WLAN技术原理

WLAN技术原理1、WLAN协议标准目前在我国组建WLAN网络普遍的基于IEEE802.11系列标准。IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准较为成熟的主要有IEEE802.11b，a和g。1999年9月正式通过的IEEE802.11b标准是IEEE802.11协议标准的扩展。它可以支持最高11Mbps的数据速率，运行在2.4GHz的ISM频段上，采用的调制技术是补码键控调制(CCK)。但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，CCK调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率就要更高。对于接收端的RAKE接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的路径分集效果，要求RAKE接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现。随后制定的802.11a工作5GHz频段上，使用正交频分复用调制(OFDM:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)调制技术可支持54Mbps的传输速率。802.11a与802.11b两个标准都存在着各自的优缺点，802.11b的优势在于价格低廉，但速率较低(最高11Mbps);而802.11a优势在于传输速率快(最高54Mbps)且受干扰少，但价格相对较高。另外，802.11a与802.11b工作在不同的频段上，不能工作在同一AP的网络里，因此802.11a与802.11b互不兼容。为了解决上述问题、进一步推动无线局域网的发展，2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准，新的标准终于浮出了水面，成为人们对无线局域网关注的焦点。802.11g与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点:其在2.4G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上;802.11g标准能够与802.11b的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。这样原有的WLAN系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了802.11b产品的使用寿命，降低用户的投资。上述三种标准的对比，如表1-1常见的三种IEEE802.11扩展协议对比。表1-1常见的三种IEEE802.11扩展协议对比802.11b802.11a802.11g发布时间199919992003使用频率2.4GHz5GHz2.4GHz最高速率11Mbps54Mbps54Mbps兼容性兼容802.11不兼容802.11b兼容802.11a/b传输距离100-300m10-100m150m优点技术成熟，成本低速率高，频率干扰小速率高缺点速率低，频率干扰大成本高频率干扰大2、WLAN物理层物理层是OSI的第一层，他为设备之间的数据通信提供传输媒介及各种物理设备，为数据传输提供可靠的环境。他的主要功能是：(1)为数据端设备提供传送数据的通路(2)传输数据(3)完成物理层的一些管理工作简言之，物理层处理的是经过物理媒介的比特。WLAN中的传输媒介指的是无线电波和红外线，他们是无线介质。与有线介质(如电缆、光纤)相比，无线介质不受束缚，因此可以用在WLAN等移动通信中，但他是不可靠的，带宽低并且有广播的特性。无线信道(即无线电信号经过的空间)的特点就是多径衰落和多普勒扩展。这些特点以及其他一些因素使得WLAN在物理层面临以下几个问题：（1）无线传输介质有严格的带宽限制和频率规则（2）与有线局域网相比，WLAN的通信环境比较恶劣（3）信号会随时间和空间等多种路径衰减（4）不可避免地要受到一些无线和非无线设备的干扰针对问题(1)，IEEE802.11选择了免许可证的ISM频带的2.4～2.4385GHz段。针对问题(2)～(4)，IEEE802.11引入了新的无线传输技术，即扩频技术。事实上，FCC(美国联邦通信委员会)在开放ISM频带时规定，在此频带上工作的器件必须采用扩频技术，其目的是为了避免用户之间相互干扰。2.1扩频技术扩频技术包括2种基本方法：FHSS(跳频扩频技术)和DSSS(直接序列扩频技术)。和传统的无线调制技术(如MSK，QPSK)相比，扩频系统里的发射信号占据非常大的带宽，而在传统的无线调制解调器中，发射信号的带宽和基带信号的信号带宽同在一个数量级。扩频传输具有的主要特点如下：(1)扩频信号可以在工作频带上已有其他工作系统的情况下占用同一频带，但彼此性能影响最小(2)扩频信号占据频带较宽，在频率选择性衰落多路径信道下具有超过传统无线信号的优良性能。在无线传输受到严重多径干扰的环境下，扩频可以提供可靠的服务(3)扩频的抗干扰特性在非常恶劣的网络环境中(如制造工地)显得尤为重要可以看到，扩频技术的上述特点正好可以用来解决WLAN物理层中的问题。扩频技术的这些特点源于他的工作原理。扩频技术的原理如下：(1)FHSS系统中，为了避免干扰，发送器改变发射信号的中心频率。信号频率的变化，或者说频率跳跃，总是按照某种随机的模式安排的，这种随机模式只有发送器和接收器才了解。这里需要指出的是，载波频率的跳跃并不影响系统在加性噪声情况下的性能。因为在每一跳中噪声电平仍然和采用传统调制解调器的噪声电平一样，因此，在无干扰情况下FHSS系统的性能与不采用跳频的系统是一致的。当出现窄带干扰时，由于FHSS系统的载波频率一直处于变化之中，干扰和频率选择性衰落造成只破坏传输信息的一部分，在其他中心频率处传送的信号却不受影响。因此，在出现干扰信号或者系统处于频率选择性衰落信道时系统仍然可以提供可靠的传输。(2)DSSS系统中，每一个传输的信息比特被扩展(或映射)成N个更小脉冲，叫做码片(chip)。接下来，所有的码片用传统的数字调制器发送出去。在接收端，收到的码片首先被解调，然后被送到一个相关器进行信号解扩。解扩器把收到的信号和与发射端相同的扩频信号(码片序列)做相关处理。自相关函数的尖峰被用来检测发射的比特。任何数字系统占据的带宽都和其采用的发射脉冲和符号的持续时间成反比，在DSSS系统里，由于发射的码片只有数据比特的1/N，因此，DSSS信号的传输带宽是未采用扩频的传统系统的N倍。和FHSS相似，DSSS也可以抗多径和抗频率选择性衰落。2.2OFDM多载波调制技术OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM（Multi-CarrierModulation），多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。一般来说，常见的符合IEEE802.11b，a和g的支持制式，如表2-1调制技术对比：2-1调制技术对比IEEE标准IEEE802.11bIEEE802.11aIEEE802.11g调制方式DSSSOFDMDSSS/OFDM目前市场上常见的WLAN设备，以支持IEEE802.11g的设备占有有诸多的优势。802.11g采用2种调制方式，含802.11a中采用的OFDM与IEEE802.11b中采用的CCK（DSSS中的一种模式）。802.11g接入点支持802.11b和802.11g客户设备。3、WLAN数据链路层IEEE802.11是以ISO模型最低的两层为中心（物理层和数据链路层），其标准的逻辑结构包括一个单一逻辑链路层LLC(LogicLinkControl)和媒体控制层MAC(MediaAccessControl)以及多个PHY规范中的一个。所有局域网应用、操作系统或协议(包括最常见的TCP/IP)在符合802.11标准的WLAN上运行都将像在以太网中运行一样。对于应用软件来说，使用WLAN和以太网没有什么区别。IEEE802.11的数据链路层由两个子层构成，逻辑链路层LLC和媒体控制层MAC。802.11使用和802.3完全相同的LLC子层和802协议中的48位MAC地址，这使得无线和有线之间的桥接非常方便。1、CSMA/CA协议原理IEEE802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性。在802.3协议中，是由一种称为CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)的协议来完成调节，这个协议解决了在Ethernet上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题，利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。在802.11无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为”Near/Far”现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。鉴于这个差异，在802.11中对CSMA/CD进行了一些调整，采用了新的协议CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)。CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据己经正确到达目的。CSMA/CA协议的工作流程是:一个工作站希望在无线网络中传送数据，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就将数据发送出去。接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送过程完成，如果发送端没有收到ACK数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是那种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。2、MAC层的处理802.11MAC子层提供了两个强壮的功能，CRC校验和包分片。在802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位以保证它在传送的时候没有出现错误，这和Ethernet中通过上层TCP/IP协议来对数据进行校验有所不同。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这在网络十分拥挤或者存在干扰的情况下(大数据报在这种环境下传送非常容易遭到破坏)是一个非常有用的特性。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。MAC子层负责将收到的被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过程是完全透明的。4、802.11g标准介绍802.11g标准于2003年6月获得批准，它向后兼容802.11b。802.11g标准的最大传输速率与802.11a相同为54Mb/s，但它运行在2.4GHz范围，这一点与802.11b相同。由于802.11b/g运行在2.4GHz无需许可证的频段，对于已经构建了802.11b无线网络基础设施的组织来说，就比较容易迁移到802.11g。大家要牢记，802.11b产品不能通过“软件升级”到802.11g,出现这种限制的原因，是由于802.11g射頻使用了不同的芯片集，以获得更高的数据传输速率。但就像以太网和快速以太网一样，在同一个网络中，802.11g产品能够与802.11b产品一起混合使用。为了兼容现有的802.11b无线局域网设备，802.11g除了和802.11b使用相同的2.4GHz频带外，还采用了两种不同的OFDM(正交频分复用)编码技术，以和相对应的802.11b或者802.11g设备通信。也就是说，在混合使用802.11b和802.11g无线设备的网络中，使用802.11g的无线设备既可以以54Mb/s的速率和802.11b设备通信，也可以以11Mb/s的速率和802.11b设备进行通信。但是，在无线局域网中，使用的是共享信道，数据链路层使用CSMA/CA(