无线局域网的关键技术

无线局域网的关键技术,sxnxgshguosh1976,OSI将网络通信协议体系分为7层。局域网协议标准结构主要包括物理层、数据链路层。体系的底层称为物理层，网络所采用的不同的传输介质，对应不同的物理层，如双绞线或光缆。体系的第二层为数据链路层（DatalinkSub-layer，DLL）,因为局域网的介质访问比较复杂，所以数据链路层分为两层，数据链路层的上半部为逻辑链路控制子层(LogicalLinkControlSub-layer，LLC)，负责将数据正确的发送到物理层，在数据链路层的下半部为介质访问控制子层(MediaAccessControl，MAC)，负责控制与连接物理层的物理介质。有线和无线局域网的不同主要是体现在物理层和数据链路层，所以我们要讨论的关键技术也集中在这两层。,无线局域网的物理层关键技术,微波数字通信的系统模型,扩频传输技术的系统,跳频扩频传输技术FHSS,跳频技术(Frequency-HoppingSpreadSpectrum；FHSS)是一种频率的活跃性将数据扩展的扩频传输技术，这个技术只在IEEE802.11种做了规定，在实际应用中已经很少见到，所以我们只对一些主要的概念进行说明，频率的活跃性指的是微波在射频应用的频率波段中突然改变传输频率的能力。采用跳频扩频传输技术（FHSS）的无线局域网支持1Mbps和2Mbps。在1Mbps时采用的调制方式是两相高斯频移键控（2GPSK），在2Mbps时采用的调制方式是四相高斯频移键控（4GPSK）。,直接序列扩频传输技术DSSS,直接序列扩频传输技术（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）是直接采用具有高码率的扩频码序列的各种调制方式在发射端扩展信号的扩展频谱技术，然后在接收端用相同的扩频码序列去进行解码，把被扩展的扩频信号还原成原始的信息。,直接序列扩频系统工作模型,DSSS中编码类型主要有3种,分组二进制卷积（PacketBinaryConvolutionalCoding，PBCC）补码键控（ComplementaryCodeKeying，CCK）巴克码（BarkerCode）序列,PBCC编码技术,分组二进制卷积码（PBCC）在IEEE802.11b中是一个可选方案，它使用一个64位的二进制卷积码(BCC)和一个掩码序列来进行二进制卷积编码，分组二进制卷积码(PBCC)与补码键控（CCK）是编码方式上不一样。分组二进制卷积码（PBCC）增加了3dB的增益，相当于发射功率提高了一倍。因此，在实际应用中，补码键控(CCK)只能达到11Mbps传输速率。而分组二进制卷积码（PBCC）可以达到22Mbps传输速率。这也就是我们常说的IEEE802.11b+的技术。,巴克码（BarkerCode）序列,巴克码序列将信源与一定的伪随机码进行整合，每个巴克码序列表示一个数据比特（1或0），它将被转换成可以通过无线方式发送的波形符号。例如，在发射端将“1”用11001000110，将“0”用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，在接收机处只要把收到的序列是11001000110恢复成“1”，00110010110恢复成“0”，这就是所谓的解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高整机信噪比。在IEEE802.11的规定中，11码片巴克码序列应用于1MHz和2Mhz的调制。,补码键控（CCK）,补码键控（CCK）是由64个8比特长的码字组成。作为一个整体，这些码字具有自己独特的数据特性，即使在出现重要噪声和多经干扰（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。IEEE802.11b规定速率为5.5Mbps时使用补码键控（CCK），对每个载波进行4比特编码。当速率为11Mbps时，对每个载波进行8比特编码。,载波调制技术,调制的定义是把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形。调制是一个物理层的功能，是一个无线电收发器准备将数字信号转换成传输微波的一个过程，或者说是把数字信号映射到模拟形式的过程，以便使该信息能够在信道中传输。调制是通过一个可控制的方式改变振幅、频率和相位使载波增加数据的过程。每个数字通信系统都包含一个调制器来完成这个任务。与调制密切相关的是与之相反的过程解调，接收机通过解调来恢复传输的数字信息。,复用技术OFDM技术,正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技术。较传统的WLAN技术，OFDM具有更高的频谱利用率，以及良好的抗多径干扰能力。它不仅增加了系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求。,FDM信号与OFDM信号频谱比较,在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。（如图所示）在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。FFT的引入，大大降低了OFDM的实现复杂性，提升了系统的性能。,多进多出（MIMO）技术,多进多出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）方式是指在发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线。通过使用多台发射机或接收机来增加吞吐量和可靠性，将这种多经效应问题变成积极的因素。,MIMO+OFDM技术,采用多输入多输出（MIMO）系统是提高频谱效率的有效方法。OFDM系统不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是适应下一代无线局域网发展要求的趋势。研究表明，在衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。,无线局域网数据链路层技术,在OSI参考模型中，数据链路层位于第二层。通用的标准定义将该层分为两个分离的子层：介质访问控制子层（MediaAccessControl，MAC），简称为MAC子层。该层设置的准则只有在网络上的设备传送信息时才涉及到。逻辑链路控制子层（LogicalLinkControl，LLC），简称为LLC子层。该层提供各设备之间初始（逻辑链路）的连接。,计算机网络的通信方式有很多种，总起来分为点到点通信和广播通信两大类。点到点通信是指网络中每两个连接设备间存在一条物理信道，某个设备发出的数据为信道另一端的设备独自接收。点到点通信网络没有信道竞争，也不存在信道的访问控制问题。广播通信指网络中所有设备共享一条信道，某一设备发出的数据其他设备都能收到。在广播通信网络中，由于共享信道引起访问冲突，因此首先必须解决信道控制问题。,把单信道分配给多个竞争信道的用户使用，通常有两种分配方法：1)静态分配方法传统的分配方法，它将单个信道划分后分配给多个用户。2）动态分配方法用动态的方法为每个用户站点分配信道使用权，在无线局域网中动态分配方法有争用和预约两种。,共享信道分配方法,争用和预约,争用方法属于随机访问技术，也就是所有的站点都可以争用介质。实现起来简单，对轻负载和中等负载的系统比较有效，适合于突发式通信。预约的方法指的是将传输介质上的时间分割成时间片，网上的用户站点如果需要发送数据，必须事先预约能够占用的时间片，这种技术适合大数据流的通信。,MAC子层的功能,介质访问控制（MAC）作为局域网的关键技术之一，完全决定局域网的网络性能（诸如吞吐性能与迟延性能）等等。而无线局域网（WLAN）由于其传输介质以及移动性等特点，采用与有线局域网有所区别的MAC层协议。,MAC子层的功能(2),IEEE802.11的MAC子层的功能是为用户提供可靠的数据传输，实现共享介质访问的公平控制。这里主要介绍MAC子层的两个主要功能：分布式协调功能（DCF）和点协调功能（PCF）。,分布式协调功能（DCF）,分布式协调功能（DistributedCoordinationFunction，DCF），是在IEEE802.11协议标准中规定的访问控制方法，也是无线局域网最基本的访问控制方法，分布式协调功能采用带冲突避免的载波侦听多路访问（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CMA/CA）。,CSMA/CA与CSMA/CD,CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)，与以太网络所用的碰撞检测CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)变成了碰撞避免(CollisionAvoidance)，这一字之差是很大的。因为在无线传输中感测载波及碰撞侦测都是不可靠的，感测载波有困难。另外通常无线电波经天线送出去时，自己是无法监视到的，因此碰撞侦测实质上也做不到。,CSMA/CD的工作过程,CSMA/CD形象地概括为用“先听后说”或“边听边说”的方法来共享传输介质的。先听后说就是在发送帧前，各站都要先监听线路是否空闲，若没有空闲则等待，直到线路空闲时才开始发送。边听边说就是在该站开始发送以后，需要继续监听至少一个往返传输信号的时间，判断是否发生冲突，一旦发生冲突，就需要告知总线上各站并立即停止发送。所有的以太网，不论其速度或帧类型是什么，都使用CSMA/CD。,尽管CSMA/CD在有线局域网中取得了巨大的成功，然而它的冲突检测机制并不适合无线局域网的通信环境，无线局域网却不能简单地搬用CSMA/CD协议。这里主要有两个原因。,CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。,CSMA/CA的工作过程,RTS/CTS机制,DCF接入方式除了上面的基本访问方式以外，还定义了一种可选的访问机制RTS/CTS（RequestToSend/ClearToSend）。这一机制实际上就在终端发送数据帧之前首先对无线信道进行预约。MAC层的ACK稳定系统一旦遭受其他噪声干扰或者侦听失败时信号冲突就有可能发生工作于MAC层的ACK能提供快速的恢复能力,RTS/CTS应用,站A可以和站B正常通信站C可以接收站A的RTS帧收不到站B的CTS帧站D可以接收站B的CTS帧收不到站A的RTS帧站E可以接收站A的RTS帧和站B的CTS帧,无线网漫游功能PassiveScanning,无线网漫游功能PassiveScanning,无线局域网的其它问题,地址采用标准的48位MAC地址兼容有线网络802.3每帧含有四个MAC地址配合控制字段中的两个控制位选择能够表示源地址目的地址中转地址和扩展地址使得无线网的接入灵活自由组网方式可依需求多变。安全物理层链路层多种保障发射功率很小并扩展到22MHz带宽平均能量很低不存在频率单一的载波很难被扫描跟踪；无线站点间通过共享密钥或进行身份认证；安全保密WEP可选基于RC4的加密方式；功率以睡眠和唤醒模式节约能量保证移动用户正常工作。漫游不同BSSESS间移动不会丢失信息和连接。,WLAN技术面临的问题,安全性802.11标准中的WEP协议非常脆弱Wi-Fi将WPA作为强制性认证标准IEEE将通过802.11i(WPA2)中国国家标准采用WAPI随着距离和用户数量的增加，实际数据速率远远低于理论速率。802.11a链路数据速率与距离的关系,WLAN技术面临的问题(续),WLAN距离与数据吞吐率的关系(802.11a,HiperLAN/2),中国标准问题,ISO/IEC8802.11,WEP,GB15629.11,WAPI,正争取成为国际标准，或国际标准的一部分,IEEE802.11i,WPA,2003.820%,2003.5,WAPI（无线局域网鉴别和保密基础结构）,WLAN的体系结构,AdhocWLAN模式仅提供端到端的通信设备构成独立基本服务集（IBSS）InfrastructureWALN模式没有端到端的通信，总是通过AP通过分布式系统连接多个BSS,部署无线网络现实面临的新挑战,处于接入层的移动应用多元化越来越普遍管理成本越来越高无线网络安全性受到不断挑战接入级的纯AP解决方案的欠缺漫游性能、可靠性、QOS802.11协议的不断延伸802.11a/b/g/x/n/i,网络应用对无线网络的要求,安全性、WIDS/WIPS与有线网络的集成QoS管理，漫游管理强制性的应用策略,移动接入设备的多元化设备的管理可靠的移动应用总体投资,移动架构必须：,支持多元的接入层应用提供无缝漫游保护使用行业最佳实践的有线网络的完整性模块化易于管理出现故障易于修复可预测发展方向的安全价格可以承受,典型方案,服务器群,1000M,核心交换机,汇聚交换机,图释：,A区,B区,C区,行政楼,接入交换机,高可靠,备用机,1G,10M/10