WLAN基础知识

WLAN基础知识 北京傲天动联技术服务部 WLAN属于LAN的范畴 PAN PersonalAreaNetwork LAN LocalAreaNetwork WAN WideAreaNetwork MAN MetropolitanAreaNetwork WLAN使用无许可证的频段 2 4GISM 工业 科学和医疗频段5 8G无授权的国家信息基础实施频段 WLAN标准化组织及相关机构 ITU R管理国际无线电频谱和卫星轨道资源是国际电联无线电通信部门FCC FederalCommunicationsCommission 美国联邦通讯委员会中国无线电管理局IEEE InstituteofElectricalandElectronicsEngineers 美国电气和电子工程师协会Wi Fi联盟 Wi FiAlliance 是一家全球及非营利性的行业协会 致力于通过其测试和认证方案确保基于IEEE802 11标准的无线局域网产品的可互操作性 IEEE802 11系列协议发展概况 WLAN物理层和数据链路层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 LLCMAC MACLayer载波侦听冲突避让机制CSMA CA接入控制加密 漫游 节电 PhysicalLayer2 4GHz 5 8GHzFHSSDSSSOFDMMIMO1 54Mbps600Mbps100 500m覆盖范围 RF属性 极化Polarity波长Wavelength频率Frequency振幅Amplitude相位Phase 极化Polarity AP 天线 馈线 电场和地面垂直为垂直极化电场和地面平行为水平极化 频率Frequency 频率越高提供的带宽越大频率越高 衰减越大 覆盖区域越小 1second 波长Wavelength 波长 光速 频率2 4GHz波长为12 24cm5 8GHz波长为5 19cm AP100 500mW 网卡30 50mW 移动电话200 1000mW 微波炉700 1000W 振幅Amplitude Power 振幅越大 能量越大 相位Phase Mainsignal Inphaesignal 90degreesoutofphasesignal 180degreesoutofphasesignal 同相提高振幅 异相降低振幅 RF行为特性 传播WavePropagation吸收Absorption反射Reflection折射Rafraction衍射Diffraction衰减Loss Attenuation 自由空间损耗FreeSpacePathLoss多路径Multipath增益Gain Amplification 传播WavePropagation 吸收Absorption 振幅减小 能量减弱信号穿过水分时 将会被吸收 水分可能包含在无线传输路径中的树叶和人体中体育馆 会展中心等人群密集区域需要考虑人体的吸收 墙体 反射Reflection 改变无线信号的传播方向室内的物体 金属家具 文件柜和金属门 墙体会造成反射室外的信号遇到水面和大气层会发生反射 折射Refraction 无线信号从一个介质到达另一个介质时发生折射 改变传播方向信号在穿透密度不同的大气和墙体时会发生折射 衍射Diffraction 无线电波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象会改变传输的方向和速度 散射Scattering 细小粗糙的颗粒造成无线信号发散无线信号在穿过充满灰尘或沙砾的环境时会发生散射散射对波长较短的无线信号 例如2 4GHz和5 8GHz 影响比较大 衰减Loss Attenuation 30dbm 45dbm 30dbm 60dbm 30dbm 45dbm 30dbm 60dbm 材质 厚度 角度 自由空间损耗FreePathLoss 计算公式LP 32 4 20log10F 20log10D LP自由空间损耗F电磁波频率D传播距离 km AP100mW 天线 馈线 Client 天线 馈线 1000m衰减多少 距离每增加一倍衰减增加6dB5GHz比2 4GHz衰减高6dB 46 自由空间衰减图 多路径Multipath 信号在传播链路中发生反射 散射 衍射 到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的耦合 接收信号与原始信号相比出现随机变化 第一菲尼尔区域ThefirstFresnelzone 菲涅尔区域是一个椭圆球体 如下图 实际传播中 如果椭圆球体内存在阻挡物 直射波和反射波 绕射波 的路径差小于半个波长 相位差的影响小于 2 这样会大大影响无线电波的传播效果 这个椭圆球体的半径就是第一菲尼尔区域半径 电磁波主要通过第一菲涅尔区域传播 近似于自由空间传播 菲尼尔区域示例 RF计算 RF功率表示EIRP计算系统增益计算 RF功率表示 WmW常用的功率单位功率的范围非常大 用WmW表示困难10W 10000mWdBm是一个表示功率绝对值的值 也可以认为是以1mW功率为基准的一个比值 容易表示大的功率的范围 容易计算10lg P 1mW P为功率值100mW 10lg 100 1mW 20dBm10W 40dBmdB是一个表示功率相对值 表示功率增加多少和减少多少27dBm 20dBm 7dB增加7dB20dBm 27dBm 7dB减少 7dB dBmmW对应表 3db功率增加一倍 10db功率增加10倍 3db功率减少一倍 10db功率减少10倍 等效全向辐射功率EIRP EquivalentIsotropicRadiatedPower 指射频发射机在指定方向上的辐射功率 单位为dBm EIRP 系统增益 AP20dBm 天线 17dBi 馈线 1dB Client接收灵敏度 90dB 天线 17dBi 馈线 1000m衰减100dB WLAN物理层重要参数 接收信号强度最大接收电平接收灵敏度信号噪声比SNR信号干扰比SIR 是指接收机处基频信号的功率大小 接收信号强度指示RSSI ReceiverSignalStrengthIndicator TX 20dBm RSSI 30dBm 最大接收电平 指接收机在满足PER 错包率 小于10 的条件下 天线口能够接收的最大接收信号电平 一般用dBm表示 最大接收电平反映了接收机接收强信号的能力 超过最大接收电平将导致接收机饱和 误码率明显升高 接收灵敏度ReceiverSensitivity 接收灵敏度是指接收机在满足PER 错包率 小于10 的条件下 天线口能够接收到的最小接收信号电平 用dBm表示 它反映了设备接收弱信号的能力 在发射功率一定的情况下 灵敏度越高 覆盖范围越大 信噪比SNR Signal to noiseratio 衡量系统解调处理能力的指标 它是在接收机接收到信号经各级放大 解调后的信号与噪声的比值 提供的带宽越高 SNR要求越高 速率 SNR 成正比 信干比SIR interfere to noiseratio 信号强度和干扰的比越大越好 802 11系列协议 802 11g标准 与802 11b类似 工作在2 4GHz频段3个非重叠信道 1 6 11采用直接序列扩频 补偿码键控 DSSS CCK 和正交频分复用 OFDM 传输支持12种数据速率 最高速率为54Mbps 1 2 5 5 11Mbps DSSS 802 11b 6 9 12 18 24 36 48 54Mbps OFDM 向后完全兼容802 11b标准单台APTCP最大吞吐量约为24Mbps 网络最大吞吐量72Mbps 3 24 2 4GHz信道的使用 北美地区 1 11中国 欧洲 1 13日本 1 13 14 11bonly 1 6 11为完全无重叠信道在同一个区域可以存在3个接入点 AP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 22Mhz 2 402Ghz 2 483Ghz 14 信道间隔5MHz信道宽度22MHz 从中心频率左右扩展11MHz 802 11b g2 4GHz信道的重用 水平部署 垂直部署 802 11g保护机制 问题 802 11b工作站无法解码802 11g无线信号 802 11b g接入点与802 11b客户端通信时最高的数据速率为11Mbps 802 11b g接入点与802 11g客户端通信时最高的数据速率为54Mbps 当网络中存在802 11b客户端时 802 11b g接入点采用RTS CTS或CTStoself来避免冲突 802 11b客户端从CTS帧中获知802 11g传输持续的时间 由于引入额外的开销 网络的总体吞吐量降低 降低一半 802 11a标准 工作在5GHz频段采用正交频分复用 OFDM orthogonalfrequency divisionmultiplexing 中国使用5个信道149 153 157 161 165支持8种数据速率 最高速率为54Mbps6 9 12 18 24 36 48 54Mbps单台AP最大吞吐量约为24Mbps网络提供最大吞吐量120Mbps 24 5 149 20Mhz 5 745Ghz 5 825Ghz 153 157 161 165 5 8GHz信道的使用 信道间隔20MHz信道宽度20MHz 从中心频率左右扩展10MHz 802 11a5 8GHz信道的重用 水平部署 垂直部署 802 11abg对比 DSSS CCK覆盖范围 OFDM覆盖范围 独立基本服务集IBSS IndependentBasicServiceSet 也称adhocnetwork 由STA Station 组成满足会议等临时传送文件等需求 无线基础架构 AP AccessPoint 负责802 11到802 3的数据桥接 转换BSA BasicServerArea AP的覆盖区域DS DistributionSystem 分布式系统无线是一个半双工介质 服务集标识符SSID ServiceSetIdentity SSID用来逻辑划分WLAN客户端和AP上的SSID值必须匹配AP在beacon帧 一种管理帧 中广播SSID客户端可以不需要配置SSID单台AP组成的网络为BSS BasicServiceSet SSIDAUTELAN BSS 扩展服务集ESS ExtendedServiceSet SSIDAUTELAN SSIDAUTELAN ESS 基本服务集标示符BSSID BasicServiceSetIdentifier STA根据BSSID选择AP接入 VirtualAP即在一个无线射频卡上实现多个SSID 类似于在逻辑上划分了几个AP每个BSSID可以有独立的ESSID MAC 安全认证机制 不同的业务VLAN 无线网桥 通过无线网桥来扩展有线网络的连接距离几公里到几十公里点到点 点到多点配置相同的SSID和信道 Point to Point Point to Multipoint 802 11帧概览 管理帧加入和退出WLAN AP间漫游BeaconProbeRequestProbeResponseAuthenticationDeauthenticationAssociationRequestAssociationResponseDisassociationReassociationRequestReassociationResponse 控制帧获得信道使用权和收到数据确认ACKRTSCTS 数据帧数据传递DATA 发现网络 认证 关联及漫游 确认 预约信道 ACK丢失 收到单播数据帧后回复ACK确认广播数据帧不需要ACK确认 肯定确认机制 单播帧 ACK 单播帧 开始下一个单播帧发送 数据重传Retry 单播数据包丢失 CSMA CA载波侦听多路访问 冲突避让 TxFrame SIFS RxACK DIFS STA1 随机竞争窗口 DIFS TxFrame SIFS RxACK STA2 RxFrameStation1 SIFS TxACK DIFS RxFrameStation2 SIFS TxACK AP 短帧间隔 Shortinterframespace 简称SIFS SIFS用于高优先级的传输场合 例如RTS CTS以及ACK 经过一段SIFS 时间 即可进行高优先级的传输 一旦高优先级传输开始 介质即处于忙碌状态 因此相较于必须等待较长时间才能传输的帧 SIFS消逝后即可进行传输的帧优先级较高 分布式帧间隔 DCFinterframespace 简称DIFS DIFS是竞争式服务中最短的介质闲置时间 如果介质闲置时间长于DIFS 工作站可以立即对介质进行访问 隐藏节点HiddenNodeProblem 802 11bDSSS CCK 802 11gOFDM 由于距离原因 听不到对方发送数据 由于障碍物原因 听不到对方发送数据 由于协议原因 听不到对方发送数据 STA 2 AP RTS CTS RequestTOSend ClearTOSend STA 1 RTS CTS CTS Frame ACK STA1发送RTS帧启动发送数据帧过程 RTS作用 预约无线链路的使用权 并要求接收到这一消息的其他的工作站保持listen状态 AP收到RTS 回复CTS CTS作用 令附近的工作站保持listen状态 等到RTS CTS完成交换过程 STA1发送要传送的帧 无须担心来自其他隐藏节点的干扰 AP收到STA1的帧后 回复ACK予以确认 STA1数据帧发送完成 RTS CTS应用场合 隐藏节点问题较为严重场合 需要手动调低RTS CTS阈值 默认为2347Byte802 11g混合模式802 11b工作站无法解码802 11gOFDM调制的无线信号 当网络中存在802 11b客户端时 802 11b g接入点采用RTS CTS或CTStoself来避免冲突 RTS CTS或CTStoself携带传输OFDM数据所需要的时间 并以802 11b能够接受的调制解调方式发送 由于引入额外的开销 网络的总体吞吐量降低 802 11g混合模式网络性能 以下两种情况会使运行802 11g的AP启动802 11g保护功能 一 802 11b的客户端和运行802 11g的AP相关联 二 运行802 11g的AP探测到周边同一信道内的运行802 11b的AP或无线客户端整体网络性能大约降低一半 802 11用户接入四部曲 步骤1 扫描发现网络 步骤2 认证 步骤3 关联 步骤4 数据收发 管理帧加入和退出WLAN AP间漫游BeaconProbeRequestProbeResponseAuthenticationDeauthenticationAssociationRequestAssociationResponseDisassociationReassociationRequestReassociationResponse 发现网络 认证 关联及漫游 Scanning 802 11MAC使用Scanning功能来完成Discovery寻找和加入一个网络当STA漫游时寻找一个新的APActiveScanningPassiveScanning ActiveScanning ProbeRequest ProbeResponse STA主动广播ProbeRequest 当前信道所有AP发送ProbeResponse响应 STA根据信号强度决定接入哪个AP AP1 AP2 AP1的信号强 我选择AP1 PassiveScanning 通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络 Beacon Beacon Beacon Beacon Beacon CMCC Authenticationrequest AuthenticationResponse success Authenticationrequest Plaintextchallenge Ciphertextchallenge AuthenticationResponse success 预置Key 用Key加密明文 密文解密和明文比较 预置Key Open systemAuthentication过程 Shared KeyAuthentication过程 Authentication 1 2 1 2 3 4 ReassociationRequest AssociationRequest AssociationResponse Association Disassociation ReassociationResponse RSSI NewAP 位置 OldAP t1 t2 t3 t1 t2 STA接入AP全过程 Open systemAuthentication 802 11节电 FrameCtlrl帧控制字段Duration IDFieldAddress1接收者Address2传送者Address3用户接收者过滤SequenceNumber SeqNo FieldAddress4用于经过DSFrameBody有效载荷 0 2312 FCSCRC校验4 802 11MAC头 DS EthernetDistributionSystem FromDS ToDS SA TA RA BSSID DA RA DA TA BSSID SA TA SA DA RA TA802 11数据的发送者RA802 11数据的接受者SA网络层数据的发送者DA网络层数据的接收者 802 11地址字段 ToDS 交通堵 上网也堵 802 11n的优势 802 11n的优势 11n技术概览 一 调整货物结构 优化结构 提升速率 由 园 变成 方 装载的货物更多了 空间利用更合理 802 11ag52个子载波 48个数据子载波 802 11n56个子载波 52个数据子载波 52 54 48 58 5MbpsAM 64的编码机制可以将编码率 有效信息和整个编码的比率 从3 4 802 11ag 提高到5 658 5 5 6 3 4 65Mbps 改进的OFDMFEC前向纠错 ForwardErrorCorrection 二 缩小发车间距 短帧间隔 加速发送 每10分钟 短帧保护间隔 ShortGuardInterval 802 11a g采用800ns的保护间隔802 11n支持400ns的保护间隔 速率可以提升10 左右 65Mbps 1 10 72 2Mbps 安全第一 800ns提高为400ns后因码间干扰导致数据损坏的可能性也增加了因此在反射过于强烈的环境不建议开启400ns 三 扩建道路 单车道变双车道 信道绑定 40MHz信道绑定 将两个相邻的20MHz信道绑定频宽增加一倍 速率提高为两倍多对于20MHz频宽 为了减少相邻信道的干扰 在其两侧预留了一小部分的带宽边界 而通过40MHz绑定技术 这些预留的带宽也可以用来通讯 可以将子载波从104 52 2 提高到108 72 2 2 104 108 150Mbps 四 同时发多个车次 多入多出 装货区 装货区 装货区 卸货区 卸货区 卸货区 MIMO T R S T 发送天线数量R 接收天线数量S 空间流数 40MhzShortGI 每空间流150Mbps 空间流数量可以和天线数量不一致 但必须不大于天线的数量11n最多定义了1 2 3 4路空间流 即150Mbps 300Mbps 450Mbps 600Mbps 两路空间流 常见的MIMO系统 1 2 1一个发送两个接收一路空间流150Mbps2 2 2两个发送两个接收两路空间流300Mbps2 3 2两个发送三个接收两路空间流300Mbps不变 进一步改善接收效果3 3 2三个发送三个接收两路空间流300Mbps不变 进一步改善接收发送效果2 2 2 2 3 2 3 3 2可以明显的改善接收发送效果 同时大幅提高了设备的成本和能耗 3 3 2以上对接收发送的改善效果不明显 2 2 23 3 33 3 2比较 大部分厂商都只实现了2路空间流 MIMO MRC最大合并比 Maximal RatioCombining 合并多路信号 增强了接收灵敏度 听的更好 MIMO 波束赋形 transmitbeamforming 无线信号传送到客户端无相差 增强了信号强度 说的更好 MIMO对各种STA的速率提升 MRC最大合并比波束赋形空间复用 MRC最大合并比波束赋形空间复用 MRC最大合并比波束赋形空间复用 802 11n的理论吞吐率 注意 标准指定速率最多到600Mbps 4个空间流 目前芯片不支持 Keybenefits 1 第二空间流加倍速率2 通道绑定基本上加倍了速率3 短的数据间隔增加了大概10 的速率 MCS等级 ModulationCodingScheme 五 优先发展公共交通 聚合发送 帧聚合 A MSDU A MSDUMAC服务数据单元聚合 对网络层的数据做合并传送 A MPDUMAC协议单元聚合对802 11帧进行合并传送 帧聚合 A MPDU 大部分厂商采用了A MPDU实现帧聚合 块确认 blockACK BlockAck机制通过使用一个ACK帧来完成对多个聚合帧的应答 以降低这种情况下的ACK帧的数量 没有帧聚合 帧聚合 块确认 BACK 11n向下兼容性 一 802 11n可以向下兼容802 11b但会存在和802 11g向下兼容802 11b相同的问题 整个网络速率严重降低 建议禁止802 11b终端接入802 11n网络 802 11n向下兼容802 11ag 802 11ag的终端接入802 11n网络后 由于MIMO技术提高了SNR 因此802 11ag的网络最大吞吐量54Mbps范围有所扩大 同时802 11n的网络性在802 11ag终端和802 11n终端混合接入时 网络整体吞吐量较纯802 11n终端接入有一定的下降 此时802 11n终端的速率还是高于802 11ag的终端性能 本数据来自移动研究院 干扰环境下单空间流测试 11n向下兼容性 二 部署建议一 40MHz模式在5 8G开启 由于2 4G只有3个不重叠信道 开启40MHz后 两台AP即存在同频干扰 Intel网卡在2 4G频段默认只开启20MHz模式2 4G部署采用20MHz模式 1 6 11间隔部署 5 8G开启40MHz模式 5 8G中国可以使用149 153 157 161 165多台AP采用2 1的方式部署 AP1149 153 AP2157 161 AP3165 部署建议二 11n不再支持WEPTKIP仅支持AES 为了在新的WLAN上实现更高的安全性 11n在使用WEP或TKIP保证相关安全性时禁止了HT数据速率 54Mbps 即速率协商为54Mbps 等同于11ag 因此 如果要获得11n的高吞吐量 请采用AES的加密算法 部署建议三 AP上行采用千兆 802 11n目前实现单空间流150Mbps 双空间流300Mbps 未来将实现三空间流450Mbps 四空间流600Mbps 采用原有的100Mbps网线及交换机等已经不能满足AP的数据上传 同时AP汇聚数据流量更大 接入至少需要千兆的链路和接入交换机 汇聚可能需要万兆上行 室内分布型的AP AQ2000 ENH 工作在2 4G 只支持一路空间流 不开启40MHz 速率为65Mbps 因此该型号可以使用100Mbps网线接入交换机 交换机上行建议千兆 11n网络规划 以上数据来自移动研究院 DHCP Portal认证介绍 Portal认证系统架构图 Portal用户上线流程 CHAP 1 用户访问网站 经过AC重定向到PortalServer 2 Portalserver推送统一的认证页面 3 用户填入用户名 密码 提交页面 向PortalServer发起连接请求 4 Portal向Radius发出用户信息查询请求 由Radius验证用户密码 查询用户信息 并向Portal返回查询结果及系统配置的单次连接最大时长 手机用户及卡用户的套餐剩余时长信息 5 如果查询失败 Portal结束认证流程 并直接返回提示信息给用户 指导用户开户及正确使用 6 如果查询成功 PortalServer向AC请求Challenge 7 AC分配Challenge给PortalServer 8 PortalServer向AC发起认证请求 9 而