无线局域网技术白皮书

恋々风

无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频（RF）技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，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再埋在地下或隐藏在墙里，也能够随需移动或变化。使得无线局域网络能利用简单的存取构架让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。WLAN是20世纪90年代计算机与无线通信技术相结合的产物，它使用无线信道来接入网络，为通信的移动化，个人化和多媒体应用提供了潜在的手段，并成为宽带接入的有效手段之一。

　　一、IEEE802.11无线局域网标准

　　1997年IEEE802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有IEEE802.11b,a和g。

　　1.1 IEEE802.11b

　　1999年9月正式通过的IEEE802.11b标准是IEEE802.11协议标准的扩展。它可以支撑最高11Mbps的数据速率，运行在2.4GHz的ISM频段上，采用的调制技术是CCK。但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，CCK调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率就要更高，这对于现有的码片来说比较困难；对于接收端的RAKE接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的时间分集效果，要求RAKE接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现。

　　1.2 IEEE802.11a

　　IEEE802.11a工作5GHz频段上，使用OFDM调制技术可支撑54Mbps的传输速率。802.11a与802.11b两个标准都存在着各自的优缺点，802.11b的优势在于价格低廉,但速率较低（最高11Mbps）；而802.11a优势在于传输速率快（最高54Mbps）且受干扰少，但价格相对较高。另外，11a与11b工作在不同的频段上,不能工作在同一AP的网络里，因此11a与11b互不兼容。

　　1.3 IEEE802.11g

　　为了解决上述问题，为了进一步推动无线局域网的发展，2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准，新的标准终于浮出水面成为人们对无线局域网关注的焦点。IEEE802.11工作组开始定义新的物理层标准IEEE802.11g。该草案与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点：其在2.4G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上；IEEE802.11g标准能够与802.11b的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。这样原有的WLAN系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了IEEE802.11b产品的使用寿命，降低用户的投资。

　　1.4 IEEE802.11n

　　IEEE已经成立802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准802.11n。802.11n工作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的，由802.11g工作小组主席Matthew B. Shoemaker担任主席一职。该工作小组计划在2003年9月召开首次会议。

　　IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b、802.11a、802.11g之后的另一场重头戏。和以往地802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5GHz两个工作频段）。这样11n保障了与以往的802.11a b, g标准兼容。

　　IEEE802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。IEEE802.11n标准全面改进了802.11标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升MAC层的性能，优化数据帧结构，提高网络的吞吐量性能。

　　二、 IEEE802.11无线局域网的物理层关键技术

　　随着无线局域网技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越高。但是在室内，这个较为复杂的电磁环境中，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使的实现无线信道中的高速数据传输比有线信道中困难，WLAN需要采用合适的调制技术。

　　IEEE802.11无线局域网络是一种能支撑较高数据传输速率（1-54Mbit/s），采用微蜂窝，微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络。其关键技术大致有三种：DSSS、CCK技术，和 PBCC，和OFDM。每种技术皆有其特点，目前，扩频调制技术正成为主流，而OFDM技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点。

　　2.1 DSSS调制技术

　　基于DSSS的调制技术有三种。最初IEEE802.11标准制定在1Mbps数据速率下采用DBPSK。如提供2Mbps的数据速率，要采用DQPSK，这种方法每次处理两个比特码元，成为双比特。第三种是基于CCK的QPSK，是11b标准采用的基本数据调制方式。它采用了补码序列与直序列扩频技术，是一种单载波调制技术，通过PSK方式传输数据，传输速率分为1，2,5.5和11Mbps。CCK通过与接收端的Rake接收机配合使用，能够在高效率的传输数据的同时有效的克服多径效应。IEEE802.11b使用了CCK调制技术来提高数据传输速率，最高可达11Mbps。但是传输速率超过11Mbps，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。因此，802.11工作组，为了推动无线局域网的发展，又引入新的调制技术。

　　2.2 PBCC调制技术

　　PBCC调制技术是由TI企业提出的，已作为802.11g的可选项被采纳。PBCC也是单载波调制，但它与CCK不同，它使用了更多复杂的信号星座图。PBCC采用8PSK，而CCK使用BPSK/QPSK；另外PBCC使用了卷积码，而CCK使用区块码。因此，它们的解调过程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的数据传输，其传输速率为11，22和33Mbps。

　　2.3 OFDM技术

　　OFDM技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想：就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，并且各子载波并行传输，从而有效的抑制无线信道的时间弥散所带来的ISI。这样就减少了接收机内均衡的复杂度，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。

　　由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。（如图1.1所示）在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。FFT的引入，降低了OFDM的实现复杂性，提升了系统的性能。（如图1.2所示OFDM发送接收机系统结构）






图1.1 FDM信号与OFDM信号频谱比较


　　无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希翼物理层支撑非对称高速数据传输，而OFDM容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

　　由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统在某种程度上抵抗这种干扰。






图1.2 OFDM系统结构框图


　　另外，同单载波系统相比，OFDM还存在一些缺点，易受频率偏差的影响，存在较高的PAR。

　　OFDM技术有非常广阔的发展前景，已成为第4带移动通信的核心技术。IEEE802.11a g标准为了支撑高速数据传输都采用了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，最大程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。

　　2.4 MIMO OFDM技术

　　MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。它可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道，也就是说天线单元之间存在充分的间隔，因此消除了天线间信号的相关性，提高信号的链路性能增加了数据吞吐量。






图1.3 MIMO系统原理框图


　　现代信息论表明：对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为公式

　　(2.1)

　　（其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者）。

　　上式表明，MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。研究表明，在瑞利衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。采用多输入多输出（MIMO）系统是提高频谱效率的有效方法。大家知道，多径衰落是影响通信质量的主要因素，但MIMO系统却能有效地利用多径的影响来提高系统容量。系统容量是干扰受限的，不能通过增加发射功率来提高系统容量。而采用MIMO结构不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量。因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。

　　在OFDM系统中采用多发射天线实际上就是根据需要在各个子信道上应用多发射天线技术。每个子信道都对应一个多天线子系统。一个多发射天线的OFDM系统。目前正在开发的设备由2组IEEE802.11a收发器、发送天线和接收天线各2个（2×2）和负责运算处理过程的MIMO系统组成，能够实现最大108Mbit/秒的传输速度。支撑AP和客户端之间的传输速度为108Mbit/秒，客户端不支撑该技术时（IEEE802.11a客户端的情况），通信速度为54Mbit/秒。

　　三、IEEE802.11无线局域网的网络构成

　　WLAN网络产品的多种使用方法可以组合出适合各种情况的无线联网设计，可以方便地解决许多以线缆方式难以联网的用户需求。例如，数十公里远的两个局域网相联：其间或有河流、湖泊相隔，拉线困难且线缆安全难保障，或在城市中敷设专线要涉及审批复杂，周期很长的市政施工问题，WLAN能以比线缆低几倍的费用在几天内实现，WLAN也可方便地实现不经过大的施工改建而使旧式建筑具有智能大厦的功能。

　　WLAN的设备主要包括：无线网卡、无线访问接入点、无线集线器和无线网桥，几乎所有的无线网络产品中都自带无线发射/接收功能，且通常是一机多用。WLAN的网络结构主要有两种类型：无中心网络和有中心网络。 3.1 无中心网络

　　无中心网络(无AP网络)也称对等网络或Ad-hoc网络，它覆盖的服务区称IBSS。对等网络用于一台无线工作站（STA, Station）和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。这是最简单的无线局域网结构。(如图1.4所示)一个对等网络由一组有无线接口的计算机组成。这些计算机要有相同的工作组名、ESSID和密码。

　　对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型网络在管理和预先调协方面没有任何要求。






图1.4 无中心网络结构


　　对等网络中的一个节点必需能同时"看"到网络中的其他节点，否则就认为网络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4至8个用户，并且他们离得足够近。

　　3.2 有中心网络

　　有中心网络也称结构化网络。它由无线AP、无线工作站（STA）以及DSS构成，覆盖的区域分BSS和ESS。无线访问点也称无线AP或无线Hub，用于在无线STA和有线网络之间接收、缓存和转发数据。无线AP通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。（如图1.5）






图1.5 有中心网络结构


　　BSS由一个无线访问点以及与其关联（associate）的无线工作站构成，在任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微蜂窝区域就是基本服务区。无线工作站与无线访问点关联采用AP的BSSID，在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。






图1.6 ESS网络结构


　　扩展服务区ESS是指由多个AP以及连接它们的分布式系统组成的结构化网络，所有AP必需共享同一个ESSID，也可以说扩展服务区ESS中包含多个BSS。分布式系统在IEEE802.11标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。扩展服务区只包含物理层和数据链路层，网络结构不包含网络层及其以上各层。因此，对于高层协议比如IP来说，一个ESS就是一个IP子网。(结构如图1.5)

　　四、 IEEE802.11无线局域网的操作

　　WLAN网络的操作可分为两个主要工作过程：工作站加入一个BSS，工作站从一个BSS移动到另一个BSS，实现小区间的漫游。一个站点访问现存的BSS需要几个阶段。首先，工作站开机加电开始运行，过后进入睡眠模式或者进入BSS小区。站点始终需要获得同步信号，该信号一般来自AP接入点。站点则通过主动和被动扫频来获得同步

　　主动扫频是指STA启动或关联成功后扫描所有频道；一次扫描中，STA采用一组频道作为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有ESSID的探测信号；AP根据该信号做响应。被动扫频是指AP每100毫秒向外传送灯塔信号，包括用于STA同步的时间戳，支撑速率以及其它信息，STA接收到灯塔信号后启动关联过程。

　　WLAN为防止非法用户接入，在站点定位了接入点，并取得了同步信息之后，就开始交换验证信息。验证业务提供了控制局域网接入的能力，这一过程被所有终用来建立合法介入的身份标志

　　站点经过验证后，关联（Associate）就开始了。关联用于建立无线访问点和无线工作站之间的映射关系，实际上是把无线变成有线网的连线。分布式系统将该映射关系分发给扩展服务区中的所有AP。一个无线工作站同时只能与一个AP关联。在关联过程中，无线工作站与AP之间要根据信号的强弱协商速率，速率变化包括：11Mbps, 5.5Mbps, 2Mbps和1Mbps（以802.11b为例）。

　　工作站从一个小区移动到另一个小区需要从新关联。重关联（Reassociate）是指当无线工作站从一个扩展服务区中的一个基本服务区移动到另外一个基本服务区时，与新的AP关联的整个过程。重关联总是由移动无线工作站发起。

　　IEEE802.11无线局域网的每个站点都与一个特定的接入点相关。如果站点从一个小区切换到另一个小区，这就是处在漫游（Roaming）过程中。漫游指无线工作站在一组无线访问点之间移动，并提供对于用户透明的无缝连接，包括基本漫游和扩展漫游。基本漫游是指无线STA的移动仅局限在一个扩展服务区内部。扩展漫游指无线SAT从一个扩展服务区中的一个BSS移动到另一个扩展服务区的一个BSS，802.11并不保证这种漫游的上层连接。近年来,无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性能显得十分重要。

　　五、无线局域网的优化方式：移动IP, IEEE802.11e 与双频多模WLAN

　　近年来,无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性能显得十分重要。

　　5.1网络层的优化：移动IP

　　移动IP概述

　　由于Internet使用域名来转换成IP地址，一个发给一个地址的分组总是路由到同一个地方，因此，IP地址是与一个物理网络的位置相对应，传统的IP链接方式不能经受任何地址的变化。移动IP的引入解决了WLAN跨IP子网漫游的问题，是网络层的优化方案。可以把移动IP归结为一句话：如果用户可以凭一个IP地址进行不间断跨网漫游，就是移动IP（RFC2002）。如前文所述，802.11无线局域网只规定了MAC层和物理层。为了保证移动站在扩展服务区之间的漫游，需要在其MAC层之上引入Mobile IP技术。 移IP的无线局域网

　　移动主机（MN）在外地通过外地代理（FA）向位于家乡的家乡代理（HA）注册,从而使HA得知MN当前的位置，从而实现了移动性。有了移动IP，主机就可以跨越IP子网实现漫游。如图１所示，ＩＰ子网的网关路由器旁连接一个FA，FA负责其下无线网段用户的注册认证。FA不断地向本地子网发送代理通告，当移动终端进入子网Ａ时，接收到ＦＡ的代理广播，获得当地FA的信息，通过当地FA向HA注册,经过认证后可以被授权接入，访问Internet。终端在本子网内部移动时，不断监测AP和FA的信号质量，通过一定的算法得出当前所有FA的优先级，再根据指定的切换策略适时发起切换。如果只是在同一网段的AP间切换，因所处IP子网未变，不需要重新注册，AP的功能可以支撑这种二层的漫游。当终端在跨网段的AP间切换时，所处IP子网发生改变,此时必须通过新的FA向HA重新注册，告知当前位置,以后的数据就会被ＨＡ转发至新的位置。移动IP技术扩展了WLAN接入方案的覆盖范围,提供大范围的移动能力，使用户在移动中时刻保持Internet连接。






图1.7 无线局域网移动IP的网络结构


　　WLAN实现移动IP的问题

　　为实现移动IP，无线局域网要解决一些技术问题：

　　IP地址分配：用户将获得唯一的IP地址，如同使用移动电话时有一个唯一号码。

　　应用透明性：无论上层应用采用何种上层协议都感觉不到移动的影响，这要求无缝移动性在IP层实现。

　　基础设施：为保证服务品质不受影响，用户在漫游时，带宽和服务质量要有保证。

　　协议App：包括网络侧和用户侧的App，客户端App须向服务器端App报告自己的信息，网络侧App则负责解析用户的实际位置，鉴定用户身份、分配权限，并提供预定的业务。

　　5.2 MAC层优化：IEEE802.11e协议

　　概述

　　随着用户的增多，有线网络中提出的业务要求，如视频、语音等实时业务在WLAN中也将得到满足。这些实时业务要求WLAN的MAC层能够提供可靠的分组传输，传输时延低且抖动小。为此，IEEE 802.11工作组的媒体访问控制(MAC—Medium Access Control)改进任务组(即E任务组)着手对目前802.11 MAC协议进行改进，使其可以支撑具有QoS(Quality of Service)要求的应用。

　　IEEE802.11MAC协议

　　普通的802.11无线局域网MAC层有两种通讯方式，一种叫分布式协同式（DCF），另一种叫点协同式。分布式协同（DCF）基于具有冲突检测的载波侦听多路存取方法(CSMA/CA)，无线设备发送数据前，先探测一下线路的忙闲状态，如果空闲，则马上发送数据，并同时检测有无数据碰撞发生。这一方法能协调多个用户对共享链路的访问，避免出现因争抢线路而谁也无法通信的情况。它对所有用户都一视同仁，在共享通讯介质时没有任何优先级的规定。

　　点协同方式（PCF）是指无线接入点设备周期性地发出信号测试帧，通过该测试帧与各无线设备就网络识别、网络管理参数等进行交互。测试帧之间的时间段被分成竞争时间段和无竞争时间段，无线设备可以在无竞争时间段发送数据。由于这种通讯方式无法预先估计传输时间，因此，与分布式协同相比，目前用得还比较少。

　　IEEE802.11e的EDCF机制

　　无论是分布式协同还是点协同，它们都没有对数据源和数据类型进行区分。因此，IEEE对分布式协同和点协同在QoS的支撑功能方面进行增补，通过设置优先级，既保证大带宽应用的通讯质量，又能够向下兼容普通802.11设备。

　　对分布式协同（DCF）的修订标准称为增强型分布式协同（EDCF）。增强型分布式协同（EDCF）把流量按设备的不同分成8类，也就是8个优先级。当线路空闲时，无线设备在发送数据前必须等待一个约定的时间，这个时间称为“给定帧间时隙”(AIFS)，其长短由其流量的优先级决定：优先级越高，这个时间就越短。不难看出，优先级高的流量的传输延迟比优先级低的流量小得多。为了避免冲突，在8个优先级之外还有一个额外的控制参数，称为竞争窗口，实际上也是一个时间段，其长短由一个不断递减的随机数决定。哪个设备的竞争窗口第一个减到零，哪个设备就可以发送数据，其它设备只好等待下一个线路空闲时段，但决定竞争窗口大小的随机数接着从上次的剩余值减起。

　　对点协同的改良称为混和协同(HCF)，混和查询控制器在竞争时段探测线路情况，确定发送数据的起始时刻，并争取最大的数据传输时间。

　　5.3物理层优化：双频多模无线局域网

　　双频多模WLAN的引入

　　IEEE802.11工作组先后推出了802.11a、802.11b，和802.11g物理层标准。丰富多样的标准提升了无线局域网的性能，同时带来了新的问题。如前文所述802.11a和802.11b分别工作在不同频段（802.11a工作在5GHz，而802.11b工作在2.4GHz），采用不同调制方式（802.11a采用OFDM，而802.11b采用CCK方式）。一个采用802.11b标准设备工作站进入一个802.11a标准的小区中（其AP节点采用802.11a的标准设备），无法与AP节点进行联系。因此，其必须更换为同比标准的网络设备，才能正常工作。这就是由不同物理层标准，引起的网络兼容性问题。






图1.8 双频多模无线局域网结构示意图


　　为了解决上述问题，使不同标准的网络设备可以更为自由的移动，出现了一种无线局域网的优化方式：“双频多模”的工作方式。如同有线网的发展进程，现在有线网络主要工作在多模方式下，例如10Mbps/100Mbps混合的局域网加速了有线网络的发展，成为有线局域网的主要工作方式。WLAN也开始走向“多模”发展趋势。

　　双频多模WLAN简述

　　所谓“双频”产品，是指可工作在2.4GHz和5GHz的自适应产品。也就是说，可支撑802.11a与802.11b两个标准的产品。由于802.11b和802.11a两种标准的设备互不兼容，用户在接入支撑802.11a和802.11b的公共无线接入网络时，必须随着地点而更换无线网卡，这给用户带来很大的不便。而采用支撑802.11a/b双频自适应的无线局域网产品就可以很好的解决这一问题。双频产品可以自动辨认802.11a和802.11b信号并支撑漫游连接，使用户在任何一种网络环境下都能保持连接状态。54Mbps的802.11a标准和11Mbps802.11b标准各有优劣，但从用户的角度出发，这种双频自适应无线网络产品，无疑是一种将两种无线网络标准有机融合的解决方案,其需要的投资也很大。