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Gemtek Systems Holding BV Proprietary

无线局域网基本原理及技术

Gemtek Systems, Inc.May. 2003

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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


传统有线网络传统有线网络

数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是

别的有线介质别的有线介质。。

无线网络无线网络

数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它

无线介质无线介质。。

信号在空气中传播，可以被任何人接收信号在空气中传播，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。


PCMCIA CARD PCMCIA CARD PCMCIA CARD

PCMCIA CARD PCMCIA CARDPCMCIA CARD

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: 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

1 2 3 4 6 810 20 30 40 60 100

GHz

123

欧

美

日


信道分配

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

信道

频率2400 247224372412 2462

12 13

2483

12

13


2. 无线局域网标准

Bluetooth 802.11b 802.11g 802.11a HomeRF 2.0 HiperLAN2 Infrared

频率 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 5GHz 2.4GHz 5GHz Ir Band

传输速度 1Mbps 11Mbps 54Mbps 54Mbps 10Mbps 54Mbps 4Mbps

网络层最大速度

721Kbps 5Mbps 32Mbps 5Mbps 32Mbps N/A

距离 10m Up to 100m Up to 100m 100m 50m TBD** Up to 5m

标准 IEEE-802.15 IEEE-802.11b

IEEE-802.11g

IEEE-802.11a

SWAP HiperLAN2HiperLAN2 IrDA

通信技术 FHSS DSSS OFDM/PBCC

OFDM 1MHz and 5MHz wide FHSS

OFDM (NA)

使用模式 Point to Point

High-Speed Network Access



Home Networking and DECT phone


Point-to-Point Data Transmission

Timing 1999 December (1.0B)

1998 July 2001 2001 ? 2000/2003

Key Players SIG members, IBM, Intel, Nokia, Ericsson, Toshiba

Wi-Fi members, Lucent, Intersil, Atmel

Intersil, TI(Alantro)

Wi-Fi,Atheros, Intel Radiata,Philips,Cisco

Compaq, Motorola, and Proxim

Ericsson is promising HiperLAN 2 products at 2002

22Mbps


IEEE 802.11的无线局域网标准

802.11a 802.11b 802.11g

标准确立日期 1999．9 1999．9 仍在开发

工作频段5.150-5.350 GHz5.470-5.850 GHz

2.400-2.483GHz 2.400-2.483GHz

频宽 580MHz 83.5MHz 83.5MHz

互不重迭

频道数量

13（U.S）19（Europe）

3 3

数据速率6，9，12，18，24，36，48，54Mbps

1，2，5.5，11Mbps

6，9，12，18，24，36，48，54Mbps

UDP数据吞量 30.9Mbps 7.1Mbps 16.4Mbps


802.11标准组IEEE标准说明状态802.11a 制订5 GHz波段上的物理层规范。标准已经完成。

802.11b 制定2.4 GHz波段上更高速率的物理层规范。标准已经完成。

802.11d当前802.11标准中规定的操作仅在几个国家中是合法的，而制订该标准的目的是为了扩充802.11无线局域网在其他国家的应用。

标准已经完成

802.11e该标准主要是为了改进和管理WLAN的服务质量，保证能在802.11无线网络上进行话音、音频、视频的传输、可视会议、媒体流的传送、增强的安全应用及移动访问应用等。

标准正在进行

802.11f 该标准是为了可以在多个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

标准正在进行

802.11g该标准是802.11b的扩充，目的是制定更高速率的物理层规范（物理层最大数据率至少是20 Mbit/s），通过提高数据率，来增强802.11b兼容网络的性能和应用。

标准正在进行

802.11h该标准主要是为了增强5GHz波段的802.11 MAC规范及802.11a高速物理层规范；增强信道能源测度和报告机制，以便改进频谱和传送功率管理。

标准正在进行

802.11i 增强WLAN的安全和鉴别机制。标准正在进行标准正在进行


无线局域网模型

IEEE 802 LAN标准系列

PHY

MAC

OSI层2

OSI层1

IEEE 802.3Ethernet以太网

IEEE 802.4Token Bus令牌总线

IEEE 802.5Token Ring令牌环

IEEE 802.15WPAN蓝牙

IEEE 802.16BWA

宽带无线

IEEE 802.2逻辑链路控制(LLC)

IEEE 802.11WLAN

无线局域网

定义了介质访问控制(MAC)和物理层的操作，包括MAC子层、MAC服务和协议以及三个物理层


802.11物理层

1. 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。

2. 802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequencyhopping 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。

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、FSK

IEEE802.11b:DBPSK、DQPSK、CCK

IEEE802.11a:QAM/OFDM

IEEE802.11g:DBPSK、DQPSK、QAM/OFDM、PBCC、CCK


什么是展频

展频技术的无线局域网络产品是依FCC(FederalCommunications 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902MHz~928MHz及2.4G~2.484GHz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。

Time slot

Frequency slot

0

1

2

3

4

5

6

7

8Signal 1 {2,7,4,5}

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chipping－Barker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

01 1 1 0 1 1 1 00 0 1 0 1 1 0 1 1 0 01 0

01 1 1 0 1 1 1 00 0 0 1 0 0 1 0 0 1 10 1

0 1

Transmitted data


802.11MAC层

1. 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)。

3. 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

MA

C

层

802.11i

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

MAC层

PHY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

APAP

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

stationAP

station

stationAP

station

Distribution network

BSS BSS

ESS


ESSID

ESSID，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；


Authentication

认证方案实施：

IEEE 802.11 定义方式：Open System AuthenticationShared Key Authentication (based on WEP)

802.11的认证方式是面向设备的，通过静态和预共享的，存在着缺陷：不是基于用户的缺少秘钥管理，分发机制容易被破解，盗取，伪造

可采用其他的方法补救：基于无线网卡MAC地址的访问控制列表；即将到来的802.11i协议—预计要到2003Q4才能正式发布；802.1x的标准各厂家自己的私有协议

密钥的管理：开放的系统中，验证只需要一次就足够了，但只能在一个BSS系统中如果用户漫游，就需要采用IAPP的标准，IAPP是基于MAC层的漫游概念


CSMA/CA协议

无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD相类似的CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突防止)协议

CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。 CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制


冲突检测

如果A和C同时监听到信道是空闲的，他们会同发送数据。

这时发生的碰撞在以太网的发送端会检测到

半双工的无线电信号在发送端却不能检测到碰撞

A B CA

B

C

Ethernet LAN Wireless LAN


漫游(Roaming)

Site B

Site A

AP2 AP1


什么时候会发生漫游呢？无线工作站在AP间的切换在以下情况下发生：

无线工作站离开了当前AP的覆盖区当前使用的无线频段受到严重的干扰

当前连接的AP停止了工作正在使用的频段非常繁忙，此时还有可选的负载较轻的AP频段

无线工作站是基于CCQL(Combined Communications-Quality & Load)条件决定是否发起漫游的改变：

CCQL 数值基于以下参数计算:信噪比SNR (Signal to Noise Ratio) :

根据接收到的Beacon显示的平均信号等级根据当前信道接收到的数据的平均噪音等级

负载

Sweep的结果 (Searching 时产生的结果):Probe Responses的信噪比

漫游（Roaming）


漫游（Roaming）

漫游协议并没有归入 802.11Inter Access Point Protocol, IAPP, 将要成一个标准的漫游协议

IAPP 协议元素:

WMP (WaveLAN Management Protocol)单向协议，无线工作站发出的重新建立新的联合关系的信号协议

Announce Protocol 在同一个区域内，AP间相互确认和交换信息的通告协议

Hand-over Protocol一个无线工作站和AP重新建立连接时，在AP间交换信息的双向协议


漫游的移交过程

无线工作站…首先接受缓存在当前使用的AP中的数据包然后开始建立和新的AP的联合关系

AP之间使用IAPP(Inter Access Point Protocol)协议

IAPP协议工作在AP组成的分布式系统上通知老的AP现在的连接状态，并允许老的AP改变它的association table更新过滤表在各个AP中IAPP使用 UDP/IP协议

老的AP抛弃掉为无线工作站缓存的数据包


负载均衡

如果一个区域中有多个AP，设置在不同的、非重叠的频段，这样做可以提高总的性能。

AP会将自己当前的负载告知无线工作站，无线工作站会根据收到的高负载通知，决定是否切换到另外一台AP，以此达到负载均衡的效果。


有线等效加密（WEP）

可选的安全功能 (设备已支持)基于 RC4 加密算法流加密字 64 位或 128 位密钥

用户可定义 40 位或者 104 位长还有24bit被称为IV (Initialization vector) ，由系统随每一个数据包自动改变

用于数据加密编码

用于共享密钥授权机制

WEP加密（Wired Equivalent Privacy），当用户第一次接入一AP时，由用户发起鉴权申请，AP接到这一申请后用明码发出一个字符串给该用户，用户将加密后的字符串发回AP，AP将此密文解密并与原先的明码比较，根据结果给出同意接入或拒绝接入的回答。


GSI Wireless LAN

无线局域网基本原理及技术议程1. 无线网络的概念无线数据网分类无线局域网和有线局域网的对比无线网络优点无线电频谱范围什么是ISM信道分配2. 无线局域网标准IEEE 802.11的无线局域网标准802.11标准组无线局域网模型802.11物理层802.11物理层示意图调制技术什么是展频跳频技术 FHSS直接序列扩频技术 DSSS802.11MAC层802.11物理层示意图3.无线局域网基本技术无线局域网基本构架IBSSBSSESSDistribution SystemESSIDCSMA/CA协议冲突检测漫游(Roaming)漫游（Roaming）

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