Admin全面解析802.11无线技术
·802.11无线网络标准详解
1990年,早期的无线网络产品Wireless LAN在美国出现,1997年IEEE802.11无线网络标准颁布,对无线网络技术的发展和无线网络的应用起到了重要的推动作用,促进了不同厂家的无线网络产品的互通互联。1999年无线网络国际标准的更新及完善,进一步规范了不同频点的产品及更高网络速度产品的开发和应用。
一、1997年版无线网络标准
1997年版IEEE802.11无线网络标准规定了三种物理层介质性能。其中两种物理层介质工作在2400--2483.5 GHz无线射频频段(根据各国当地法规规定),另一种光波段作为其物理层,也就是利用红外线光波传输数据流。而直序列扩频技术(DSSS)则可提供 1Mb/S及2Mb/S工作速率,而跳频扩频(FHSS)技术及红外线技术的无线网络则可提供1Mb/S传输速率(2Mb/S作为可选速率,未作必须要求),受包括这一因素在内的多种因素影响,多数FHSS技术厂家仅能提供1Mb/S的产品,而符合IEEE802.11无线网络标准并使用DSSS直序列扩频技术厂家的产品则全部可以提供2Mb/S的速率,因此DSSS技术在无线网络产品中得到了广泛应用。
1.介质接入控制层功能
无线网络(WLAN)可以无缝连接标准的以太网络。标准的无线网络使用的是(CSMA/CA)介质控制信息而有线网络则使用载体监听访问/冲突检测(CSMA/CA),使用两种不同的方法均是为了避免通信信号冲突。
2.漫游功能
IEEE802.11无线网络标准允许无线网络用户可以在不同的无线网桥网段中使用相同的信道,或在不同的信道之间互相漫游,如Lucent的WavePOINT II无线网桥每隔100 ms发射一个烽火信号,烽火信号包括同步时钟、网络传输拓扑结构图、传输速度指示及其他参数值,漫游用户利用该烽火信号来衡量网络信道信号质量,如果质量不好,该用户会自动试图连接到其他新的网络接入点。
3.自动速率选择功能
IEEE802.11无线网络标准能使移动用户(Mobile Client)设置在自动速率选择(ARS)模式下,ARS功能会根据信号的质量及与网桥接入点的距离自动为每个传输路径选择最佳的传输速率,该功能还可以根据用户的不同应用环境设置成不同的固定应用速率。
4.电源消耗管理功能
IEEE802.11还定义了MAC层的信令方式,通过电源管理软件的控制,使得移动用户能具有最长的电池寿命。电源管理会在无数据传输时使网络处于休眠(低电源或断电)状态,这样就可能会丢失数据包。为解决这一问题,IEEE802.11规定了AP接入点应具有缓冲区去储存信息,处于休眠的移动用户会定期醒来恢复该信息。
5.保密功能
仅仅靠普通的直序列扩频编码调制技术不够可靠,如使用无线宽频扫描仪,其信息又容易被窃取。最新的WLAN标准采用了一种加载保密字节的方法,使得无线网络具有同有线以太网相同等级的保密性。此密码编码技术早期应用于美国军方无线电机密通信中,无线网络设备的另一端必须使用同样的密码编码方式才可以互相通信,当无线用户利用AP接入点连入有线网络时还必须通过AP接入点的安全认证。该技术不但可以防止空中窃听,而且也是无线网络认证有效移动用户的一种方法。
二、1999版无线网络标准
该版本于1999年8月颁布。除原IEEE802.11的内容之外,增加了基于SNMP协议的管理信息库(MIB),以取代原OSI协议的管理信息库。另外还增加了高速网络内容:
1.IEEE802.11a
规定的频点为5GHz,用正交频分复用技术(OFDM)来调制数据流。OFDM技术的最大的优势是其无与伦比的多途径回声反射,因此特别适合于室内及移动环境。
2.IEEE802.11b
工作于2.4GHz频点,采用补偿码键控CCK调制技术。当工作站之间的距离过长或干扰过大,信噪比低于某个门限值时,其传输速率可从11Mb/s自动降至5.5Mb/s,或者再降至直序列扩频技术的2Mb/s及1Mb/s速率。
三、无线网络 前途无量
建设符合IEEE802.11标准的无线网络,不仅可以满足目前的需要,而且日后网络还可以平滑升级,可以有效地保护投资。目前IEEE802.11 工作小组已成立了新的研究小组,对大信息流量及多工作组同时工作、流量控制及更安全的保密编码、安全认证等技术问题进行研究,随着无线网络成本的不断下调、配套技术的不断完善、覆盖范围的不断增大,无线网络的应用将会成为未来网络的技术主流。
·802.11协议的重要技术指标
由于无线局域网传输介质(微波、红外线)非“有限”的有线,客观上存在一些全新的技术难题,为此IEEE802.11协议规定了一些至关重要的技术机制。
1.CSMA/CA协议
我们知道总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD,即载波侦听多路存取/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突,因此802.11全新定义了一种新的协议,即载波侦听多路存取/冲突避免 CSMA/CA(with Collision Avoidance)。一方面,载波侦听--查看介质是否空闲;另一方面,冲突避免--通过随机的时间等待,使信号冲突发生的概率减到最小,当介质被侦听到空闲时,优先发送。不仅如此,为了系统更加稳固,IEEE802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰,或者由于侦听失败时,信号冲突就有可能发生,而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。
2.RTS/CTS协议
RTS/CTS协议即请求发送/允许发送协议,相当于一种握手协议,主要用来解决“隐藏终端”问题。“隐藏终端”(Hidden Stations)是指,基站A向基站B发送信息,基站C未侦测到A也向B发送,故A和C同时将信号发送至B,引起信号冲突,最终导致发送至B的信号都丢失了。“隐藏终端”多发生在大型单元中(一般在室外环境),这将带来效率损失,并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时,尤其需要杜绝“隐藏终端” 现象的发生。WaveLAN802.11提供了如下解决方案。在参数配置中,若使用RTS/CTS协议,同时设置传送上限字节数--一旦待传送的数据大于此上限值时,即启动RTS/CTS握手协议:首先,A向B发送RTS信号,表明A要向B发送若干数据,B收到RTS后,向所有基站发出CTS信号,表明已准备就绪,A可以发送,其余基站暂时“按兵不动”,然后,A向B发送数据,最后,B接收完数据后,即向所有基站广播ACK确认帧,这样,所有基站又重新可以平等侦听、竞争信道了。
3.信道重整
当传送帧受到严重干扰时,必定要重传。因此若一个信包越大时,所需重传的耗费(时间、控制信号、恢复机制)也就越大;这时,若减小帧尺寸--把大信息包分割为若干小信包,即使重传,也只是重传一个小信包,耗费相对小得多。这样就能大大提高WirelessLAN产品在噪声干扰地区的抗干扰能力。当然,作为一个可选项,用户若在一个“干净”地区,也可以关闭这项功能。
4.多信道漫游
人类是无限追求自由的,随着移动计算设备的日益普及,我们希望出现一种真正无所羁绊的网络接入设备。WaveLAN802.11就是这样的一种设备。传输频带是在接入设备AP(Access Point)上设置的,而基站不须设置固定频带,并且基站具有自动识别功能,基站动态调频到AP设定的频带,这个过程称之为扫描(Scan)。 IEEE802.11定义了两种模式:被动扫描和主动扫描。被动扫描是指,基站侦听AP发出的指示信号,并切换到给定的频带;主动扫描是指,基站提出一个探视请求,接入点AP回送一个包含频带信息的响应,基站就切换到给定的频带。WaveLAN802.11采用的是主动扫描,并且能结合天线接收灵敏度,以信号最佳的信道确定为当前传输信道。这样,当原来位于接入点AP(A)覆盖范围内的基站漫游到接入点AP(B)时,基站能自适应,重新以AP(B)为当前接入点。
5.可靠的安全性能
WaveLAN本身的发射功率很小,小于35mV,而且还被扩展到22MHz带宽。一方面,平均能量很低(15dBm),另一方面,不存在频率单一的载波,因此很难被扫描跟踪,这也是次项技术一直用于军事上的原因。这些是物理上的安全机制,在软件上,还采用了域名控制、访问权限控制和协议过滤等多重安全机制;并且在有线同等保密(WEP)方面,对于特殊用户,可选以下附件:基于RC4加密(1988RSA运算法则)和密码(40位加密钥匙)。
·新一代Wi-Fi标准
由Airgo、Bermai、Broadcom (博科通讯)、Conexant (科胜讯)、STMicroelectronics (意法半导体)及Texas Instruments (德州仪器)等业界大厂组成的WWiSE联盟日前宣布将把一份完整的共同建议案提交给IEEE 802.11 Task Group N (TGn),其目标是发展新一代Wi-Fi标准,并使它拥有100 Mbps以上的持续数据产出能力,MIMO-OFDM将是这种新技术的基础。IEEE 802.11n将成为无线网络市场上特别重要的标准,因为它会运用和扩大这些功能,使其支持目前正在享受Wi-Fi连接技术优点的众多使用者。
WWiSE代表全球频谱效率,它是提交给Task Group N所有建议案的重要元素,就这方面而言,WWiSE建议案的发展是以全球部署能力和向后兼容于所有其它Wi-Fi标准为主要的宗旨和强制要求,其它考量还包括数据速率必须符合重要区域市场的全球电信法规要求,例如日本。这个建议案还包含由WWiSE厂商提供的免权利金授权选项,主要目标是协助推动 802.11n技术在世界各地的部署应用。
WWiSE建议案是以目前获得全球采用的20 MHz通道格式为基础,世界各地已有超过数千万部Wi-Fi装置正在使用此格式,这种方法不但确保现有Wi-Fi产品获得支持,还可以改善Wi-Fi网络在指定频带内的工作效能。除此之外,联盟厂商也代表了组成Wi-Fi市场的半导体供应和消费领域重要交集,这将在发展厂商和最终产品制造商之间建立起坚强的合作关系。
就技术层面而言,WWiSE建议案标示着802.11实作功能的重大进步,主要特点包括:
"强制使用已经核准、现已存在且全球适用的20MHz Wi-Fi通道宽度,确保它在任何电信法规要求下都能立即使用和部署。
"更强的MIMO-OFDM技术,它是在2×2组态配置和一个20 MHz通道的最低要求下达到135 Mbps最大数据速率、进而降低实作成本的关键。这种技术还能大幅改善简单的天线延伸或信道汇整技术。
"利用4×4 MIMO架构和40 MHz通道宽度(只要主管单位允许)实现的540 Mbps最高数据速率,它能替未来的装置和应用提供持续发展的蓝图。
"强制模式提供与5 GHz和2.4 GHz频带内现有Wi-Fi装置的向后兼容性与互用性,确保已安装的设备仍能获得强大支持。
"先进的FEC编码功能帮助实现最大覆盖率和联机距离,它适用于所有的MIMO组态和通道带宽。
·新无线标准802.11n
802.11n来龙去脉
在当今各种无线局域网技术交织的战国时代,WLAN、蓝牙、HomeRF、UWB等竞相绽放,但IEEE802.11系列的WLAN是应用最广泛的。自从1997年IEEE802.11标准实施以来,先后有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e、802.11f、 802.11h、802.11i、802.11j等标准制定或者酝酿,但是WLAN依然面对着“四不一没有”的问题,即带宽不足、漫游不方便、网管不强大、系统不安全和没有杀手级的应用等。就像当今VoIP应用中一个全新的领域VoWLAN那样,虽被业内人士看作是WLAN最有希望的杀手级应用,却因为这四个“不”,很难进一步发展。
为了实现高带宽、高质量的WLAN服务,使无线局域网达到以太网的性能水平,802.11n应运而生。
500Mbps的美妙前景
在传输速率方面,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大提升。
应用前景:802.11n将使WLAN传输速率达到目前传输速率的10倍,而且可以支持高质量的语音、视频传输,这意味着人们可以在写字楼中用Wi-Fi手机来拨打IP电话和可视电话。
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。
应用前景:这使得使用笔记本电脑和PDA可以在更大的范围内移动,可以让WLAN信号覆盖到写字楼、酒店和家庭的任何一个角落,让我们真正体验移动办公和移动生活带来的便捷和快乐。
在兼容性方面,802.11n采用了一种软件无线电技术,它是一个完全可编程的硬件平台,使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容,这使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN将不但能实现802.11n向前后兼容,而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合,比如3G。
两个阵营在争标准
让人遗憾的是,802.11n现在处于一种“标准滞后、产品早产”的尴尬境地。802.11n标准还没有得到IEEE的正式批准,但采用MIMO OFDM技术的厂商已经很多,包括Airgo、Bermai、Broadcom以及杰尔系统、Atheros、思科、Intel等等,产品包括无线网卡、无线路由器等,而且已经大量在PC、笔记本电脑中应用。
主导802.11n标准的技术阵营有两个,即WWiSE(World Wide Spectrum Efficiency)联盟和TGn Sync联盟。这两个阵营都希望在下一代无线局域网标准之争中处于优先地位,不过两大阵营的技术构架已经越来越相似,例如都是采用MIMO OFDM技术,而且在8月2日有消息称,他们已经决定不计前嫌,共同向美国电气电子工程师学会(IEEE)递交了802.11n的无线技术版本。
在这激烈的竞争中,我们却看不到中国的身影,让我们不得不感到有些遗憾。这也是我们没有核心技术的后果。标准之争最终还是利益之争,中国企业很难在WLAN核心技术方面取得巨大效益,这是很值得人们深思的。
·802.11n具体技术解析
以前的无线传输技术,发展瓶颈就在覆盖范围和传输速率上。如果覆盖范围广,那传输的速度肯定会变慢;如果传输速度上去了,那么覆盖范围肯定要缩小。那么802.11n到底是如何去解决这些问题、如何去突破这个制约无线技术的瓶颈的呢?它包含了哪些具体的新技术呢?我们在这里将一一的去分析。
OFDM技术
OFDM技术是MCM(Multi -Carrier Modulation,多载波调制)的一种。其核心是将信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,这样减少了子信道之间的相互干扰。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频率选择性衰落是平坦的,大大消除了符号间干扰,如图1所示。另外,由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。
OFDM技术解析图
还有,OFDM技术通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率,很好地解决了无线数据业务的非对称性传输问题。同时,OFDM系统还在某种程度上抑制了由于窄带干扰带来的影响。
尽管同单载波系统相比,OFDM还存在一些缺点,例如易受频率偏差的影响,存在较高的峰值平均功率比(PAR),但通过结合时空编码、分集、干扰(包括符号间干扰ISI和邻道干扰ICI)抑制以及智能天线技术,可以最大程度地提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术,可以使其性能进一步优化。
MIMO技术
多入多出(MIMO)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。
在室内,电磁环境较为复杂,多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难,多径效应会引起衰落,因而被视为有害因素。然而研究结果表明,对于MIMO系统来说,多径效应可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的,如图2所示。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k),i=1,……, N。这N个子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,从而实现最佳的处理。
MIMO技术解析图
特别是,这N个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。若各发射、接收天线间的通道响应独立,则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化,从而可实现高的通信容量和频谱利用率,这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
MIMO OFDM技术
MIMO OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集,提高了信号质量,是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术,使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加,系统原理如图3所示。MIMO OFDM主要包括以下关键设计: 发送分集、空间复用、接收分集、干扰消除、软译码、信道估计、同步、自适应调制和编码等技术,其中的技术细节在此不再冗述。
MIMO OFDM技术解析图
MAC层优化技术
从网络逻辑结构上来看,802.11只定义了物理层及介质访问控制(MAC)子层。MAC层提供对共享无线介质的竞争使用和无竞争使用,具有无线介质访问、网络连接、数据验证和保密等功能。802.11n标准小组为了提升整个网络的吞吐量,对MAC层协议也进行了优化,改变数据帧结构,增加了净负载所占的比重,减少管理检错所占的字节数,大大提升了网络的吞吐量。
智能天线技术
智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统,该阵列的输出与收发信机的多个输入相结合,可提供一个综合的时空信号。与单个天线不同的是,天线阵列系统能够动态地调整波束的方向,以使每个用户都获得最大的主瓣,并减小了旁瓣干扰。这样不仅改善了SINR(Signal-to- Interference and Noise Ratio,信号干扰和噪声比),还提高了系统的容量,扩大了小区的最大覆盖范围,减小了移动台的发射功率。智能天线的基本结构如图4所示。
智能天线技术解析图
智能天线技术保障了能够以不低于108Mbps的传输速率进行通信,同时可以作为蜂窝移动通信的宽带接入部分,与无线广域网更紧密地结合。一方面, 802.11n可以为用户提供高数据率的通信服务(比如视频点播VOD、在线观看HDTV);另一方面,无线广域网为用户提供了更好的移动性。
软件无线电技术解决移动难题
目前无线局域网多种标准并存,不同标准采用不同的工作频段、不同的调制方式,造成系统间难以互通,移动性差,而软件无线电是一种最有希望解决这些问题的技术。
软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台,所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。换言之,不同系统的基站和移动终端都可以由建立在相同硬件基础上的不同软件实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝集成,并大大降低了建设成本。
基于软件无线电的移动通信具有以下特点:
(1)在同一硬件平台上兼容不同的系统;
(2)具有自动漫游能力,能在不同系统之间进行智能切换;
(3)可以下载公用软件并进行自身的升级;
(4)支持语音、数据、图像和传真等多种业务,并能根据业务流量,信道质量等情况,自动选择合适的传输信道;
(5)自动选择通信模式,采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。
软件无线电在802.11n中的应用,将根本改变其网络结构,实现无线局域网与无线广域网融合并能容纳各种标准、协议,提供更为开放的接口,最终大大增加网络的灵活性。
作为一个新标准,与以前的802.11协议相比,IEEE802.11n无线局域网有两方面的优势。一是短期的优势,有较高的传输速率,数据传输速率达100Mbps以上,使无线局域网平滑地和有线网络结合,全面提升了网络吞吐量;二是长期的优势,今后无线局域网的产品可以使用双频方式,即在 2.4GHz和5.8GHz两个频段,基于MIMO+OFDM调制技术,提高数据传输速率。同时,802.11n的传输距离更远,容易与无线广域网融合。
编辑观点
802.11n肯定能够给WLAN带来真正的杀手级应用,想想在办公室我们可以不再使用手机、不再使用桌面电话,而是使用Wi-Fi手机,也可以使笔记本电脑不必中断网络连接而在各个办公室、会议室中移动办公。在家庭中,我们可以享受到各种宽带的无线应用,从IPTV到可视电话都可以通过WLAN实现,更重要的是各种智能家电都可以通过WLAN实现连接,与通信系统相连可以实现更加智能的控制。
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