【看见WLAN】系列专题——1、WLAN前世今生.docx

WLAN前世今生前语：从今日起，企业网络解决方案技术团队技术系列专题“看见WLAN”开始连载啦()/啦啦啦。每一期都是不同的作者，不同的味道，但是呈现的都是相同的心意愿为个人学习，团队成长，公司赚钱，国家稳定，世界和平贡献一份绵薄之力。前不久新浪微博上流传着一张Wi-Fi的照片，是英国的一位童鞋通过Wi-Fi信号强度跟光线的映射，描绘出缠绕在我们周围，看不见摸不着却每日离不开的无线信号。以至于马斯洛需求金字塔最下面要增加一个奠基层Wi-Fi。于是，我们想，能不能通过我们的文字和图片让大家看见一个完完整整的WLAN呢。这就是“看见WLAN”的由来。在“看见WLAN”里，我们不仅会看到一些早已被大家熟知的WLAN基本知识，还会看到一些不为人熟知的WLAN网络背后的技术，乃至会看到我们团队为之贡献青春的无线网络案例设计，总之就是压箱底的宝贝都拿出来了。今天的“看见WLAN”就从看见“WLAN的前世今生”开始。1 WLAN历史概述1.1 无线网络介绍无线网络的初步应用，可以追朔到五十年前的第二次世界大战期间，当时美国陆军采用无线电信号做资料的传输。他们研发出了一套无线电传输科技，并且采用相当高强度的加密技术，得到美军和盟军的广泛使用。这项技术让许多学者得到了一些灵感，在1971年时，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络。这被称作ALOHNET的网络，可以算是相当早期的无线局域网络（WLAN）。它包括了7台计算机，它们采用双向星型拓扑横跨四座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上。从这时开始，无线网络可说是正式诞生了。图 1 无线网络发展历程按照覆盖范围划分，无线网络可以划分为WPAN、WLAN、WMAN和WWAN四类： 在网络构成上，无线个域网（WPAN）位于整个网络链的末端，用于解决同一地点终端与终端间的连接，如连接手机和蓝牙耳机等。WPAN是基于计算机通信的专用网，是在个人操作环境下需要相互通信的装置构成的一个网络，无需任何中央管理装置，为电子设备之间提供方便、快速的数据传输。对于单个设备而言要求既能提供主控功能又具有从属功能的能力，除此之外，还要求设备能够很容易地接入或离开现有网络。系统要适合运行图象、MP3和视频剪辑等多种类型的文件。WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内，必须运行于许可的无线频段。WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。 基于IEEE802.11标准的无线局域网（WLAN）允许在局域网络环境中使用可以不必授权的ISM频段中的2.4GHz或5GHz射频波段进行无线连接。它们被广泛应用，从家庭到企业再到Internet接入热点。 无线城域网(WMAN)主要用于解决城域网的接入问题，覆盖范围为几千米到几十千米，除提供固定的无线接入外，还提供具有移动性的接入能力，包括多信道多点分配系统(Multichannel Multipoint Distribution System，MMDS)、本地多点分配系统(Local Multipoint Distribution System，LMDS)、IEEE 802.16和ETSI HiperMAN(High Performance MAN，高性能城域网)技术。 无线广域网（WWAN）技术是使得笔记本电脑或者其他的设备装置在蜂窝网络覆盖范围内可以在任何地方连接到互联网。主要的无线服务提供商(Verizon Wireless，Sprint Nextel等等)提供宽带WWAN服务，其下载速度可以与DSL相媲美。图 2 无线网络分类目前最为常见的三大无线局域网技术是WiFi、蓝牙、HomeRF，它们的定位各不相同。WiFi在带宽上有着极为明显的优势，而且有效传输范围很大，其为数不多的缺陷就是成本略高以及功耗较大。相对而言，蓝牙技术在带宽方面逊色不少，但是低成本以及低功耗的特点还是让它找到了足够的生存空间。另一种无线局域网技术HomeRF，是专门为家庭用户设计的。它的优势在于成本，不过它的业界支持度远不及前两者。总体而言，WiFi比较适于办公室中的企业无线网络，HomeRF可应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，而从长远看，它们将走向融合。除此以外，红外线技术也并没有彻底消失，甚至射频技术也活跃在市场上。另外，无线局域网是否会对第三代移动通信系统构成威胁是近年来业界关心的一个问题。实际上，无线局域网与3G采用的是截然不同的两种技术，用于满足不同的需要。与3G不同的是，无线局域网并不是一个完备的全网解决方案，而只用于满足小型用户群的需求。无线局域网与3G可以互补，因此不会对3G运营商造成威胁，运营商还可以从无线局域网和3G的共存中获得好处。研究表明，无线局域网与3G和GPRS的结合可增加用户的满意程度和业务量，从而增加移动运营商的利润。作为3G的一个重要补充，无线局域网可用于在诸如机场候机厅、宾馆休息室和咖啡厅等地方建立无线Internet连接。图 3 无线传输技术1.2 什么是WLAN随着无线通信技术的广泛应用，传统局域网络已经越来越不能满足人们的需求，于是无线局域网（WLAN）应运而生，且发展迅速。尽管目前无线局域网还不能完全独立于有线网络，但近年来无线局域网的产品逐渐走向成熟，正以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作用。 无线局域网是无线通信技术与网络技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、高带宽和低成本。通俗地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网互联功能。相比较传统的有线网络，WLAN具备如下优势：1. 灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。2. 安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。3. 易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。4. 故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。5. 易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间漫游等有线网络无法实现的特性。图 4 WLAN的优势作为全球公认的局域网权威，IEEE 802工作组建立的标准在局域网领域内得到了广泛应用。这些协议包括802.3以太网协议、802.5令牌环协议和快速以太网协议等。IEEE于1997年发布了无线局域网领域第一个在国际上被认可的协议802.11协议。1999年9月，IEEE提出802.11b协议，用于对802.11协议进行补充，之后又推出了802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac等一系列协议，从而进一步完善了无线局域网规范。IEEE802.11工作组制订的具体协议如下：图 5 WLAN的版本从最高速率2Mbps的802.11到Gbps的802.11ac，从青涩到成熟，十六年的时间里，无线技术的发展速度超出了所有人的预料。 802.11第一代802.11标准面世之前，无线局域网发展缓慢，推广应用十分困难，这其中有传输速度低、成本高的原因，但是更多的是因为产品之间的不兼容，没有统一的标准。802.11的面世从根本上解决了这一问题，吹响了无线领域飞速发展的号角。1997年，IEEE制定了第一个无线局域网标准802.11，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，业务主要限于数据存取。受到工艺和成本的限制，芯片的工作频率只能固定在2.4GHz，最高传输速率只有2Mbps，相当于每秒只能传输约0.016MB的内容。这个传输速率连基本的使用需求都无法满足，站在现在的角度看甚至有些可笑，但是在当时确实就是它开启了无线世界的新纪元。 802.11b1999年，具备更高传输速率的IEEE 802.11b标准面世了，它将无线局域网的速率直接提升了5倍，最高速度可达11Mbps，实际的工作速度也达到了5Mbps左右，可以基本满足使用需求。除了速率大幅提升以外，IEEE 802.11b在使用范围和可靠性上也取得了长足的进步。802.11b支持以百米为单位的范围(在室外为300米;在办公环境中最长为100米)，能够在一些不易接线或接线费用较高的区域(如古建筑，教室等)中提供网络服务。总的来说，IEEE 802.11b是无线技术迈向实用的最重要一步，不仅能够应付手机、掌上电脑等简易数据传递，对于日常办公甚至影像传输方面也有了不错的表现。伴随着IEEE 802.11b性价比的不断提高，802.11b在当时的纵向、横向市场都取得了全面性的突破，它让更多的大中企业、小企业以及家庭用户开始接触到了无线局域网，它已经在慢慢改变人们的生活方式了。 802.11g/a作为802.11b的继承者，802.11a在许多方面做了改进，主要包括：第一其安全性较佳，很多企业就看中了这一点，有12个频道可以利用，能减少干扰问题;第二802.11a传输速度比802.11b快五倍，能同时提供更多用户同时使用，最高理论速度可以达到54Mbps。第三802.11a开创性地采用了5GHz的工作频段，相比于802.11b具备了更强的抗干扰性。但是，在当时射频技术尚未成熟时，冒然性的选择5GHz的工作频段，就预示着802.11a已经离灭亡不远了：由于频段较高，使得802.11a的传输距离大打折扣，5GHz频段的电磁波在遭遇墙壁、地板、家具等障碍物时的反射与衍射效果均不如2.4GHz频段的电磁波好，因而造成802.11a覆盖范围偏小的缺陷;其次，由于设计复杂，基于802.11a标准的无线产品的成本要比802.11b高的多;还有一致命的弱点802.11a设备与802.11b网络并不兼容。2003年，IEEE制定了新的802.11g标准，这项标准在提供了54Mbps高速率同时，还采用了与802.11b相同的2.4GHz频段，因而不存在升级后的兼容性问题。同时，802.11g也继承了802.11b覆盖范围广的优点，其价格也相对较低。唯一有点遗憾的是，802.11g采用了与802.11b一样的三频道通信线路，由于通信线路过少，其安全性较802.11a还是略逊一筹。尽管如此，802.11a的高速、良好的安全优势仍然可以吸引到不少用户的青睐，在无线语音传输、矿山和医院等应用领域，其抗干扰性强和多信道的设计仍是802.11g所望尘莫及的。市场急需一个更新、更强、优点更出众的标准来结束这场混战，于是802.11n就诞生了。 802.11n2007年上半年，IEEE确定了802.11n的2.0草案，其中最核心的技术莫过于MIMO OFDM技术，它有效地将MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合，从而显著地提升了无线传输的质量和速率。但是由于当时802.11n的两大主导技术阵营WWiSE和TGn Sync之间的斗争，802.11n的正式标准迟迟没有出台，直至2009年才得到IEEE的正式批准。其实在标准正式批准之前，已经有许多厂商开始采用 MIMO OFDM技术了，基于802.11n标准的无线网卡、无线路由器产品早已在市场上风行许久，802.11n陷入了一种“标准滞后、产品先行”的尴尬境地。在传输速率方面，802.11n可以将WLAN的传输速率由802.11a/g提供的54Mbps，提高到300Mbps甚至高达600Mbps。在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使WLAN移动性极大提高。802.11n配合着笔记本、智能手机、平板机等移动设备的大浪，彻底地将无线融入了人们日常生活的方方面面。 802.11ac笔记本、智能手机和平板电脑的全民普及，让人们对WiFi的要求也越来越高，即便是802.11n，300Mbps的传输速度也已经逐渐变得捉襟见肘。于是乎，第五代WiFi标准规范802.11ac应运而生了，据传其理论传输速度最高可以达到惊人的3.6Gbps。2012年底或者2013年初，人们有望迎来802.11ac的正式标准。另一方面，移动端厂商也丝毫没有落后，据传配置802.11ac芯片组的笔记本电脑将在圣诞节前上市，智能手机和平板电脑等移动设备也将在2013年年初上市。届时，802.11ac一定会以迅雷不及掩耳之势覆盖整个无线市场的。2 WLAN标准组织介绍WLAN标准和组织众多，如下进行一一介绍： 无线电管理委员会国家无线电管理委员会认证称为SRRC认证，全称为State Radio Regulatory Commission of the Peoples Republic of China。自 1999 年 6 月 1 日起，中国信息产业部 (Ministry of Information Industry, MII) 强制规定，所有在中国境内销售及使用的无线电组件产品，必须取得无线电型号的核准认证 (Radio Type Approval Certification)。前身为国家无线电管理委员会 (State Radio Regulation Committee, SRRC) 的中国国家无线电监测中心 (State Radio Monitoring Center, SRMC) 为目前中国大陆唯一获得授权可测试及认证无线电型号核准规定的机构。中国已针对不同类别的无线电发射设备订定特殊的频率范围，且并非所有频率皆得以在中国合法使用。换句话说，所有在其境内销售或使用的无线电发射设备会规定不同的频率。此外，申请者必须注意某些无线电发射设备的规定范畴，不但要申请无线电型号核准认证，同时也必须申请中国强制认证 (CCC) 及 / 或进网许可证 (MII) 的核准。 FCC（美国联邦通讯委员会）FCC（ Federal Communications Commission）是一家独立的政府机构，直接对美国国会负责，于1934年由COMMUNICATION ACT建立，它负责常规的州际、国际通信，如：电视机，电线、卫星、电缆方面的工作，涉及美国50多个州、哥伦比亚以及美国所属地区，为确保与生命财产有关的无线电和电线通信产品的安全性。根据美国联邦通讯法规相关部分 (CFR 47 部分)中规定，凡进入美国的电子类产品都需要进行电磁兼容认证（一些有关条款特别规定的产品除外），其中比较常见的认证方式有三种： Certification 、 DoC 、 Verification 。这三种产品的认证方式和程序有较大的差异，不同的产品可选择的认证方式在 FCC 中有相关的规定。其认证的严格程度递减。针对这三种认证， FCC 委员会对各试验室也有相关的要求。 ETSI（欧洲电信标准化协会）欧洲电信标准化协会（ETSI）(European Telecommunications Standards Institute)是由欧共体委员会1988年批准建立的一个非赢利性的电信标准化组织，总部设在法国南部的尼斯。ETSI的标准化领域主要是电信业，并涉及与其他组织合作的信息及广播技术领域。ETSI作为一个被CEN（欧洲标准化协会）和CEPT（欧洲邮电主管部门会议）认可的电信标准协会，其制定的推荐性标准常被欧共体作为欧洲法规的技术基础而采用并被要求执行。 IEEE（电气和电子工程师协会）美国电气和电子工程师协会(IEEE)是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是目前全球最大的非营利性专业技术学会，其会员人数超过40万人，遍布160多个国家。IEEE致力于电气、电子、计算机工程和与科学有关的领域的开发和研究，在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域已制定了900多个行业标准，现已发展成为具有较大影响力的国际学术组织。IEEE被国际标准化组织授权为可以制定标准的组织，设有专门的标准工作委员会，有30000义务工作者参与标准的研究和制定工作，每年制定和修订800多个技术标准。IEEE的标准制定内容有：电气与电子设备、试验方法、原器件、符号、定义以及测试方法等。IEEE 和WLAN相关的标准为：IEEE 02.11无线网络。 WFA（Wi-Fi联盟）Wi-Fi联盟（全称：国际Wi-Fi联盟组织），英语：Wi-Fi Alliance，简称WFA），是一个商业联盟，拥有 Wi-Fi的商标。它负责Wi-Fi 认证与商标授权的工作，总部位于美国德州奥斯汀（Austin）。成立于1999年，主要目的是在全球范围内推行Wi-Fi产品的兼容认证，发展IEEE802.11标准的无线局域网技术。是一个由300多家会员公司组成的不断壮大的非营利国际组织，目前在6个国家拥有10个独立权威测试实验室。作为WLAN领域内行业和技术的引领者，为全世界提供测试认证。与整个产业链保持良好的合作关系，会员覆盖了生产商、标准化机构、监管单位、服务提供商及运营商等。Wi-Fi CERTIFIED 认证实现WLAN技术互操作性，提供最佳用户体验；目前已有3000多项产品通过认证。 IETF（互联网工程任务组）IETF又叫互联网工程任务组，成立于1985年底，是全球互联网最具权威的技术标准化组织，主要任务是负责互联网相关技术规范的研 发和制定，当前绝大多数国际互联网技术标准出自IETF。互联网工程任务组是松散的、自律的、志愿的民间学术组织。IETF是一个由为互联网技术发展做出贡献的专家自发参与和管理的国际民间机构。它汇集了与互联网架构演化和互联网稳定运作等业务相关的网络设计者、运营者和研究人员，并向所有对该行业感兴趣的人士开放。任何人都可以注册参加IETF的会议。IETF大会每年举行三次，规模均在千人以上。 WAPIWAPI （Wireless LAN Authentication and Privacy Infrastructure）无线局域网鉴别和保密基础结构，是一种安全协议，同时也是中国无线局域网安全强制性标准。 目前成员包括，中国移动、中国电信、中国联通、华为、联想、中兴、H3C、中国普天、海尔、大唐移动等。3 802.11ac介绍3.1 产生背景无线局域网（WLAN）推行之初被普遍认可的两个国际标准是IEEE802.11a和802.11b。最初设计这些标准的目的是为满足便携式电脑在家和办公室环境中可随意移动的要求。随后，在一些机场、酒店、咖啡屋和购物广场也开始允许通过无线接入（商业命名为Wi-Fi），随时随地上网、查询电子邮件等，扩展了无线宽带的功能。虽然无线宽带连接的数据速度曾经很有限，例如，802.11a在5 GHz频段可提供的最高速率是54 Mbps，而 802.11b在2.4 GHz只有11 Mbps，但这两个频段都是免费的，即不需要授权的。为了尽量减少来自其它同频设备的干扰，这两个标准都采用了扩频传输技术和比较复杂的编码技术。2003年， IEEE（美国电气及电子工程师学会）颁布了802.11g，依旧工作在2.4 GHz频段，但是数据速率可以达到54 Mbps。与此同时，一种新的应用模式即在家庭和小型办公室里可连接多个设备并在设备间进行数据共享，对无线局域网的数据传输速率提出更高要求，从而使得一个新的研究项目应运而生，这就是于2009公布的802.11n的由来。为了使单信道的数据速率最高可以超过100 Mbps，在802.11n标准中引入的MIMO （即多输入-多输出，或空间数据流）技术，利用物理上完全分离的最多4个发射和4个接收天线，对不同数据进行不同的调制/解调，来达到传输较高的数据容量的目的。802.11n Wi-Fi无线标准刚刚尘埃落定不久，电子电气工程师协会(IEEE)就已经全面转入了下一代802.11ac的制定工作，目标是在2012年带来千兆级别的无线局域网传输速度。802.11ac的核心技术主要基于802.11a，继续工作在5.0GHz频段上以保证向下兼容性，但数据传输通道会大大扩充，在当前 20*z的基础上增至40*z或者80*z，甚至有可能达到160*z。再加上大约10%的实际频率调制效率提升，新标准的理论传输速度最高有望 达到1Gbps，是802.11n 300Mbps的三倍多。3.2 发展历程图 6 802.11ac发展历程 标准由 IEEE 802.11ac Task Group (TGac)开发 2008年IEEE组成专责小组，研究基于802.11n标准上，如何把吞吐量进一步提高上去 在2010，第一份初稿完成 在2011，802.11ac初稿版本D1.1文件正式完成，标准计划完成时间为 2013年12月，最低的 “VHT” 目标为1Gbps 正式文件在2013年前，不会出现，但D1.1基本上不会有多大的变动，所以芯片厂商，已经开始研发相对的芯片，在2012年Q2会有芯片和成品。期望证书可以在2012年的晚些时候发布，将会在标准完成指定前完成发布。3.3 市场预期图 7 802.11ac市场预期802.11ac的发货将从2012开始, 在2014 前将为Wi-Fi 的主流，大部分的产品将会是802.11n/802.11ac的双标准芯片，1x1 802.11ac芯片将维持主流地位到2015，然后逐渐为2x2 和3x3替代。In-Stat (2012年1月)：预测在2015年前，将有大约500M的配有802.11ac的装置, 包括184M的笔记本电脑和165M的智能手机。市场预期在2015年，802.11ac的芯片量会达到10亿出货量，而Wifi经过10多年的发展,在2011的出货量才7.5个亿，802.11ac的高预期是因为它是在WiFi 10多年的技术和市场经验基础上建立起来，其整个概念是要打造传输率达到Gbps的产品并且能兼容IEEE802.11a/n,故有市场的连贯性，仅仅以单串流,就可以达到293Mbps,流量比802.11a/n超出很多，如果启动MIMO8x8的话,最高达到6Gbps。为了满足不同的需求，它可选择工作在20*z,40*z,80*z和160*z不同的带宽。在MIMO情况下,能同时同步服务多个用户 ，而不像802.11a/b/g/n只能同步服务于单个用户。因此其工作效率要远远高于11n之前的wifi产品。802.11ac的产品已发布厂家：Quantenna, Broadcom, Redpine, Trendnet，Atheros等. Broadcom 推广它的802.11ac的品牌为 “5G WiFi”。3.4 市场应用在不久的将来我们对高质量语音、视频需求越来越明显，快速的HD视频无线传输的需求在驱动更高速率的应用，如: Wireless display(无线显示) 在家庭和办公室内部的视频/媒体内容的分发/广播 快速的文件上传/下载 (同步设备, 影片展示) 不同数据速率的应用图 8 802.11ac市场应用3.5 重要参数1. 典型AP与STA参数图 9 802.11ac重要参数2. 802.11n与802.11ac对比802.11ac的物理层是对802.11n标准的延续，而且要满足后向兼容。下面我们来着重探讨一下在802.11ac上的变化。表2列出802.11n的物理层的主要特点，表3则列出了在802.11ac上主要扩展的方面。理论上说802.11n在使用了40*z带宽和4个空间流可以达到最高600 Mbps的数据速率，尽管目前很多无线设备只能支持2路空间流。对于802.11ac来说，理论上使用160