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1、WLAN原理及关键技术,2011年3月19日,802.11协议简介 关键技术 WLAN频道划分及干扰分析 WLAN网元介绍 用户接入流程 网络安全,IEEE推出的第一代WLAN标准 2.4G频段 传输速率1M或者2M,11b 2.4G频段、11a 5.8G频段 11b传输速率提高到11M 11a传输速率提高到54M 11a和11b不兼容,1999,2004,2009,1997,802.11,802.11a/b,802.11g,802.1n,2.4G频段 传输速率提高到54M 兼容11b 目前主流协议,WLAN标准的演进,802.11协议簇,802.1X协议簇,802.11e Qos协议 802
2、.11f 切换协议 802.11i 安全协议 802.11s Mesh网协议 ,MAC子层,802.11标准范畴,802.11 WLAN协议栈,LLC子层,物理层,802.11只规定了WLAN的物理层和数据链路层的MAC子层,802.11层次模型, 物理层 数据的编/解码 信号的发送和接收 MAC层 发送端：将数据组合成帧，交给物理层发送 接收端：拆帧，差错检测 协调用户接入传输媒介 LLC 向上层提供访问接口 流量和差错控制,各层功能,server access point,application,802.11 MAC 802.11 PHY,TCP IP,802.3 MAC 802.3 PH
3、Y,application,802.3 MAC 802.3 PHY,TCP IP,802.11 MAC 802.11 PHY,LLC,Ethernet,LLC,LLC,Data,Link,Logical link control,802.11 covers only PHY and MAC,A typical scenario,fixed terminal,mobile terminal,协议结构,802.11 IEEE在1997年推出的第一代WLAN标准； 定义了无线局域网的物理层以及MAC层标准； 定义了物理层数据的传输方式： 两种使用2.4GHz的RF传输方式：DSSS（直接序列扩频）以
4、及FHSS（调频扩频） 采用红外线传输方式 采用DSSS或FHSS技术时，传输速率有1Mbps和2Mbps 在MAC层采用了类似与有线以太网CSMA/CD协议的CSMA/CA协议；,802.11协议简介,802.11b： 1999年推出，802.11标准的扩展； 对802.11的物理层要求作出修改； 兼容802.11，保留DSSS方式的调制方式； 采用2.4GHz频段，采用CCK调制方式速率增加5.5Mbps和11Mbps两种速率；,802.11协议简介,802.11a： 1999年推出； 采用5.8GHz频段，采用OFDM调制技术，速率可以达到54Mbps 不能和802.11b兼容；,802
5、.11协议简介,802.11g： 2003年推出，组合11b和11a的优点； 采用2.4GHz频段； 引入了OFDM调制方式，速率可以达到54Mbps； 兼容802.11b；,802.11协议简介,802.11n： 2009年推出； 包括了2.4GHz和5.8GHz频段，保持对802.11b/g/a的兼容； 使用MIMO、OFDM等技术，速率可以达到300Mbps，并最终达到600Mbps,802.11协议简介,802.11e 增强了802.11的MAC层，提供了QoS保障； 能保证WLAN提供VoIP等业务； 802.11i 为WLAN提供认证和安全机制； 802.11f 支持接入点的互操作
6、协议（IAPP），支持切换漫游,802.11协议简介,802.11协议简介 关键技术 WLAN频道划分及干扰分析 WLAN网元介绍 用户接入流程 网络安全,PMD子层,FHSS DSSS,IR,物理层结构 PLCP（Physical Layer Convergence Procedure）子层与物理介质无关 PMD （Physical Medium Dependent)是物理介质相关子层,PLCP子层,物理层技术,第14页,空中接口协议栈模型,物理层由PMD（物理媒质相关）子层和PLCP（物理层汇聚协议）子层构成；PMD主要完成物理实体之间通过无线媒质的比特发送和接收，PLCP主要完成MAC子
7、层协议数据单元（MPDU）到物理层数据帧的映射。 MAC子层的功能为：实现共享媒质的接入控制功能，解决接入竞争；根据信号强度和监测到的误包率，选择性能最好的一个无线接入点并与之通信；提供安全服务、MSDU重新排序服务和数据服务、将MPDU加密后再送往物理层或对物理层接收到的加密的PDU进行解密后传送到MAC子层等。,物理层技术,物理层技术,DSSS（直接序列扩频）调制技术（802.11b） 将原始编码信号与一组比特率远大于它的扩频序列进行异或运算，以实现扩展信号频谱抑制干扰的目的 基于DSSS调制技术 DBPSK+ DSSS,提供1Mbps数据速率 DQPSK+ DSSS,提供2Mbps数据速
8、率 基于CCK的QPSK,传输速率1,2,5.5和11Mbps,物理层技术,OFDM（正交频分复用）调制技术（802.11a/g/n） 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,物理层技术,MIMO（多入多出）技术（802.11n） 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,研究表明，在瑞利衰落信道环境下，OFDM
9、系统非常适合使用MIMO技术来提高容量，因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代移动通信技术发展的趋势,物理层技术,自动速率调配根据无线信道质量动态调节速率 802.11g : 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54Mbps，自适应 802.11b : 1, 2, 5.5, 11Mbps，自适应 802.11a : 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54Mbps，自适应 实际吞吐率 802.11g最大空口带宽为54 Mbps，此为物理层传输速率。实际应用层速率约2224Mbps 802.11b最大空口带宽为11Mbps，实际应用层速率约5Mbps左右,
10、数据传输协议 CSMA/CA（载波监听多路访问 / 冲突避免） Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance WLAN的MAC层，采用CSMA/CA（载波监听多路访问 / 冲突避 免）协议。 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 立即发送数据，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。 CSMA/CA协议比较适合突发性较大的业务种类，如数据业务， 可以提供较短的响应时间，较高的
11、传输带宽,MAC层技术,CSMA/CA 载波监听 监测信道 如果信道空闲，则发送 如果信道忙，则 等待一段随机时间 再监测信道 冲突避免 握手短信令帧 RTS (request to send) 发送者请求发送权 CTS (clear to send) 接收者同意发送者发送 于是发送者发送数据,MAC层技术,A,B,RTS CTS Data,握手例子,MAC层技术,CSMA/CA的工作过程 (1) 任何节点在访问链路之前都必须都进行载波检测, 只有链路空闲才允许访问。空闲状态表明当前信道上无任何节点发送数据，允许发送节点占用信道发送数据。 (2) 发送节点首先发送RTS控制帧，它包含有前导码、
12、源地址、目的地址以及超时值等信息，其中前导码是一个特殊的位序列，访问点可以通过前导码来锁定同步。 (3) 接收节点收到RTS控制帧后，回送CTS控制帧进行响应。 (4)发送节点收到CTS控制帧后，首先启动一个时间片，然后开始发送数据帧。当数据帧发送完成后，发送节点必须等待接收节点回送ACK控制帧进行确认。如果在规定的时间内没有收到ACK控制帧，发送节点必须重发该数据帧，直到接收到ACK控制帧或重发次数超限为止。对于前者, 发送节点在未超时情况 下可发送下一数据帧，如果时间片超时，即使还有数据要发送，也必须放弃链路控制权，以便让其它节点也有机会使用信道传送数据；对于后者, 则向上层协议报告错误。
13、 (5) 接收节点收到一个数据帧后，首先进行地址匹配、数据正确性和完整性等检查，在检查无误后，发送ACK控制帧。,MAC层技术,隐终端问题 A, C 互不能“听到”对方(载波监听CS失效) 在B处发生碰撞，无法检测（冲突检测CD失效),Obstacles,Signal Attenuation,MAC层技术, 冲突避免CA的握手避免了隐终端问题 A和C都想向B发送 A先发送RTS C等待，直到收到B发送的CTS,A,C,隐终端问题解决 RTS,CTS,CTS,B,MAC层技术,B,A,C, ,由于监测到载波信号正在使用，C只能等待 但A处于C的无线覆盖范围，C的信号不影响A通信；C的等待是 不必
14、要的 产生原因：C “暴露”于B,B sends to A,暴露终端问题 C想向A、B之外 的第三者发送,MAC层技术,暴露终端问题解决, 冲突避免CA方式避免了暴露终端问题 B想向A发送，同时C想向另外一个终端发送 由于C不会从A处收到CTS，C不必等待,A,B,C,RTS CTS,RTS,MAC层技术,802.11协议简介 关键技术 WLAN频道划分及干扰分析 WLAN网元介绍 用户接入流程 网络安全,2.4GHz频段的划分 使用工作频率范围为2400 2483.5 MHz，属于无需申请的ISM频段； 由于使用ISM频段，频率干扰无可避免； 83.5MHz带宽，划分为13个信道，每个信道带
15、宽为22MHz； 802.11b/g的相邻信道偏移为5MHz，实际只有3个互不干扰的信道（1，6，11） 它们之间中心频率相隔25MHz; 相邻的信道间有重叠尽量不要同时使用，造成干扰； 在同一个覆盖区域只可以同时使用3个互不重叠的信道；,WLAN使用频率,2.4GHz频段的划分,WLAN使用频率,WLAN使用频率,5.8GHz频率的划分 使用工作频率范围为5725 5850 MHz； 可用带宽为125MHz，划分为5个信道，每个信道带宽为20MHz； 相邻信道互不重叠；,5.8GHz频段的划分,WLAN使用频率,多径干扰 无线网络主要的干扰问题 障碍物 射频在穿过不同材质的墙、门窗等障碍物会
16、产生一定的衰减 电磁干扰 公共干扰：对WLAN干扰最为严重的设备是2.4GHz无绳电话，其次为3米内的微波炉，再次是蓝牙设备 同道干扰：WLAN采用的直接序列扩频技术的扩频码是标准的，不同的设备使用相同的扩频码，因此相邻小区不能使用相同频率，否则将造成同频干扰 邻道干扰：两信道中心频率小于25MHz时，信道之间存在重叠区域，会有部分干扰,干扰分析,802.11协议简介 关键技术 WLAN频道划分及干扰分析 WLAN网元介绍 用户接入流程 网络安全,WLAN网络架构,接入点(AP) 完成802.11b/a/g/n标准的无线接入，完成与WLAN终端设备之间数据包的加密和解密 按照功能，分为集中控制型AP（瘦AP）和独立控制型AP（胖AP） 瘦AP须与AC（WLAN接入控制器）配合组网，通过AC实现集中控制、管理 胖AP又分为两种，对于仅支持桥接能力的AP，仅支持用户数据的桥接方式转发；对于具有路由能力的AP，支持用户数据的路由和桥接方式转发 按照应用场合，分为室内放装型AP和室内分布型AP 室内放装型AP布放于室内热点地区，依靠射频模块和自带天线完成覆盖 室内分布型AP射频输出连接室内射频分布系统，完成热点区域的覆盖,
