计算机网络笔记四 无线局域网

随着便携笔记本和智能手机的普遍使用，人们希望不论在何时、何地都能够与任何人进行包括数据、语音、图像和视频等任何内容的通信。在这样的大背景下，无线网受到越来越多的关注，成为近年来发展最快的计算机网络。无线局域网是无线网络中最重要的。

4.1 无线网络

4.1.1无线网络介绍

无线网络是利用无线介质（无线电波、红外线和激光等）作为信息传输媒介而构成的计算机网络。按照网络覆盖的地理范围分为无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）。

 

1. 无线广域网

无线广域网（WWAN）是指传输范围可跨越国家或不同城市的无线网络，由于其网络覆盖范围大，需要运营商来架设及维护整个网络。

通常我国WWAN指的就是几大电信运营商（中国移动、中国电信、中国联通等）的移动通信网。用户可以通过远程公用网络或专用网络建立无线网络连接，通过使用由运营商负责维护的若干天线基站或卫星系统，覆盖若干城市或者国家（地区）。

目前，WWAN的应用形式包括全球数字移动电话系统（GPRS）、网络数字包数据（CDPD）和多址代码分区访问（CSMA）。

WWAN标准由IEEE 802.20和3G蜂窝移动通信系统构成。WWAN应用如图4.1和图4.2所示。

图4.1

图4.2

1. 无线城域网

无线城域网（WMAN）通常用于城市范围内，其有效覆盖区域为2～10km，最大可达到30km，数据传输速率最快可达70Mbps。

WMAN采用IEEE 802.16标准，采用WiMAX和WiMesh。

(1) WiMAX。全球微波接入互操作性网络。采用IEEE802.16标准，范围覆盖50KM，点对点、点对多点的固定接入。如图4.3所示。

图4.3

(2) WiMesh，无线网状网。支持多点对多点网状结构；采用移动自组织结构；每个接入设备是并列关系；覆盖范围5KM，传输速率6Mb/s; 移动汽车时可达1-1.5Mb/s。如图4.4所示。

图4.4

1. 无线局域网

无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是以太网和无线数据通信技术相结合的产物，它以无线方式实现传统以太网的所有功能。主要用于宽带家庭、办公大楼以及园区内部。WLAN采用IEEE 802.11系列标准。

1. 无线个域网

无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）也叫无线个人网，是指在个人活动范围内所使用的无线网络，主要用途是让个人使用的手机、PDA、笔记本等可互相通信，交换数据。其典型的传输距离为几米，目前主要技术为蓝牙（Bluetooth）和超宽带（UWB）等。WPAN采用IEEE 802.15标准。

路由器路由器表4.1    广义无线局域网

类别	名称
WLAN （Wi-Fi系统）	IEEE 802.11b
	IEEE 802.11a
	IEEE 802.11g
	IEEE 802.11n
WPAN	蓝牙 （Bluetooth）
	超宽带（UWB）
	ZigBee
	HomeRF
	IrDA

 

4.1.2无线局域网

1. 无线局域网分类

作为无线网络的一大重要门类，无线局域网有狭义和广义之分。

狭义无线局域网：特指采用了IEEE 802.11系列标准的局域网。IEEE 802.11系列的无线局域网又叫做Wi-Fi系统。

广义无线局域网：以无线为传输介质的局部网络，它包含无线局域网(WLAN)和个人网技术(WPAN)。广义无线局域网对应的具体内容见表3.1。本章介绍广义无线局域网。

 

2. 无线局域网工作频率

世界上大多数国家政府都预留出了一些频段称为ISM频段用于非授权用途。

目前常用的ISM有三个频段：900MHz、2.4GHz和5.8GHz（见图4.5），主流的802.11系列WLAN产品使用ISM的后两个（2.4GHz和5.8GHz）频段。

路由器路由器图4.5    ISM频段

 

 

 

 

 

 

 

 

除WLAN以外，现在大多数短距离的无线装置，如电视遥控器、无线鼠标、无线电控制的玩具及诸多的红外、蓝牙设备等也都在使用着ISM。

为了使这些未经协调的设备之间干扰尽可能地小，工作在ISM上的设备大多采用了扩频技术。

4.2. 无线局域网的拓扑结构

4.2.1 基本结构

1. 有固定基础设施WLAN

利用预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站实现无线数据通信，该基站称为接入点AP。无线站点（STA）又叫移动站，通常由计算机加无线网卡构成，通过AP进行通信。如图4.6所示。

路由器路由器图4.6 有固定基础设施的WLAN

路由器路由器图4.7 无固定基础设施的Ad-hoc网

 

1. 无固定基础设施WLAN

   这种网络没有接入点AP，而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络（图4.7）。当移动站A和E通信时，经过A→B，B→C，C→D和最后D→E这样一连串的过程。因此在从源结点A到目的结点E的路径中的移动站B、C和D都是转发结点。

   这种无固定基础设施WLAN称为自组织网络，又称Ad-hoc网络。由于没有预先建好的基站，因此它的服务范围通常是受限的。

    

   无线局域网与有线的以太网相比，具有以下几大特点。

   1. 可移动性。通信不受环境条件的限制，拓宽了网络的传输范围。
   2. 灵活性。组网不受布线接点位置的制约，具有传统以太网无法比拟的灵活性。
2. 扩展能力强。只需通过增加AP即可对现有网络进行有效扩展。
3. 经济节约。不需要布线或开挖沟槽，安装便捷，建设成本低。

   4.2.2 基本结构扩展

   一个无线AP以及与其关联的无线客户端被称为一个基本服务集（BSS）；

   一个BSS是孤立的，可通过接入点AP连接到一个分配系统DS(例如：以太网)，然后再接到另一个BSS……这就构成一个扩展的服务集ESS。ESS还可通过门桥（Portal，无线网桥）为无线用户提供到802.x局域网的接入。

   

   现在许多地方，如办公室、机场、快餐店、旅馆、购物中心等都能向公众提供有偿或无偿接入Wi-Fi的服务。这样的地点叫做热点（hot spot）。由许多热点和接入点AP连接起来的区域叫热区（hot zone）。热点也就是公众无线入网点。

   4.3 无线局域网的运行

   1. 无线客户端访问BSS

   一个移动站若要加入到一个BSS，就必须与该BSS中的AP建立关联。这和手机开机后必须和某个基站建立关联是相似的，分3个步骤。

   (1)    选择AP

   移动站选择AP的方法有两种：

• 被动扫描

  移动站等待接收附近AP周期性发出的（例如每秒10次或100次）信标帧。信标帧中包含有若干系统参数。

• 主动扫描

  移动站主动发出探测请求帧，然后等待从AP发回的探测响应帧。

  (2)    身份鉴别

  建立关联之前，移动站首先要向该AP鉴别自身。鉴别身份使用IEEE 802.11i协议，它是IEEE 802.11标准系列中对无线网络安全方面做出的补充规范。

  (3)    建立关联

  移动站与选定的AP之间必须互相关联。移动站只有通过关联的AP才能向BSS内的其他站点发数据帧，只有关联的AP也才能向这个移动站发送数据帧。移动站与选定的AP之间使用802.11关联协议进行对话。

1. WLAN漫游

漫游是指无线客户端（STA）在一组无线接入点（AP）之间移动，并提供对于用户透明的无缝连接。已有的业务不中断，STA的标识不改变。

漫游包括基本漫游和扩展漫游：

基本漫游是指无线客户端的移动仅局限在一个扩展服务集内部；

扩展漫游是指无线客户端从一个扩展服务集ESS中的一个BSS移动到另一个扩展服务集ESS的一个BSS。

【例】移动站A要和另一个BSS中的移动站B通信，就必须经过两个接入点（AP1和AP2），即：A→AP1→AP2→B。从AP1到AP2的通信经由分配系统DS完成的。

4.4 无线局域网组成

4.4.1无线网卡

无线网卡是以无线方式连接用户终端进行上网使用的计算机配件。具体来说它就是使你的电脑能以无线方式接入Wi-Fi系统的一个装置。

1. 无线网卡分类

   1. 笔记本电脑专用的PCMCIA网卡。

例如：Cisco-Linksys WPC300N是一款基于IEEE802. 11n（草案）的笔记本电脑无线网卡。

数据传输速率可在270Mb/s、54Mb/s至1Mb/s之间自动调整，支持工业标准的256位AES加密技术。

1. 笔记本电脑内置的MINI-PCI无线网卡。

例如：Sony WLl3020 - D92是一款工业包装无线网卡，采用标准Mini - PCI接口，支持IEEE802. 11b/g无线标准。

1. 台式机专用的 PCI无线网卡。

例如：WMP54GS最高可以达到125 Mb/s的物理传输速率，完全兼容IEEE802. 11b/g标准，可与其他品牌或不同速率的无线网络产品混合使用。

 

1. USB无线网卡，这种网卡不管是台式机还是笔记本都可以使用，是目前最常见的。

例如：WUSB54G兼容IEEE802. 11b/g标准，采用USB2.O接口，可提供54Mb/s的高速数据传输，并支持自动速率退调功能，可视网络连接环境自动降为5. SMb/s、2Mb/s、1Mb/s，最大覆盖范围500m，支持128位的WEP数据加密。

(5)    SD/CF无线网卡，主要应用于掌上电脑、智能手机等数码设备。SD接口的无线网卡比一般的SD卡要长一些，通常不能用于内置式SD卡插槽。

1. 迅驰平台无线网络模块

迅驰1代笔记本电脑中捆绑的无线网络模块是Intel Pro/Wireless Mini Adapter（原始代号为Calexico），一开始仅有单频的IEEE802. 11b产品标准。

迅驰2代笔记本电脑中捆绑的无线网络模块，可支持IEEE802. 11g标准

迅驰3代笔记本电脑中捆绑的无线网络模块，支持IEEE802. 11a/b/g标准

迅驰4代笔记本电脑中捆绑的无线网络模块，增加了对IEEE802. 11n的支持。

4.4.2无线AP

无线接入点（AP）将各无线站点连接到一起，相当于以太网的集线器或交换机，使装有无线网卡的PC通过AP共享整个Wi-Fi网络的资源。无线AP在结构上包括发送器、接收器、天线和桥接器。

无线电波在传播过程中会不断衰减，导致无线AP的通信范围被限定在几十到上百米范围之内。一个无线AP虽然理论上最多可以连接255台无线客户端，但要达到比较理想的性能，最好不要超过30台。

无线AP通过桥接器将无线网络接入以太网甚至广域网。

                    

            路由器路由器图2.3    单纯型AP                    路由器路由器

4.4.3 无线天线

天线( Antenna)的功能是发射和接收电磁波。

无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去；

电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收到极小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。

无线天线主要有室内和室外两种。

室内天线的优点是方便灵活，缺点是增益小、传输距离短。室内天线通常没有防水和防雷设计，一般不可用于室外。

室外天线的优点是传输距离远，比较适合远距离传输。

无线天线主要的性能参数包括：传播方向、工作频段、天线增益和天线接口。

1．传播方向

根据传播方向的不同，无线天线主要分为全向天线与定向天线两种。如图2.11所示。

全向天线的辐射与接收在水平面上无最大方向，通常用做点对多点通信的中心站。通常全向天线的外观呈棒状。

定向天线在水平面上具有最大辐射或接收方向，因此，能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力也比较强。通常定向天线的外观呈锅状或平板状

图2.11 (a)全向天线 (b)定向天线

2．工作频段

无线天线的工作频段应与无线基站的工作频段相同。

若要配合IEEE802.11b或IEEE802. 11g标准的无线局域网设备，需要选择工作于2.4GHz频段的无线天线；

若要配合IEEE802. lla标准的无线局域网设备，需要选择工作于5.8GHz频段的无线天线。

3．天线接口

天线接口是指天线本身与无线设备之间的接口，只有二者类型匹配，天线才能顺利地安装到相应设备上。无线天线最常见的是SMA接口和TNC接口。

SMA接口全称为SMA反级性公头，其特点是天线接头内部有螺纹和孔形触点，相对应的无线设备接口处则是外部有螺纹和针形触点。如图2.12所示，

图2.12 SMA接口

TNC接口全称为TNC反级性公头，其外形比SMA要粗一些，天线接头的外部与内部触点之间有一层金属屏蔽。如图2.13所示，

图2.13 TNC接口

4．天线增益

天线增益表示天线对信号变形和在特定方向聚焦的能力。增益值越高，表示天线对信号的放大能力越强，传输质量就越好。

无线天线的增益被表示为一个相对值，如果以最坏的全方向天线为基准的话，天线增益的单位为dBi。例如，一些普通的无线网卡比较简单的双极天线，其增益值约为2. 2dBi。单个双极天线每增加6dBi增益值才能使传输距离加倍。

有些无线产品配有两组天线，这对于改善传输质量很有好处，但其增益值并非是两组天线的累加。

4.4.4无线网桥

无线网桥通过无线（微波）进行远距离数据传输，主要用于无线或有线局域网之间的互连。根据协议不同，无线网桥又可以分为工作在2, 4GHz频段的IEEE802.11b/g无线网桥以及工作在5.8GHz频段的IEEE802. 11a无线网桥等。

路由器路由器图2.5 无线网桥（室外型）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)点对点连接

图2.6 点对点连接

在A.B两个有线局域网段间，通过两台网桥户外定向天线将它们连接在一起。

(2)多点之间的连接

图2.8 多点之间同频多点连接

A有线网为中心点，外围有B网、C网和D网。A网分别以不同的频道以户外无线

路由器与B、C、D3网建立连接。其中A网采用全向天线，B、C、D网采用定向天线。

(3) 传输距离

无线网桥一般不自带天线，需要配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。无线网桥传输距离的远近取决于环境和天线。在无高大障碍（山峰或建筑）的条件下，一对27dBi的定向天线可以实现lOkm的点对点微波互连，一对12dBi的定向天线可以实现2km的点对点微波互连。最大距离50KM。

4.4.5 无线局域网交换机

1.以太网交换机+企业级无线AP

无线AP作用：

1. 实现无线局域网和有线网络之间的桥接工作。

1. 承担着自己区域的数据的接收、转发、过滤、加密，客户端的接入、断开、认证等任务。

   管理员必须针对每一台无线AP进行管理，包括信道管理和安全性设置等。当企业的无线局域网规模较大时，对众多无线AP的管理就成为网络管理员的繁重负担。

   2. 无线局域网交换机+轻量级AP

   

   无线交换机实现方式：

   1. 无线交换机既可以是独立的设备;
   2. 也可以是集成于企业级交换机的一个刀片式模块。

   无线交换机的优势：

2. 更高的安全性：无线交换机使网络管理员能够更灵活地混合和匹配用户安全性能，通过认证控制非法无线AP的接入。
3. 更低的部署成本: 由于所有的处理能力都集中在一台无线交换机上，分布的轻量级无线AP无需很强的处理能力，也就大幅降低了成本。
4. 更有效率的管理：无线交换机通过实时监控空间、网络增长和用户密度等，动态地调整带宽、接人控制、QoS和移动用户等参数，因而成为整个无线局域网的控制中心。轻量级无线AP有时也被称作智能天线。

   虽然无线交换机采用和普通以太网交换机类似的方式连接无线AP。但在IEEE802. 11帧处理上与传统方式不同：它不将IEEE802. 11帧转换为以太帧，而是将其封装进IEEE802.3帧当中，然后通过专用隧道传输到无线交换机。

   4.5 物理层技术

   IEEE 802.11标准规定的底层协议相当复杂，物理层分为物理层汇聚协议（PLCP）、物理介质相关（PMD）子层和PHY管理子层，如图3.18所示。

   

   路由器路由器图3.18    IEEE 802.11 WLAN底层协议模型

    

    

    

    

    

    

    

• 物理层汇聚协议（PLCP）：主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组；
• 物理介质相关（PMD）：子层主要用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术，它提供了在两个或多个STA之间用于发送和接收数据的接口。

  EEE 802.11原始标准定义在2.4GHz和5.8GHz的ISM频段内，在PMD中使用扩频技术或者红外线，对应实现扩频无线局域网和红外无线局域网。

• PHY管理子层：负责为不同的物理层进行信道选择和调谐；站管理主要任务是协调物理层和MAC层之间的交互作用。

  4.5.1 802.11原始标准

  由于物理层采用技术的复杂多样，WLAN的物理层标准并不是一次制定完成的。1997年颁布的802.11原始标准只制定了第一部分，规定了物理层扩频和红外实现方法。

  所谓扩频是扩展频谱通信的简称。它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式。信号可以跨越很宽的频段，数据基带信号的频谱被扩展至几倍至几十倍，然后才搬移至射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，但由于其功率密度随频谱扩宽而降低，甚至可以将通信信号淹没在自然背景噪声中，因此其保密性、抗干扰能力很强。

  扩频包括跳频扩频和直接序列扩频。

1. 跳频扩频

路由器路由器图3.28    FHSS的工作原理

跳频扩频（FHSS）是扩频技术中常用的一种方法。使用2.4GHz的ISM频段（即2.4000～2.4835GHz），共有79个信道可供跳频使用。第一个频道的中心频率为2.402GHz，以后每隔1MHz有一个信道。因此每个信道可使用的带宽为1MHz。当使用二元高斯移频键控GFSK时，基本接入速率为1Mbps；当使用四元GFSK时，接入速率为2Mbps。

IEEE 802.11定义了对应于FHSS通信的PLCP帧格式，包括6个不同字段，如图所示。

路由器路由器图3.29    用于FHSS通信的PLCP帧格式

 

 

 

 

 

其中：

SYNC是0和1的序列，共占80b作为同步信号；

Start Frame Delimiter（SFD）用作帧的起始符，其比特模式为0000110010111101；

PLW表示帧长度，共12b，因此帧的最大长度为4096b；

PSF是分组信令字段，用来标识不同的数据速率；

Head Error Check是用于纠错的，常用CRC算法，它能够纠正2b的错误；

MPDU表示MAC协议数据单元。

 

目前，跳频扩频在蓝牙产品中广泛使用。

1. 直接序列扩频

直接序列扩频（DSSS）是另一种扩频方法，它也使用2.4GHz的ISM频段。DSSS将2.400～2.4835GHz之间的ISM频带划分成11个互相覆盖的信道，其中心频率间隔为5MHz。在传输过程中，数据比特将被编码为11的Barker码，采用二进制差分移相键控（DBPSK）和差分正交移相键控（DQPSK）。当使用二元相对移相键控时，基本接入速率为1Mbps；当使用四元相对移相键控时，接入速率为2Mbps。

HR-DSSS是High Rate DSSS（高速直接序列扩频）的缩写。高速直接序列扩频可以得到更高地传输速率。

SYNC

Start Frame Delimiter

Signal

Service

Length

CRC

MPDU

路由器路由器图3.31    用于DSSS通信的PLCP帧格式

IEEE 802.11定义了对应于DSSS通信的PLCP帧格式，包括7个不同字段，如图所示。

其中的一些字段表示意义与对应于FHSS的PLCP帧格式是不同的。

SFD字段的比特模式为1111001110100000；

Signal字段表示数据速率，单位为10kbps，比FHSS的精确度提高了5倍；

Service字段为保留字段，并未使用；

Length字段指MPDU的长度，单位为μs。

3. 红外传输IR

红外无线信号是按视距方式传播的，也就是说发送点必须能够直接"看到"接收点，中间没有阻挡。红外线IR（infrared）的波长为850～950nm，可用于室内传送数据。接入速率为1～2Mbps。

红外线频谱非常宽，所以就有可能提供极高的数据传输速率。

红外线由于与可见光有一部分的特性是一致的，所以它可以被浅色的物体漫反射，这样就可以用天花板来覆盖整个房间。

(1)    红外基本技术

红外局域网的数据传输有3种基本技术：定向光束红外传输、全方位红外传输与漫反射红外传输。图3.32给出了多种红外局域网应用系统的典型结构。

路由器路由器图3.32    各种红外局域网应用系统的结构

• 定向光束红外线

红外线连接可以被用于连接几座大楼的网络，但是每幢大楼的路由器或网桥都必须在视线范围内。

• 全方位红外传输技术

一个全方位配置要有一个基站。基站能"看到"红外线无线局域网中的所有结点。

• 漫反射红外传输技术

而漫反射配置则不需要基站。红外线射到天花板上，被漫反射到房间内的所有接收器上。

(2)    优点和缺点

①    红外线通信比起微波通信不易被入侵，由此提高了安全性。

②    安装在大楼中每个房间里的红外线网络可以互不干扰，因此建立一个大的红外线网络是可行的。

③    红外线局域网设备相对便宜又简单。

 

(3)    802.11的红外标准

IEEE 802.11在物理层PMD中使用DFIR（扩散红外线）技术，定义了对应于DFIR通信的PLCP帧格式，包括7个不同字段，如图3.33所示。

路由器路由器图3.33    用于DFIR通信的PLCP帧格式

 

 

 

 

 

其中SYNC字段比FHSS和DSSS的长度都要短，占57～73b，因为采用光敏二极管检测红外信号时不需要复杂的同步过程；

SFD字段占4b；

Data rate字段表明对MPDU、Length和CRC字段的传输或接收将使用的数据速率。当它为000时速率为1Mbps，为001时速率为2Mbps，它占3b；

DCLA字段用于稳定直流电平，通过发送32个时隙的脉冲序列来确定接收信号的电平；MPDU的长度不超过2500B。

4.5.2主流WLAN的物理层

原始标准定义了3种PLCP帧格式来对应以上3种不同的PMD子层通信技术。它们在运营机制上完全不同，没有互操作性。在1999年IEEE又制定了剩下的两部分，即802.11a和802.11b物理层标准。

为了提升无线局域网的数据传输速率，实现有线以太网与无线局域网的无缝结合，从2003年起IEEE成立了IEEE 802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准，该标准已于2009年获批。

除IEEE的802.11委员会外，欧洲电信标准协会ETSI的RES10工作组也为欧洲制定无线局域网的标准，他们把这种局域网取名为HiperLAN（现为HiperLAN2）。ETSI和IEEE的标准是可以互操作的。

这样，根据物理层（工作频段、数据率、调制方法等）的不同，WLAN产品可再细分为不同的类型。表3.4是它们的简单比较。

表3.4    主流WLAN产品

标准	频段	最高速率	物理层	优缺点
802.11g	2.4GHz	54Mbps	OFDM	最高数据率较高，支持更多用户同时上网，信号传播距离最远且不易受阻碍，价格比802.11b贵
802.11b	2.4GHz	11Mbps	HR-DSSS*	最高数据率较低，价格便宜，信号传播距离远不易受阻碍
802.11a	5.8GHz	54Mbps	OFDM	最高数据率较高，支持多用户同时上网，但价格昂贵，信号传播距离较短且易受阻碍
802.11n	2.4/5.8GHz	320Mbps～600Mbps	MIMO＋OFDM	满足高质量的语音、视频流媒体需求，尚未正式大规模普及，各厂商解决方案互不兼容，配套的无线产品价格颇高。
HiperLAN2	5.3GHz	54Mbps	OFDM	最为完善的WLAN协议：高速传输、面向连接、支持QoS、自动频率配置、安全保密，但全球范围内频谱分配不统一，主要在欧洲使用

 

传统802.11b的物理层使用工作在2.4GHz的高速直接序列扩频技术，数据速率5.5Mbps或11Mbps。技术的发展引发了融合，一些4G及3.5G移动通信的关键技术，如OFDM、MIMO、智能天线和软件无线电等，也开始应用到WLAN中以提升性能。

802.11a/g的物理层都不再采用扩频而是用正交频分复用OFDM，载波数可多达52个，提高了传输速率和网络吞吐量。802.11n则采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍地提高！而跳频扩频FHSS和红外IR技术只在早期WLAN产品中用过，现在已经很少使用了。

1. OFDM(高速无线传输技术)

频分复用/频分多址( FDM/FDMA)技术其实是一种传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带(子载波)进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔如图4-2 所示，这大大降低了频谱效率。

近几年，由于数字信号处理技术FFT(快速傅里叶变换)的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性(以避免子载波之间干扰)。如图4-3所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率。因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波．

图4-2传统FDM/FDMA频谱原理

图4-3 OFDM/OFDMA频谱原理

 

2. MIMO（多入多出）技术

MIMO技术在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多信道的传输方式，如图4 -3所示。

图4-3 MIMO系统

MIMO系统将需要传输的数据先进行多重切割，然后再利用多重天线进行同步传送。无线信号在传送过程中，会以多种多样的直接、反射或穿透等路径进行传输，从而导致信号到达接收天线的时间不一致，即所谓的多径效应。MIMO技术充分利用了多径效应的特点，在接收端采用多重天线来接收数据，并依靠频谱相位差等方式来解算出正确的原始数据

利用MIMO技术不仅可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。MIMO是IEEE802. 11n标准所采用的最重要的技术之一。

目前的IEEE802. 11n标准可以支持3 x3天线阵列，不过有些厂商出于成本考虑，也会推出一些1x2或者1x1天线规格的产品，以简化天线设计、降低产品成本，因此市场上的IEEE802. 11n产品有的有两条天线、有的有三条天线。

4.6无线MAC协议：CSMA/CA

主流WLAN都使用共同的媒体接入控制MAC协议CSMA/CA，这是WLAN的通行协议，均可用于有固定基础设施或无固定基础设施的无线局域网。

4.6.1设计思路

1. CSMA/CD有两个要点

一是发送前先检测信道，信道空闲就立即发送，信道忙则随机推迟发送；二是边发送边检测信道，一发现碰撞就立即停止发送。

路由器路由器图3.35    WLAN站点有时"听不见"对方

2. 无线局域网存在两个问题

1. 隐蔽站问题（hidden station problem）。图3.35(a)表示站点A和C都想和B通信。但A和C相距较远，彼此都"听不见"对方。当A和C检测到信道空闲时，就都向B发送数据，结果发生了碰撞。
2. 暴露站问题（exposed station problem）。站点B向A发送数据。而C又想和D通信。但C检测到信道忙，于是就停止向D发送数据，其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据。因为在无线局域网中，在不发生干扰的情况下，可允许同时多个移动站进行通信。这点与有线以太网完全不同！
   1. 碰撞避免

   既然无线局域网不能使用碰撞检测，那么就应当尽量减少碰撞的发生。802.11委员会对CSMA/CD协议进行了修改，把碰撞检测改为碰撞避免CA，变成CSMA/CA协议。

   碰撞避免的思路是：

   (1) 协议的设计要尽量减少碰撞发生的概率。在无线局域网中，即使在发送过程中发生了碰撞，也要把整个帧发送完毕，因此一旦出现碰撞，在这个帧的发送时间内信道资源都被浪费了。

   (2) 802.11局域网在使用CSMA/CA的同时还使用停止等待协议。这是因为无线信道的通信质量远不如有线信道，因此站点每通过无线信道发送完一帧后，都要等收到对方的确认帧（ACK）后才继续发送下一帧。这叫做链路层确认。

   4.6.2 802.11的MAC层

   

   路由器路由器图3.36    802.11的MAC层

   802.11标准设计了独特的MAC层（图3.36）。它通过协调功能（Coordination Function）来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送或接收数据。802.11的MAC层在物理层的上面，包括两个子层。

   1.分布协调功能DCF

   DCF（Distributed Coordination Function）不采用任何中心控制，而是在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务。802.11协议规定，所有的实现都必须有DCF功能。

   

   路由器路由器图3.37    等待时间

   2. 点协调功能PCF

   PCF（Point Coordination Function）是选项，用于接入点AP集中控制整个BSS内的活动，因此自组网络就没有PCF子层。PCF使用集中控制的接入算法，用类似于探询的方法把发送数据权轮流交给各个站，从而避免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如分组话音，就应使用提供无争用服务的点协调功能PCF。

   为了尽量避免碰撞，802.11规定：所有的站在完成发送（接收站完成接收）后，必须再等待一段很短的时间（如图3.37）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS（InterFrame Space）。

   帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。至于各种帧间间隔的具体长度，则取决于所使用的物理层特性。

   帧间间隔包括：

   1. 短帧间间隔(SIFS)、
   2. 点协调功能帧间间隔(PIFS)、
   3. 分布协调功能帧间间隔(DIFS)
3. 扩展 帧间间隔( EIFS)。 EIFS是为站点收到坏帧需要报告而设置的等待时间。EIFS最长，表明报告这种坏帧的优先级最低，必须等其他的帧都发送完毕后才能发送。

   4.6.3 CSMA/CA协议原理

   CSMA/CA协议的工作原理比较复杂，我们先讨论图3.38比较简单的情况。

   

   路由器路由器图3.38    常用的三种帧间间隔

   1. 数据帧发送

   (1)    先检测信道（进行载波监听）。若检测到信道空闲，则在等待一段时间DIFS后；如果这段时间内信道一直是空闲的就发送整个数据帧，并等待确认。

   信道空闲还要再等待就是考虑可能有其他站点有高优先级的帧要发送。如有，就让高优先级帧先发送。

   (2)    目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS后，向源站发回确认帧ACK。

   (3)    所有其他站都设置网络分配向量NAV，表明在这段时间内信道忙，不能发送数据。

   (4)    当确认帧ACK结束时，NAV（信道忙）也就结束了。在经历了帧间间隔之后，接着会出现一段空闲时间，叫做争用窗口，表示在这段时间内有可能出现各站点争用信道的情况。

    

   争用信道的情况比较复杂，因为有关站点要执行退避算法。我们用图3.39的例子来说明。

   

   路由器路由器图3.39    CSMA/CA的退避机制

   图3.39表示当A正在发送数据时，B、C和D都有数据要发送（用向上的箭头表示）。由于它们都检测到信道忙，因此都要执行退避算法，各自随机退避一段时间再发送数据。CSMA/CA规定：退避时间必须是整数倍的时隙时间。

   2. CSMA/CA信道预约

   为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题，CSMA/CA协议允许要发送数据的站对信道进行预约。

• A给B发数据帧

(1) A发预约帧：在发送数据帧之前先发一个短的控制帧，叫做请求发送RTS（Request To Send）帧，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。如图3.41(a)所示。

(2) B对预约帧确认：若信道空闲，则目的站B就响应一个控制帧，叫做允许发送CTS（Clear To Send）帧。它也包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧中把这个持续时间复制到CTS帧中）。如图3.41(b)所示。

(3) A收到CTS帧后就可发送其数据帧。

            (a)    A发送RTS帧                            (b)    B响应CTS帧

路由器路由器图3.41    CSMA/CA协议中的信道预约

• A和B两个站附近一些站反应

C站：C处于A的传输范围内，但不在B的传输范围内。因此C能够收到A发送的RTS帧，但经过一小段时间后，C不会收到B发回的CTS帧。这样，在A向B发送数据时，C也可以发送自己的数据给其他的站而不会干扰B。

D站：D收不到A发送的RTS帧，但能收到B发送的CTS帧。因此D知道B将要和A通信，在A和B通信的一段时间内不能发送数据，因而不会干扰B接收A发来的数据。

E站：它能收到RTS和CTS，因此E和D一样，在A发送数据帧和B发送确认帧的整个过程中都不会发送数据。

可见，这种协议实际上就是在发送数据帧之前先对信道进行预约一段时间。

• 预约帧的使用

与数据帧（最长可达2346字节）相比，使用RTS和CTS帧很短，开销不算大。若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多。当数据帧本身就很短时，再使用RTS和CTS帧只能增加开销，可以不使用RTS和CTS帧。

• 碰撞发生的处理

虽然协议经过了精心设计，但碰撞仍然会发生。

例如，B和C同时向A发送RTS帧。这两个RTS帧发生碰撞后，使得A收不到正确的RTS帧，因而A就不会发送后续的CTS帧。这时，B和C像以太网发生碰撞那样，各自随机地推迟一段时间后重新发送其RTS帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。

图3.42给出了RTS和CTS帧以及数据帧和ACK帧的传输时间关系。

路由器路由器图3.42    各种帧的传输时间关系

 

(1)源站在发送数据之前要检测信道。如信道忙，则按照前面的退避算法推迟发送。如空闲，则等待时间DIFS后发出RTS帧。

(2) 如收到CTS帧，则在再等待时间SIFS后开始发送数据。

(3) 在除源站和目的站以外的其他站中，有的在收到RTS帧后就设置其网络分配向量NAV，有的则在收到CTS帧或数据帧后才设置其NAV。

4.6.4 802.11局域网的MAC帧

802.11局域网的MAC帧如图3.43所示。

路由器路由器图3.43    802.11局域网的MAC帧

IEEE802. 11帧结构分为前导信号(Preamble)、信头(Header)、负载(Payload)和帧检验。

(1) 前导信号: 主要用于确定无线客户端和无线AP之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其他无线客户端以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔。前导信号完成，接收方才开始接收数据。

(2) 信头: 在前导之后，用于传输一些重要的数据比如负载长度、传输速率、服务等信息。帧的复杂性都在帧的首部, 共30字节。。

(3) 负载: 是帧主体, 也就是帧的数据部分。由于数据率及要传送字节的数量不同，负载的包长变化很大，可以十分短也可以十分长。不超过2312字节，不过802.11帧的长度通常都是小于1500字节（以太网的最大长度）。

(4) 帧检验：FCS字段采用CRC方法生成，共4字节。

1. 802.11数据帧地址

802.11数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。地址4用于自组网络。

控制字段中的"到DS"（到分配系统）和"从DS"（从分配系统）两个子字段各占1位，合起来共有4种组合，用于定义802.11帧中的几个地址字段的含义。最常用的两种情况，表3.5。

表3.5    802.11帧的地址字段最常用的两种情况路由器路由器

到DS	从DS	地址1	地址2	地址3	地址4
0	1	目的地址	AP地址	源地址	—
1	0	AP地址	源地址	目的地址	—

 

 

 

 

 

 

 

路由器路由器图3.44    A向B发送数据帧必须经AP₁转发

【图3.44例子】站点A向B发送数据帧。

 

 

 

 

 

 

 

 

(1) A把数据帧发送给AP₁: 到DS＝1, 从DS＝0

地址1: AP1的MAC地址^*（接收地址），

地址2: A的MAC地址（源地址），

地址3: B的MAC地址（目的地址）。

注意："接收地址"与"目的地址"并不等同。

(2) AP₁把数据帧转发给站点B：到DS＝0，从DS＝1

地址1：B的MAC地址（目的地址），

地址2：AP₁的MAC地址（发送地址），

地址3：A的MAC地址（源地址）。

注意："发送地址"与"源地址"也不相同。

其中，AP的MAC地址: 与以太网地址相似，也是一个6字节（48位）地址。

1. 序号控制字段、持续期字段和帧控制字段

(1) 序号控制字段：占16位，作用是使接收方能够区分开是新传送的帧还是因出现差错而重传的帧。包含序号子字段和分片子字段。

序号子字段：占12位，从0开始编号，每发送一个新帧就加1，到4095后再回到0。

分片子字段：占4位，不分片则保持为0。如分片则帧的序号子字段保持不变，而分片子字段从0开始，每个分片加1，最多到15。重传的帧的序号和分片子字段的值都不变。

(2) 持续期字段：占16位。CSMA/CA协议允许传输站点预约信道一段时间（包括传输数据帧和确认帧的时间），这个时间就是写入到持续期字段中的。这个字段有多种用途，最高位为0时表示持续期。持续期不能超过32767(2¹⁵-1)微秒。

③    帧控制字段共分为11个子字段。其中较为重要的几个介绍如下。

协议版本字段：现在是0。

类型字段：802.11帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧。

子类型字段：每一种帧又分为若干种子类型。例如，控制帧有RTS、CTS和ACK等几种不同的类型。

更多分片字段：置为1时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一。因为无线信道的通信质量是较差，因此无线局域网的数据帧不宜太长。当帧长为1518字节（以太网最大帧长），正确收到这样的帧的概率还不到30%。因此为了提高传输效率，在信道质量较差时，需要把一个较长的帧划分为许多较短的分片。这时可以在一次使用RTS和CTS帧预约信道后连续发送这些分片。当然这仍然要使用停止等待协议，即发送一个分片，等到收到确认后再发送下一个分片，不过后面的分片都不需要用RTS和CTS帧重新预约信道了。

WEP：占1位。若WEP＝1，就表明采用了WEP加密算法。WEP在无线信道的这种加密算法在效果上可以和有线信道上通信一样地保密。

路由器路由器图3.46    分片的发送