计算机网络与工程实践教程讲座(11)主讲内容无线网络

计算机网络与工程实践教程讲座(11)黎连业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》第1版科学出版社(2007.12)第11章无线网络本章重点讨论以下内容：•无线网络的概述;•无线网络标准与协议;•无线应用协议（WAP）;•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LMDS;•微波扩频通信技术;•无线网络典型连接方式;•无线联网方案。11.1无线网络的概述近年来，由于无线通信技术的发展，出现了移动上网，无线Internet。而11Mbit/s、54Mbit/s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。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。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。（2）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:（1）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;（3）建立透明式网络链路;（4）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;（6）用无线电波通信、不用电缆;（7）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;（9）低功耗，0.1W可实现30km通信;（10）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：（1）适用工矿、企业、广域远距离联网;（2）适合银行、保险、工商、税务、证券系统网络;。（3）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;（5）用于海关、港口、机场联网;（6）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;（8）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。无线网络室内天线覆盖范围请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1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《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-2。11.1.1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IEEE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考虑使用无线局域网产品来满足应用上的需求。总的来说，无线局域网在以下几个方面有非常现实的意义:•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。•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。•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域网，满足用户无线终端入网的需求。无线局域网技术有：（1）无线个人网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）。•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。•无线局域网。•IEEE802.11a/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。（2）无线广域网（WWAN，WirelessWideAreaNetwork）。•GSM/GPRS/CDMA/UMTS。•主要用于广域范围内信息设备的无线网络连接。11.1.2无线网络的发展过程无线局域网是1990年出现的，但是，无线局域网的研究可以追溯到20世纪70年代早期，主要的领导者是AT&T的贝尔实验室，早期的产品为频分多址（FDNA）模拟蜂窝系统技术。20世纪70年代后期瑞士IBMRuschlikon实验室的Gfeller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。语音的无线网络历史从此展开，直到1998年开始3G标准化。面向语音的历史进展请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-3。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，其历史进展请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-4。11.1.3无线网络分代1.第一代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（GSM，GlobleSystemofMobilecommunications）为导向，人们习惯地把这一阶段研究称之为第一代（1G）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（FDDFrequencyDuplexing）模拟。典型的在每个方向上都分配整个频段。例如AMPS、TACS和NTM-900在每个方向上的频段都是25MHz。这些系统的主要工作频率是800MHz和900MHz频段。理想情况下，频段和使用地区请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-5。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了移动数据业务，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（2G）系统。2.第二代第二代系统主要表现为4个方面，它们是：数字蜂窝移动系统、PCS、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。•数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统有4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，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；JDC是日本的数字移动通信标准；IS-95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JDMA技术、IS-95系统使用的是CDMA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版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-6。2G的PCS个人通信业务（PCS，PersonalCommunicationsServices）是从1G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。其比较结果请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-7。对于PCS的标准规范有4个，它们是：•CT-2和CT-2+，是欧洲和加拿大的标准，也是第一个无绳电话标准；•DECT，是欧洲的标准；•PHS，日本的标准；•PACS，美国的标准。•它们的主要情况请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-8。•移动数据业务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盖范围。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，并先后出现了ARKIS、Mobitex、CDPD、TETRA、GPRS、Metricom。它们在移动数据业务上的差别，请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-9。3．第三代•第三代系统（3G）无线网络把蜂窝电话和PCS语音业务和各种分组交换数据综合在一个统一的网络中，3G的主要技术是宽带码分多址（WCDMA，WidebandCodeDivisionMultipleAccess），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2Mbit/s的连接）和不同的运行环境。•3GSM（WCDMA）和EDGE是被国际电信联盟（ITU）认可的国际移动通信（IMT-2000）的3G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3GSM作为过渡到3G的升级途径，在2003年9月8日~10日的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。11.1.4几种无线局域网标准1990年，IEEE执行委员会成立了802.11工作组，其目标是创建无线局域网（WLAN）标准，规定为“所提议的无线LAN标准的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”。最终的标准，即正式称为IEEE无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范，并像802的IEEE标准一样（如802.3、802.5），规定了一些至关重要的技术机制。历经十几年的发展，802.11已经从最初的802.11a、802.11b发展到了目前的802.11i等8种标准。•802.11a：5GHz波段上的物理层规范。•802.11b：2.4GHz波段上的物理层规范。•802.11d：当前802.11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802.11无线局域网在其他国家的应用。•802.11e：改进和管理WLAN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传输。•802.11f：实现不同厂商无线局域网之间的互操作，保证网络内访问点之间信息的互换。•802.11g：是802.11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。•802.11h：增强5GHz波段的802.11MAC规范及802.11b高速物理层规范。•802.11i：增强WLAN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802.11b，但不兼容802.11b。无线局域网最常用的标准是IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g等几种。目前市场上的产品绝大部分均遵循IEEE802.11b标准，即数据传输速率可达5~11Mbit/s，IEEE802.11b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做无线以太网兼容性联盟（WECA）的国际性组织。WECA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IEEE802.11b后，具有54Mbit/s传输速率的符合IEEE802.11a和IEEE802.11g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HomeRF2等无线局域网技术也在广泛应用。几种无线局域网标准的性能比较请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-10。11.1.5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。（1）无线电波，即短波或超短波、微波。（2）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。•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小。•它的频率范围为300M