述,WLAN協議的關鍵在於提高吞吐量、降低網路時延、有效利用通道。同時,一些國際標準,如泛歐數字無繩電話標準DECT,也向支持WLAN應用的方向發展,它通過將橋路器和無線基站集成,使PABX和IAN系統相結合,來支持語音、數據等綜合業務的傳輸。

WLAN的應用[4]

  1)吞吐量

  目前,有些設備吞吐量已超過15Mbit/s,而有些只能達到15Kbit/s或者更低,對用戶而言,應以滿足實際需求、有效利用帶寬為原則。以互聯有線乙太網為例,雖然有線網傳輸速率達100Mbit/s,但實際的最大負載約為4Mbit/s(因為隨著輸入量增大,衝突和重傳次數也相應增加),若是遠距離傳輸,吞吐量會降低至2~3Mbit/s。此外,在有線LAN中,只有無線節點的業務才會通過無線介面。因此,工作於較低速率(2Mbit/s)的WLAN,可很好地與有線乙太網相匹配,並具有較好的性能。

  從長遠看,WLAN提供的速率應與FDDI(分散式光纖介面)或BISDN(寬頻綜合業務數字網)兼容,所以目前人們正致力於傳輸率100Mbit/s系統的研究開發。

  2)保密性

  由於無線傳輸介質的開放性,除了在網路管理層採取一定的安全措施外,在WLAN中,擴頻傳輸技術也提供了許多安全方面的優點。不同的擴頻用戶選擇不同的擴頻碼可共用同一頻帶,只有與發信機具有相同擴頻碼的收信機才能恢復或解擴信號,PN碼使數據的保密性能得到增強。但直擴或跳頻技術帶來的優點,在單頻傳輸時無法實現,所以有必要發展一種動態、簡單的加密設備或演算法,不僅易於連接和操作,而且傳輸密碼對數據鏈路也不會產生太多的附加延遲或開銷。在實際應用中,既可以通過獨立的設備,也可採用硬體或軟體方法融入WLAN設備中實現。

  3)“動中通”(OTM,on-the-move)

  隨著電腦大量進入商業市場和軍事部門,主機之間的相互通信變得非常重要。無論普通用戶,還是軍事指揮員,都希望能從網路的任何位置,不需複雜的定址或長時間的物理連接就可發送數據。目前WLAN已完成了“無束縛”的靜態操作,下一步發展目標,將是OTM能力,即在以一定速度行進時,可無中斷地收發數據,這將是實現個人通信網(PCN)的一條有效途徑。當然,為了擴大覆蓋範圍和提高頻譜利用率,有必要引入蜂房或微蜂房技術,所以說未來的WLAN將是多項最新的通信技術的結合。

  WLAN技術的未來極大地依賴於標準的建立,雖然IEEE 802.11委員會的研究進展比原計劃滯後,但它對WLAN的發展起著重要作用,此外,對等乙太網計劃也可望在WLAN發展中產生積極影響。

  為了實現通信業務的可視化、智能化和個人化,國際電信研究與開發的熱點正轉向寬頻綜合業務數字網(BISDN),而非同步轉移模式(ATM)作為BISDN的基本傳輸機制,在無線網路中的應用將無可避免。

參考文獻

  1. 蔣群等編.5W時代:無線網路技術之路.化學工業出版社,2003
  2. 信必優技術學院研發部編著.搭建Windows測試環境技術.清華大學出版社,2009
  3. 周志強主編.下一代技術及影響:通信電腦與廣播電視.中國廣播電視出版社,2007
  4. 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 孫社文主編.現代通信及其新業務.煤炭工業出版社,2004
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