无线通信06 无线局域网(WIFI)和WiMAX20110330

无线通信李榕教授华南师范大学物理与电信工程学院2011年3月29日第六讲无线局域网(WIFI)和WiMAX无线局域网(WIFI)近几年来随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端和多媒体终端得到了很广泛的应用。为了实现使用户能够在任何时间，任何地点都能实现数据通信的目的，就要求计算机网络由传统的有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体发展，由此无线局域网技术得到了快速的发展。在网络高速发展的今天，可以认为无线局域网将是未来网络发展的趋势，必将最终取代传统的有线网络。一、无线局域网概述无线局域网是计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物。无线局域网（WLAN）就是不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，并能根据用户的需要随意的更改和扩展网络，实现移动应用。目前无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是有线局域网扩展和替换。它只是在有线局域网的基础上通过无线集线器、无线访问节点、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要传输介质。只是无线局域网采用的传输介质不是双绞线或者光纤，而是红外线或者无线电波。采用无线电波作为无线局域网的传输介质是目前应用最多的，这主要是因为无线电波的覆盖范围较广，应用较广泛。无线局域网使用的频段主要是S频段（2.4GHz～2.4835GHz频率范围），这个频段也叫ISM（IndustryScienceMedical）即工业科学医疗频段，该频段在美国不受美国联邦通信委员会的限制，属于工业自由辐射频段，不会对人体健康造成伤害。所以无线电波成为无线局域网最常用的无线传输媒体。美国的ISM频段•ISM频段的使用不需要经过FCC授权。•不同的国家ISM频段的位置也有所不同。•FCC强制所有在ISM频段上工作的设备都必须使用扩频技术。二、无线局域网的发展无线局域网（WirelesslocalAreaNetwork，WLAN）技术的成长始于20世纪80年代中期，它是由美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）为工业、科研和医学（ISM）频段的公共应用提供授权而产生的。这项政策使各大公司和终端用户不需要获得FCC许可证，就可以应用无线产品，从而促进了WLAN技术的发展和应用。无线计算机网络可以用来作为有线计算机网络的补充。例如，在一个办公大楼内使用的，当有线网络布线完成后又需增加或移动结点时，采用无线网络是一个好办法；有时两个相邻大楼连线困难时也可用无线网络来连接。无线局域网的传输距离一般可达1000米，使用外接高增益的天线，可接几十公里。三、无线局域网中常用的传输媒体无线局域网使用电磁波来传递信息目前无线局域网采用的传输媒体有两种：无线电波扩频方式SpreadSpectrum窄带调制方式NarrowBand红外线In－fared无线电波频技术利用开放的ISM2.4M的频段。由于此频段频谱资源拥挤，可用的带宽较少，所以必须采用扩频技术。红外技术红外技术采用小于lμm波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性。红外信号要求视距传输，对周围类似系统不会产生干扰。在实际应用中，由于红外线受日光、环境照明等影响较大，背景噪声很大，通常要求发射功率较高。四、无线局域网标准目前比较流行的有802.11标准（包括802.11a、802.11b及802.11g等标准）。Wi-Fi（WirelessFidelity）是指802.11a/b/g,就是「无线网络」。所谓Wi-Fi，其实就是IEEE802.11的別称，是由一个名为“无线以太网相容联盟”的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。Wi-FiAlliance(Wi-Fi联盟)Wi-FiAlliance在Wi-Fi的发展上一直担当着主导的角色，“无线以太网相容联盟”（简称WECA，成立于1999年8月）。蓝牙（Bluetooth）标准以及HomeRF（家庭网络）标准等。IEEE802.11协议标准是第一个被全球认可的无线局域网协议标准。802.11：原始标准，速率2Mbps，工作在2.4GHz802.11a：物理层补充，速率54Mbps，工作在5GHz802.11b：物理层补充，速率11Mbps，工作在2.4GHz802.11c：符合802.11d桥接协议得媒体访问控制（MAC）桥接（MACLayerBridging）。802.11d：根据各国无线电规定做的调整。802.11e：对服务等级（QualityofServer，QS）的支持。802.11f：基站的互连性（Interoperability）。802.11g：物理层补充，速率54Mbps，工作在2.4GHz。802.11h：无线覆盖半径的调整，室内呵室外信道（5GHz频段）。802.11i：安全和认证方面的补充。802.11b802.11a802.11g标准批准时间1999年7月1999年7月2003年6月每子频道最大的数据速率11Mbps54Mbps54Mbps调制方式CCKOFDMOFDM和CCK工作频率2.4–2.4835GHz5.15–5.35GHz5.725–5.875GHz2.4–2.4835GHz可用频宽83.5MHZ300MHZ83.5MHZ不重叠的子频道3123五、无线局域网的拓扑结构无中心设备的对等网–在无中心设备的对等网中，各主机的地位是平等的，网中主机竞争使用公共信道。该网络信道接人控制（MAC）协议大多采用CSMA（载波监测多址接人）类型的多址接人协议–网络不需要集中管理和配置设计–信道竞争将会限制网络性能–用于户相对较少的工作组规模的网络有中心设备的结构化网络（星型）在有中心设备的结构化网络中，必须至少有一台中心设备，控制网络中所有主机对网络的访问。中心设备可以是接入点、网桥集线器、计算机（基站或其他设备）等–独立型无线局域网，当接人点没有连接有线网络时，局域网称为独立型无线局域网–非独立型局域网，当接人点既连接了无线网又连接了有线网时，局域网称为非独立型网络六、无线局域网介质访问控制（MAC）协议严格说，WLAN不是以太网，因为WLAN介质访问控制（MAC）协议采用的是载波侦听多路访问中避免冲突（CSMA／CA）1信道访问由于无线频谱的不足，在不同的应用中共享带宽的有效技术显的很必要。对于持续的传输（如视频和语音），一般分配专用信道，在专用信道中，共享带宽称为多路访问。对于突发性的数据传输，使用随机信道分配，使用随机信道分配来共享带宽，称为随机访问。多路访问–多路访问技术通过带宽分割将专用信道划分给多个用户。划分频谱的方法包括频分(FDMA)、时分(TDMA)、码分(CDMA)以及这些方法的结合。在FDMA中，系统总带宽被划分为频率不重叠的正交信道，并将其分配给不同的用户。TDMA将时间划分为不重叠的时隙，并将其分配给不同的用户。在CDMA中时间和带宽同时被不同的用户使用，通过正交或半正交扩展编码进行调制。随机访问–在大多数无线数据网络中，只有一部分很少的、不可预知的以及时常变动的用户群会随时有数据发送。如果给每个用户分配专用信道会很低效，而随机分配信道对，则对信道的访问没有保证，因此需要一个随机访问协议。随机访问协议主要有两类：ALOHA技术和预留或按需分配协议。网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC媒体访问控制MAC高层OSIIEEE802物理层PHY由NOS来实现IEEE802标准2.LAN参考模型IEEE802.3的体系结构与功能实现物理层电缆连接器收发器AUI电缆网卡站接口数据封装/解封（MAC帧）链路管理（CSMA/CD协议）曼彻斯特编码/译码发送/接收MACLLC3.LAN的数据链路层按功能划分为两个子层：LLC和MAC功能分解的目的：•将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度。•局域网特点：共享信道(如总线、令牌环)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。LAN链路支持多重访问，支持成组地址和广播；支持MAC介质访问控制功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点、多路复用、流量控制、差错控制...MAC子层功能：组帧/拆帧，实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供SAP，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。LAN的链路层与传统的数据链路层的区别LLC的帧结构DSAPSSAP控制数据111/2长度无限制单位：字节高层PDULLC数据LLC首部MAC首部MAC尾部MAC数据LLC帧和MAC帧的关系DSAP：目的服务访问点；SSAP:源服务访问点；Control:控制字段,将LLC帧分为信息帧、监控帧、无编号帧，分别完成不同的功能。这部分和HDLC的叙述类似。MAC子层的地址IEEE802标准为每个厂商生产的网卡规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。——MAC地址（物理地址）MAC地址为6Byte（48位）。MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。网络层由于IEEE802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以没有网络层的很多功能(如路由选择等)，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE802标准没有单独设立网络层。高层局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、WindowsNT、Netware等。4.LAN的网络层和高层要发送的站首先监听信道，判断是否有其他站正在发送（载波监听），如果信道正在使用，该站必须等待，如果信道空闲，该站可以发送，然后等一段时间，收到确认，则认为成功，否则，冲突重发。CSMA的最大利用率取决于帧的长度和传播时间，帧越长或传播时间越短，利用率越高。（1）CSMA技术（载波监听多点接入）5.CSMA/CDCSMA最常用的方法是IEEE802.3使用的1-坚持技术，要发送的站监听信道并遵守以下原则：1）如果信道空闲，发送；否则，转2）2）如果信道忙，继续监听直到信道空闲，然后立即发送。如果有两个以上的站都在等待发送，则必然发生冲突，只有冲突后才能决定发送的次序。1）如果信道空闲，发送；否则，转2）2）如果信道忙，继续监听直到信道空闲，然后立即发送。3）如果在发送过程中检测到冲突，发送一个简单的干扰信号保证所有站点都知道发生冲突并停止发送。4）发完干扰信号后，随机等待一段时间，继续重传（从1)开始重复）（2）CSMA/CD的原则802.11协议栈的部分视图6.协议六、无线局域网的设备无线网卡–无线网卡的作用类似于以太网中的网卡，作为无线网络的接口，实现与无线网络的连接。无线网卡在传送信息时不需要双绞线或同轴电缆。–根据接口类型的不同，无线网卡主要分为：PCMCIA适用于笔记本计算机，支持热插拔PCI适用于台式计算机使用USB接口无线网卡适用于笔记本计算机和台式棚支持热插拔接入点–其作用类似于以太网中的集线器，–当网络中增加一个无线AP之后，即可成倍地扩展网络覆盖直径。–通常情况下，一个n最多可以支持多达30台计算机的接人，推荐数量为25台以下。Internet应用Internet高速无线接入WiFi无线路由器在热点区把多台计算机互相链接，以及链接到外围设备和互联网无线局域网WLAN应用3G无线接入技术的补充无线局域网WLANPLMNWiFi无线3G接入应用无线局域网WLANInternetWiFi无线路由器IPTV空调打印机IEEE802.16(WMAM/WiMax)IEEE802.16则是为制订无线城域网(WirelessMAN)标准成立的工作组，该工作组自1999年成立后，主要负责固定无线接入的空中接口标准，并没有引起很大的关注。自从支持移动特性的802.16e任务组成立以及很多主流设备制造商加盟WiMAX后