WiFi学习指南20120623.doc

WiFi学习指南最后整理时间：2012年6月1日无线网络，就是利用电磁波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输介质的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。 第一部分：电磁波的频谱及传输特性（1）电磁波的波长和频率之间的关系及速率电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁波是一种物质，具有能量。电磁波的传播速度很快，在真空中的传播速度与光波相同，速度为3108米/秒，在空气和光纤中稍慢一些。电磁波的传输速度与频率、波长和强弱无关，它只与传输介质有关，在同一种介质中电磁波的速度当然是一样的。光是一种电磁波，光和电磁波的传播速度相同。事实上任何频率的电磁波的传播速度都一样，电磁波的传播不需要介质，在真空中也可以传播。电磁辐射会给人们带来一种新型污染(电磁污染)。因为电磁波的频率与波长有关系，所以电磁波可以承载的信息量与它的波长也有关。利用当前的技术，在低频处每个赫兹编码少量几位信息是可以做到的，但是在高频处通常可以编码8位信息，所以750MHz带宽的同轴电缆可以承载几个Gbps。电磁波的速度、波长和频率可用下面的公式表示：由上式可以看出，频率越高的电磁波，其波长越短；频率越低的电磁波，其波长越长。（2） 电磁波的频谱按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及射线。以无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。上图列出的频段名称是正式的ITU名字，并且是以波长为根据的。术语LF、MF和HF分别指低频、中频和高频。一开始，没有人想到会使用超过10MHz频段，所以后来又有了甚高频（VHF）、特高频（UHF）、超高频（SHF）、极高频（EHF）和至高频（THF）。电磁波是一种横波，具有横波的一般特性：频率越高波长越短，传播时波长越短的越容易受到障碍物的阻挡，波长越长的越容易绕过障碍物或发生衍射现象。电磁波在传输过程中遇到不同的材料时，会产生反射、吸收和穿透现象，这些作用和其程度、效果取决于电磁波的频率和被照射物质的特性。一般来讲，频率越高的电磁波穿透能力越强。事实上，常常对于同一种介质，不同频率的电磁波的穿透性与频率有时并不成正比关系，这与介质自身性质有关。对于X射线和伽马射线这类极高频的电磁波，它们更具有粒子性，因而能够穿透大多数物体。因此医院用X射线检查体内病变，工业上用伽马射线为工件探伤。在电磁波波谱中，无线电波、微波、红外线和可见光都可以通过调节振幅、频率或相位来传输信息。紫外线、X射线和R射线可能会更好一些，因为它们的频率更高，但是这些波很难产生和调节，通过建筑物时传播不好，而且对生物有害。因为电磁波的频率与波长有关系，所以电磁波可以承载的信息量与它的波长也有关。利用当前的技术，在低频处每个赫兹编码少量几位信息是可以做到的，但是在高频处通常可以编码8位信息，所以750MHz带宽的同轴电缆可以承载几个Gbps。因此，对于给定的波段的宽度，我们可以计算出对应的频段，然后可以计算出该波段的数据传输率。波段越宽，数据传输率越高。详细计算方法参阅计算机网络第四版第二章。电磁波很容易产生，也可以传输很长的距离，并且易于穿透建筑物，所以它广泛应用于通信领域。电磁波是全方向的，这意味着它们将从源沿着所有的方向传播开去，所以发射设备和接收设备不必在物理上小心地对齐。（3）电磁波的信号强度（略）（4）不同频率的电磁波的传输特性电磁波的传输特征与它的波长和频率有关，不同类型的电磁波的传输特征有明显的区别。低频电磁波可以很好地穿透障碍物，这就是为什么收音机可以在室内使用。使用低频波段进行数据通信的最大问题是带宽太低。在100MHz以上的频段内，电磁波几乎按直线传播。通过抛特线形状的天线，可以把所有的能量集中于一小束，从而获得极高的信噪比，此时要求发射端和接收端的天线精确地相互对齐。电磁波频率甚低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。电磁波通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、穿透散射及吸收等等。 衰减虽然电磁波在传输过程中，都会有不同程度的衰减，但高频电磁波的衰减随距离的增加会急剧下降，明显高于低频电磁波。 绕射绕射指电磁波绕过阻碍物的能力。电磁波的波长越长，绕射能力越强。低频电磁波可以很轻易地穿越大山、建筑物等物体的阻碍。 穿越电磁波的穿透能力，其实就是能量的传递。因为电磁波具有波粒二象性，波长与光子能量成反比关系，当波长越短光子能量越大，则穿透力越强。比如当无线电波频率很高时，他会穿透电离层，不会再电离层形成反射。 能量电磁波的能量=普朗克常数频率，由此可知电磁波的能量与它的频率有关，频率越大，能量移动电话就是我们所用的手机，它是一个小型的、但能量强的电磁波发生器，其工作频率在890MHz965MHz，辐射出的电磁波对人体细胞具有极强的致畸作用。越大，越有穿透力。很多射线都可以穿过不透明物体。 距离举例（略） 天线尺寸电磁场必须通过天线才能发射到空中实现空间传播，接收端也必须通过天线才能有效接收空间传播的信号。根据电磁场和天线理论，天线的尺寸主要取决于波长和应用场合。例如：对于蜂窝电话，天线长度一般为l/4，假设发送一个基带信号的频率为3000Hz，如果不经过载波调制而直接耦合到天线发送，其天线尺寸约为 24km；如果把此基带信号先调制到较高的载波频率上，例如900MHz，则等效的天线尺寸为8cm。因此，利用载波进行调制是很有必要的。（5）电磁波的传播方式电磁波可以在空间传播，也可以在传输线或波导中传播，在空间传播的方式主要有三种：地波传播、天波传播和视距波传播。电磁波沿地球表面传播的方式称为地波或表面波传播。在地波传播过程中，电磁波的能量会被地面吸收掉一部分（由于地表存在有一定的电阻），即电磁波有一定的能量损耗。另外，当地波传播过程中遇到障碍物时，发生偏离直线而绕过障碍物向前传播的现象称为绕射（或衍射）。由于绕射现象，可以使地波绕过山坡、建筑物等沿地表面继续向前传播。电波的绕射距离与波长有关，长波的绕射距离可达3000KM，中波的绕射距离为数百KM，短波的绕射距离在100KM以内。同时，电波的频率越高，地面对电波的衰减越大，故一般只有长波、中波等频率较低的波才主要通过地表面波传播。地表面波传播比起天波传播来要稳定得多。此外，由于海水对电波的吸收较少，故长波信号在海面上比陆地上传播的距离要远得多。在离地面551000KM以上的高空，大气被太阳辐射中的紫外线和射线所电离，形成一层电离层，它除了对电磁波有一定的吸收作用外，还能把频率小于某一最高频率的电磁波反射回地面，这就使电磁波能传播较远的距离。这种借助于电离层的反射作用传播电磁波的方式称为天波传播。电磁波在传播过程中，电平与其他大气分子或离子将相互碰撞，电磁波的能量会被电离层吸收掉一部分，产生损耗。电离层这种吸收能量的现象，与电磁波的频率有很大的关系。频率越高，电离层吸收的能量越小；频率越低，吸收越大。因为频率太高的电磁波会穿透电离层而不能被反射，故只有中波、短波波段能利用天波传播的方式来传播。但在某些特殊情况下，由于离地面15km以下的对流层和高空电离层的密度等发生变化，也会把超短波反射回地面，使VHF频段的电视信号能够传输几百、甚至上千千米的距离。例如，在上海就有人利用室外接收天线收到过昆明台的电视信号。由于电离层的密度在白天和晚上不同，晚上对中波、短波甚至长波信号的吸收大大减少，因而在晚上能收到很多中波、短波电台，甚至也可利用天波把长波信号传输几千千米。（6）无线信道无线通信的传输媒质，即是无线信道，更确切的说，无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。电磁波的传播路径可能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高40000倍。而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的，通过选择合适的材料与施工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。有线传输介质中，信噪比的波动通常不超过l-2dB。与此相对照，陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。而且在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，影响通信的可靠性。在蜂窝移动环境中，同频干扰也是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。模拟移动通信多采用调频方式，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑制作用。而衰落现象会显著改变调频信号特性，削弱其捕获效应。对于数字传输来说，衰落将使比特误码率（BER）大大增加。此外，在有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化。无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的无线信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂和多变的，这就使得无线信道特性也是十分复杂的。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。第二部分：WiFi规范（1） WiFi标准WiFi（IEEE802.11）是一种能支持较高数据传输速率，可支持154Mbit/s，采用蜂窝结构，自主管理的计算机局域网络。其关键技术有直序列扩频调制技术（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）及补码键控（Complementary Code Keying，CCK）技术、包二进制卷积（Packet Binary Convolutional Code，PBCC）和正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等到。无线接入主要采用线性调制技术中QPSK（正交移相键控）、16QAM（十六进制正交幅度调制）和64QAM（六十四进制正交幅度调制）调制方式，以适应不同带宽及覆盖范围的需求。QPSK具有固定的参考相位，以四进制码元本身的相位值来表示，具有较好的抗干扰性能，在中小容量数字通信系统中得以广泛采用。x-QAM(多进制正交幅度调制)具有很高的频谱利用率，在中、大容量数字通信系统中大量使用，64QAM在光通信和无线宽带通信领域中被广泛应用。使用多电平调制可以获得频谱效率的提高，但是维持高的信噪比，又会使覆盖范围受到限制。MCM（多载波调制）将要传输的数据流划分成速率较低的若干个子数据流，并将这些子数据流用若干个子载波分别调制。CCK（补码键控）调制解调方式已经在WLAN中运用，可调制5Mbit/s和11Mbit/s这样高速率的数据。一般人们采用QPSK、16QAM和64QAM、MCM等多种调制混合方式，并在使用中按需求动态地选择具体的调制方式，有利于带宽、容量的有效使用，覆盖区域的优化及系统投资的降低。 扩频技术由于扩频技术具有抗定频干扰能力强、抗多径干扰能力强和保密性好的特点，IEEE 802.11标准确定了直扩和跳频两种扩频方式。由于直扩与跳频相比具有数据速率高、发送距离大等特点，IEEE 802.11b采用基于直扩的CCK（补码键控）编码方式，使得数据速率能够达到11Mbit/s。根据IEEE 802.11标准的规定，采用直接序列扩频的方式时，扩频处理增益需要达到10 dB以上，而CCK的处理增益为11 dB，即使在出现重要噪声和多路干扰（如接收由某个建筑物内的多个无线反射导致的干扰）的情况下，接收方也能够正确地予以区别。IEEE 802.11b规定在数据速率为5.5Mbit/s时，使用CCK对每个载波进行4比特编码；速率为11Mbit/s时，对每个载波进行8比特编码。 功率控制与分集接收技术无线局域网覆盖面不大的特殊要求使得无线局域网的射频发射功率要控制在一个适当的范围内，一般在30150 mW之间。无线局域网采取功率控制技术来调节发射功率，并在接收通道采用自动增益控制电路来解决由于信号衰落带来的影响。一般采用基带信号控制的数控衰减器或采用控制放大器的偏置来控制发射功率和增益。由于无线局域网终端处于移动状态，信号强弱变化很大，而无线传输信道的复杂性导致信号衰落变化也很剧烈，因此可以将相关性较小（即不同时发生质量恶化）的两个或两个以上的信号进行选择或合并，减轻由衰落所造成的影响，即采用分集接收技术。分集接收利用接收信号在空间、频率、极化等方面的差异实现。 天线技术无线局域网系列产品应用在各种场合，需要多种类型的收发天线，天线性能的好坏对无线局域网产品辐射性能、接收性能、传输速率以及网络覆盖等都有直接的影响。因此天线技术就成了决定无线局域网产品应用和推广，保证无线信道良好的一个关键技术和重要手段。适用于无线局域网的天线包括鞭状全向天线，平板天线、抛物面、八木等定向天线，用于终端设备的微带天线等。对于一个蜂窝小区内无法避免使用3个以上信道的情况，可以将一个小区分为多个扇区，用不同的扇区天线进行覆盖，或利用智能天线技术，自适应地将每一个（或每几个用户）用一个方向性很强的针状波束覆盖。（2）各WiFi标准的特点WiFi分为四个标准：802.11a、802.11b、802.11g和802.11n。 IEEE802.11a和802.11b相比，802.11a在整个覆盖范围内提供了更高的速度，其最高速率可达54Mbps。802.11a工作在5GHz频段，和802.11b一样采用CSMACA协议，但在物理层，802.11a采用了正交频分复用（OFDM）技术，因而可以获得更高的速率。OFDM技术将一个无线信道分解成多个子载波同时传输数据，每个子载波的速率比总速率低许多，也就是每个传输符号的时长要长许多，这有利于克服无线信道的衰落，改善了信号质量，提升了整个网络的速度。 IEEE802.11bIEEE802.11b工作在2.42.483GHz频段，最大传输速率为11Mbps。802.11b采用自动速率调节机制，当工作站之间距离过长或干扰太大造成信噪比低于某个门限时，传输速率自动降为5.5Mbps、2Mbps或1Mbps，通过降低传输速度来改善误码率性能。80211b使用带有防数据丢失特性的载波检测多址连接（CSMACA）作为路径共享协议，物理层调制方式为CCK（补码键控）的DSSS（直接序列扩频）。802.11b的最大传输距离为室内46米（150英尺），室外96米（300英尺），有3个不重叠的传输信道（信道1、6、11）。802.11b有两种运行模式：点对点模式和基本模式。点对点模式是指站点（如无线网卡）之间直接通信的模式，而基本模式是指站点之间的通信需要由AP进行管理，包括频段、信道和漫游的管理等，AP是站点之间通信的桥梁。 IEEE802.11g802.11a与802.11b因为频段与调制方式不同而无法互通，阻碍了WiFi的应用步伐。2001年11月，IEEE试验性地批准一种新技术802.11g，其使命就是兼顾802.11a和802.11b，为802.11b过渡到802.11a铺路修桥。802.11g的工作频段是2.4GHz。802.11g在2.4GHz频段下采用CCK/OFDM调制，使用CCK技术与802.11b实现后向兼容，同时它又通过采用OFDM技术支持高达54Mbit/s的数据流。大家知道，IEEE 802.11b是建立在DSSS的加强版本CCK补充编码键控基础上的，802.11b与老式DSSS系统后向兼容，但与基于FHSS的802.11网络不兼容。802.11g中的调制方式主要就是CCK/OFDM。 IEEE802.11n IEEE802.11n采用“OFDM+MIMO”技术，向下兼容IEEE802.a、IEEE802.b和IEEE802.g。目前标准尚在制定中。（3）电磁波的使用政策任何企业和个人都不能随意地使用电磁波波段，如需使用应事先向政府申请购买。但ISM频段（Industrial，Scientific，Medical，工业的、科学的、医药的）可以用于非授权用途，允许任何人随意地传输数据。无线电管理机构对ISM频段电磁波的功率进行了严格的限制，使得该频段的电磁波的覆盖区域很小，因而不会互相干扰。车库门控制器、无绳电话、无线电控玩具、无线鼠标、微波炉，WiFi以及许多其他的无线电器都使用ISM频段。2.4GHz频段为各国共同的ISM频段。为了使这些未经协调的设备之间的干扰尽可能地小，FCC强制所有在ISM频段上工作的设备都必须使用扩频技术。第三部分：WiFi工勘部署需要注意和规避的问题工勘部署的内容主要包括干扰、AP信道分配、SSID、管理IP地址、VLAN的规划等。（1）干扰无线信号干扰主要包括两个方面：物理环境对于WLAN无线信号的干扰和同频干扰。开阔地带有利于无线信号的传输，而热点地区建筑内的不同物质会对WLAN无线信号产生不同的干扰和影响。干燥的墙壁，钢铁材料对信号的吸收少；而潮湿和水性物质，有色玻璃，植物，人体等将会大大吸收信号，降低无线信号强度，从而降低WLAN信号覆盖范围，减少无线传输速率。所以，在部署AP时，需要在无线信号容易受到干扰的环境增强AP覆盖的密度。同时，为了减少信号传输的多路径问题，应该消除或者减少信号传输路径上的障碍物。由于基于802.11b/g技术的WLAN工作在开放的2.4GHz ISM频段上，因此能够被工作在同样频段的无线设备如微波炉、无绳电话、微波基站、蓝牙网络设备等的干扰，影响WLAN网络设备之间的信号传输。所以，AP的部署应该远离这些干扰源，或者增强AP覆盖的密度。可以为AP设备选择配置不同的天线来克服无线信号干扰带来的不良影响，如多极全向天线能够减少信号传输的多路径问题；当需要增加信号强度时，可以使用高增益天线；也可以使用定向天线来满足适合特定形状的覆盖要求。下图列举了常见障碍物对WiFi信号的损耗情况：（2）AP信道分配AP在加电启动时，默认情况下会自动对无线信道进行监听，然后选择一个未使用或干扰小的信道作为当前工作信道。但在使用中建议手工设置AP的工作信道，同时在室内使用时建议降低信号的发射功率。信道规划基本原则： 同一区域内所选的频率应该至少间隔25MHz，我们可以使用3个不重叠信道（如信道1、6、11）。 相邻AP选择不同的信道，并确保在选择相同信道号的AP之间，有其它选择了不同信道号的AP设备的分隔布置。 在考虑AP之间彼此信号覆盖范围时，不仅要考虑水平层面上的信道区别设置，还要考虑到垂直层面上的信道区别设置，这点在楼层施工时，特别要考虑周全。 如果在某些特殊环境下，需要使用较多AP，信道无法完全隔开，可以考虑适当降低AP的发射功率，减小干扰。如果两个AS不在同一个信道，那么即使它们在一起非常近，也不会互相干扰。但如果是同一个信道的两个AP，它们之间必须保持安全距离，这个安全距离约为两个AP覆盖距离之和。需要注意的是，即使是不同标准的两个AP，在同一个信道下工作，也会互相产生干扰。（3）SSID管理SSID（Service Set Identifier）是无线网络的标识符，相同的SSID代表了同一个无线网络。SSID通常由AP广播出来，通过XP自带的扫描功能可以查看当前区域内的SSID。出于安全考虑可以不广播SSID，此时用户就要手工设置SSID才能进入相应的网络。 无线路由器一般都会提供”允许SSID广播“功能。如果不想让自己的无线网络被别人通过SSID名称搜索到，那么最好“禁止SSID广播”。你的无线网络仍然可以使用，只是不会出现在其他人所搜索到的可用网络列表中。在实际部署中，可根据用户要求进行设置， SSID应能清楚表明无线网络的位置或用途。如用户希望实现不同AP间的自动漫游，应将不同AP设为同一SSID。注意，如果用户是PPPOE方式上网或较小区域内有多个AP，漫游时可能会造成用户断线，该情况下最好为不同AP设置不同ESSID。（4）管理IP地址 AP缺省管理IP地址相同，为确保能远程管理AP且没有IP冲突，应为每个AP规划一个管理IP。（5）VLAN根据实际情况选择是否启用VLAN，AP上可以设置管理VLAN和业务VLAN。第四部分：WiFi漫游的设计 WiFi网络的漫游，是指用户在移动过程中，根本感觉不到无线AP间进行切换。需要指出的是，这里的漫游是二层网络的漫游。为了实现AP间的漫游，必须满足以下三个基本条件：（1）所有无线AP必须使用同一SSID。不同的SSID意味着不同的无线网络，而无法实现无线漫游。