计算机网络及工程实践教程讲座(11)主讲内容无线网络

1、 计算机网络与工程实践教程讲座教材计算机网络与工程实践教程讲座教材 计算机网络与工程实践教程计算机网络与工程实践教程 第第 1 1 版版 科学出版社科学出版社 ( 2007.12 ) 本章重点讨论以下内容：本章重点讨论以下内容： 无线网络的概述无线网络的概述; 无线网络标准与协议无线网络标准与协议; 无线应用协议（无线应用协议（WAP）; 无线网卡的组成与工作原理无线网卡的组成与工作原理; 宽带无线技术与宽带无线接入技术宽带无线技术与宽带无线接入技术LMDS; 微波扩频通信技术微波扩频通信技术; 无线网络典型连接方式无线网络典型连接方式; 无线联网方案。无线联网方案。 近年来，由于无线通信技术

2、的发展，出现了移动上网，无线近年来，由于无线通信技术的发展，出现了移动上网，无线Internet。而而11Mbit/s、54Mbit/s无线局域网的推出，使无线网络出现了新的生无线局域网的推出，使无线网络出现了新的生机，而且势头较猛。无线网络采用与有线网络同样的工作方法，它们机，而且势头较猛。无线网络采用与有线网络同样的工作方法，它们按按PC、服务器、工作站、无线适配器和访问点通过电缆连接建立网络。、服务器、工作站、无线适配器和访问点通过电缆连接建立网络。 应该说，计算机无线联网方式是有线联网方式的一种补充，它是在有应该说，计算机无线联网方式是有线联网方式的一种补充，它是在有线网的基础上发展起

3、来的，使网上的计算机具有可移动性。能快速、线网的基础上发展起来的，使网上的计算机具有可移动性。能快速、方便地解决有线联网方式不易实现的网络信道的连通问题。方便地解决有线联网方式不易实现的网络信道的连通问题。 无线联网要解决以下两个主要问题。无线联网要解决以下两个主要问题。（1）通信信道的实现与性能。）通信信道的实现与性能。（2）提供像有线网络系统那样的网络服务功能。）提供像有线网络系统那样的网络服务功能。 对于第一点的基本要求是：工作稳定、数据传输率高（大于对于第一点的基本要求是：工作稳定、数据传输率高（大于1Mbit/s）、）、抗干扰、误码率低、频道利用率高、具有保密性，收发的单一性、可抗干

4、扰、误码率低、频道利用率高、具有保密性，收发的单一性、可以进行有效的数据提取。以进行有效的数据提取。 对于第二点的基本要求是：现有的网络系统应能在其中运行，即要兼对于第二点的基本要求是：现有的网络系统应能在其中运行，即要兼容有线网络的软件，使用户能透明地操作而无须考虑网络环境。容有线网络的软件，使用户能透明地操作而无须考虑网络环境。无线联网的系统具有如下特点无线联网的系统具有如下特点:（1）频率为工业自由辐射频率，不用专门申请）频率为工业自由辐射频率，不用专门申请;（2）该网络支持现有各种计算机需要的网络软件）该网络支持现有各种计算机需要的网络软件;（3）建立透明式网络链路）建立透明式网络链路

5、;（4）能够完成局域网互联的高速率传输）能够完成局域网互联的高速率传输;（5）采用扩展频谱通信技术）采用扩展频谱通信技术;（6）用无线电波通信、不用电缆）用无线电波通信、不用电缆;（7）施工快速、简便、维修方便）施工快速、简便、维修方便;（8）采用宽带数据通信，抗干扰性能好）采用宽带数据通信，抗干扰性能好;（9）低功耗，）低功耗，0.1W可实现可实现30km通信通信;（10）无须改变原网络系统软件和应用软件。）无须改变原网络系统软件和应用软件。 无线网络适用范围有：无线网络适用范围有：（1）适用工矿、企业、广域远距离联网）适用工矿、企业、广域远距离联网;（2）适合银行、保险、工商、税务、证券系

6、统网络）适合银行、保险、工商、税务、证券系统网络;。（3）用于水利、电力、铁路、油田远程网络）用于水利、电力、铁路、油田远程网络;（4）用于大专院校、科研院所网络）用于大专院校、科研院所网络;（5）用于海关、港口、机场联网）用于海关、港口、机场联网;（6）用于高速公路、城市联网）用于高速公路、城市联网;（7）适用于公安、消防、环境监测、军事移动通信网络）适用于公安、消防、环境监测、军事移动通信网络;（8）用于江、河、湖、海、海峡、山谷等复杂地形环境联网）用于江、河、湖、海、海峡、山谷等复杂地形环境联网;（9）适用于难以铺设电缆的各种地区和环境联网。）适用于难以铺设电缆的各种地区和环境联网。 无

7、线网络室内天线覆盖范围请参见科学出版社无线网络室内天线覆盖范围请参见科学出版社计计算机网络与工程实践算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-1。 无线网络室外天线传输距离请参见科学出版社无线网络室外天线传输距离请参见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-2。11.1.1 无线局域网无线局域网 随着信息技术的发展，人们对网络通信技术的要随着信息技术的发展，人们对网络通信技术的要求不断提高，希望不论在何时、何地，都能与任求不断提高，希望不论在何时、何地，都能与任何人进行包括数据、语音和图像等任何内容的通何人进行包括数

8、据、语音和图像等任何内容的通信，并希望主机在网络环境中移动和漫游。无线信，并希望主机在网络环境中移动和漫游。无线局域网是实现移动网络的关键技术之一。随着局域网是实现移动网络的关键技术之一。随着IEEE等国际机构对于无线局域网标准的制定，市等国际机构对于无线局域网标准的制定，市场上无线局域网产品的兼容性大大提高，极大地场上无线局域网产品的兼容性大大提高，极大地促进了无线局域网产品和市场的发展。众多低价促进了无线局域网产品和市场的发展。众多低价位无线局域网产品的出现，使得越来越多的用户位无线局域网产品的出现，使得越来越多的用户考虑使用无线局域网产品来满足应用上的需求。考虑使用无线局域网产品来满足应

9、用上的需求。总的来说，无线局域网在以下几个方面有非常现实的意义总的来说，无线局域网在以下几个方面有非常现实的意义: 在不能使用传统布线或者是使用传统布线困难很大的地方。在不能使用传统布线或者是使用传统布线困难很大的地方。 租用专线耗资高的地方。租用专线耗资高的地方。 重复的临时建立和安排的网络环境，使用有线不方便、成本高、重复的临时建立和安排的网络环境，使用有线不方便、成本高、耗时长的地方。耗时长的地方。 局域网用户需要在一定范围内进行移动通信的环境。局域网用户需要在一定范围内进行移动通信的环境。 但是，目前无线局域网在数据传输速率、传输范围、安全性等但是，目前无线局域网在数据传输速率、传输范

10、围、安全性等方面都还不如有线局域网，所以无线局域网在相当长的时间内方面都还不如有线局域网，所以无线局域网在相当长的时间内会与有线局域网共存。对于智能建筑应用环境，特别是众多的会与有线局域网共存。对于智能建筑应用环境，特别是众多的公共场所或专业场所，如机场、车站、会议大厅、会展中心、公共场所或专业场所，如机场、车站、会议大厅、会展中心、图书馆以及大开间的办公室等地方，会越来越多地使用无线局图书馆以及大开间的办公室等地方，会越来越多地使用无线局域网，满足用户无线终端入网的需求。域网，满足用户无线终端入网的需求。 无线局域网技术有：无线局域网技术有：（1）无线个人网（）无线个人网（WPAN，Wire

11、less Personal Area Network）。）。 主要用于个人信息化设备的无线网络连接，目前发展的主要用于个人信息化设备的无线网络连接，目前发展的主流技术是蓝牙。主流技术是蓝牙。 无线局域网。无线局域网。 IEEE 802.11a/b/g。 主要用于一个局域物理区域内信息设备的无线网络连接。主要用于一个局域物理区域内信息设备的无线网络连接。（2）无线广域网（）无线广域网（WWAN，Wireless Wide Area Network）。）。 GSM/GPRS/CDMA/UMTS。 主要用于广域范围内信息设备的无线网络连接。主要用于广域范围内信息设备的无线网络连接。11.1.2 无线

12、网络的发展过程无线网络的发展过程 无线局域网是无线局域网是1990年出现的，但是，无线局域网的研究可以追溯到年出现的，但是，无线局域网的研究可以追溯到20世纪世纪70年代早期，主要的领导者是年代早期，主要的领导者是AT&T的贝尔实验室，早期的的贝尔实验室，早期的产品为频分多址（产品为频分多址（FDNA）模拟蜂窝系统技术。）模拟蜂窝系统技术。 20世纪世纪70年代后期瑞士年代后期瑞士IBM Ruschlikon实验室的实验室的Gfeller第一次提出第一次提出了无线局域网的概念，并且在北欧部署了第一个移动电话系统。语了无线局域网的概念，并且在北欧部署了第一个移动电话系统。语音的无线网络历史从此展

13、开，直到音的无线网络历史从此展开，直到1998年开始年开始3G标准化。标准化。面向面向语音的历史进展请参见科学出版社语音的历史进展请参见科学出版社计算计算机网络与工程实践机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-3。 语音无线网络的出现，推动数据无线局域语音无线网络的出现，推动数据无线局域网的发展，并获得了很大的成功，其历史网的发展，并获得了很大的成功，其历史进展请参见科学出版社进展请参见科学出版社计算机网络与工计算机网络与工程实践程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-4。11.1.3 无线网络分代无线网络分代1. 第一代第一代 蜂窝网络在北欧出现后，便掀起了

14、移动通信的研究，并以蜂窝网络在北欧出现后，便掀起了移动通信的研究，并以全球移动通信系统（全球移动通信系统（GSM，Globle System of Mobile communications）为导向，人们习惯地把这一阶段研究）为导向，人们习惯地把这一阶段研究称之为第一代（称之为第一代（1G）系统。第一代系统是面向语音的模拟）系统。第一代系统是面向语音的模拟蜂窝和无绳电话。第一代系统在下行链路（从基站到移动蜂窝和无绳电话。第一代系统在下行链路（从基站到移动台）和上行链路（从移动台到基站）中使用了两分开的频台）和上行链路（从移动台到基站）中使用了两分开的频段。这种系统采用的是频分双工（段。这种系统

15、采用的是频分双工（FDD Frequency Duplexing）模拟。典型的在每个方向上都分配整个频段。）模拟。典型的在每个方向上都分配整个频段。例如例如AMPS、TACS和和NTM-900在每个方向上的频段都是在每个方向上的频段都是25MHz。这些系统的主要工作频率是。这些系统的主要工作频率是800 MHz和和900 MHz频段。频段。理想情况下，频段和使用地区请理想情况下，频段和使用地区请参见科学出版社参见科学出版社计算机网络与工程计算机网络与工程实践实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-5。 第一代系统通常也称为模拟蜂窝系第一代系统通常也称为模拟蜂窝系统，在这一阶段中还提供

16、了移动数统，在这一阶段中还提供了移动数据业务，但只能提供单向的短信息据业务，但只能提供单向的短信息数据，在这基础上人们就把研究的数据，在这基础上人们就把研究的注意力放到面向语音和面向数据的注意力放到面向语音和面向数据的研究上来，这一过程被称为第二代研究上来，这一过程被称为第二代（2G）系统。）系统。2. 第二代第二代 第二代系统主要表现为第二代系统主要表现为4个方面，它们是：数字蜂窝移动个方面，它们是：数字蜂窝移动系统、系统、PCS、移动数据和无线局域网标准。无线局域网、移动数据和无线局域网标准。无线局域网标准的详细内容将放在下一节讲述。标准的详细内容将放在下一节讲述。 数字蜂窝移动通信系统数

17、字蜂窝移动通信系统 数字蜂窝移动通信系统有数字蜂窝移动通信系统有4个主要标准，它们是个主要标准，它们是GSM、IS-54、JDC、IS-95。GSM是欧洲数字移动通信标准，是欧洲数字移动通信标准，后来扩展到亚洲，也称为泛欧数字移动通信标准；后来扩展到亚洲，也称为泛欧数字移动通信标准；IS-54是北美地区的数字移动通信标准；是北美地区的数字移动通信标准；JDC是日本的数字移是日本的数字移动通信标准；动通信标准；IS-95是美国和亚洲的数字移动建设标准。是美国和亚洲的数字移动建设标准。GSM、IS-54、JDC系统使用的是系统使用的是JDMA技术、技术、IS-95系系统使用的是统使用的是CDMA技

18、术。技术。 第二代数字蜂窝移动通信标准的主要情况请参见科学出第二代数字蜂窝移动通信标准的主要情况请参见科学出版社版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-6。2G的的PCS 个人通信业务（个人通信业务（PCS，Personal Communications Services）是从）是从1G的模拟无绳电话技术发展而来，它与蜂的模拟无绳电话技术发展而来，它与蜂窝移动通信在技术特性上有所差别。窝移动通信在技术特性上有所差别。其比较结果请参其比较结果请参见科学出版社见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的

19、表11-7。 对于对于PCS的标准规范有的标准规范有4个，个，它们是：它们是： CT-2和和CT-2+，是欧洲和加拿大的标准，也，是欧洲和加拿大的标准，也是第一个无绳电话标准；是第一个无绳电话标准； DECT，是欧洲的标准；，是欧洲的标准； PHS，日本的标准；，日本的标准； PACS，美国的标准。，美国的标准。 它们的主要情况请参见科学出版社它们的主要情况请参见科学出版社计算机计算机网络与工程实践网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-8。 移动数据业务移动数据业务 移动数据业务能够为用户接入分组交换数移动数据业务能够为用户接入分组交换数据网络提供合适的数据速率和广泛的覆

20、盖据网络提供合适的数据速率和广泛的覆盖范围。移动数据网络出现在寻呼业务取得范围。移动数据网络出现在寻呼业务取得成功之后，提供一种大信息量的双向连接，成功之后，提供一种大信息量的双向连接，并先后出现了并先后出现了ARKIS、Mobitex、CDPD、TETRA、GPRS、Metricom。它们在移它们在移动数据业务上的差别，请参见科学动数据业务上的差别，请参见科学出版社出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-9。 3第三代第三代 第三代系统（第三代系统（3G）无线网络把蜂窝电话和）无线网络把蜂窝电话和PCS语语音业务和各种分组交换数据综合在一个

21、统一的网音业务和各种分组交换数据综合在一个统一的网络中，络中，3G的主要技术是宽带码分多址（的主要技术是宽带码分多址（WCDMA，Wideband Code Division Multiple Access），），最基本的要求是可支持不同速率的应用（从最基本的要求是可支持不同速率的应用（从384kbit/s的电路交换连接到带宽为的电路交换连接到带宽为2Mbit/s的连的连接）和不同的运行环境。接）和不同的运行环境。 3GSM（WCDMA）和）和EDGE是被国际电信联盟是被国际电信联盟（ITU）认可的国际移动通信（）认可的国际移动通信（IMT-2000）的）的3G标准，要求将语音和数据结合在一起

22、。许多运营标准，要求将语音和数据结合在一起。许多运营商、开发商都认可这项技术，并选择商、开发商都认可这项技术，并选择3GSM作为作为过渡到过渡到3G的升级途径，在的升级途径，在2003年年9月月8日日10日的日的北京无线网络会议中，许多厂商的技术资料都证北京无线网络会议中，许多厂商的技术资料都证实了这一点。实了这一点。 11.1.4 几种无线局域网标准几种无线局域网标准 1990年，年，IEEE执行委员会成立了执行委员会成立了802.11工工作组，其目标是创建无线局域网（作组，其目标是创建无线局域网（WLAN）标准，规定为标准，规定为“所提议的无线所提议的无线LAN标准的标准的作用范围是为局域

23、网固定的、便携式和可作用范围是为局域网固定的、便携式和可移动站点的无线连接开发的规范移动站点的无线连接开发的规范”。最终。最终的标准，即正式称为的标准，即正式称为IEEE无线无线LAN介质访介质访问控制（问控制（MAC）和物理层（）和物理层（PHY）规范，）规范，并像并像802的的IEEE标准一样（如标准一样（如802.3、802.5），规定了一些至关重要的技术机制。），规定了一些至关重要的技术机制。 历经十几年的发展，历经十几年的发展，802.11已经从最初的已经从最初的802.11a、802.11b发展到了目前的发展到了目前的802.11i等等8种标准。种标准。 802.11a：5GHz波

24、段上的物理层规范。波段上的物理层规范。 802.11b：2.4GHz波段上的物理层规范。波段上的物理层规范。 802.11d：当前：当前802.11标准中规定的操作仅在几个国家中标准中规定的操作仅在几个国家中是合法的，该标准旨在扩充是合法的，该标准旨在扩充802.11无线局域网在其他国家无线局域网在其他国家的应用。的应用。 802.11e：改进和管理：改进和管理WLAN的服务质量，保证能在的服务质量，保证能在802.11无线网络上进行话音、音频、视频等多媒体业务的无线网络上进行话音、音频、视频等多媒体业务的传输。传输。 802.11f：实现不同厂商无线局域网之间的互操作，保证：实现不同厂商无线

25、局域网之间的互操作，保证网络内访问点之间信息的互换。网络内访问点之间信息的互换。 802.11g：是：是802.11的扩充，通过提高数据率，来增强的扩充，通过提高数据率，来增强802.11b兼容网络的性能和应用。兼容网络的性能和应用。 802.11h：增强：增强5GHz波段的波段的802.11MAC规范及规范及802.11b高高速物理层规范。速物理层规范。 802.11i：增强：增强WLAN的安全和鉴别机制。的安全和鉴别机制。 802.11a在使用频率的选择和数据传输速率上都优于在使用频率的选择和数据传输速率上都优于802.11b，但不兼容但不兼容802.11b。 无线局域网最常用的标准是无线

26、局域网最常用的标准是IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g等几种。目前市场上的产品绝大等几种。目前市场上的产品绝大部分均遵循部分均遵循IEEE 802.11b标准，即数据传输速率可达标准，即数据传输速率可达511Mbit/s，IEEE 802.11b标准的发布，使得无线局域网的应标准的发布，使得无线局域网的应用和普及发展到了一个新的阶段。标准使无线局域网的用户能用和普及发展到了一个新的阶段。标准使无线局域网的用户能够自由、灵活地选择不同厂家的产品。无线局域网的主流厂商够自由、灵活地选择不同厂家的产品。无线局域网的主流厂商组成了一个称

27、做无线以太网兼容性联盟（组成了一个称做无线以太网兼容性联盟（WECA）的国际性组）的国际性组织。织。WECA的任务是负责认证无线局域网产品的互操作性和兼的任务是负责认证无线局域网产品的互操作性和兼容性，并推动无线局域网在企业和家庭中的应用。继容性，并推动无线局域网在企业和家庭中的应用。继IEEE 802.11b后，具有后，具有54Mbit/s传输速率的符合传输速率的符合IEEE 802.11a和和IEEE 802.11g标准的无线局域网技术及其产品在市场已流行了标准的无线局域网技术及其产品在市场已流行了几年。此外，家居无线网络几年。此外，家居无线网络HomeRF2等无线局域网技术也在等无线局域

28、网技术也在广泛应用。广泛应用。 几种无线局域网标准的性能比较请参见科几种无线局域网标准的性能比较请参见科学出版社学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表11-10。11.1.5 无线网络的传输介质无线网络的传输介质 目前，计算机无线通信传输手段有两种。目前，计算机无线通信传输手段有两种。（1）无线电波，即短波或超短波、微波。）无线电波，即短波或超短波、微波。（2）光波，即激光、红外线。）光波，即激光、红外线。 短波，超短波类似电台或电视台广播。采用调幅、调频或调相的短波，超短波类似电台或电视台广播。采用调幅、调频或调相的载波，通信距离可达数十千米

29、。这种通信方式早已用于计算机通载波，通信距离可达数十千米。这种通信方式早已用于计算机通信，但其速率慢、保密性差、没有通信的单一性、易受其他电台信，但其速率慢、保密性差、没有通信的单一性、易受其他电台或电气设备的干扰，可靠性差。另外频道、频度都要专门申请，或电气设备的干扰，可靠性差。另外频道、频度都要专门申请，因此一般不用作无线联网。因此一般不用作无线联网。 微波是以微波收发机作为计算机网络的通信信道。因为微波的频微波是以微波收发机作为计算机网络的通信信道。因为微波的频率很高，所以能够实现数据传输高速率，受气候条件环境影响很率很高，所以能够实现数据传输高速率，受气候条件环境影响很小。小。 它的频

30、率范围为它的频率范围为300MHz300GHz内。微波波段又可分为分米波、内。微波波段又可分为分米波、厘米波、毫米波，还有用字母命名更细分微波各波段的。厘米波、毫米波，还有用字母命名更细分微波各波段的。微微波各波段请参见科学出版社波各波段请参见科学出版社计算机计算机网络与工程实践网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的版的表表11-11。微波的波长很短，具有如下特性微波的波长很短，具有如下特性:（1）直线传播。）直线传播。（2）频谱宽，携带信息容量大。）频谱宽，携带信息容量大。（3）微波器件受尺寸大小的影响。）微波器件受尺寸大小的影响。（4）微波受金属物体屏蔽，虽能穿）微波受金属物体屏蔽

31、，虽能穿越非金属物体，但耗损大。越非金属物体，但耗损大。（5）可穿透大气层，向外空传播。）可穿透大气层，向外空传播。 由于激光和红外线易受天气影响、也不具备穿透能力，因此在无由于激光和红外线易受天气影响、也不具备穿透能力，因此在无线网络中一般不用。根据前面叙述，可以看到无线网络传输媒介线网络中一般不用。根据前面叙述，可以看到无线网络传输媒介性能最好的是微波。以微波频段为媒介，采用直序扩展频谱或跳性能最好的是微波。以微波频段为媒介，采用直序扩展频谱或跳频方式发射的传输技术，并以此技术制作了发射机、接收机、遵频方式发射的传输技术，并以此技术制作了发射机、接收机、遵照照 IEEE 802.3以太网协

32、议，许多公司开发了整套的计算机无线以太网协议，许多公司开发了整套的计算机无线网络产品。网络产品。 其通信方面的主要技术特点是：用其通信方面的主要技术特点是：用900MHz或或2.45GHz微波作传微波作传输媒介，以先进的直序扩展频谱（输媒介，以先进的直序扩展频谱（DSSS）或跳频（）或跳频（FH）方式发）方式发射信号，其扩展编码（射信号，其扩展编码（Spreading Code）位长为）位长为216，射频带，射频带宽为宽为26MHz。与传统的无线电窄带调制发射方式不同，这是宽带。与传统的无线电窄带调制发射方式不同，这是宽带调制发射。故它具有传输速率高（达调制发射。故它具有传输速率高（达2Mbi

33、t/s），发射功率小），发射功率小（只有（只有100200mW），保密性好，抗干扰能力很强，不与其他），保密性好，抗干扰能力很强，不与其他无线电设备及用户互相干扰的特点。更方便的是易于多点通信，无线电设备及用户互相干扰的特点。更方便的是易于多点通信，这是因为它和一般无线电通信采用的频分式或时分式不同，扩频这是因为它和一般无线电通信采用的频分式或时分式不同，扩频调制是码分方式。很多用户可以使用相同的通信频率，只要设置调制是码分方式。很多用户可以使用相同的通信频率，只要设置不同的标识码不同的标识码ID，就可以产生不同的伪随机码来控制扩频调制，就可以产生不同的伪随机码来控制扩频调制，即能做到互不干扰

34、的同时通信。其通信距离和覆盖范围视所选用即能做到互不干扰的同时通信。其通信距离和覆盖范围视所选用的天线不同而异；定向传送距离为的天线不同而异；定向传送距离为540km；室外的全向天线可；室外的全向天线可覆盖覆盖1.510km的半径范围；室内全向可覆盖最大半径为的半径范围；室内全向可覆盖最大半径为250m的的5000m2范围。电波能穿透几层墙或两层楼的混凝土楼板。范围。电波能穿透几层墙或两层楼的混凝土楼板。 由此可见，微波扩频通信技术为计算机无线网提供了良好的通信由此可见，微波扩频通信技术为计算机无线网提供了良好的通信信道。信道。11.1.6 无线局域网物理层无线局域网物理层 无线局域网的物理层

35、共有无线局域网的物理层共有3种接口方式。种接口方式。（1）跳频扩频（）跳频扩频（FHSS）物理层接）物理层接口。口。 FHSS规范定义了物理层帧的格式，规范定义了物理层帧的格式，通过跳频功能和频移键控调制技术，通过跳频功能和频移键控调制技术，即即PMD利用它们将二进制数据帧转利用它们将二进制数据帧转换为适合无线电波传播的信号，通换为适合无线电波传播的信号，通过过PMD使用使用FHSS发送数据帧。发送数据帧。（2）直接序列扩频（）直接序列扩频（DSSS）物）物理层接口。理层接口。 DSSS PLCP规范定义了物理层规范定义了物理层帧的格式。帧的格式。DSSS PMD解释工解释工作站如何利用作站如

36、何利用DSSS发送帧。通发送帧。通过过PMD将二进制数据帧转换成将二进制数据帧转换成适合无线电波传播的信号。适合无线电波传播的信号。（3）红外线（）红外线（IR）物理层接口。）物理层接口。 通过对通过对PMD工作站利用红外线物工作站利用红外线物理层发送帧以及理层发送帧以及PMD利用调制技利用调制技术将二进制数据帧转换成适合红外术将二进制数据帧转换成适合红外线光传播的信号。线光传播的信号。 为了能够说明无线局域网物理层物为了能够说明无线局域网物理层物理接口，还需要介绍物理层物理接理接口，还需要介绍物理层物理接口特性。口特性。1. 跳频扩频的特性跳频扩频的特性 FHSS有以下特性有以下特性: 成本

37、低；成本低； 能量耗废量低；能量耗废量低； 最强的抗干扰能力；最强的抗干扰能力； 单物理层数据传输率具有最小的电单物理层数据传输率具有最小的电压；压； 多物理层具有最大的集成能力；多物理层具有最大的集成能力； 发送范围小于发送范围小于DSSS，但大于，但大于IR。2. 直接序列扩频的特性直接序列扩频的特性 直接序列扩频（直接序列扩频（DSSS）与跳频扩频相比，具有以）与跳频扩频相比，具有以下特点下特点: 成本最高；成本最高； 能量消耗最大；能量消耗最大； 接收口的数据率最高；接收口的数据率最高； 和跳频扩频相比，它的多物理层集成能力低；和跳频扩频相比，它的多物理层集成能力低； 其可支持的不同地

38、理位置无线电小区的个数最少，其可支持的不同地理位置无线电小区的个数最少，所以限制了可提供的信道数；所以限制了可提供的信道数； 其发送距离比跳频扩频和红外线物理层都大。其发送距离比跳频扩频和红外线物理层都大。 它的通信方式采用的是不覆盖脉冲，数据码速率它的通信方式采用的是不覆盖脉冲，数据码速率是是11Mbit/s。占用的带宽大概为。占用的带宽大概为26MHz，ISM的的2.4GHz频段分成频段分成11个相互覆盖的频道。每两个个相互覆盖的频道。每两个信道之间的中心频带间隔是信道之间的中心频带间隔是5 MHz。3. 红外线的特性红外线的特性 红外线接口具有以下特性红外线接口具有以下特性: 成本低；成

39、本低； 对对RF（Radio Frequency，无线频率）干扰的容，无线频率）干扰的容忍度最高；忍度最高； 相对扩频无线电系统，红外线的传播距离最短；相对扩频无线电系统，红外线的传播距离最短； 抗窃听能力最强；抗窃听能力最强； 多工作在有顶蓬的地方（主要是在户内），顶蓬多工作在有顶蓬的地方（主要是在户内），顶蓬作为红外线信号的反射点；作为红外线信号的反射点； 在世界范围内都没有频率限制。在世界范围内都没有频率限制。 IEEE 802.11标准推荐技术，使用时它的光波长规标准推荐技术，使用时它的光波长规定在定在850950mm之间。之间。 IEEE原计划原计划1993年推出的关于无线网络标年推

40、出的关于无线网络标准准802.11技术规范，由于各种原因，直到技术规范，由于各种原因，直到1997年年7月才正式出台，但现在已成为无线月才正式出台，但现在已成为无线联网技术循序渐进发展和市场不断开拓的联网技术循序渐进发展和市场不断开拓的基础。基础。 这个技术规范旨在解决不同厂商这个技术规范旨在解决不同厂商1bit/s、2Mbit/s和和10Mbit/s无线局域网产品的兼容无线局域网产品的兼容问题，同时也对网络产品的价格下调问题问题，同时也对网络产品的价格下调问题产生了积极的影响，有助于市场的发展。产生了积极的影响，有助于市场的发展。 IEEE 802.11标准为无线局域网定义了物理层标准为无线

41、局域网定义了物理层（PHY）和介质访问控制层（）和介质访问控制层（MAC）的结构。对）的结构。对于物理层定义了于物理层定义了3种不同的传输方式种不同的传输方式: 采用红外线传输方式或两种不同的射频信号传输采用红外线传输方式或两种不同的射频信号传输方式；方式； 直序扩频技术（直序扩频技术（DSSS）；）； 跳频扩频技术（跳频扩频技术（FHSS）。）。 同时还定义了直序扩频技术（同时还定义了直序扩频技术（DSSS），如采用），如采用DBPSK（差分二相移相键控）编码方式，其传（差分二相移相键控）编码方式，其传输峰值速率可达到输峰值速率可达到1Mbit/s，而采用，而采用DQPSK（差（差分正交移相

42、键控）编码方式则传输速率可达分正交移相键控）编码方式则传输速率可达2Mbit/s。同时。同时FHSS PHY还可以利用还可以利用GFSK二级二级或四级调制方式允许或四级调制方式允许2Mbit/s工作速率，以便满工作速率，以便满足市场对不同性能价格比产品的需求。足市场对不同性能价格比产品的需求。 IEEE 802.11标准的介质访问控制（标准的介质访问控制（MAC）单元使）单元使得无线网络可通过其桥接器与标准的有线网络得无线网络可通过其桥接器与标准的有线网络（LAN）一起工作，以保证有线网与无线网节点）一起工作，以保证有线网与无线网节点逻辑上的无差别性及互操作性。但无线网的逻辑上的无差别性及互操

43、作性。但无线网的MAC与有线网的与有线网的MAC有所不同，但此不同均被转接处有所不同，但此不同均被转接处的存取点遮掩掉了。的存取点遮掩掉了。 无线网络标准采用无线网络标准采用CSMA/CA（带有回避冲突的载（带有回避冲突的载波侦听多路访问）的波侦听多路访问）的MAC方式，同时方式，同时IEEE 802.11标准还提供漫游功能等多方面优势，它允标准还提供漫游功能等多方面优势，它允许一台客户机在多个无线子网中漫游，同时还可许一台客户机在多个无线子网中漫游，同时还可以工作在同一或不同的信道中。但标准并不保证以工作在同一或不同的信道中。但标准并不保证客户机在多个子网中由不同的产品供应商提供的客户机在多

44、个子网中由不同的产品供应商提供的产品之间漫游。产品之间漫游。 美国朗讯科技、美国朗讯科技、Aironet、数字海洋、数字海洋（Digital Ocean）等无线网络产品的主要）等无线网络产品的主要公司已联手开发了公司已联手开发了“接入点互联协议接入点互联协议（IAPP，Inter Access Point Protocol）”规范。规范。IAPP规范将推广到更多厂家，使它规范将推广到更多厂家，使它们产品具有互通性，对于们产品具有互通性，对于“接入点接入点”则应考则应考虑以下几点虑以下几点: 原始投资低，操作简便，维护费用低；原始投资低，操作简便，维护费用低； 可迅速安装；可迅速安装； 易于一体

45、化。易于一体化。 由于许多无线局域网用户使用便携式终端及工作由于许多无线局域网用户使用便携式终端及工作站，站，IEEE 802.11标准给无线标准给无线MAC增加了多项功增加了多项功能，使便携电脑通过电源管理功能延长电池寿命。能，使便携电脑通过电源管理功能延长电池寿命。对于无线网系统，在特定或用户自定义的时间段对于无线网系统，在特定或用户自定义的时间段内没有活动时，典型的系统电源管理方式使系统内没有活动时，典型的系统电源管理方式使系统处于休眠状态（低电压或断电状态）。但不幸的处于休眠状态（低电压或断电状态）。但不幸的是休眠有可能导致关键网络数据丢失，为支持周是休眠有可能导致关键网络数据丢失，为

46、支持周期性进入休眠状态的客户机，期性进入休眠状态的客户机，IEEE 802.11规定规定接入点（接入点（AP）需要缓冲器，让传输的报文排队。）需要缓冲器，让传输的报文排队。而朗讯科技的而朗讯科技的Wave LAN产品的休眠则可能间断产品的休眠则可能间断性地清醒及恢复任何信息，接入点设备（性地清醒及恢复任何信息，接入点设备（AP）也允许经特别处理后消除被恢复的信息。也允许经特别处理后消除被恢复的信息。 MAC层协议则使用层协议则使用CSMA/CA信令，与标准以太信令，与标准以太网协议（网协议（CSMA/CD）可无缝连接运作。尽管无线）可无缝连接运作。尽管无线局域网与有线局域网有些不同，也需要一个

47、接入局域网与有线局域网有些不同，也需要一个接入连接点（连接点（AP）连接，但其兼容性会使得）连接，但其兼容性会使得Wave LAN在与在与LAN结合运行连成一网时，易于安装、结合运行连成一网时，易于安装、运行和管理，而且还能有更多的特性，诸如异地运行和管理，而且还能有更多的特性，诸如异地漫游、电源管理等。如是符合漫游、电源管理等。如是符合802.11 WLAN标准标准的产品则能使终端工作站在多个不同的接入点的产品则能使终端工作站在多个不同的接入点（AP）的相同或不同的信道中，每个）的相同或不同的信道中，每个AP点每隔点每隔100ms发射一个控制信号，每个控制信号包括一发射一个控制信号，每个控制

48、信号包括一个同步信号标志、传输指令及支持的传输速率的个同步信号标志、传输指令及支持的传输速率的信息。漫游用户将利用控制号规定其实时的连接，信息。漫游用户将利用控制号规定其实时的连接，如果连接的信号很弱，漫游的工作站则会自动连如果连接的信号很弱，漫游的工作站则会自动连接到另一个接到另一个AP点。点。 目前，用于无线局域网的网卡（目前，用于无线局域网的网卡（NIC）在功能上要）在功能上要求做到以下几点求做到以下几点: 从驱动程序接收时间并装帧发送；从驱动程序接收时间并装帧发送； 从扩频通信机接收数据，拆帧并送至驱动程序；从扩频通信机接收数据，拆帧并送至驱动程序； 介质访问控制（介质访问控制（MAC

49、）；）； 与主机的总线接口；与主机的总线接口； 移动管理移动管理越区切换、用户登录与认证；越区切换、用户登录与认证； 网络同步网络同步指本站与基站和指本站与基站和WLAN的其他站达的其他站达到时钟同步；到时钟同步； 节能管理节能管理当无业务量或者业务量少时，使物当无业务量或者业务量少时，使物理层处于睡眠状态或节能工作模式。理层处于睡眠状态或节能工作模式。关于关于IEEE 802.11标准的介质访问控制协议简述如下标准的介质访问控制协议简述如下: 介质访问控制协议即介质访问控制协议即IEEE 802.11 MAC，其基础是，其基础是CSMA/CA，在它之上可配置无竞争信道访问的接入，在它之上可配

50、置无竞争信道访问的接入机制，这就是中心网控方式（机制，这就是中心网控方式（PCF）。在）。在PCF方式方式中，时间域被划分为超帧格式。在超帧的无竞争期，中，时间域被划分为超帧格式。在超帧的无竞争期，由中心控制节点（一般是由中心控制节点（一般是AP）进行轮询，某一时刻）进行轮询，某一时刻仅允许一个站点发送。而在超帧的竞争期，使用改仅允许一个站点发送。而在超帧的竞争期，使用改进的进的CSMA/CA方式，或称分布接入方式（方式，或称分布接入方式（DCF）。）。这样，这样，IEEE 802.11除了能以竞争接入方式支持异步除了能以竞争接入方式支持异步业务外，还能以无竞争的访问方式支持同步业务或业务外，

51、还能以无竞争的访问方式支持同步业务或时限业务。时限业务对于实时数据和语音通信是至时限业务。时限业务对于实时数据和语音通信是至关重要的。关重要的。下面对介质访问控制协议作下面对介质访问控制协议作4点说明。点说明。1. CSMA/CA与与DCF 基本的基本的CSMA/CA与访问控制与访问控制 IEEE 802.11 MAC有两种访问控制方式，即有两种访问控制方式，即DCF和和PCF，二者的基础是，二者的基础是CSMA/CA。IEEE 802.11 MAC采用的基本的采用的基本的CSMA/CA算法非常简单：当算法非常简单：当监测到信道空闲时间大于某一帧间隔（监测到信道空闲时间大于某一帧间隔（IFS）

52、后）后立即开始发送帧；否则延迟接入直至监测到需要立即开始发送帧；否则延迟接入直至监测到需要的帧间隔，然后选择退避时延进入退避；退避结的帧间隔，然后选择退避时延进入退避；退避结束后重新开始上述过程。基本的束后重新开始上述过程。基本的CSMA/CA利用利用物理层提供的载波监测指示信号物理层提供的载波监测指示信号CS监测信道的监测信道的忙闲。忙闲。IEEE 802.11 MAC规定了规定了3种访问优先级，种访问优先级，根据优先级不同，根据优先级不同，IFS也不同。也不同。 Short优先级：是需要立即响应业务（如某优先级：是需要立即响应业务（如某些控制帧）的优先级。例如，些控制帧）的优先级。例如，M

53、AC层的层的ACK帧，或当采用帧，或当采用PCF时主机对轮询的响时主机对轮询的响应帧等。该优先级的帧间隔被称为应帧等。该优先级的帧间隔被称为SIFS。 PCF优先级：优先级：PCF接入方式的优先级。该优接入方式的优先级。该优先级的帧间隔被称为先级的帧间隔被称为DIFS。 DFS是动态频率选择，优先级最高。是动态频率选择，优先级最高。 上述各上述各IFS满足：满足：DFSDIFSSIFS。 增强型增强型CSMA/CA 为了增强基本为了增强基本CSMA/CA对异步业务传输的可靠性，对异步业务传输的可靠性，IEEE 802.11 MAC建立在建立在CSMA/CA的基础上并使的基础上并使用用MAC层确

54、认机制，也就是层确认机制，也就是CSMA/CAACK，这样可以在这样可以在MAC层对帧丢失予以检测并重发送。层对帧丢失予以检测并重发送。此外，为了进一步减小在各种环境下的碰撞概率，此外，为了进一步减小在各种环境下的碰撞概率，源站与目的站可在数据传送前交换简短的控制帧，源站与目的站可在数据传送前交换简短的控制帧，即即RTS/CTS，它们以，它们以Short优先级接入信道。优先级接入信道。RTS/CTS帧中的帧中的Duration字段被各站点（目的站字段被各站点（目的站除外）用于设置它们的网络分配矢量（除外）用于设置它们的网络分配矢量（NAV，Net Allocation Vector），以确定信

55、道将被占用多长），以确定信道将被占用多长时间，这样，载波监测的功能可由监测、维护时间，这样，载波监测的功能可由监测、维护CS及及NAV实现。实现。IEEE 802.11 MAC要求要求DCF方式必方式必须支持基本的须支持基本的CSMA/CA，可选地支持增强型，可选地支持增强型CSMA/CA，即，即CSMA/CAACK与与CSMA/CAACKRTS/CTS。 延迟接入与退避算法延迟接入与退避算法 如上所述，欲发送帧的站检测到信道忙时就会延迟接入，如上所述，欲发送帧的站检测到信道忙时就会延迟接入，直到监测到信道空闲时间大于直到监测到信道空闲时间大于DIFS/SIFS后，选择一个退后，选择一个退避时

56、间值，然后进入退避状态。这样可解决正在处于延避时间值，然后进入退避状态。这样可解决正在处于延迟的多个站间的竞争。迟的多个站间的竞争。 在退避状态下，只有当检测到信道空闲时，退避计时器在退避状态下，只有当检测到信道空闲时，退避计时器才计时。如果检测到信道忙，则退避计时器将停止计时，才计时。如果检测到信道忙，则退避计时器将停止计时，直到检测到信道空闲时间大于直到检测到信道空闲时间大于DIFS后，计时器才重新继后，计时器才重新继续计时。这一做法的作用是：当多个站延迟并进入随机续计时。这一做法的作用是：当多个站延迟并进入随机退避状态后，退避时间值（退避状态后，退避时间值（Backoff）最小的站将在竞

57、争）最小的站将在竞争中获胜，从而获得对介质的访问权，在竞争中失败的站中获胜，从而获得对介质的访问权，在竞争中失败的站会保持在退避状态直到下一个会保持在退避状态直到下一个DIFS。这样，这些主站就。这样，这些主站就有可能比第一次进入退避的新站具有更短的退避时间。有可能比第一次进入退避的新站具有更短的退避时间。另外，退避过程也可重传。另外，退避过程也可重传。 防止重帧防止重帧 因为在因为在IEEE 802.11 MAC中引入了确认和中引入了确认和重传，所以可能产生重帧现象，即接收站重传，所以可能产生重帧现象，即接收站可能会收到多个相同的帧。可能会收到多个相同的帧。IEEE 802.11 MAC利用

58、帧中的利用帧中的MPDU-ID域防止重帧现象。域防止重帧现象。同一同一MPDU中的帧具有相同的中的帧具有相同的MPDU-ID值，值，在不同在不同MPDU中的帧，其中的帧，其MPDU-ID值不同。值不同。接收站保持一个接收站保持一个PDU-ID缓冲区，它将拒缓冲区，它将拒收那些收那些PDU-ID值与缓冲区某一值与缓冲区某一MPDU-ID值相同的重传帧。值相同的重传帧。2. 中心网控方式（中心网控方式（PCF） PCF支持的业务模型支持的业务模型 IEEE 802.11 MAC的业务模型请参见科学的业务模型请参见科学出版社出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版

59、的图版的图11-1，PCF方式由方式由CSMA/CA协议提供的访问优先级实现，它协议提供的访问优先级实现，它可支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业可支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业务。而务。而DCF仅支持竞争型异步业务。仅支持竞争型异步业务。 超帧结构超帧结构 IEEE 802.11 MAC使用图使用图11-2所示的超帧实现所示的超帧实现PCF。在一个超帧期间（。在一个超帧期间（SFP），），PCF使用无竞使用无竞争期（争期（CFP），），DCF使用竞争期（使用竞争期（CP）。）。 在超帧开始时，如果信道空闲，则在超帧开始时，如果信道空闲，则PCF获得信道获得信道访问权；否则，访问权；否则

60、，PCF会延迟，直到它检测到信道会延迟，直到它检测到信道空闲时间大于空闲时间大于PIFS，才能获得信道访问权。这样，才能获得信道访问权。这样，就可能引起超帧的扩展，导致超帧中就可能引起超帧的扩展，导致超帧中CFP的起始的起始点可变，从而使点可变，从而使CFP的长度可变。而的长度可变。而DCF的异步的异步业务将自动地延迟到业务将自动地延迟到CFP之后才能获得信道访问之后才能获得信道访问权。权。 PCF协议原理协议原理 采用采用PCF协议轮询机制，即如果某站（如手持或协议轮询机制，即如果某站（如手持或固定站点）希望提供无竞争服务，则需要向固定站点）希望提供无竞争服务，则需要向AP（Access P