WIFI全技术参考文档

WIFI技术介绍 1 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 2 2020 4 21 802 11组网模式 Adhoc 802 11网络的基本元素 BSS 能互相进行无线通信的STA可以组成一个BSSBSS是802 11网络的基本结构 BSS1 BSS2 STA1 STA2 STA3 STA5 STA6 STA4 802 11网络的基本元素 DS和AP DS DistributionSystem 分发系统AP AccessPoint 一种特殊的STA DS BSS2 AP BSS1 AP 1208E 1208E 802 11网络的基本元素 ESS ESS ExtendedServiceSet 是采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS DS ESS BSS2 AP2 Servicesetidentify SSID1 BSS1 AP1 Servicesetidentify SSID1 1208E 具备网桥功能的AccessPoint根据需要使用2 4或5 8GHz信号放大器 根据需要使用各类2 4或5 8GHz天线 具备网桥功能的AccessPoint根据需要使用2 4或5 8GHz信号放大器 根据需要使用各类2 4或5 8GHz天线 有效距离可以大于10KM甚至更多 无障碍物 无线网桥 7 2020 4 21 无线覆盖模型 8 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 9 2020 4 21 IEEE802 11系列标准 WLAN物理层定义 10 2020 4 21 无线局域网的技术标准 无线局域网的技术标准 12 2020 4 21 IEEE802 11n传输速率方面 802 11n可以将WLAN的传输速率由目前802 11a及802 11g提供的54Mbps提高到108Mbps 甚至高达500Mbps 这得益于将MIMO 多入多出 与OFDM 正交频分复用 技术相结合而应用的MIMOOFDM技术 这个技术不但提高了无线传输质量 也使传输速率得到极大提升 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 无线局域网的技术标准 13 2020 4 21 802 11e无线网络的QoS标准802 11h802 11a的补充 确保其符合关于5GHz无线局域网的欧洲标准 DFS机制也根据该标准指定 802 11iWLAN安全标准 实际上是把IEEE802 1x安全标准引入了WLAN 802 11f解决漫游问题而制订的接入点之间的协议 无线局域网的技术标准 14 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 15 2020 4 21 频段 2 4GHz 2 4835GHz采用DSSS 直接序列扩频技术 扩频技术 调制方式 传输速率 Barker列 BPSK 1MbpsBarker列 QPSK 2MbpsCCK BPSK 5 5MbpsCCK QPSK 11Mbps技术特点 用伪随机码调制载波 使难于被解码将83 5MHz带宽划分为13个宽22MHz的子信道最多三个相互不重叠的信道 802 11b物理层相关技术 16 2020 4 21 使用频带为2 4 2 4835GHz使用OFDM 正交频分复用 调变技术802 11g其实是一种混合标准 它既能适应传统的802 11b标准 在2 4GHz频率下提供每秒11Mbps数据传输率 也符合802 11a数据传输率标准在2 4GHz频率下提供54Mbps数据传输率可兼容802 11 802 11b 802 11g物理层相关技术 17 2020 4 21 帧结构 802 11MAC帧介绍 18 2020 4 21 帧类型 802 11MAC帧介绍 19 2020 4 21 IEEE802 11a b g的无线频段 20 2020 4 21 信道频率的划分 21 2020 4 21 ChannelnumberHighestfrequencyAveragefrequencyLowestfrequency IEEE802 11b无线信道的划分 22 2020 4 21 ChannelnumberHighestfrequencyAveragefrequencyLowestfrequency IEEE802 11g无线信道的划分 23 2020 4 21 频段的划分及覆盖 24 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 25 2020 4 21 媒体接入控制MAC 在IEEE802 11中媒体接入控制方式有PCF和DCF两种方式 这种MAC的结构如下图所示 DCF 分布式协调功能 是IEEE802 11MAC的基本接入方法 通过载波侦听多路复用 冲突避免 CSMA CA 来完成接入 控制共享媒介 DCF在所有的终端中实现 用在IBSS和ESS网络中 PCF 点协调功能 是IEEE802 11MAC的可选接入方法 只用在ESS网络中 这种方法采用轮询的方式决定哪个终端有权利使用媒介来传输数据 26 2020 4 21 不同类型的报文可以通过采用不同IFS时长来区分访问媒体的优先级SIFS 用于优先级最高的时间敏感的控制报文 例如CTS RTS ACK PIFS 用于AP发送报文DIFS 用于一般的STA发送报文最终的效果是控制报文比数据报文优先获得媒体发送权 AP比STA优先获得媒体发送权 SIFS Busy Frame Time PIFS DIFS Contentionwindow 802 11MAC访问机制 DCF方式 27 2020 4 21 802 11MAC访问机制 DCF方式 IFS IFS 推迟发送直到媒体空闲IFS时间长度 Busy Frame Contentionwindow back off定时启动 Mediumbusy Sendframe Time DCF方式基于CSMA CA原理 28 2020 4 21 CSMA CA 载波侦听多路复用 碰撞避免 终端传送数据单元时 它首先检测媒介是否空闲 如果空闲 它将占用媒介传送数据 同时将媒介标志为忙状态 如果媒介忙 它将采用一种随机退避算法 等待一段时间后再次检测媒介是否空闲 开始退避过程时 终端将它的退避定时器设置为一个随机退避时间 终端在退避结束时用载波监听机制来判断媒介是否可用 如果不可用 退避过程将采用一种算法来减少它的退避等待时间 再次进入退避过程 这种处理过程的效果是 当多个终端进入随机退避状态 具有最短退避时间的终端将在竞争中获胜 使用媒介 29 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 30 2020 4 21 扩频技术 直序扩频DSSS直接序列扩频通信实际上是设备在发送基带数据前 先采用一个高速 相对与原始数据 的伪随机数字序列与之相乘 再调制在一定的载波上进行发射 由于提高了传输的码源速率 实际调制后的信号在频域得到展宽 因此称之为直接序列扩频 跳频扩频FHSS跳频扩频技术就是设备在发送信息时 不是固定在一个工作频率上进行发送 而是将整个通信频率划分为多个子信道 在发送信息时 依照一定的规则在时域上在这些子信道间进行跳跃 通常 这一跳跃的速率大于基带数据的速率 由于跳频的存在 一方面可以提高系统的保密性能 另一方面可以有效的避免开单频干扰 从而提高系统的无线射频性能 CCK补码键控技术 CCK 是软扩频技术 它来源于直接序列扩频技术 在基带扩频时采用标准编码序列实现一种较复杂的编码技术 可在实现扩频的同时提高原始信号的传输速率 31 2020 4 21 OFDM调制技术介绍 802 11b采用常用的BPSK QPSK调制技术 802 11g采用OFDM调制方式 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术 该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制 这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度 提高了抗多径衰落的性能 传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的 需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器 这样就大大增加了系统的复杂度和成本 同时 为了减小各个子载波间的相互串扰 各子载波间必须保持足够的频率间隔 这样会降低系统的频率利用率 而现代OFDM系统采用数字信号处理技术 各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成 极大地简化了系统的结构 同时为了提高频谱利用率 使各子载波上的频谱相互重叠 如图一所示 但这些频谱在整个符号周期内满足正交性 从而保证接收端能够不失真地复原信号 当传输信道中出现多径传播时 接收子载波间的正交性就会被破坏 使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰 为解决这个问题 在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔 它是由OFDM信号进行周期扩展得到的 只要多径时延不超过保护间隔 子载波间的正交性就不会被破坏 图1正交频分复用信号的频谱示意图 32 2020 4 21 OFDM调制技术介绍 OFDM系统的实现由上面的原理分析可知 若要实现OFDM 需要利用一组正交的信号作为子载波 我们再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型 经调制器调制后送入信道传输 要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列 此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码 码型选用不归零方波 用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用 图3OFDM解调器在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调 恢复出原始信号 OFDM解调器如图3所示 33 2020 4 21 OFDM调制技术介绍 OFDM由于其频谱利用率高 成本低等原因越来越受到人们的关注 现在OFDM技术得到了广泛应用 尤其是在移动通信领域 预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术 图5用离散傅立叶变换实现OFDM的解调器结束语 34 2020 4 21 OFDM调制技术介绍 OFDM系统的性能特点通过各个子载波的联合编码 OFDM具有很强的抗衰落能力 同时也有很强的抗窄带干扰能力 因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道 OFDM系统可以有效地抗信号波形间干扰 适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输 OFDM信道利用率高 这点在频谱资源有限的无线环境中尤其重要 但是OFDM存在两个缺陷 对频率偏移和相位噪声比较敏感 峰值与平均值比相对较大 这个比值变大会降低射频发射器的功率效率 图4用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器 35 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 36 2020 4 21 链路层的安全机制WEP WEPPLUSMBRASAddressValidationTKIP AES WPA ZonePrivBRASy用户认证层的安全机制802 1XEAPRADIUSPer SessionPerUserKeyDynamicKeys数据层的安全机制VPNIPSECAES Good Simple Best Complex WLAN的安全机制 37 2020 4 21 WLAN的安全机制 38 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 39 2020 4 21 无线通信中存在的隐藏站点问题 由于无线电波传输范围有限 导致一台STA有可能无法侦听到同信道其他STA发出的信号 从而误以为信道空闲 引起冲突 40 2020 4 21 802 11发送报文的RTS CTS机制 通过RTS CTS的交互 使得STA得知隐藏站点传输数据所需的时间 从而避免冲突 xxx时间内信道忙 41 2020 4 21 RTS CTS机制的典型报文发送过程 STA1 AP STA2 RTS请求发送 CTS同意发送 STA1 STA2的数据 ACK发送确认 RTS请求发送 CTS同意发送 STA1 STA2的数据 ACK发送确认 1208E 42 2020 4 21 RTS CTS 43 2020 4 21 802 11管理功能 用户接入过程 STA AP 1208E 44 2020 4 21 802 11MAC使用Scanning来搜索APSTA搜索并连接一个AP当STA漫游时寻找连接一个新的APSTA会在在每个可用的信道上进行搜索PassiveScanning通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络ActiveScanning在每个信道上发送Proberequest报文 从AP回复的ProbeResponse中获取AP的基本信息 802 11管理功能 Scanning 45 2020 4 21 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 46 2020 4 21 802 11技术在QOS方面存在的缺陷 最初的802 11技术是为满足用户的数据传输而设计的 根本没有考虑多业务承载802 11采用的DCF调度模式是基于CSMA CA原理 最终的效果是 所有用户发送的报文平等地竞争无线资源由于没有区分业务优先级的机制 造成AP和终端在对外发送报文时对报文按同等优先级对待 当发生流量拥塞时 需要优先处理的报文 例如语音报文 和普通的报文 例如浏览网页的报文 会按相同的概率被丢弃和有线网络相对完善的QOS机制无法很好的衔接 802 11e协议 QOS保证 802 11e针对DCF模式进行了改进 支持EDCA的媒体访问机制支持8个业务优先级的报文标记 类似于有线网络中的802 1P 业务优先级可被映射到4个输出队列高优先级的报文优先获取无线空口的访问能力 802 11e协议 EDCA调度模式 优先级队列1 优先级队列2 优先级队列3 优先级队列4 Busy Time AIFS4 CW4 AIFS3 CW3 Frame AIFS2 CW2 Frame AIFS1 CW1 Frame AP和用户等待向无线空口发送的数据的调度机制 AIFS 仲裁帧间间隔 WLAN系统技术介绍 4 专项工作进度情况 4 50 2020 4 21 智能射频管理 AP AP AP AP AP AP AP 每个AP上电时 无线控制器会根据AP的邻居关系动态调整AP工作的信道和发射功率 在保证覆盖的前提下保证AP间的干扰最小当AP覆盖区域受到外界强信号干扰时 无线控制器会控制AP自动切换到合适的工作信道以规避干扰信号当覆盖区域内的某个AP发生故障而造成覆盖黑洞时 无线控制器会自动调整相邻的AP的发射功率以消除黑洞区域 当故障AP恢复工作后无线控制器可以自动调整邻居AP的发射功率恢复原始工作状态 AP负载分担使AP负载更均衡 AP1 AP2 拒绝关联 接受关联 负载均衡原理 AP1 AP2 智能负载均衡技术 启动负载分担的重叠覆盖区 不启动负载分担的区域 无线控制器可以设定AP间对接入用户进行负载分担负载分担的策略可以是基于AP接入的用户数量 AP流量负载情况当无线控制器发现AP的负载超过设定的门限值以后 对于新接入的用户无线控制器会自动计算此用户周围是否还有负载较轻的AP可供用户接入 如果有则AP会拒绝用户的关联请求 用户会转而接入其他负载较轻的AP部分AP厂家智能负载均衡技术 能保证只对处于AP覆盖重叠区的无线用户才启动AP负载均衡功能 有效的避免误均衡的出现 自动频率优化 自动频率优化也称动态频率选择DFS DynamicfrequencyselectionDFS 是指在通过测量得到网络状况的信息的条件下 动态实时地给AP分配频段来减小AP间干扰的机制 AP根据检测无线信道是否已经被别的AP或其它无线设备占用和把对无线网络环境的干扰降到最低这两个原则选择最适当的传输信道使整个网络中的各AP的干扰最小 容量最大 从频率优化的信息获得上 可以将自动频率优化分成两类 基于用户端测量信息进行频段分配的方案基于AP测量信息的频段分配方案 53 2020 4 21 基于用户端测量信息进行频段分配流程 1 AP发出频段测量的指令 2 移动终端MT MobileTerminal 收到指令开始频段干扰情况的测量 3 MT将测量结果提交给AP