无线局域网的发展趋势及应用

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   进入90年代末,随着Internet和手提电脑的普及。人们越来越想随时上网、随时在线,正是人们这种旺盛的需求,推动无线网络迅猛发展。自从1999年8月IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,美国电气和电子工程师学会)发布IEEE802.11b和IEEE802.11a无线互连协议以来,各种无线局域网产品如雨后春笋般地涌现,无线局域网正在快速走进我们的生活。正如美国著名网络专家PerryBalow宣称“无线网络将成为继钻燧取火之后人类最重大的发明,并将成为移动网络宣言。”因为,无线网络将创造人类新的时代——无线互联时代,就像60年代电视改变了娱乐界,造就了“电视的时代”,80年代电脑改变了人们的工作,促成了“Computer时代”,90年代Internet改变了人们获取信息的方式,诞生了“网络时代”一样,无线互联时代将造就崭新的Wireless时代我们可以称呼其“W时代”。专门研究市场变化的Philips公司预言,无线网络产品将从1999年的30亿美元增至2004年的
  1.7万亿美元。另一家叫做Instat的公司甚至更乐观地估计,2004年的无线网络市场将达2.2万亿美元。据IDE预测表明2003年通过有线上网和移动上网的人同样是6亿,人有线上网的人每天在网上停留3个小时,而无线上网时间则为16个小时。这意味着,每天全世界无线上网的时间为96亿小时。这些数字足以支撑“W时代”的存在。
  
  无线局域网的概念及技术特点
  
  1.无线局域网的概念
  无线局域网络(WirelessLocalAreaNetworks,WLAN)是相当便利的数据传输系统,它利用射频(RadioFrequency,RF)技术,取代旧式碍手碍脚的双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络,使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它,达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。
  2.无线局域网的技术特点
  目前无线局域网运用的通信技术主要可分为三大类:窄频微波(NarrowbandMicrowave)技术、展(扩)频(SpreadSpectrum)技术及红外线(Infrared)技术,而展频技术已成为主流,因此我们只对该技术的特点进行详细的探讨。
  展频技术的无线局域网是依据FCC(FederalCommunicationsCommittee,美国联邦通讯委员会)规定的ISM(IndustrialScientific,andMedical),频率范围在902M~928MHz及2.4G~2.484GHz两个频段,由于这两个频段是开放的,所以并没有所谓使用授权的限制。展频技术就是采用某个特定的扩频编码函数将待传信息的频谱扩展,使之成为宽带信号送入信道中传输,再利用相应的手段将其压缩,从而获得传输信息的系统。其主要特点是,具有选择地址的能力;可用码分复用实现多址通信;抗干扰能力强;安全保密性好;抗多径能力强;抗衰落能力强,展频技术主要又分为“跳频技术”及“直接序列”两种方式。而此两种技术是在第二次世界大战中军队所使用的技术,其目的是希望在恶劣的战争环境中,依然能保持通信信号的稳定性及保密性。
  
  *跳频技术(FHSS)
  跳频技术(Frequency-HoppingSpreadSpectrum,FHSS)在同步、且同时的情况下,接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号,对于一个非特定的接受器,FHSS所产生的跳动讯号对它而言,也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道,并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求,使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔(DwellTime)为400ms。
  
  *直接序列展频技术(DSSS)
  直接序列展频技术(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)是将原来的讯号“1”或“0”,利用10个以上的chips来代表“1”或“0”位,使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。而每个bit使用多少个chips称做Spreadingchips,一个较高的Spreadingchips可以增加抗噪声干扰,而一个较低SpreadingRation可以增加用户的使用人数。
  基本上,在DSSS的SpreadingRation是相当少的,例如在几乎所有
  2.4GHz的无线局域网络产品所使用的SpreadingRation皆少于20。而在IEEE802.11的标准内,其SpreadingRation大约在100左右。
  
  *DSSSvsFHSS之优劣
  DSSS技术在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势,而FHSS技术在需要低成本的应用中较占优势。
  一般而言,DSSS由于采用全频带传送资料,速度较快,未来可开发出更高传输频率的潜力也较大。DSSS技术适用于固定环境中或对传输品质要求较高的应用,因此,无线厂房、无线医院、网络社区、分校连网等应用,大都采用DSSS无线技术产品。FHSS则大都使用于需快速移动的端点,如移动电话在无线传输技术部分即是采用FHSS技术;且因FHSS传输范围较小,所以往往在相同的传输环境下,所需要的FHSS技术设备要比DSSS技术设备多,在整体价格上,可能也会比较高。以目前企业需求来说,高速移动端点应用较少,而大多较注重传输速率及传输的稳定性,所以未来无线网络产品发展应会以DSSS技术为主流。
  
  无线局域网的协议标准
  
  目前,无线局域网有很多协议标准,如IEEE802.11、IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11e、蓝牙(Bluetooth)又称IEEE802.15、HomeRF、OpenAir等。(见表)


  虽然标准众多,但大致可分为两大发展方向:以高速传输应用发展为主(IEEE802.11b、IEEE802.11a);以低速短距离的应用为主(蓝牙和
  HomeRF),其中,IEEE802.11系列的速度较快,稳定性和互用性较高,适用于区域网;而蓝牙速度较慢,但移动性强、体积小,适合移动电话、个人数字助理(PDA)或个人电脑(PC)等设备的短距离互连,并发起了全新概念个人区域网(PAN)。从发展趋势来看,IEEE802.11协议系列大有一统无线局域网协议标准之势,因此,我们对它的原理作进一步的阐述。
  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2400-2483.5MHz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1Mbit/s及2Mbit/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1Mbit/s传输速率(2Mbit/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1Mbit/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2Mbit/s的速率,因此DSSS技术在无线网络产品中得到了广泛应用。IEEE802.11无线网络标准主要有如下功能:
  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。IEEE802.11MAC的基本存取方式称为CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance),与以太网络所用的CSMA/CD(CollisionDetection)变成了碰撞防止(CollisionAvoidance),这一字之差是很大的。因为在无线传输中感测载波及碰撞侦测都是不可靠的,感测载波有困难。另外通常无线电波经天线送出去时,自己是无法监视到的,因此碰撞侦测实质上也做不到。在802.11中感测载波是由两种方式来达成,第一是实际去听是否有电波在传,及加上优先权的观念。另一个是虚拟的感测载波,告知大家待会有多久的时间我们要传东西,以防止碰撞。
  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WavePOINTⅡ无线网桥每隔100ms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MobileClient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。
  IEEE802.11a和IEEE802.11b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: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。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11Mbit/s自动降至5.5Mbit/s,或者再降至直序列扩频技术的2Mbit/s及1Mbit/s速率。
  IEEE802.11e是第一个真正的通用无线标准协议,是第一种能实现企业、家庭和公共场所之间的无缝连接与操作的协议。其特点是它向802.11a和
  802.11b无线协议中增加了服务质量(QoS)特性和多媒体支持,同时保持与这些标准的向后兼容性。
  
  无线局域网应用组网方案
  组建无线局域网一般需要增加AccessPoint和WirelessLANCard两种硬件设备,AccessPoint一般俗称为网络桥接器,顾名思义即是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之桥梁,因此任何一台装有无线网卡之PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络之资源。除此之外,AP本身又兼具有网管之功能,可针对接有无线网络卡的PC作必要的控管。
  WirelessLANCard一般称为无线网络卡,其与传统Ethernet网络卡的差别是在于前者之资料传送乃是藉由无线电波,而后者则是透过一般的网络线。目前无线网络卡的规格大致可分成2M、5M、11M三种,而其适用的界面可分为PCMCIA、ISA、PCI。
  
  无线解决方案
  1.AdHoc(对等网络)
  由一组装有无线网卡的电脑组成,并且这些电脑拥有相同的工作组名、ESSID和密码(如果适用的话)。任何时间内,只要任意两台电脑互相都在彼此的网卡通讯范围之内,它们就可以建立一个独立的对等网络。


  如果您的PC机没有PC卡(PCMCIA)接口,那么您可以使用一个ISA-PCMCIA或PCI-PCMCIA的转换卡来接入。网络结构如图1所示:
  2.AdHoc(对等网络)扩展


  通过使用中继器(AccessPoint),传输距离加倍。网络结构如图2所示:
  3.基础结构网络(Infrastructure)


  在基础结构网络中,复合的中继站在扩展无线网络的同时,把无线局域网与有线局域网联接起来,并允许用户有效地共享网络资源。重叠覆盖的使用复合中继站的配置组合。可以使一个移动用户在相当大的范围内进行网络漫游,而保持持续访问你的网络资源不被中断。网络结构如图3所示。
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