WLAN技术介绍与定位

WLAN 技术介绍与定位1 WLAN技术介绍WLAN网络是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频技术，取代旧式的双绞线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能。网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，而且可以随需移动或变化。它使用无线信道来接入网络，成为宽带接入的有效手段之一。1.1 WLAN技术标准目前WLAN较成熟的标准有802.11b、802.11g和802.11a等三个标准，分别工作在2.4GHz和5.8GHz频段，最大空口传输速率可以达到54Mbps。（1）802.111991年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11WLAN标准工作组。IEEE802.11（别名：Wi-Fi(WirelessFidelity)无线保真）是在1997年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准，该标准定义物理层和媒体访问控制(MAC)规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法，RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在2.40002.4835GHz频段。IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，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，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbps。 （2）802.11b1999年9月IEEE802.11b被正式批准，该标准规定WLAN工作频段在2.4-2.4835GHz，数据传输速率达到11Mbps，传输距离控制在50-150英尺。该标准是对IEEE802.11的一个补充，采用补偿编码键控调制方式，采用点对点模式和基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps的不同速率间自动切换，扩大了WLAN的应用领域。IEEE802.11b很快成为主流的WLAN标准，被多数厂商所采用，所推出的产品广泛应用于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场合，但是由于许多WLAN的新标准的出现，IEEE802.11a和IEEE802.11g更是倍受业界关注。（3）802.11a1999年，IEEE802.11a标准制定完成，该标准规定WLAN的工作频段为5.15-5.825GHz，数据传输速率达到54Mbps，传输距离控制在10-100米。该标准也是IEEE802.11的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，采用QFSK调制方式，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，支持多种业务如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。IEEE802.11a标准是IEEE802.11b的后续标准，其设计初衷是取代802.11b标准，然而，工作于2.4GHz频带是不需要向无委申请的，该频段属于工业、教育、医疗等专用频段，是公开的，工作于5.15-8.825GHz频带需要向无委申请的。一些公司更加看好最新混合标准802.11g。（4）802.11gIEEE802.11g标准提出在IEEE802.11b的工作频段上，拥有IEEE802.11a的传输速率，安全性较IEEE802.11b好，采用两种调制方式，含802.11a中采用的OFDM与IEEE802.11b中采用的CCK，做到与802.11a和802.11b兼容。工作频段为2.4-2.4835GHz，数据传输速率达到54Mbps，传输距离控制在50-150英尺。虽然802.11a较适用于企业，但WLAN运营商为了兼顾现有802.11b设备投资，更多地选用802.11g。（5）802.11nIEEE802.11n标准已经于2009年9月获得批准，作为下一代WLAN标准，采用了OFDM、MIMO、聚合帧等技术，采用2.4GHz和5GHz双频带，可以同时向下兼容802.11a/b/g，将传输速率提高到150-600 Mbps。空间流数是决定最高物理传输速率的参数，在802.11n中定义了最高的流数为4。流数越多速率就越高，在其他参数确定后，最高速率按空间流的倍数变化，如1个独立空间流最高可达150Mbps，2个独立空间流则为300Mbps，3个独立空间流为450Mbps，4个独立空间流600Mbps。项目802.11n关键技术OFDM、MIMO、聚合帧技术等频带支持2.4 GHz 和5GHz带宽20MHz或40MHz兼容性兼容802.11a/b/g 设备峰值速率采用2流MIMO时可达到300Mbps采用4流MIMO时可达到600Mbps1.2 几种主要制式的比较标准号IEEE 802.11bIEEE 802.11aIEEE 802.11gIEEE 802.11n标准发布时间1999年9月1999年9月2003年6月2009年9月工作频率范围2.42.4835GHz5.1505.350GHz5.4755.725GHz5.7255.850GHz2.42.4835GHz2.42.4835GHz5.1505.850GHz非重叠信道数324315最高速率（Mbps）115454300-600实际吞吐量（Mbps）62424100以上受干扰机率高低高低环境适应性差较好好很好调制方式CCK/DSSSOFDMCCK/OFDMMIMO/OFDM兼容性802.11b802.11a802.11b/g802.11a/b/g/n1.3 WLAN工作频段IEEE 802.11b/g标准工作在2.4G频段，频率范围为2.4002.4835GHz，共83.5M带宽。 划分为14个子信道，每个子信道带宽为22MHz，相邻信道的中心频点间隔5MHz，相邻的多个信道存在频率重叠(如1信道与2、3、4、5信道有频率重叠)，其中互不干扰的频点只有3个，一般选择1、6、11三个互不干扰的频点。频谱划分如下图所示：下表为美国UNII 802.11a频段信道分配表，包含24个互不干扰的信道。在5GHz频段以5M为步进划分信道，信道编号n=(信道中心频率GHz5GHz)*1000/5。在我国802.11a工作在5.7255.850GHz频段，共125M带宽，每个信道20MHz带宽，共26个信道号，可用的有五个，一般选择149、153、157、161、165五个互不干扰的频点。1.4 WLAN技术指标要求（1）信号覆盖电平在设计目标覆盖区域内95%以上位置，接收信号强度大于等于-75dBm。（2）信噪比在设计目标覆盖区域内95%以上位置，用户终端无线网卡接收到的信噪比（SNR）大于20dB。（3）可接通率在WLAN无线覆盖区内90%的位置，99%的时间内无线网卡可以接入网络。（4）室内天线功率根据国家环境电磁波卫生标准，室内天线的发射功率应小于17 dBm/载波。（5）并发用户数由于WLAN采用CSMA/CA机制，如果接入用户过多，那么同一时刻发生冲突的概率明显增大，也必定会延长每个用户等待的时间，而使得系统性能下降。工程设计上一般按每AP接入用户数在20台左右进行设计。1.5 WLAN网络技术方案根据WLAN目前的技术发展情况，有三类组网技术：胖AP技术，瘦AP技术，MESH技术。不同厂商“胖/瘦”所代表的含义各不相同，一般采用以下定义：瘦AP代表自身不能单独配置或者使用的AP产品，这种产品仅仅是一个WLAN交换系统的一部分；而胖AP就是任意的独立AP，无论这个AP的功能集是什么样的。1.5.1 胖AP技术在WLAN 部署的发展初期，AP完全部署和端接802.11功能，因此有线局域网上的数据帧全部都是802.3帧。每个AP都可以作为网络上的一个单独的网络实体，进行独立的管理，这种网络中的接入点通常被称为“胖AP”。上图显示了一个采用胖接入点的自治式网络，胖AP是网络中的一个可以寻址的节点，在其接口上具有自己的IP地址。它能在有线和无线接口之间转发流量，还可以拥有多个有线接口，在不同的有线接口之间转发流量类似于一台二层或者三层交换机，与有线网络的连接能通过一个二层或者三层网络实现。胖AP 的管理是通过某种协议如简单网络管理协议SNMP，或者超文本传输协议HTTP进行的，为了管理多个胖AP，网络管理员必须通过这些管理机制连接每个胖AP。每个胖AP在网络拓扑图上都显示为一个单独的节点，任何用于管理、控制的节点汇聚都必须在网络管理系统（NMS）级别完成。1.5.2 瘦AP技术从2002年9月开始出现一种新的WLAN接入方案，就是瘦AP解决方案。与胖AP解决方案正相反，它尽量减少了接入点内的智能，而把网络智能集中到接入控制器（AC）中，采用这种方法，接入点相对简单，能以成本效益方式共享增强无线通信的各种功能特性。在瘦AP方案中，由于多数智能配置集中在接入控制器中，即可将接入点配置为适用的组和策略，从而减少了通过无线局域网执行的管理功能和总的运营成本。在该方案中采用的拓扑结构是集中式的，是一种层次化的架构，包括一个负责配置、控制和管理多个瘦AP的WLAN交换机（也有厂商称之为控制器）。802.11功能由瘦AP和接入控制器共同承担。与自治式网络拓扑结构相比，这种模式中的AP的功能有所减弱，因此被称为“瘦AP”。上图是一个采用瘦接入点的集中式网络，瘦AP的传输机制相当于有线网络中的集线器，主要功能是接收和发送无线流量，它们会将无线数据帧发回到控制器，然后对这些数据帧进行处理，再交换到有线WLAN。每个瘦AP基本上都拥有一个以太网接口，用于实现无线与有线的连接。瘦AP使用了一个（通常是加密的）隧道来将无线流量发回到接入控制器。瘦AP只负责发送或者接收经过加密的无线数据帧，从而保持瘦AP的简便性，避免升级其硬件或者软件的必要性。瘦AP的目的是降低AP的复杂性，把数据处理的功能都放在中央交换机，正因为此，数据流量的瓶颈也产生在中央交换机处。1.5.3 胖瘦AP技术对比根据前文的描述可以看出，胖瘦AP技术是两种不同的发展思路方向，瘦AP代表了WLAN集中式智能与控制的发展趋势。以下列出了两者之间的特点对比：1、胖AP结构面临的问题较多，包括对AP必须逐一管理，同时攻击与干扰定位困难，从而影响了负载平衡的能力；另外胖AP不能区分无线话音等实时应用与数据传输应用的不同需求。当无线局域网持续发展，规模递增时，这种单纯以更改每个AP配置来调整无线局域网的功能变得非常复杂。瘦AP构架中，无线智能控制器替代了原来二层交换机，把安全性、移动性、QoS和其他特性集中起来管理和控制。2、信道间干扰：在胖AP系统中，当两个无线AP工作在同一个信道，并同时尝试传输数据的时候，会发生数据传输冲突，即信道间干扰。AP必须等待一段时间之后再次尝试进行数据传输，这将会影响整个WLAN系统数据传输性能。在瘦AP系统中，无线交换机负责所有数据的处理，消除了AP间数据传输冲突。3、AP间漫游造成额外的网络延时： 在胖AP系统中，用户从一个AP移动到另一个AP，必须经历重新检索AP、鉴权、身份验证、重新连接等步骤，通常这将需要150-400ms完成整个过程，不可避免的将会造成网络延时、抖动、降低语音视频通信质量。在瘦AP系统中，消除了无线漫游等造成的网络延时、抖动现象。4、瘦AP系统相对胖AP系统可以为用户提供更多的无线增值服务，比如瘦AP除了提供无线接入外，也可设置为无线入侵监控、无线终端追踪定位、无线电波传输分析。1.6 WLAN系统优缺点1.6.1 WLAN系统的优势用户体验方面的优势：1、使用方便。现在大多数便携式电脑都支持无线上网的功能，如果有了WLAN网络，上网时不但不需要电缆线的连接，而且也不用像GPRS上网那样需要外置板卡，使用起来非常方便。2、支持移动性。WLAN提供了对终端移动性的支持，少了连接电缆的束 缚，终端可以在一定区域内移动，使用起来更加灵活。 3、传输速率高。WLAN的数据传输速率现在已经能够达到11Mbit/s，应用正交频分复用（OFDM）技术的WLAN，速率可以达到54Mbit/s（有效带宽约25 Mbit/s），远远高于有线网络的传输速率。4、资源共享。在不超过规定容量的情况下，多个用户可以共用一个AP（无线接入点），避免了用户接入难的问题。网络建设方面的优势，主要体现在建设周期短和经济性两个方面： 1、安装便捷。无线局域网的安装工作简单，不需要复杂的布线或开挖沟槽。因此它的安装时间相对有线网络来说是非常短的。 2、经济节约。由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，所以往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造。WLAN不受布线接点位置的限制，而且资源在一定范围内共享，具有传统局域网无法比拟的灵活性，可以避免或减少以上情况的发生。 3、易于扩展。WLAN有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，WLAN就能胜任从只有几个用户的小型网络到上千用户的大型网络。4、对于2.4GHz公开频率，建设WLAN无需许可证。由于WLAN具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，WLAN已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛的应用，而且在一些已经建设了有线宽带的区域（宾馆、办公区域）也采用WLAN对有线宽带进行了很好的补充。1.6.2 WLAN系统的缺点1、频点的限制。根据对WLAN频段的分析，802.11b和802.11g可以同时有三个互不干扰的频点，802.11a可以同时有五个互不干扰的频点，在用户容量较大的情况下，频点明显不足。尤其是在多运营商同时建设时，很难协调频点的分配。2、竞争激烈。 首先是有线宽带运营商大力发展其传输网络，并推出了廉价的资费套餐。大多数情况下用户更加偏向在稳定性和性价比方面更加突出的有线宽带接入。 其次是WLAN具有一定优势，尤其是对于2.4GHz公开频率，建设WLAN无需许可证，因此运营商之间的竞争比较激烈，而且一些大型的宾馆、写字楼也可能建设自己的WLAN网络，这可能导致用户群的流失、与业主的谈判、频点分配等方面的问题。3、传输资源要求高。对传输资源不太充裕的运营商来说，难度比较大。4、资费偏高。2 WLAN技术的定位2.1 WLAN技术特点1、高带宽 单载波22M/20MHz带宽，峰值速率可达高于2G/3G技术，抗干扰及穿透损耗能力差。 通过CSMA/CA完成用户多址，效率较低。但由于载波带宽高，总吞吐量仍较高。2、干扰严重 工作在2.4GHzISM频段，实际部署中将受到来自其他系统的干扰，对网络性能影响较大。 用户接入能力较弱。3、覆盖移动性弱 实际部署时还会受到来自同频异系统的干扰，覆盖会进一步收缩。 11g理论覆盖与11b相同，比11a增加约50%。4、网管弱 现阶段主要依赖厂商提供的本地网管，多厂商设备管理能力。 各厂商采用的部分数据统计方式不统一，不能完全反映网络的真实状况。 故障和性能管理方面能力较弱。2.2 WLAN与2G/3G技术对比分析1、WLAN的优势： 用于热点覆盖，数据速率较高。 终端（特别是笔记本内置模块）普及度高。 非授权频段，无需申请。2、WLAN的劣势： 频点资源少，且ISM频段易受干扰。 频段高，连续覆盖能力弱。 空口协议效率不高，多用户接入能力弱。 网络可管理性弱。 业务QoS保障能力弱，易受攻击。下图为WLAN与3G技术在移动性和接入速率