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WLAN关键技术 中国移动通信集团设计院有限公司 焦燕鸿 日期 2011 01 中国移动通信集团设计院有限公司 课程总揽 第2页 第3页 课程目标 通过学习此课程 您应该了解 无线局域网物理层关键技术无线局域网MAC层关键技术 目录 第4页 WLAN物理层 物理层是OSI的第一层 它为设备之间的数据通信提供传输媒介及各种物理设备 为数据传输提供可靠的环境 它的主要功能是 为数据端设备提供传送数据的通路 传输数据 完成物理层的一些管理工作 WLAN物理层又可分为PLCP 物理层会聚协议 PMD 物理介质相关协议 和物理层管理子层 PLCP子层是MAC与PMD层或物理介质的中间桥梁 主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组 PMD子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术 物理层管理子层进行信道选择和调谐 第5页 WLAN物理层的分类 第6页 WLAN工作频率 2 4G 按照无线电频率管理委员会对2 4G频段扩频设备的使用规定 该频段的工作频率带宽为83 5MHz 最多有13个信道可用 13个信道的标号及所用中心频率的情况见右表所示 802 11b g n标准均可工作在2 4GHz 802 11b占用带宽22M 802 11a g占用带宽20M 802 11n占用带宽20M或40M 在多个频道同时工作的情况下 为保证频道之间不相互干扰 要求两个频道的中心频率间隔不能低于25MHz 在实际使用中一般选择1 6 11三个频道进行频率规划 第7页 WLAN工作频率 5 8GHz 802 11a n标准均可工作在5 8GHz5 8G频段的频率范围为5 725G 5 850GHZ 共125M带宽该频段划分为5个信道 每个信道20MHz带宽 各信道互不交叠 中心频率 5000 n 5 MHz n 149 153 157 161 165 第8页 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就是采用HR DSSS技术 第9页 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 第10页 Signal1 2 7 4 5 Work1 6 Signal2 4 3 1 7 正交频分复用 OFDM是一种基于正交多载波的频分复用技术OFDM传输的基本概念 高速串行数据流经串 并转换后 分割成大量的低速数据流 每路数据采用独立载波调制并叠加发送 接收端依据正交载波特性分离多路信号OFDM与传统FDM的区别在于 传统的频分复用技术需要在载波间保留一定的保护间隔来减少不同载波间领谱的重叠 结合滤波 从而避免各载波间的相互干扰 而0FDM技术的不同载波间的频潜是重叠在一起的 各子载波间通过正交特性来避免干扰 有效地减少了载波间的保护间隔 提高了频谱利用率 802 11a g n采用了OFMA技术 第11页 OFDM FDM 多输入多输出技术MIMO MIMO结合复数的RF链路和复数的天线 即同时在多个天线上发送出不同的信号 而接收端则通过不同的天线将在不同的RF链路的信号独立的解码出来 多天线 MIMO在802 11n通常定义为M N 其中M为Tx天线数 N为Rx天线数 多空间流 空间流数是决定最高物理传输速率的参数 在802 11n中定义了最高的流数为4 流数越多速率就越高 在802 11n中 在其他参数确定后 最高速率按空间流的倍数变化 如1个独立空间流最高可达150Mbps 2个独立流则为300Mbps 3个独立空间流为450Mbps 4个独立空间流为600Mbps 空间流数与天线数 一般是一致的 但也可采用不对称的天线数和空间流数 天线数量必须不小于空间流数 如2个空间流的至少需要两个天线来支持 第12页 802 11系列标准对比 第13页 目录 第14页 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 载波侦听多点接入 冲突检测 方式 而在802 11无线局域网协议中 采用了新的协议CSMA CA 载波侦听多点接入 冲突避免 2 另一个的无线MAC层问题是 hiddennode 问题 为了解决这个问题 802 11在MAC层上引入了一个新的RequestToSend CleartoSend RTS CTS 选项 间接解决了 hiddennode 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802 11协议中 每一个在无线网络中传输的数据包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 11MAC层 stationC stationB stationA 载波监听 冲突避免机制 CSMA CA 1 与GSM的时分多址复用方式和TD的时分 码分多址复用方式不同 WLAN系统采用载波监听 冲突避免机制 用户间采用抢占方式占用资源 2 在同一冲突域内存在多个用户时 某一时刻只有一个终端或AP在发送数据 此时其他终端和AP均处于空闲监听状态 隐藏节点问题 第17页 假设A正向B传数据 C也要向B传数据 由于A检测不到C的存在 造成A和C同时向B发包 如果多于两个节点同时发送 将在B处冲突 B接收到帧的时候发生错误 由于无线链路是半双工的 终端在发送的时候不知道冲突存在 因此当A和C发送长报文时发生冲突将导致带宽的浪费 产生原因 解决方案 RTS CTS机制 发送者发送RTS 请求发送 包括接收者地址 发送数据帧时间 发送ACK时间 接收者用CTS回应 CTS为发送者预留带宽同时通告所有站点 包括隐藏的 保持静默 由于RTS和CTS长度很短 其本身冲突的概率减少 因此RTS CTS机制可以有效运行 A B C 802 11管理过程 用户接入过程 用户接入过程首先需要通过扫描过程来选择AP 之后通过认证和关联两个过程后才能和AP建立连接 第18页 802 11管理过程 用户接入过程 IEEE802 11针对Scan定义了两种工作模式 被动扫描模式 PassiveScanning 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 ActiveScanning 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 第19页 WirelessStations WirelessStations PassiveScanning ActiveScanning Listening Requesting 扫描Scanning 802 11管理过程 用户接入过程 开放系统认证 Opensystemauthentication 用户MAC地址唯一即可接入网络这是默认方式 有两个步骤 发送站点 发送包含身份的认证管理帧接收站点 然后发回一个通知帧告诉对方自己是否识别这个被认证站点的身份共享密钥认证 SharedKeyAuthentication 这种认证类型假定每一个站点都通过安全渠道获取了一个密钥 但不是通过802 11标准的无线方式获取 各站点通过共享已知的密钥来认证这种共享密钥要求用WEP算法来提供加密 认证 802 11管理过程 用户接入过程 第21页 WEB DHCP方式无线局域网用户终端接通了无线网络后 第一次启动浏览器访问互联网时 将会指向到WEB认证页面 用户在认证页面输入用户名和密码 通过认证后 由DHCP服务器分配IP地址 访问互联网 中国移动现网采用的是这种认证方式 SIM认证用户可使用具备WLAN功能的SIM卡完成认证功能 上网时不用再输入账号和密码 认证 802 11管理过程 用户接入过程 第22页 AssociationSTA通过Association和一个AP建立关联 后续的数据报文的收发只能和建立Association关系的AP进行ReassociationSTA在从一个老的AP移动到新的AP时 通过Reassociation和新的AP建立关联Reassociation前必须经历认证过程DeassociationSTA通过Deassociation和AP解除关联 老AP 新AP STA 检测到更强的AP信号 Deassociation Reassociation请求 Reassociation应答 关联Association 802 11管理过程 漫游 Roaming 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