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中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司 移动设计院李寿鹏2010年12月9日 WLAN基础知识交流 第2页 前言 WLAN网络是计算机网络与无线通信技术相结合的产物 它利用射频技术 取代旧式的双绞线构成局域网络 提供传统有线局域网的所有功能 网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里 而且可以随需移动或变化 它使用无线信道来接入网络 成为宽带接入的有效手段之一 发展历程 20世纪70年代开始研究无线电技术与网络技术融合20世纪80年代FCC 联邦通信委员会 开放ISM频段1991年5月IEEE802 11工作组成立1997年11月16日IEEE802 11标准发布1999年9月IEEE802 11b IEEE802 11a2003年6月IEEE802 11g2009年IEEE802 11n1997年无委宣布同意在我国境内使用2 4G和5 8G的扩频传输设备 第3页 汇报提纲 第4页 WLAN网络的基本组成 WLAN网络主要由WLAN终端设备 WLAN网络卡 WLAN接入点设备 AP 接入控制点 AC PORTAL服务器 RADIUS认证服务器 用户认证信息数据库 BOSS系统等组成 1 WLAN终端设备WLAN终端设备需要安装WLAN网络卡 WLAN网络卡可以是任何支持IEEE802 11系列标准的设备 终端设备如笔记本电脑 PDA 支持 WIFI 功能的手机等 2 接入点设备 AccessPoint 简称AP AP是WLAN业务网络的小型无线基站设备 完成IEEE802 11a IEEE802 11b g标准的无线接入 AP也是一种网络桥接器 是连接有线网络与无线局域网络的桥梁 任何WLAN终端设备均可通过相应的AP接入外部的网络资源 在数据通信方面 AP负责完成它与WLAN终端设备之间数据包的加密和解密 当用户在AP无缝覆盖区域移动时 WLAN终端设备可以在不同的AP之间切换 保证数据通讯不中断 在安全控制方面 AP可以通过网络标志来控制用户接入 第5页 WLAN网络的基本组成 3 接入控制点 AccessController 简称AC 当采用基于WEB方式的用户认证时 AC作为安全控制点和后台的RADIUS用户认证服务器相连 完成对WLAN用户的认证 在计费中 AC作为集中式的计费数据采集前端 采集用户进行数据通信的时长 流量等计费数据信息 并将其发送到相应的认证服务器产生话单 同时 在业务控制中 AC提供强制PORTAL功能 向WLAN用户终端推送WEB用户认证请求页面和中国移动门户网站 当用户认证通过后 用户业务数据通过AC接入到CMNET 4 PORTAL服务器PORTAL服务器主要提供如下功能 强制PORTAL认证页面推送用户认证下线通知 第6页 WLAN网络的基本组成 5 RADIUS认证服务器在用户名 口令认证中 RADIUS认证服务器接受来自AP AC的用户认证服务请求 对WLAN用户进行认证 并将认证结果通知AC 对于RADIUS用户 RADIUS认证服务器还接收计费信息采集点发送的计费数据信息 经过预处理后产生话单 计费数据记录 即CDR 并将话单通过计费数据接口发送给BOSS计费子系统 6 用户认证信息数据库使用WEB认证机制时 该认证信息数据库存储WLAN用户信息 包括认证信息 业务属性信息 计费信息等 当RADIUS认证服务器对WLAN用户认证时 通过数据库存取协议存取数据库中的用户授权信息 检查该用户是否合法 第7页 WLAN网络的基本组成 7 BOSS系统在WLAN数据业务中 BOSS系统主要完成以下功能 业务注册服务 BOSS系统根据用户申请 为用户开户 用户信息的更新 当BOSS用户数据库系统中的用户信息更新时 BOSS系统需要通知RADIUS服务器同步更新相应的WLAN用户信息 计费和结算 BOSS系统接收从RADIUS用户认证服务器和AS认证服务器发送的WLAN数据业务话单 实现该用户的统一计费和结算 第8页 汇报提纲 第9页 WLAN技术标准 目前WLAN较成熟的标准有802 11b 802 11g和802 11a等三个标准 分别工作在2 4GHz和5 8GHz频段 最大空口传输速率可以达到54Mbps 1 802 111991年IEEE802标准化委员会成立IEEE802 11WLAN标准工作组 IEEE802 11 别名 Wi Fi WirelessFidelity 无线保真 是在1997年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准 该标准定义物理层和媒体访问控制 MAC 规范 物理层定义了数据传输的信号特征和调制 定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法 RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频 工作在2 4000 2 4835GHz频段 IEEE802 11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准 主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入 业务主要限于数据访问 速率最高只能达到2Mbps 第10页 WLAN技术标准 2 802 11b1999年9月IEEE802 11b被正式批准 该标准规定WLAN工作频段在2 4 2 4835GHz 数据传输速率达到11Mbps 传输距离控制在50 150英尺 该标准是对IEEE802 11的一个补充 采用补偿编码键控调制方式 采用点对点模式和基本模式两运作模式 在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mbps 5 5Mbps 2Mbps 1Mbps的不同速率间自动切换 扩大了WLAN的应用领域 IEEE802 11b很快成为主流的WLAN标准 被多数厂商所采用 所推出的产品广泛应用于办公室 家庭 宾馆 车站 机场等众多场合 但是由于许多WLAN的新标准的出现 IEEE802 11a和IEEE802 11g更是倍受业界关注 第11页 WLAN技术标准 3 802 11a1999年 IEEE802 11a标准制定完成 该标准规定WLAN工作频段在5 15 5 825GHz 数据传输速率达到54Mbps 传输距离控制在10 100米 该标准也是IEEE802 11的一个补充 扩充了标准的物理层 采用正交频分复用 OFDM 的独特扩频技术 采用QFSK调制方式 可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口 支持多种业务如话音 数据和图像等 一个扇区可以接入多个用户 每个用户可带多个用户终端 IEEE802 11a标准是IEEE802 11b的后续标准 其设计初衷是取代802 11b标准 然而 工作于2 4GHz频带是不需要向无委申请的 该频段属于工业 教育 医疗等专用频段 是公开的 工作于5 15 8 825GHz频带需要向无委申请的 一些公司更加看好最新混合标准 802 11g 第12页 WLAN技术标准 4 802 11gIEEE802 11g标准提出在IEEE802 11b的工作频段上 拥有IEEE802 11a的传输速率 安全性较IEEE802 11b好 采用2种调制方式 含802 11a中采用的OFDM与IEEE802 11b中采用的CCK 做到与802 11a和802 11b兼容 工作频段在2 4 2 4835GHz 数据传输速率达到54Mbps 传输距离控制在50 150英尺 虽然802 11a较适用于企业 但WLAN运营商为了兼顾现有802 11b设备投资 更多地选用802 11g 第13页 WLAN技术标准 5 802 11nIEEE802 11n标准已经于2009年冻结 作为下一代WLAN标准 采用了OFDM MIMO 聚合帧等技术 采用2 4GHz和5GHz双频带 可以同时向下兼容802 11a b g 将传输速率提高到150 600Mbps 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个独立空间流则为300Mbps 3个独立空间流为450Mbps 4个独立空间流600Mbps 第14页 MIMO技术 MIMO技术 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不同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个独立空间流则为300Mbps 3个独立空间流为450Mbps 4个独立空间流600Mbps 空间流数与天线数可以一致 也可以不一致 但是天线数量必须不小于空间流数 如2个空间流数至少需要两个天线来支持 第15页 信道绑定 传统的802 11标准 空口都工作在20MHz频宽 802 11n技术通过将相邻的两个20MHz信道绑定成40MHz将两个相邻的20MHz信道绑定使用 一个为主带宽 一个为次带宽 收发数据时既可以40MHz的带宽工作 也可以单个20MHz带宽工作为避免相互干扰 原本每20MHz信道之间都会预留一小部分的带宽 当采用信道绑定技术工作在40MHz带宽时 这一部分预留的带宽也可以被用来通信 进一步提高了吞吐量 第16页 几种主要制式的比较 第17页 汇报提纲 第18页 WLAN工作频段 1 IEEE802 11b g标准工作在2 4G频段 频率范围为2 400 2 4835GHz 共83 5M带宽 划分为14个子信道 每个子信道带宽为22MHz 相邻信道的中心频点间隔5MHz 相邻的多个信道存在频率重叠 如1信道与2 3 4 5信道有频率重叠 其中互不干扰的频点只有3个 一般选择1 6 11三个互不干扰的频点 频谱划分如下图所示 第19页 WLAN工作频段 2 右表为美国UNII802 11a频段信道分配表 包含24个互不干扰的信道 在5GHz频段以5M为步进划分信道 信道编号n 信道中心频率GHz 5GHz 1000 5 在中国802 11a工作在5 725 5 850GHz频段 共125M带宽 每个信道20MHz带宽 共26个信道号 可用的有五个 一般选择149 153 157 161 165五个互不干扰的频点 第20页 汇报提纲 第21页 WLAN技术指标要求 1 信号覆盖电平在设计目标覆盖区域内95 以上位置 接收信号强度大于等于 75dBm 2 信噪比在设计目标覆盖区域内95 以上位置 用户终端无线网卡接收到的信噪比 SNR 大于20dB 3 可接通率在WLAN无线覆盖区内90 的位置 99 的时间内无线网卡可以接入网络 4 室内天线功率根据国家环境电磁波卫生标准 室内天线的发射功率应小于17dBm 载波 5 并发用户数由于WLAN采用CSMA CA机制 如果接入用户过多 那么同一时刻发生冲突的概率明显增大 也必定会延长每个用户等待的时间 而使得系统性能下降 工程设计上一般按每AP接入用户数在20台左右进行设计 第22页 汇报提纲 第23页 WLAN的信道干扰 1 其它设备的干扰经过测试 使用2 4GHz频段的设备中 蓝牙等小功率设备对WLAN网络的影响很小 可以忽略 微波炉等大功率设备对WLAN网络的影响较大 在网络设计时应注意远离此类设备 下图是微波炉对WLAN 802 11b 传输速率影响的曲线图 当WLAN设备靠近干扰源时 传输速率迅速下降 第24页 WLAN的信道干扰 2 同频干扰当覆盖同一区域的不同AP使用相同频点时 多个AP下行数据总吞吐量不能突破一个AP的吞吐量 增加AP不能带来总吞吐量的增加 WLAN系统信道分配机制WLAN系统主要采用CSMA CA 载波侦听多路访问 冲突避免 机制在多个竞争的用户之间选择和分配信道资源 CSMA CA机制使整个信道带宽为所有用户共享 只有到信道空闲时 才允许用户发送信息 并保证某一时刻只有一个终端 STA 或基站 AP 发送数据 CSMA CA的基本原理是 一方面 载波侦听 查看介质是否空闲 另一方面 冲突避免 通过随机的时间等待 使信号冲突发生的概率减到最小 当介质被侦听到空闲时 优先发送 如果有某个终端 STA 或基站 AP 需要发送消息 那么它就会立即发送数据 所有的终端设备 或基站 都能够收到发自网络中任何一个终端的消息 如果检测到是发送给自己的就会接收这个信息 否则 就会将其抛弃 第25页 WLAN的信道干扰 从以上工作机制可以看出 在同一信道内存在多个终端或AP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 因此 多AP使用同一信道 AP间信号彼此可达 由于存在载波监听 冲突避免机制 多个AP下据总吞吐量不能突破一个AP的吞吐量 增加AP不能带来总吞吐量的增加 如果想增加系统容量 必须缩小AP的覆盖范围 使同频AP间信号彼此均不可见 多个AP数据总吞吐量才能大于单AP吞吐量 且随着AP数量的增加 总吞吐量递增 第26页 WLAN的信道干扰 1两个AP和两台终端互不可见AP1和终端1在办公楼东头房间内 AP2和终端2在西头楼梯间 AP之间不可见 笔记本与AP之间不可见 笔记本之间不可见 不可见就是指接收到的信号强度小于设备的灵敏度 终端1测试信号强度 AP1 52dbm 收不到AP2信号 终端2测试信号强度 AP2 52dbm 收不到AP1信号 第27页 WLAN的信道干扰 2两个AP有干扰 两台终端各自只可见一个APAP1和AP2放置于办公楼走廊内 AP间距52米 终端1在办公楼东头房间内 终端2在西头楼梯间 AP之间可见 两台终端各自只可见一个AP 在AP1处测得AP2的电平值为 72dbm 在AP2处测得AP1的电平值为 70dbm Sat1测试信号强度 AP1为 52dbm 收不到AP2的信号 Sat2测试信号强度 AP2 52dbm 收不到AP1的信号 第28页 WLAN的信道干扰 在不同场景下同频AP的干扰程度会有所不同 通过对同频AP干扰测试的分析 我们可以得到如下结论 在AP和笔记本完全没有干扰时 总带宽可以达到33 37Mbps AP之间可见或笔记本与AP之间可见 系统总带宽明显降低 降低幅度在13 22Mbps之间 对系统带宽影响很大 因此 在有限范围内单纯采用增加AP的办法是无法提高网络容量的 有干扰时AP的距离相距较远或较近时 系统总带宽高于一个AP的下载带宽 远低于两个独立AP的带宽 AP间距35米进行测试时 系统总带宽下降最大 小于一个AP的下载带宽 建议后期建设WLAN时 首先要做好WLAN网络的频率规划及使用 若天线放在走廊覆盖房间 一般每层不超过3个AP 若天线可以进房间 将天线发射功率大大降低 可以在一层布放多个同频AP 在有限范围内布放超过3个AP时 可以采用802 11a频段的AP进行WLAN网络容量的提升 第29页 汇报提纲 第30页 WLAN的链路预算 下行链路的计算自由空间链路衰减的计算公式 PL 32 24 20lgD 20lgf Lw 1 式中 PL表示空间损耗 用dB来显示 D表示收 发天线间距离 以m为单位 f表示频率 用GHz为单位 Lw为空中障碍物衰减 用户接收电平 Pr1 Pt Gt Gr Lft Lfr PL 2 Pr1为用户站接收电平 Pt为AP发射功率 dBm Gt Gr分别为发送和接收天线的增益 dBi Lft Lfr分别为发送和接收天线馈线的损耗 dB 第31页 WLAN的链路预算 下行链路的计算设备参数如下 天线接口输入功率为10dBm 天线增益为3dBi 用户笔记本天线增益为0dBi 公寓建筑为框架结构 墙体为中墙衰减15dB 发射端馈线衰减为1dB 接收端馈线衰减为0 天花板的衰减为10dB 将上述数据代入公式 2 用户接收电平为 Pr1 42 8 20lgd d单位为米 天线放置在天花板的外侧 Pr1 52 8 20lgd d单位为米 天线放置在天花板的里面 第32页 WLAN的链路预算 上行链路的计算Pr2 Pt Gt Gr Lft Lfr PLPr2为AP端接收电平 Pt为笔记本发射功率 dBm Gt Gr分别为发送和接收天线的增益 dBi Lft Lfr分别为发送和接收天线馈线的损耗 dB 设备参数如下 天线增益为3dBi 用户笔记本天线增益为0dBi 笔记本发射功率为13dBm 20mW 公寓建筑为框架结构 墙体的为中墙 衰减考虑15dB 接收端室分系统馈线 合路器 耦合器衰减为17dB 天花板的衰减为10dB AP端接收电平 Pr2 56 8 20lgd d单位为米 第33页 WLAN的链路预算 附 AP的上行灵敏度要求 第34页 汇报提纲 第35页 根据WLAN目前的技术发展情况 有三类组网技术 胖AP技术 瘦AP技术 MESH技术 不同厂商 胖瘦 所代表的含义各不相同 一般采用以下定义 瘦AP代表自身不能单独配置或者使用的AP产品 这种产品仅仅是一个WLAN交换系统的一部分 而胖AP就是任意的独立AP 无论这个AP的功能集是什么样的 1 胖AP技术在WLAN部署的发展初期 AP完全部署和端接802 11功能 因此有线局域网上的数据帧全部都是802 3帧 每个AP都可以作为网络上的一个单独的网络实体 进行独立的管理 这种网络中的接入点通常被称为 胖AP WLAN网络技术方案 第36页 2 瘦AP技术从2002年9月开始出现一种新的WLAN接入方案 就是瘦AP解决方案 与胖AP解决方案正相反 它尽量减少了接入点内的智能 而把网络智能集中到无线交换机中 采用这种方法 接入点相对简单 能以成本效益方式共享增强无线通信的各种功能特性 在瘦AP方案中 由于多数智能配置集中在无线交换机中 即可将接入点配置为适用的组和策略 从而减少了通过无线局域网执行的管理功能和总的运营成本 在该方案中采用的拓扑结构是集中式的 是一种层次化的架构 包括一个负责配置 控制和管理多个瘦AP的WLAN交换机 也有厂商称之为控制器 802 11功能由瘦AP和交换机共同承担 与自治式网络拓扑结构相比 这种模式中的AP的功能有所减弱 因此被称为 瘦AP WLAN网络技术方案 第37页 瘦AP使用了一个 通常是加密的 隧道来将无线流量发回到交换机 瘦AP只负责发送或者接收经过加密的无线数据帧 从而保持瘦AP的简便性 避免升级其硬件或者软件的必要性 瘦AP的目的是降低AP的复杂性 把数据处理的功能都放在中央交换机 正因为此 数据流量的瓶颈也产生在中央交换机处 WLAN网络技术方案 这是一个采用瘦接入点的集中式网络 瘦AP的传输机制相当于有线网络中的集线器 主要功能是接收和发送无线流量 它们会将无线数据帧发回到交换机 然后对这些数据帧进行处理 再交换到有线WLAN 每个瘦AP基本上都拥有一个以太网接口 用于实现无线与有线的连接 第38页 3 胖瘦AP技术对比根据前文的描述可以看出 胖瘦AP技术是两种不同的发展思路方向 瘦AP代表了WLAN集中式智能与控制的发展趋势 以下列出了两者之间的特点对比 a 胖AP结构面临的问题较多 包括对AP必须逐一管理 同时攻击与干扰定位困难从而影响了负载平衡的能力 另外胖AP不能区分无线话音等实时应用与数据传输应用的不同需求 当无线局域网持续发展 规模递增时 这种单纯以更改每个AP配置来调整无线局域网的功能变得非常复杂 瘦AP构架中 无线智能交换机替代了原来二层交换机 把安全性 移动性 QoS和其他特性集中起来管理和控制 b 信道间干扰 在胖AP系统中 当两个无线AP工作在同一个信道 并同时尝试传输数据的时候 会发生数据传输冲突 即信道间干扰 AP必须等待一段时间之后再次尝试进行数据传输 这将会影响整个WLAN系统数据传输性能 在瘦AP系统中 无线交换机负责所有数据的处理 消除了AP间数据传输冲突 WLAN网络技术方案 第39页 c AP间漫游造成额外的网络延时 在胖AP系统中 用户从一个AP移动到另一个AP 必须经历重新检索AP 鉴权 身份验证 重新连接等步骤 通常这将需要150 400ms完成整个过程 不可避免的将会造成网络延时 抖动 降低语音视频通信质量 在瘦AP系统中 消除了无线漫游等造成的网络延时 抖动现象 d 瘦AP系统相对胖AP系统可以为用户提供更多的无线增值服务 比如瘦AP除了提供无线接入外 也可设置为无线入侵监控 无线终端追踪定位 无线电波传输分析 WLAN网络技术方案 第40页 MESH技术在传统无线局域网中 每个AP必须与有线网络相连接 而基于Mesh结构的WLAN网络仅需要部分AP与有线网络相连 AP与AP之间采用点对点方式通过无线中继链路互联 实现逻辑上每个AP与有线网络的连接 这样就摆脱了有线网络受地域限制的不利因素 从而可以建设一个大规模的无线局域网络 使无线局域网的应用不再局限于以前的热点地区覆盖 无线Mesh网是一种非常适合于覆盖大面积开放区域 包括室外和室内 的无线区域网络解决方案 它将传统WLAN中的无线 热点 扩展为真正大面积覆盖的无线 热区 WLAN网络技术方案 AP通过添加无线Mesh路由功能成为Mesh路由器 Mesh路由器通过无线连接组成无线网 此无线网通过连接有线网的AP实现无线网与有线网的数据交互 每个用户节点在本地具有AP功能的路由器上接入 然后通过路由器的路由功能多跳地接入有线网络 实现WLAN的无线扩展 第41页 总结 WLAN系统优缺点 优点 1 WLAN系统的优势 用户体验方面的优势 使用方便 现在大多数便携式电脑都支持无线上网的功能 如果有了WLAN网络 上网时不但不需要电缆线的连接 而且也不用像GPRS上网那样需要外置板卡 使用起来非常方便 支持移动性 WLAN提供了对终端移动性的支持 少了连接电缆的束缚 终端可