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1、第6章 无线局域网络技术,6.1 概述 6.2 无线局域网拓扑结构 6.3 IEEE802.11 标准 6.4 介质访问控制层(MAC) 6.5 物理层(PHY) 6.6 无线网卡硬件设计技术 6.7 无线接入点AP硬件设计技术 6.8 无线局域网的应用方案 6.9 蓝牙技术 6.10 阅读材料（略） 6.11 学习参考网址（略）,现在，无线网络技术发展已相当成熟，广泛应用于各种领域。高速无线网络的传输速率已达到11Mbps，最新的产品速率高达54Mbps。其传输速率完全能满足一般的网络传输要求，包括传输文字、声音、图象等；无线网络的最大传输距离也达到几十公里，甚至更远。本章重点学习无线局域网
2、的基本技术、无线局域网硬件设计技术及应用。,无线网络是指采用无线传输媒体的网络，这里的无线媒体可以是无线电波、红外线或激光。无线网络包括无线局域网和无线广域网，最新的发展也包括无线接入网。 无线局域网WLAN(Wireless Local Area Networks): 是指利用微波作为传输介质来传输数据信号，用无线传输介质取代UTP构成的局域网络。 无线广域网: 无线广域网的一种实现方法是无线分组通信。,6.1 概述,无线局域网的发展起源于1971年夏威夷大学的ALOHANET一项研究课题，该研究课题首次将网络技术和无线电通信结合起来； 1990年11月，美国的国际电子电机学会召开了802.
3、11委员会，开始制定无线局域网络标准； 1997年11月26日，无线局域网络的标准正式公布； 1998年，出现实用的无线局域网络设备； 2002年，开始较大规模组建无线局域网络，2002年被称为“无线网络年”。,和传统的有线网络相比较，无线局域网有以下几个显著特点: (1) 移动性，在大楼或园区内，用户不管在任何地方都可以实时的访问信息； (2) 安装的快速性和简单性； (3) 安装的灵活性，无线技术可以使网络遍及有线网络所不能到达的地方； (4) 减少投资，无线网络减少了布线的费用，变化的动态环境中，无线局域网的投资更有回报； (5) 扩展能力，无线局域网可以组成多种拓扑结构，可以从少数用户
4、的对等网络模式扩展到上千用户的结构化网络。,发展无线局域网络并不是用来取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络的不足，用来延伸有线局域网络。 无线局域网络的用户终端可以是台式工作站、掌上电脑、笔记本电脑、个人数字助理PDA、手持数据采集仪等。无线局域网络适合无固定工作场所的使用者，或者有线局域网络架设受环境限制的地方，也可以作为有线局域网络的备用系统，例如: (1) 企业无线局域网 (2) 大楼之间无线网络 (3) 无线局域网络监视系统 (4) 各种临时展示会场，运动会场、电子展、计算机展等。,公众关心无线局域网的一个问题是辐射和干挠问题。其实无线局域网的辐射是微不足道的。 常见电磁干挠有以
5、下几种: * 其它的无线网络干挠； * 微波炉干挠； * 其它有关电器干挠； * 有意干扰。 最后，要关注无线局域网的安全性问题。目前，常见的无线网络安全技术有服务区标示符(SSID) 、物理地址（MAC）过滤、连线对等保密（WEP）等几种，无线局域网己成为一种安全可靠的网络技术。,根据无线局域网的应用方式，无线局域网络分为对等网络和结构化网络两种拓扑结构，下面分别讲述两种拓扑结构。,6.2 无线局域网拓扑结构,对等网络也称Ad-hoc网络，如图6-1所示。对等网络用于一台无线工作站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。对等网络中的一个节点必需能同时看
6、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。,6.2.1 对等网络,图6-1 对等网络结构,结构化网络由无线访问点（AP）、无线工作站（STA）以及分布式系统（DSS）构成，覆盖的区域分基本服务区（BSS）和扩展服务区（ESS），如图6-2所示。 1.无线访问点AP 2.基本服务区BSS 3.扩展服务区ESS 扩展服务区是指由多个AP以及连接它们的分布式系统组成的结构化网络，如图6-3所示。,6.2.2 结构化网络,图6-2 一个AP结构化网络结构,图6-3 多个AP结构化网络结构,IEEE8.2.11标准定义物理层和媒
7、体访问控制(MAC)规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。802.11体系结构如图6-4所示。 图6-4 802.11体系结构,6.3 IEEE802.11 标准,802.11标准中物理层定义了数据传输的信号特征和调制。在物理层中，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法，RF传输方法采用扩频调制技术来满足绝大多数国家工作规范。在该标准中RF传输标准是跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)，工作在2.40002.4835GHz频段。直接序列扩频采用BPSK和DQPSK调制技术，支持1Mbit/s和2Mbit/s数据速率。跳频扩频采用24电平GFSK调制技术，支持1M
8、bit/s数据速率，共有22组跳频图案，包括79信道。红外线传输方法工作在850950nm段，峰值功率为2W，支持数据速率为1Mbit/s和2Mbit/s。,802.11无线局域网的工作站和访问节点都提供介质访问控制（MAC）层服务，MAC服务是指同层LLC（逻辑链路控制层）在MAC服务访问节点（SAP）之间交换MAC服务数据单元（MSDU）的能力，包括利用共享无线电波或红外线介质进行MAC服务数据单元的发送。 MAC层具有三个主要功能: (1) 无线介质访问； (2) 网络连接； (3) 提供数据验证和保密。,6.4 介质访问控制层(MAC) 6.4.1 MAC层的主要功能,在发送数据帧之前
9、，MAC必须利用下面的某种方式实现网络连接，在IEEE802.11标准中定义了两种无线介质访问控制的方法，它们是分布式访问方式（DCF）和中心网络控制方式（PCF）。,6.4.2 无线介质访问,1. 分布式访问方式（DCF） 分布式访问控制方式是物理层兼容的工作站和访问节点（AP）之间自动共享无线介质的主要的访问协议。802.11网络采用CSMA/CA协议进行无线介质的共享访问，该协议与802.3以太网标准的MAC协议（CSMA/CD）类似。载波侦听可以让MAC层监测介质是处于繁忙还是空闲状态。物理层（PHY）提供信道的物理检测，把物理信道评估结果发送到MAC层，作为确定信道状态信息的一个因素
10、。 IEEE 802.11 MAC的基本存取方式称为 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 具有碰撞防止功能载波监听多路访问。,图6-5 CSMA/CA访问协议,2. 中心网络控制方式（PCF） 中心网络控制方式是一个无竞争访问协议，它是一种基于优先级别的访问，适用于节点安装有点控制器的网络。PCF方式提供可选优先级的无竞争的帧传送。在这种工作方式下，由中心控制器控制来自工作站的帧的传送，所有工作站均服从中心控制器的控制。默认状态下，工作站采用分布式访问控制方式DCF，DCF采用载波监听访问机制。,实现网
11、络连接是MAC层的重要功能，其过程如下: 1. 扫频 STA在加入服务区之前要查找哪个频道有数据信号，分主动和被动两种方式。 2. 关联（Associate） 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。,6.4.3 网络连接,3. 重关联（Reassociate） 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。 4. 漫游 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。 访问节点间协议(Inter Access Point Protcol,IAPP)
12、，该通用协议，使无线用户通过多个供应商的AP，在保持网络互连的情况下，实现在随意移动。,IAPP定义了两个协议，声明协议和移交协议。 声明协议在工作站之间起到谐调作用: (1) 告知其它工作站有新的激活的AP加入； (2) 告知工作站整个网络的配置信息。 移交协议完成如下操作: (1) 向一个AP通知它的一个工作站己经和另一个AP建立了连接； (2) 原来的AP将该工作站的缓冲帧转交给新的AP； (3) 新的AP更新过滤表，确保MAC层过滤器正确发送帧。,IEEE802.11定义了MAC帧格式的结构，如图6-6所示，无线局域网在工作过程中均采用这种帧格式，形成正确的帧之后，MAC层将此帧传给物
13、理层集中处理子层PLCP。 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 Octets 图6-6 无线局域网MAC帧结构,6.4.4 MAC帧结构,MAC帧的主要字段含义如下: (1) Frame Control 帧控制 (2) Duration/ID持续时间/标志 (3) Address 1,2,3,4 地址 基本服务组标识BSSID 源地址SA 目标地址DA 发送站地址TA 接收站地址RA (4) Sequence Control序列控制 (5) Frame Body帧体 (6) FCS帧校验序列,图6-7 无线局域网物理层的结构,6.5 物理层(PHY) 6.5.1 物理层的结构和功能,
14、(1) 物理层管理（Physical Layer Management） 为物理层提供管理功能，它与MAC层管理相连。 (2) 物理层汇聚子层（PLCP） MAC层和PLCP通过物理层服务访问点（SAP）利用原语进行通信。MAC层发出指示后，PLCP就开始准备需要传输的介质协议数据单元（MPDUs）。PLCP也从无线介质向MAC层传递引入帧。 (3) 物理介质依赖（PMD）子层 在PLCP下方，PMD支持两个工作站之间通过无线介质实现物理层实体的发送和接收。为了实现以上功能，PMD需直接面向无线介质（大气空间），并对数据进行调制和解调。PLCP和PMD之间通过原语通信，控制发送和接收功能。,在
15、802.11标准中规定了无线局域网物理层实现的功能如下。 (1) 侦听 判断介质的状态是否空闲。 (2) 发送 发送网络要传输的数据帧。 (3)接收 接收网络传送过来的数据帧。,无线局域网络产品采用的存取设计方式，大致可分为四大类。 (1) 窄频微波(Narrowband Microwave)技术 窄带技术以微波为主，适用于长距离点到点的应用。 (2) 扩频(Spread Spectrum)技术 常见的扩频技术包括两种：跳频扩频（FHSS）和直序扩频（DSSS），它们工作在2.45GHz。 (3) 红外线(Infrared)技术 (4) 激光技术 下面我们重点学习扩频(Spread Spect
16、rum)技术。,6.5.2 无线局域网络扩频技术,扩频通信的基本理论基础来源于信息论和抗干扰理论。在信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为： 上式中C表示信道容量，W表示信号频带宽度，S/N表示信噪比，上式说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比SN是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下传输信息，这表明宽带系统有较好的抗干扰性。扩频通信就是将信号的频谱扩展，然后再进行传输，因而提高了通信的抗干扰能力。,直接序列展频技术 (Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS)的基本原理是用伪随机编码对基带信号作扩频调制使得原来较高功率、较窄频率的信号变成具有较宽频率的低功率频信号。 下面是一个直序扩频例子。表示0，1的数据位被分配给芯片编码，比如数据位1就传送000100111000，数据位0就传送11101100011。当传送数据流时，就准确地发送相应的编码，其过程如下， 芯片代码: 0=11101100011 1=11101100011 如发送数据流: 101，则实际发送序列
