WIFI全技术幻灯片

1、WIFI,技术介绍,WLAN,系统技术介绍,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,802.11,组网模式,Ad hoc,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,BSS,BSS,是,802.11,网络的基本结构,BSS1,BSS2,STA1,STA2,STA3,STA5,STA6,

2、STA4,802.11,网络的基本元素,DS,和,AP,DS( Distribution System,分发系统,AP (Access Point,一种特殊的,STA,DS,BSS2,AP,BSS1,AP,1208E,1208E,802.11,网络的基本元素,ESS,ESS (Extended Service Set,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,Service set identify,SSID1,BSS1,AP1,Service set identify,SSID1,1208E,具备网桥功能的,Access Poin

3、t,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,Access Point,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,无线覆盖模型,Access Point,Switch,移动用户,固定网络,无线网络覆盖区域,INTERNET,WLAN,系统技术介绍,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的

4、技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,保证,5,6,射频管理与负载均衡,6,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,数据链路层,物理层,IEEE802.11,系列标准,WLAN,定义范围,WLAN,物理层定义,标准,802.11b,802.11g,802.11a,网络拓扑,ad hoc, Infrastructure,LLC,协议,802.2 LLC,MAC,协议,802.11 MAC,CSMA/CA (DCF,和,PCF,可选,RTS/CTS,安全机制,IEEE 802.11 WEP,协议,WPA,WPA2

5、,WAPI,工作频段,2.4GHz,ISM,频段,83.5MHz,5 GHz,UNII,频段,300MHz,抗干扰通信机制,DSSS/FHSS/IR,DSSS(CCK,OFDM,OFDM,信道带宽,FHSS,DSSS,14,个信道，每个,22MHz,20MHz, 16.6MHz(-3dB,75,个信道，每,个,1MHz,14,个信道，每个,22MHz,调制方式,GFSK,BPSK/QPSK,BPSK, QPSK,16,QAM, 64-QAM,BPSK, QPSK,16-QAM, 64-QAM,数据速率,1,2,5,11,Mbps,1,2 ,5,11Mbps,1,2 ,.5,11Mbps/6,9

6、,12,18,24,36,48,和,54,Mbps,6,9,12,18,24,36,48,和,54 Mbps,编码,CCITT CRC-1/6,卷积码，码率,1/2,2/3,3/4,K=7,卷积码，码率,1/2,2/3,3/4,发射功率,20dBm,16dBm,覆盖范围,室内,150m,室外,300m,室内,50m,室外,150m,无线局域网的技术标准,Power,Range,Batteries,Frequency,Speed,Range,802.11b,Speed,11 Mbps,Frequency,2.4 GHz,Technology,DSSS,802.11a,HiperLAN/2,Spe

7、ed,54 Mbps,Frequency,5 GHz,Technology,OFDM,802.11g,Speed,54 Mbps,Frequency,2.4 GHz,Technology,OFDM,Intranet,无线局域网的技术标准,IEEE 802.11n,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,MIMO OFDM,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

8、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,802.11e,无线网络的,QoS,标准,802.11h,802.11a,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,802.11i,WLAN,安全标准，实际上是把,IEEE 802.1x,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

9、技术标准,WLAN,系统技术介绍,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,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,1Mbps,Barker,列,QPSK,2Mbps,CCK + BPSK,5.5Mbps,CCK + QPSK,11M

10、bps,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,13,11,6,7,使用频带为,2.4 2.4835 GHz,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,帧结构,80

11、2.11 MAC,帧介绍,帧类型,802.11 MAC,帧介绍,Low bandwidth,Polluted by cellular & cordless,A band for the future,No cost effective technology yet,1,2,3,4,5,6,FREQUENCY (GHz,26MHz,83.5MHz,125MHz,2.400 to 2.4835GHz,902 to 928MHz,5.725 to 5.850GHz,Relatively clean spectrum,DS radios good at rejecting,microwave inte

12、rference,Can fit several (11) WLAN Channels,HFA3824A BRAShieves up to 4Mbps per channel,HFA3860A BRAShieves 11Mbps per channel,Instrumentation, Scientific & Medical (Unlicensed Band,IEEE 802.11a/b/g,的无线频段,信道标号,中心频率,信道低端,高端频率,1,2412MHz,2401/2423MHz,2,2417MHz,2406/2428MHz,3,2422MHz,2411/2433MHz,4,2427

13、MHz,2416/2438MHz,5,2432MHz,2421/2443MHz,6,2437MHz,2426/2448MHz,7,2442MHz,2431/2453MHz,8,2447MHz,2436/2458MHz,9,2452MHz,2441/2463MHz,10,2457MHz,2446/2468MHz,11,2462MHz,2451/2473MHz,12,2467MHz,2456/2478MHz,13,2472MHz,2461/2483MHz,信道频率的划分,2400 MHz,1,2412,2401,2423,2,2417,2406,2428,3,2422,2411,2433,4,24

14、27,2416,2438,5,2432,2421,2443,6,2437,2426,2448,7,2442,2431,2453,8,2447,2436,2458,9,2452,2441,2463,10,2457,2446,2468,11,2462,2451,2473,12,2467,2456,2478,13,2472,2461,2483,2483.5 MHz,ISM-bandwidth,Channel number,Highest frequency,Average,frequency,Lowest frequency,IEEE 802.11b,无线信道的划分,1,2412,2401,2423

15、,2,2417,2406,2428,3,2422,2411,2433,4,2427,2416,2438,5,2432,2421,2443,6,2437,2426,2448,7,2442,2431,2453,8,2447,2436,2458,9,2452,2441,2463,10,2457,2446,2468,11,2462,2451,2473,12,2467,2456,2478,13,2472,2461,2483,2400 MHz,2483.5 MHz,ISM-bandwidth,Channel number,Highest frequency,Average frequency,Lowest

16、 frequency,IEEE 802.11g,无线信道的划分,Wired,LAN,Ethernet,Channel 1/2,11 Mbps,Channel 6,7,11 Mbps,Channel 11,13,11 Mbps,Channel 11,13,11 Mbps,Channel 1,11 Mbps,频段的划分及覆盖,WLAN,系统技术介绍,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,

17、安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,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,IEEE802.11 MAC,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,IEEE802.11 MAC,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,不同类型的报文可以通过采用不同

18、,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,Contention,window,802.11 MAC,访问机制,DCF,方式,802.11 MAC,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,Contention,window,back-off

19、,定时启动,Medium,busy,Send frame,Time,DCF,方式基于,CSMA/CA,原理,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

20、中获胜，使用媒介,WLAN,系统技术介绍,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,扩频,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,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

21、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,OFDM,调制技术介,绍,802.11b,采用常用的,BPSK,QPSK,调

22、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

23、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,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

24、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,3 OFDM,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,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

25、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,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

26、,WLAN,系统技术介绍,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,扩频,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,链路层的安全机制,WEP,WEP PLUS,MBRAS Address Validation,TKIP,AES(WPA,Zone PrivBRASy,用户认证层的安全机制,802.1X,EAP,RADIUS,Per-Session Per User K

27、ey,Dynamic Keys,数据层的安全机制,VPN,IPSEC,AES,Good,Simple,Best,Complex,WLAN,的安全机制,Mobile,Terminal,Access,Point,RADIUS,server,Internet,Building A,Corporate LAN,BRAS,EAP/SIM,802.1x,VPN,VPN,WEP,ZONE PRIZVBRASY,A,u,t,h,e,n,t,i,c,a,t,i,o,n,D,a,t,a,S,e,c,u,r,i,t,y,Operator,IP Network,WLAN,的安全机制,WLAN,系统技术介绍,1,WLA

28、N,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,扩频,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,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,A,B,C,发送,允许发送报文,需要,xxx,时间,请求发送报文,需要,xxx,时间,802.11,发送报文的,RTS / CTS,机

29、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,A,B,C,xxx,时间,内信道,忙,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,RTS/CTS,802.11,管理功能,用户接入过程,STA,AP,通过,Scanning,选择,AP,采用侦听,Beacon,帧或发送,Probe,帧,Authentication,Association,和建立,A

30、ssociation,关系的,AP,收发数据,1208E,802.11 MAC,使用,Scanning,来搜索,AP,STA,搜索并连接一个,AP,当,STA,漫游时寻找连接一个新的,AP,STA,会在在每个可用的信道上进行搜索,Passive Scanning,通过侦听,AP,定期发送的,Beacon,帧来发现网络,Active Scanning,在每个信道上发送,Probe request,报文，从,AP,回复的,Probe,Response,中获取,AP,的基本信息,802.11,管理功能,Scanning,WLAN,系统技术介绍,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2

31、.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,扩频,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,802.11,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

32、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,Frame,Time,AIFS4,CW4,AIFS3,

33、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,1,WLAN,基本原理,1,4,专项工作进度情况,4,2.WLAN,关键技术,2,1,WLAN,的基本结构,1,3,WLAN,物理层,3,2,WLAN,的技术标准,2,1,媒体接入方式,1,2,扩频,调制方式,2,4,RTS/CTS,机制,4,3,WLAN,安全机制,3,5,QOS,技术,5,6,射频管理与负载均衡,6,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

34、,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,A