无线局域网原理及标准

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1、无线局域网基本原理及技术,Gemtek Systems, Inc. May. 2003,议程,1. 无线局域网的概念,2. 无线局域网的标准,3. 无线局域网的技术,4. 无线局域网的应用,传统有线网络 数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是 别的有线介质。无线网络 数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它 无线介质。 信号在空气中传播，可以被任何人接收。,1. 无线网络的概念,无线数据网分类,无线数据网的种类无线个人网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线网桥、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。,*无线个人网主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机

2、同步传输文件，访问本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。,*无线局域网主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主要技术为802.11系列。,*无线网桥主要用于大楼之间的联网通讯，典型距离几公里。,*无线城域网和广域网覆盖城域和广域环境，主要用于Internet/email访问，但提供的带宽比无线局域网技术要低很多。目前典型的技术是GRPS和CDMA。,HUB,Access Point,有线局域网,无线局域网,HUB,Server,无线局域网和有线局域网的对比,无线网络优点,机动性: 不受工作区域之限制 便利性:

3、兼容性高,安装方便 扩充性: 可随时增加使用数量 节省成本: 不须考虑重新装潢,布线 之费用,无线电频谱范围,什么是ISM,该频段是依据全球性国际组织美国联邦通讯委员会(FCC)所定义出来，适用于全球各地来使用，无需授权使用。,ISM工业（Industrial）、科学（Scientific）与医疗（Medical）ISM频段,欧,美,日,信道分配,2. 无线局域网标准,22Mbps,IEEE 802.11的无线局域网标准,802.11标准组,无线局域网模型,IEEE 802 LAN标准系列,PHY,MAC,OSI层2,OSI层1,定义了介质访问控制(MAC)和物理层的操作，包括MAC子层、MA

4、C服务和协议以及三个物理层,802.11物理层,802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范，无线传输的频道定义在2.4GHz的ISM波段内，这个频段，在各个国际无线管理机构中，例如美国的USA，欧洲的ETSI和日本的MKK都是非注册使用频段。,802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequency hopping spread spectrum)和DSSS(direct sequence spread spectrum)技术，需要指出的是，FHSS和DHSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备没有互操作性

5、。,3. 802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理层增加了两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这个目标，DSSS被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和1Mbps和2Mbps的802.11DSSS系统互操作。,4. 802.11b采用了动态速率调节技术，来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以11M的全速运行，然而，当用户移出理想的11M速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这把速度自动按序降低为5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想

6、环境的话，连接速度也会以反向增加直至11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。,802.11物理层示意图,物理层,红外技术 IR PHY,跳频展频 FHSS PHY,直序展频 DSSS PHY,高速DS HR/DS,正交频分多路技术OFDM,For 802.11a,For 802.11b,PHY层,MAC层,调制技术,IEEE802.11:DBPSK、DQPSK、FSKIEEE802.11b:DBPSK、DQPSK、CCKIEEE802.11a:QAM/OFDMIEEE802.11g:DBPSK、DQPSK、QAM/OFDM、PBCC、CCK,什么是展

7、频,展频技术的无线局域网络产品是依FCC(Federal Communications Committee；美国联邦通讯委员会)规定的ISM(Industrial Scientific, and Medical)频段，频率范围开放于902MHz928MHz及2.4G2.484GHz两个频段，并没有所谓使用授权的限制。 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据 展频技术主要又分为频率跳频技术（FHSS）及直

8、接序列展频技术（DSSS）两种方式。而此两种技术起源于第二次世界大战中军队所使用的通讯技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。,跳频技术 FHSS,跳频技术是依靠快速地转换传输的频率来实现的，每一个时间段内使用的频率 和前后时间段的都不一样，所以发送者和接收者必须保持一致的跳变频率，这 样才能保证接受的信号正确。 跳频技术可以避开许多干扰的出现，包括某些工作在特定频率下的信号，这样 采用跳频后的802.11无线信号就只会丢失这个频率下的信息，损失不大；如果 想分享带宽，也可以采用不同的调频次序来实现。 弱点：速度慢，只能达到1Mbps。,Signal 1 2,

9、7,4,5,Work 1 6,Signal 2 4,3,1,7,直接序列扩频技术 DSSS,直扩技术是把使用11位的chippingBarker序列来将数据编码并发送的技术。发 送端通过spreader把chips（就是一串的二进制码）添加入要传输的bit流中，称 为编码；然后在接受端用同样的chips进行解码，就可以得到原始数据了。 802.11协议中是使用Barker序列号来作为这个chips的，规定为10110111000， 在编码过程，如果要传送的数据是0的话，数列不变；如果传送的数据是1的话， 数列就相反。 在相同的吞吐量下，直扩技术需要比跳频技术更多的能量；但以消耗能量为代 价，它

10、也能达到比跳频技术更高的吞吐量，802.11b能达到5.5Mbps和11Mbps就 就是采用HR/DSSS技术。,Scrambled data,Barker sequence,0,1,1,1,0,1,1,1,0,0,0,1,0,1,1,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,1,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,Transmitted data,802.11MAC层,802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性。802.3协议冲突的检测采用CSMA/CD 方

11、式，而在802.11无线局域网协议中，采用了新的协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance),2. 另一个的无线MAC层问题是“hidden node”问题。为了解决这个问题，802.11在MAC层上引入了一个新的Send/Clear to Send(RTS/CTS)选项，间接解决了“hidden node”问题。由于RTS/CTS需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，一般只是在那些大数据报上采用(重传大数据报会耗费较大)。,802.11MAC子层提供了另两个强壮的功能，CRC校验和包分片。CRC校验是指在

12、802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位，这和Ethernet中通过上层TCP/IP协议来对数据进行校验有所不同。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。,4. 另外几个部分： a. 802.11e - 提高和管理网络的QoS的能力；b. 802.11f - 采用IAPP协议，可以在不同的厂商的无线局域网内 实现访问互操作，保证网络内访 问点之间信息的互换。c. 802.11i - 增强WLAN的安全和鉴别机制。,802.11物理层示意图,MAC层,802.11i,

13、802.11F,802.11e,载波监听多路访问/冲突防止 CSMA/CA,发送/清除-发送 RTS/CTS,For 802.11,For 802.11,PHY层,MAC层,3.无线局域网基本技术,无线局域网基本构架SCAN、SWEEP、ASSOCIATION、AUTHENTICATION过程CSMA/CA和RTS/CTS协议漫游实现安全性电源管理,infrastructure 网络,ad-hoc 网络,AP,AP,AP,有线网络,AP: Access Point,无线局域网基本构架,IBSS,IBSS (Independent Basic Service Set) 由数个无线工作站所级组成做

14、点对多点运用的区域网络,BSS,BSS (Basic Service Set) 同一台AP及数台无线工作站所组成的局域网,ESS,ESS(Extended Service Set) 一个或多个以上的BSS即可被定义成一个Extended Service Set ( ESS )，用户可在ESS上漫游及存取BSS系统中的任何资料，其中Access Points必须设定相同的ESSID才能允许漫游。,Distribution System,station,AP,station,station,AP,station,Distribution network,BSS,BSS,ESS,ESSID,ESSI

15、D，可以称作无线网络的名称采用无线局域网中infrastructure架构； 每个AP必须配置一个ESSID（注意对大小写敏感）； 每个客户端必须匹配AP的ESSID才能连接得上；,AP,Wireless Stations,Wireless Stations,1,1,2,2,AP（ Access-Points ）和无线工作站间的通信要 求建立在相同的工作频率上；AP 的工作频率是由网络管理员在系统安装时，指定的固定频率。该频率可以在使用过程中修改；无线工作站采用动态的方式在各个频率点间查找AP的工作频点；无线工作站进入到一个无线网络环境后，寻找AP工作频率的这个过程称为SCAN。,SCAN-1,IEEE 802.11 针对Scan定义了两种工作模式:被动扫描模式（Passive Scanning） 无线工作站的切换到每一个工作频率后都等待监听，如果收到由AP发出的频标（beacon），这表明该频段有AP提供服务。主动扫描模式（Active Scanning） 无线工作站的切换到每一个工作频率后都立刻发出一个“查询请求”信号，如果该工作频率有AP提供服务，他会立即响应一个“查询响应”信号,SCAN-2,Wireless Stations,Wireless Stations,Passive Scanning,Active Scanning,Listening,Requesting,