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3.7 无线局域网

2011-6-24 21:02:18 本站原创 佚名 【字体: {SQL_我要评论()}

3.7 无线局域网

随着信息技术的发展,人们对网络通信的需求不断提高,希望不论在何时、何地与何人都能够进行包括数据、语音、图像等任何内容的通信,并希望主机在网络环境中漫游和移动,无线局域网是实现移动网络的关键技术之一。本节首先介绍无线局域网的标准、无线局域网的分类以及无线网络接入设备和无线局域网的配置方式,然后介绍个人局域网的相关技术,最后讲述无线局域网的应用和发展趋势。

3.7.1 无线局域网标准

1. IEEE 802.11的基本结构模型

1987IEEE 802.4工作组开始在IEEE 802委员会中进行无线局域网的研究。他们最初的目标是希望开发一个基于工业、科学和医药(ISMIndustrial Scientific and Medicine)频带的无线网令牌总线MAC协议在进行了一段时间的研究后 人们发现令牌总线不适合于无线电信道的控制。1990IEEE 802委员会决定成立个新的IEEE 802.11工作组专门从事无线局域网的研究并开发一个介质访问控制MAC子层协议和物理介质标准。

    

   3.27  IEEE 802.11基本结构模型

 

3.27给出了IEEE 802.11工作组开发的基本结构模型。无线局域网的最小构成模块是基本服务集BSSBasic Service Set),它包括使用相同MAC协议的站点一个BSS可以是独立的也可以通过一个访问点连接到主于网上访问点的功能就像一个网桥MAC协议可以是完全分布式的或者由访问点来控制BSS一般对应于一个单元。

扩展访问集ESSExtended Service Set包括由一个分布式系统连接的多个BSS单元典型的分布式系统是一个有线的主干局域网ESS 对于逻辑链路控制LLC子层来说是一个单独的逻辑网络。

IEEE 802.11标准定义了三种移动结点。

1无跳变结点

无跳变结点或者是固定的或者只在一个基本服务集的直接通信范围内移动。

2基本服务集跳变结点

基本服务集跳变结点在同一个扩展访问集中的不同基本服务集之间移动在这种情况下结点之间传输数据就需要通过寻址来辨认结点的新位置。

3扩展访问集跳变结点

扩展访问集跳变结点从一个扩展访问集的基本服务集移动到另一个扩展访问集的基本服务集。只有在结点可以进行扩展访问集跳变移动的情况下,才能进行跨扩展访问集的移动。

2. IEEE 802.11服务

IEEE 802.11定义了无线局域网必须提供的服务,这些服务主要有5种。

1)联系(Association

在一个结点和一个访问点之间建立一个初始的联系。结点在无线局域网上传输或者接收帧之前,必须知道它的身份和地址。为了做到这点,结点必须与一个基本服务集的访问点建立联系。该访问点可以将这一信息传输给扩展访问集中的其他访问点,以便进行路由选择和传输带有结点地址的帧。

2)重联系(Reassociation

    把一个已经建立联系的结点从一个访问点转移到另一个访问点,从而使结点能够从一个基本服务集转移到另一个基本服务集。

3)终止联系(Disassociation

结点离开一个扩展访问集或关机前需要通知访问点联系终止。http://www.woaidiannao.com

4)认证(Authentication

    在无线局域网中,结点之间互相连接是由连接天线来建立的。认证服务用于在互相需要通信的结点之间建立起彼此识别身份的标志。标准并不指定任何方案,认证方案可以是不太安全的简单握手或公开密钥方案。

5)隐私权(Privacy

标准提供的加密选项用于防止信息被窃听者收到以保护隐私权

3. 物理介质规范

IEEE 802.11 定义了三种物理介质。

1数据速率为1Mbps2Mbps波长在 850nm~950nm之间的红外线。

2运行在2.4GHz ISM频带上的直接序列扩展频谱。它能够使用7条信道每条信道的数据速率为1Mbps2Mbps

3运行在2.4GHz ISM频带上的跳频的扩频通信数据速率为1Mbps2Mbps

4. 介质访问控制规范

IEEE 802.11工作组考虑了两种介质访问控制MAC算法。一种是分布式的访问控制它和以太网类似通过载波监听方法来控制每个访问结点另一种算法是集中式访问控制它是由个中心结点来协调多结点的访问控制分布式访问控制协议适用于特殊网络而集中式控制适用于几个互连的无线结点和一个与有线主干网连接的基站。

IEEE 802.11工作组最后决定采用分布式基础无线网的介质访问控制算法IEEE 802.11协议的介质访问控制MAC层又分为2个子层分布式协调功能子层与点协调功能子层。

       分布式协调功能子层使用了一种简单的CSMA算法没有冲突检测功能。按照简单的CSMA的介质访问规则进行如下两项工作。

1如果一个结点要发送帧它需要先监听介质。如果介质空闲,结点可以发送帧如果介质忙结点就要推迟发送继续监听,直到介质空闲。
2结点延迟一个空隙时间再次监听介质。如果发现介质忙则结点按照二进制指数退避算法延时并继续监听介质。如果介质空闲结点就可以传输。

       二进制指数退避算法提供了一种处理重负载的方法。但是多次发送失败将会导致越来越长的退避时间

在分布式访问控制子层之上有一个集中式控制选项。点协调功能是通过在网中设置集中式的轮询主管的方式使用轮询方法来解决多结点争用公用信道问题提供无竞争的服务

3.7.2 无线局域网的主要类型

无线局域网使用的是无线传输介质,按照所采用的技术可以分为三类:红外线局域网、扩频局域网和窄带微波无线局域网。

1. 红外线局域网

    红外线是按视距方式传播的,也就是说发送点可以直接看到接收点,中间没有阻挡。红外线相对于微波传输方案来说有一些明显的优点。首先,红外线频谱是非常宽的,所以就有可能提供极高的数据传输率。由于红外线与可见光有一部分特性是一致的,所以它可以被浅色物体漫反射,这样就可以用天花板反射来覆盖整个房间。红外线不会穿过墙壁或其他的不透明的物体,因此红外线无线局域网具有以下几个优点:

1)红外线通信比起微波通信不易被入侵,由此提高了安全性。
2)安装在大楼中每个房间里的红外线网络可以互不干扰,因此建立一个大的红外线网络是可行的。
3)红外线局域网设备相对便宜又简单。红外线数据基本上是用强度调制,所以红外线接收器只要测量光信号的强度,而大多数的微波接收器则是要测量信号的频谱或相位。

红外线局域网的数据传输有三种基本技术。

1)定向光束红外线

定向光束红外线可以被用于点一点链路。在这种方式中传输的范围取决于发射的强度与接收装置的性能红外线连接可以被用于连接几座大楼的网络但是每幢大楼的路由器或 网桥都必须在视线范围内。

2全方位红外传输技术

       一个全方位 (Omini Direction) 配置要有个基站基站能看到红外线无线局域网中的所有结点。典型的全方位配置结构是将基站安装在天花板上基站的发射器向所有的方向发送信号所有的红外线收发器都能接收到信号所有结点的收发器都用定位光束瞄准天花板上的基站。

3)漫反射红外传输技术

       全方位配置需要在天花板安装一个基站而漫反射配置则不需要在天花板安装一个基站。在漫反射红外线配置中所有结点的发射器都瞄准天花板上的漫反射区红外线射到天花板上被漫反射到房间内的所有接收器上。

红外线局域网也存在一些缺点。例如室内环境中的阳光或室内照明的强光线都会成为红外线接收器的噪声部分因此限制了红外线局域网的应用范围。

2. 扩频无线局域网

扩展频谱技术是指发送信息带宽的一种技术又称为扩频技术它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须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也用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

50年前,扩展频谱技术第一次被军方公开介绍用来进行保密传输。一开始它就被设计成抗噪音、抗干扰、抗阻塞和抗未授权检测。在这种技术中信号可以跨越很宽的频段数据基带信号的频谱被扩展至几倍至几十倍,然后才搬移至射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽但由于其功率密度随频谱扩宽而降低甚至可以将通信信号淹没在自然背景噪声中因此,其保密性很强,要截获或窃听、侦察信号非常困难除非采用与发送端相同的扩频码与之同步后再进行相关的检测否则对扩频信号无能为力。目前最普遍的无线局域网技术是扩展频谱简称扩频技术。扩频的第一种方法是跳频(Frequency Hopping),第二种方法是直接序列(Direct Sequence)扩频。这两种方法都被无线局域网所采用。

1)跳频通信

在跳频方案中,发送信号频率按固定的间隔从一个频谱跳到另一个频谱。接收器与发送器同步跳动,从而正确地接收信息。而那些可能的入侵者只能得到一些无法理解的标记发送器以固定的间隔一次变换个发送频率。IEEE 802.11标准规定每 300ms 的间隔变换一次发送频率。发送频率变换的顺序由一个伪随机码决定发送器和接收器使用相同变换的顺序序列。数据传输可以选用频移键控FSK或二进制相位键控PSK方法。

2)直接序列扩频

    在直接序列扩频方案中输入数据信号进入一个通道编码器Channel Encoded并产 生一个接近某中央频谱的较窄带宽的模拟信号这个信号将用一系列看似随机的数字随机序列来进行调制调制的结果大大地拓宽了要传输信号的带宽因此称为扩频通信。在接收端使用同样的数字序列来恢复原信号信号再进入通道解码器来还原传送的数据

3. 窄带微波无线局域网

窄带微波 (Narrowband Microwave) 是指使用微波无线电频带来进行数据传输其带宽刚好能容纳信号。以前所有的窄带微波无线网产品都使用申请执照的微波频带,直到最近至少有一个制造商提供了在工业、科学和医药(ISMIndustrial Scientific and Medicine)频带内的窄带微波无线网产品。

1申请执照的窄带RFRadio Frequency

用于声音、数据和视频传输的微波无线电频率需要申请执照和进行协调以确保在一个地理环境中的各个系统之间不会相互干扰在美国FCC控制执照。每个地理区域的半径为28km并可以容纳5个执照每个执照覆盖两个频率。在整个频带中每个相邻的单元都避免使用互相重叠的频率。为了提供传输的安全性所有的传输都经过加密。申请执照的窄带无线网的一个优点是它保证了无干扰通信。与免申请执照的 ISM 频带相比申请执照的频带执照拥有者其无干扰数据通信的权利在法律上得到保护。

(2) 免申请执照的窄带RF

       1995Radio LAN 成为第一个使用免申请执照ISM的窄带无线局域网产品Radio

LAN的数据传输速率为10Mbps使用5.8GHz的频率在半开放的办公室有效范围是50m在开放的办公室是100mRadio LAN采用了对等网络的结构方法。传统局域网例如Ethernet组网一般需要有集线器 Radio LAN 组网不需要有集线器它可以根据位置、干扰和信号强度等参数来自动地选择一个结点作为动态主管。当连网的结点位置发生变化时动态主管也会自动变化。这个网络还包括动态中继功能它允许每个站点像转发器一样工作以使不在传输范围内的站点之间也能进行数据传输。

3.7.3 无线网络接入设备

1. 无线网卡

提供与有线网卡一样丰富的系统接口,包括PCMCIACardbusPCIUSB等。在有线局域网中,网卡是网络操作系统与网线之间的接口。在无线局域网中,它们是操作系统与天线之间的接口,用来创建透明的网络连接。

2. 接入点

接入点的作用相当于局域网集线器。它在无线局域网和有线网络之间接收、缓冲存储和传输数据,以支持一组无线用户设备。接入点通常是通过标准以太网线连接到有线网络上,并通过天线与无线设备进行通信。在有多个接入点时,用户可以在接入点之间漫游切换。接入点的有效范围是20~500m。根据技术、配置和使用情况,一个接入点可以支持15~250个用户,通过添加更多的接入点,可以比较轻松地扩充无线局域网,从而减少网络拥塞并扩大网络的覆盖范围。

3.7.4 无线局域网的配置方式

1. 对等模式

这种应用包含多个无线终端和一个服务器,均配有无线网卡,但不连接到接入点和有线网络,而是通过无线网卡进行相互通信。它主要用来在没有基础设施的地方快速而轻松地建无线局域网。

2. 基础结构模式

该模式是目前最常见的一种架构,这种架构包含一个接入点和多个无线终端,接入点通过电缆连线与有线网络连接,通过无线电波与无线终端连接,可以实现无线终端之间的通信,以及无线终端与有线网络之间的通信。通过对这种模式进行复制,可以实现多个接入点相互连接的更大的无线网络。

3.7.5 个人局域网

个人局域网PANPersonal Area Network)是近年来随着各种短距离无线电技术的发展而提出的一个新概念。PAN的基本思想是,用无线电或红外线代替传统的有线电缆,实现个人信息终端的智能化互联,组建个人化的信息网络。PAN定位在家庭与小型办公室的应用场合,其主要应用范围包括话音通信网关、数据通信网关、信息电器互联与信息自动交换等。从信息网络的角度看,PAN是一个极小的局域网;从电信网的角度看,PAN是一个接入网,有人将PAN称为电信网的“最后50米”解决方案。目前,PAN的主要实现技术有4种:蓝牙(Bluetooth)、红外(IrDA)、Home RfUWB。其中,蓝牙(Bluetooth)技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术,蓝牙技术的发展极大地推动了PAN技术的发展。

1. 蓝牙技术

蓝牙是一个开放性的、短距离无线通信技术标准,它可以用于在较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的网络互连,可以在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。因为蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中,因此它特别适用于小型的移动通信设备。

1)体系结构

蓝牙的通信协议也采用分层结构。层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议,各种蓝牙设备无论在任何地方,都可以通过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备,从而构成微微网(Piconet)或扩大网(Scatternet),实现系统提供的各种功能,使用十分方便。

蓝牙技术体系结构中的协议可以分为三部分:底层协议、中间协议和选用协议。

底层协议包括基带协议和链路管理协议(LMPLink Manager Protocol),这些协议主要由蓝牙模块实现。基带协议与链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理层连接。链路管理协议LMP负责各蓝牙设备间连接的建立。

中间协议建立在主机控制接口(HCIHost Controller Interface)之上,它们的功能由协议软件在蓝牙主机上运行。中间协议包括逻辑链路控制和适应协议(L2CAPLogical Link Control and Adaptation Protocol),它是基带的上层协议,当业务数据不经过LMP时,L2CAP为上层提供服务,完成数据的装拆、服务质量和协议复用等功能,是上层协议实现的基础;服务发现协议(SDPService Discovery Protocol)是所有用户模式的基础,它能使应用软件找到可用的服务及其特性,以便在蓝牙设备之间建立相应的连接;电话控制协议(TCSTelephone Control Protocol)提供蓝牙设备间语音和数据的呼叫控制命令。

选用协议包括点对点协议PPPTCP/UDP/IP、对象交换协议OBEX、电子名片交换协议vCard、电子日历及日程交换格式vCal、无线应用协议WAP和无线应用环境VAF

2)蓝牙技术与PAN

蓝牙系统和PAN的概念相辅相成,事实上,蓝牙系统已经是PAN的一个雏形。在199912月发布的蓝牙1.0版的标准中,定义了包括使用WAP协议连接互联网的多种应用软件。它能够使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和互联网等现有网络增添新功能,使各类计算机、传真机、打印机设备增添无线传输和组网功能,在家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子商务、无线公文包应用、各类数字电子设备、工业控制、智能化建筑等场合开辟了广阔的应用。

随着PAN的发展,IEEE 802.15的一个工作小组正在制订速率可达20Mbps以上的PAN标准,这一标准也是基于蓝牙规范。因此,PAN和蓝牙必然会趋于融合。在蓝牙系统真正广泛地投入到商业应用之前,还有许多问题需要解决,例如:尽管蓝牙技术是一种可以随身携带的无线通信连接技术,但是它不支持漫游功能。它可以在微网络或扩大网之间切换,但是每次切换都必须断开与当前PAN的连接。这对于某些应用是可以忍受的,然而对于手提通话、数据同步传输和信息提取等要求自始至终保持稳定的数据连接的应用来说,这样的切换将使传输中断,是不能允许的。要解决这一问题的方法是将移动IP技术与蓝牙技术有效地结合在一起。除此之外,蓝牙技术的安全保密性、蓝牙系统与有线网络的互连等问题也将会影响蓝牙技术的推广应用。

2. IrDA

IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它的主要优点是体积小、功率低、适合设备移动的需要,传输速率高,可达16Mbps,成本低、应用普遍。目前有95%的笔记本电脑上安装了IrDA接口,最近市场上还推出了可以通过USB接口与PC相连接的USB-IrDA设备。但是,IrDA也有不尽如人意的地方。首先,IrDA是一种视距传输技术,也就是说两个具有 IrDA端口的设备之间传输数据,中间就不能有阻挡物。这在两个设备之间是容易实现的,但在多个设备间就必须彼此调整位置和角度等。其次,IrDA设备中的核心部件——红外线LED不是一种十分耐用的器件,对于不经常使用的扫描仪和数码相机等设备还可以,但如果经常用装配IrDA端口的手机上网,可能使用寿命不高。

3. HomeRF

HomeRF主要是为家庭网络设计,是IEEE 802.11与数字无绳电话标准的结合,旨在降低语音数据成本。HomeRF利用跳频扩频方式,既可以通过时分复用支持语音通信,又能通过载波监听多路访问/碰撞回避(CSMA/CA)协议提供数据通信服务。同时,HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成,支持广播、多点传送和48IP地址。目前,HomeRF标准工作在2.4GHz的频段上,跳频带宽为1MHz,最大传输速率为2Mbps,传输范围超过100m

美国联邦通信委员会最近采取措施,允许下一代 HomeRF无线通信网络传送的最高速度提升到10Mbps,这将使HomeRF的带宽与IEEE 802.11b标准所能达到的11Mbps的带宽相差无几,并且将使HomeRF更加适合在无线网络上传输音乐和视频信息。

另外,FCC还接受了HomeRF工作组的要求,将HomeRF/SWAP(共享无线访问协议,Shared Wireless Access Protocol)使用的2.4GHz频段中的跳频带宽增加到5MHz

4. UWB

超宽带(Ultra-widebandUWB)技术以前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展,人们对高速无线通信提出了更高的要求,超宽带技术又被重新提出,并倍受关注。与常见的通信方式使用连续的载波不同,UWB采用极短的脉冲信号来传送信息,通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz,因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps。在高速通信的同时,UWB设备的发射功率却很小,仅仅是现有设备的几百分之一,对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声,因此从理论上讲,UWB可以与现有无线电设备共享带宽。所以,UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式,它有望在无线通信领域得到广泛的应用。目前,IntelMotorolaSony等知名大公司正在进行UWB无线设备的开发和推广。

3.7.6 无线局域网的应用

随着无线局域网技术的发展,人们越来越深刻的认识到,无线局域网不仅能够满足移动和特殊应用领域网络的要求,还能覆盖有线网络难以涉及的范围。无线局域网作为传统局域网的补充,目前已成为局域网应用的一个热点。

无线局域网的应用领域主要有以下4个方面:

1. 作为传统局域网的扩充

传统的局域网用非屏蔽双绞线实现了10Mbps,甚至更高速率的传输,使得结构化布线技术得到广泛的应用。很多建筑物在建设过程中已经预先布好了双绞线。但是在某些特殊环境中,无线局域网却能发挥传统局域网起不了的作用。这一类环境主要是建筑物群之间、工厂建筑物之间的连接、股票交易场所的活动结点,以及不能布线的历史古建筑物、临时性小型办公室、大型展览会等。在上述情况中,无线局域网提供了一种更有效的连网方式。在大多数情况下,传统局域网用来连接服务器和一些固定的工作站,而移动和不易于布线的结点可以通过无线局域网接入。图3.28给出了典型的无线局域网结构示意图

2. 建筑物之间的互连

    无线局域网的另一个用途是连接临近建筑物中的局域网。在这种情况下,两座建筑物使用一条点到点无线链路,连接的典型设备是网桥或路由器。

3. 漫游访问

带有天线的移动数据设备(例如笔记本电脑)与无线局域网集线器之间可以实现漫游访问。如在展览会会场的工作人员,在向听众做报告时,通过他的笔记本电脑访问办公室的服务器文件。漫游访问在大学校园或是业务分布于几栋建筑物的环境中也是很有用的。用户可以带着他们的笔记本电脑随意走动,可以从任何地点连接到无线局域网集线器上。 

3.28  典型的无线局域网结构示意图

4. 特殊网络

特殊网络(例如Ad hoc Network)是一个临时需要的对等网络 (无集中的服务器)。例如,一群工作人员每人都有一个带天线的笔记本电脑,他们被召集到一间房里开业务会议或讨论会,他们的计算机可以连到一个暂时网络上,会议完毕后网络将不再存在。这种情况在军事应用中也是很常见的。

3.7.7 无线局域网的发展趋势

无线局域网的发展方向有2个:一是HiperLANHigh Performance Radio LAN),另一个是无线ATMHiperLAN已在欧洲发展起来,它是一种适合于各种不同用户的一系列无线局域网标准,分为1~4型,由欧洲电信标准化协会(ETSI)的宽带无线电接入网络(BRAN)小组着手制定,已推出HiperLAN1HiperLAN2HiperLAN1在协议方面支持IEEE 802.11,对应于IEEE 802.11b,工作频率为无线电频谱的5GHz,速率可达20Mbps,能在当今技术的基础上大幅度提高,可与100Mbps有线以太网媲美。HiperLAN2是为集团消费者、公共和家庭环境提供无线接入到因特网和未来的多媒体,即实时视频服务。HiperLAN2IEEE 802.11a具有相同的物理层,HiperLAN2代表目前发展阶段最先进的无线局域网技术,有可能是下一代高速无线局域网技术的标准,其工作频谱为5GHz,速率可达54Mbps

无线ATMATM技术扩展到无线本地接入和无线宽带服务的一个标准。目前ATM论坛的无线ATM工作组和ETSI的宽带无线接入网络组正在进行相关标准化工作。

另外在标准方面,IEEE已公布的IEEE 802.11eIEEE 802.11g将是下一代无线局域网标准,被称为无线局域网标准方式IEEE 802.11的扩展标准,均在现有的802.11b802.11aMAC层追加了QOS功能及安全功能的标准。最近,FCC也在5GHz附近留出了300MHz的无授权频谱叫做国家内部信息NIINational information infrastructure)频带,这一配置为高速率无线局域网(每秒数千万比特)应用释放出大量无授权频谱。

无线局域网将朝着数据速率更高、功能更强、应用更加安全可靠、价格更加低廉的方向发展。

3.7 无线局域网来自:http://www.woaidiannao.com/html/jcjc/jsjwlkc/5624.html

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