无线网络：无线局域网
无线局域网
WLAN 的定义
无线局域网 WLAN 脱离了线缆，通常指采用无线传输介质的计算机局域网，用户能方便地通过无线方式连接网络和收发数据。它类似传统的有线局域网，可以是客户机/服务器类型，也可是无服务器的对等网。
WLAN 其利用无线电和红外线等无线方式，提供对等或点对点连通性的数据通信。WLAN 利用无线多址信道和宽带调制技术来提供统一的物理层平台，以此来支持节点间的数据通信，为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供可能。WLAN 的覆盖范围较为有限，距离差异使数据传输的性能不同，导致网络具体设计和实现上有所区别。
WLAN 应用可分室内和室外两类，主要有 3 种应用：WLAN 接入、无线网络互联和定位。
WLAN 的特点
WLAN 是在有线局域网的基础上发展而来的，主要特点如下：
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 移动性 | 网络和主机迁移方便，通信范围不再受线路环境的限制，为便携式设备提供有效的网络接入功能 |
| 灵活性 | 安装简单，组网灵活，可将网络延伸到线缆无法连接的地方 |
| 可伸缩性 | 放置或添加接入点或扩展点，可扩展组网 |
| 经济性 | 可用于难以物理布线或临时性布线的环境，节省了成本和布线工序，可快速投入使用 |
WLAN 的局限性
WLAN 尽管有很多优点，也面临一些局限性：
| 局限性 | 说明 |
|---|---|
| 可靠性 | WLAN 的无线信道并不十分可靠，各种干扰和噪音会引起信号衰落和误码 |
| 兼容性 | WLAN 要兼容有线局域网和现有网络操作系统和网络软件，多种 WLAN 标准互相兼容，不同厂家的无线设备兼容 |
| 共存性 | 同一频段的不同制式或标准共存，不同频段、制式或标准共存 |
| 带宽与系统容量 | 由于频率资源匮乏，WLAN 的信道带宽常小于有线网络带宽 |
| 覆盖范围 | WLAN 的低功率和高频率限制了其覆盖范围 |
| 干扰 | 外界干扰可影响无线信道和设备，WLAN 内部会形成自干扰，也会干扰其他无线系统 |
| 安全性 | 一是信息安全，即信息传输的可靠性、保密性、合法性和不可篡改性等；二是人员安全，即电磁波辐射对人体的影响 |
| 能耗 | WLAN 的终端多为便携设备，为延长使用时间和提高电池寿命，网络应有节能管理功能 |
| 多业务与多媒体 | 由于语音、图像等多媒体业务的需求，要进一步开发保证多媒体服务质量的相关标准和产品 |
| 移动性 | WLAN 对大范围移动和高速移动的支持机制尚不完善，而小范围低速移动也会对性能造成一定影响 |
| 小型化和低成本 | 这取决于大规模集成电路，尤其是高性能、高集成度技术的进步 |
WLAN 的分类
WLAN 可根据不同层次、不同业务、不同技术、不同标准及不同应用等进行分类。按频段分，可分为专用频段和自由频段两类。
根据业务类型，可分为无连接和面向连接两类。
根据网络拓扑和应用要求，可分为对等、基础架构、接入和中继等。
WLAN 的组成
WLAN 由站、无线介质、无线接入点或基站、分布式系统等组成。
| 组件 | 说明 |
|---|---|
| 站(STA) | 站也称主机或终端，是 WLAN 的基本组成单元 |
| 无线介质(WM) | 无线介质是 WLAN 中站或 AP 间通信的传输介质 |
| 无线接入点(AP) | AP 类似于移动通信网络的基站(BS)，常处于 BSA 中心固定不动 |
| 分布式系统(DS) | 为覆盖更大区域，可将多个 BSA 通过 DS 连接，形成一个扩展服务区(ESA) |
其中站一般作为客户端，是具备无线网络接口的计算机设备，通常包括终端用户设备、无线网络接口和网络软件 3 部分。站之间的通信距离由于天线辐射能力有限和应用环境不同而受限制,站如果移动，称为移动主机或移动终端，可分为固定站、半移动站和移动站。
| 按移动性分类 | 说明 |
|---|---|
| 固定站 | 位置固定不动 |
| 半移动站 | 经常改变地理位置，但移动时并不要求保持网络连接 |
| 移动站 | 要求在移动状态保持连接 |
无线 AP 是具有无线网络接口的网络设备，主要有以下 3 种功能
- 完成其他非 AP 站的接入访问和同一 BSS 中的不同功能；
- 作为桥接点，完成 WLAN 与分布式系统间的桥接功能；
- 作为 BSS 的控制中心，控制和管理其他非 AP 站。
WLAN 的拓扑结构
WLAN 的拓扑结构可从几方面分类：
| 分类方式 | 类型 |
|---|---|
| 根据物理拓扑 | 单区网和多区网 |
| 根据逻辑拓扑 | 对等式、基础架构式和总线型、星型、环型等 |
| 根据控制方式 | 无中心分布式和有中心集中控制式两种 |
| 根据与外网的连接性 | 独立和非独立两种 |
BSS 是 WLAN 的基本构造模块，有两种基本拓扑结构或组网方式：分布对等式拓扑和基础架构集中式拓扑。单个 BSS 称单区网，多个 BSS 通过 DS 互连构成多区网。
分布对等式拓扑
分布对等式网络是独立 BSS(IBSS)，它是典型的自治方式单区网，任意站之间可直接通信而无须依赖 AP 转接，如图。由于无 AP，站之间是对等、分布式或无中心的。由于 IBSS 网络不必预先计划，可按需随时构建，因此也称为自组织网络。
该结构中各站竞争公用信道，如站点数过多，竞争会影响网络性能，因此较适合小规模、小范围的 WLAN，多用于临时组网和军事通信。
基础架构集中式拓扑
一个基础架构除 DS 外，至少要有一个 AP 作为中心控制站，其他站在该中心站的控制下互相通信。基础架构 BSS 中的某个站在与另一站通信时，须经源站 → AP → 目标站的两跳过程，由 AP 转接。
与 IBSS 相比基础架构 BSS 有以下一些缺点：
- 可靠性较差，如 AP 发生故障或遭破坏整个 BSS 就会瘫痪；
- 中心站 AP 的复杂度较大，成本也较高；
- 通信有两跳的过程，占用了链路，增加了传输时延。
但与两站间直接通信相比仍有以下优势：
- 各站间距离无限制，站点布局受环境限制较小；
- 各站不需保持邻居关系，路由和物理层实现复杂度较低；
- 业务量增大时网络吞吐和时延性能恶化不剧烈；
- AP 对站点进行同步/移动/节能管理，可控性好；
- 为接入 DS 或骨干网提供逻辑接入点，可伸缩性较强。
其他拓扑结构
ESA 是多个 BSA 通过 DS 连接形成的扩展区域，范围可达数千米，同一 ESA 的所有站组成 ESS。ESA 中 AP 除完成基本功能外，还可确定一个 BSA 的地理位置。ESS 是一种由多个 BSS 组成的多区网，每个 BSS 都有一个 BSS 标识（BSSID）。
中继或桥接型网络拓扑中，两个或多个网络（LAN 或 WLAN）或网段可通过无线中继器、网桥或路由器等连接和扩展。如中间只经过一个设备，称单跳网络，如经过多个设备则称多跳网络。
WLAN 的服务
WLAN 的不同层次都有相应服务，与 WLAN 体系结构密切相关的服务有 STA 服务和 DS 服务，这两种服务均在 MAC 层。
STA 服务
WLAN 无法像有线局域网那样用物理接口来实现授权接入，因为其传输介质没有精确边界，STA 服务提供认证服务控制接入，主要包括以下 3 个内容。
| STA 服务 | 说明 |
|---|---|
| 认证（authentication) | 所有站均可用认证获取其他站的身份，如果两站间未建立交互式认证，则无法建立连接 |
| 解除认证（deauthentication） | 如欲终止已存在的认证，需唤醒解除认证服务，解除认证服务可由任一连接实体唤醒 |
| 保密（privacy） | 无线共享介质不同于有线网络，任何一台符合标准的站均可侦听到其覆盖范围内的所有物理层通信 |
DS 服务
DS 提供的服务称为DSS，WLAN 中 DSS 通常由 AP 提供。
| DS 服务 | 说明 |
|---|---|
| 关联（association) | 为在 DS 内传输信息，对于给定站 DSS 需知道接入哪个 AP |
| 重新关联（reassociation) | BSS 切换移动需重新关联服务，即当前关联从一个 AP 移动到另一 AP |
| 解除关联（disassociation） | 终止一个已有关联时会唤醒解除关联，关联任一节点均可唤醒解除关联服务 |
| 分布（distribution） | 由来自或发送到工作在 ESS 中的 WLAN 站的每个数据消息唤醒，分布借助于 DSS 完成 |
| 集成（integration） | 集成功能负责完成消息从 DSM 到集成 LAN 介质和地址空间的变换 |
IEEE 802.11 标准
两个经典标准
目前 WLAN 领域主要有两个典型标准：IEEE802.11 和 HiperLAN。
| 标准 | 说明 |
|---|---|
| IEEE 802.11 | 由 IEEE 82.11 工作组提出，包括多个子标准如常见的 IEEE 802.11g/n/ac 等 |
| IEEE 802.11g | 采用补码键控(CCK)、OFDM、分组二进制卷积码(PBCC)等，54 Mbps 速率 |
| IEEE 802.11n | 进一步使用 MIMO/OFDM 等，速率提升至 300 M 甚至 600 Mbps |
| IEEE 802.11ac | 性能提升，配置 1/2/4/8 天线 AP 的传输速率最高可达 867 M/1.69 G/3.39 G/6.77 Gbps |
| HiperLAN | 由欧洲 ETSI 开发，包括 HiperLAN1、HiperLAN2、HiperLink、HiperAccess 4 种标准 |
其中 HiperLAN 致力于实现速无线连接，减少无线技术复杂性，采用了移动通信中广泛使用的高斯最小频移键控（GMSK）调制技术。
IEEE 802.11 协议标准
1990 年 IEEE802.11 工作组成立，1993 年形成基础协议，此后协议标准一直不断发展和更新，迄今形成了许多子集。
IEEE802.11g 的其载波频率为 2.4 GHz，原始传输速率为 54 Mbps，净传输速率约为 24.7 Mbps。采用 OFDM 等技术，兼容性和高数据速率弥补了 IEEE802.11a/b 等早期标准的缺陷，已得到广泛使用。
IEEE802.11n 标准使用较为广泛，它将传输速率增至 100 Mbps 以上，最高可达 600 Mbps，为双频（2.4GHz/5GHz）模式兼容以往标准。结合 MIMO 与 OFDM 等技术，提高了无线资源的利用率，扩大了无线信号的传输范围，提高了系统容量。
IEEE802.11ac 标准在 IEEE802.11n 的性能上进一步提升，理论上配置 1/2/4/8 天线 AP 的传输速率最高分别可达 867 Mbps/1.69 Gbps/3.39 Gbps/6.77 Gbps。
IEEE802.11 层次结构
IEEE802.11 层次结构中：
| 层次 | 功能 |
|---|---|
| 物理层汇聚协议子层 | 主要侦听载波和对不同物理层形成不同格式分组 |
| 物理介质依赖子层 | 识别相关介质传输信号使用的调制与编码技术 |
| 物理管理子层 | 为不同物理层选择信道 |
| MAC 子层 | 主要控制节点获取信道访问权 |
| LLC 子层 | 负责建立和释放逻辑连接，提供高层接口、差错控制、添加帧序号等 |
| MAC 管理层 | 负责越区切换、功率管理等，还有站点管理以协调物理层和链路层交互 |
IEEE 802.11ac 标准物理层规范
信号频段
以往 IEEE 802.11 标准一般使用 2.4GHz 频段，世界通用 ISM 频段。包括 14 个载波频道，每个占用 22 MHz。中国允许使用 1~13 信道，美日略有不同。2.4 GHz 频段己在家庭/商业领域广泛使用，如 WLAN/无线 USB/蓝牙/ZigBee/微波炉等也工作在该频段，日趋拥挤，互扰日益严重。
我国于 2002 年开放了 5.725-5.850 GHz 频段，IEEE 802.11ac 将使用该频段。
2012 年我国又开放了 5.150-5.350 GHz 频段资源用于无线接入系统，共分为 8 个信道，但仅限室内使用。
13 个非重叠信道可支持高带宽 WLAN，发挥多频点、高速率、低干扰的优势，可有效缓解无线网络拥堵。同等发射功率前提下，5GHz 频段传输距离和覆盖范围比 2.4GHz 频段要小，更适合室内高密度部署场景。
为使工作于 5 GHz 频段的无线系统与雷达和其他同类系统避免互扰，IEEE 802.11h 标准就引入了两项关键技术：动态频率选择和发射功率控制。
| 关键技术 | 说明 |
|---|---|
| 动态频率选择机制 | AP 和终端可结合当前信道状况，根据需要转到其他信道 |
| 发射功率控制 | 通过降低设备无线发射功率，减少与其他通信互扰 |
信道带宽
IEEE802.11ac 采用了物理层 OFDM 技术，将给定信道分成许多正交子信道，每个子信道使用子载波调制，并行传输，频谱可相互重叠，减小子载波间互扰，提高了频谱利用率。IEEE802.11ac 可支持20/40/80/160 MHz 带宽模式，其中可选的 160 MHz 带宽远超过 802.11n 的最髙 40 MHz 带宽，理论数据率可提高 3 倍。
调制与编码
以往标准最高使用 64QAM 调制，802.11ac 引入 256QAM。每符号可承载 8 比特数据，数据速率比 64QAM 提高 33%。
波束赋形
波束赋形主要在 AP 中实现，在获取信道状态信息(CSI)后，相应调整天线上发送信号振幅与相位，通过波束赋形使接收端处最佳接收状态。802.11n 并未包含波束赋形技术，有些厂商产品中自行实现，但各自专属算法不兼容。802.11ac 将波束赋形技术纳入标准，采用通用波束赋形算法。
下行多用户 MIMO
802.11n 最高支持 44 的 MIMO，802.11ac 最高支持 88 的 MIMO 天线架构。还引入下行多用户 MIMO 技术，AP 将不同数据通过不同空间流传给不同站点。通过波束赋形，将不同数据波束指向不同接收端，从而同时向不同站点发送不同数据。
IEEE 802.11ac 标准 MAC 层规范
MAC 子层协议对网络吞吐率、时延等性能有重要影响，还影响小区结构、频谱利用率、系统容量、设备成本和复杂度等。需要合理选择 MAC 子层规范，并根据网络业务特征有效配置信道资源，以提高无线信道效率、系统吞吐量和传输质量。
分布式协调功能（DCF）和帧间间隔
MAC 子层的功能首先是提供可靠的数据传输，通过 MAC 帧交换协议来保障无线介质上的数据传输可靠性。DCF 是基础协议，核心是载波监听多路访问/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA)，包括载波检测、帧间间隔和随机退避。PCF 用于超帧无竞争期，支持时限服务，是可选协议。
为避免冲突，MAC 子层规定所有站在完成发送后必须等待一个短时间（继续监听）才能发送下一帧，该时间称为帧间间隔（InterFrame Space, IFS）。IEEE802.11 规定了 4 种 IFS，以实现不同的访问优先级别，其时间长度关系为 SIFS < PIFS < DIFS < EIFS。
| IFS | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| SIFS (Short IFS) | 最小 IFS | 具有最高优先级，一些特殊帧要求使用 SIFS 访问介质，如应答帧(ACK)、清除发送帧(CTS)等 |
| PIFS (PCF IFS) | SIFS 和时隙时间之和 | AP 在无竞争期开始时获得介质访问权的时间间隔 |
| DIFS (DCF IFS) | SIFS 和两倍时隙时间之和 | 工作在 DCF 模式的终端通过载波监听到介质空闲超过 DIFS，且本终端随机退避结束，可立即发送 |
| EIFS (Extended IFS) | ACK 帧传输时间和 SIFS、DIFS的时间之和 | 前一帧出错，发送节点延迟 EIFS 时间后再发送下一帧，期内收到正确帧将使该站重新同步并结束 EIFS |
CSMA/CA
IEEE802.11 与 IEEE802.3 的 MAC 层采用不同策略。IEEE802.3 中采取载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）机制，而无线网络中的冲突检测较难，原因在于信号强度衰减，无法准确检测出冲突。同时可能会有节点隐藏问题，如两个相反方向的工作站共同使用一个中心接入点进行连接时，可能因障碍或距离原因无法感知对方存在，而会导致冲突。如图所示当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。
IEEE802.11 采用 CSMA/CA，他的基础是载波侦听。当检测到信道空闲期间大于某一 IFS 后立即开始发送帧，否则延迟发送直到检测到所需 IFS，然后选择退避时间进入退避，结束后重新开始上述过程。
RTS/CTS
当一个站只能侦听到部分其他站时，就存在隐藏节点问题，为解决该问题 IEEE 802.11 提供了 RTS/CTS 机制。
4 次握手的 RTS/CTS 方式工作过程为：
- 假设站 A 要向站 B 发送数据，A 先向 B 发送 RTS 信号，表明自己准备向 B 发送数据；
- B 收到 RTS 后，会向周围广播 CTS 信号，表明准备接收就绪；
- 接下来 A 可发送数据，其余站暂处于静止态；
- B 接收完数据后，即向周围广播 ACK 帧；
- 所有站又开始监听信道，开始新一轮信道竞争。
传输数据前发送 RTS/CTS 帧，意味着额外开销，尤其对短数据报文影响明显，所以 RTS/CTS 帧都很短。
点协调功能
PCF 是一种集中式协调的信道接入技术，AP 中的点协调器建立一个周期性的无争用周期（CFP），CFP 中无线信道的无争用接入由点协调器协调。
IEEE802.11ac 的 MAC 层机制特点
- 帧体字段长度上限从 7955 字节增至 11426 字节，添加扩展高速控制(HT Control)字段；
- 802.11ac 对帧聚合功能进行增强，帧聚合为必选项，每个帧都是 A-MPDU 帧；
- 802.11ac 未使用 RIFS，而使用 A-MPDU 帧；
- 802.11ac 引入动态带宽接入、辅信道检测及扩展 RTS/CTS。
其他标准简介
IEEE802.11 的一些其他标准如下：
| 标准 | 简介 |
|---|---|
| IEEE802.11e | 对 MAC 协议做了改进，使其可支持 QoS 要求的应用。对 DCF 和 PCF 在 QoS 支持方面进行了加强，称为增强分布式通道存取（EDCA），通过设置优先级，既保证大带宽应用的通信质量，同时又能向下兼容 IEEE802.11 设备 |
| IEEE802.11ad | 针对高清多媒体音视频传输，采用高频载波的 60 GHz 频带，通过 MIMO 实现多信道同时传输 |
| IEEE802.11ah | 致力于提供更长的传输距离，而非更高的传输速率，更适合智慧城市和户外物联网的应用 |
| IEEE 802.11ax | 可看作是 IEEE 802.11ac 标准的升级，其使用 5GHz 频带，物理层采用多用户 MIMO（MU-MIMO）和带内全双工机制改善信道拥塞，空间信道复用方面则考虑使用增强的干净信道评估和部分频率复用机制，同时使用休眠模式以节能 |
除了 IEEE802.11 技术外，其他一些 WLAN 技术简介如下。
| 标准 | 简介 |
|---|---|
| HomeRF | 家庭范围内 PC 与其它电子设备无线通信，有效支持流媒体，能满足不同业务对传输的要求，抗干扰能力强，较强电源管理功能 |
| HiperLAN2 | 易满足 QoS 要求，确定每个连接在带宽、时延、拥塞、误码率等要求，保证视频、语音和数据等同时高速传输 |
| 蓝牙 | 一种短距离无线通信技术，有效简化终端设备间的通信，使数据传输更高效 |
WLAN 的应用
WLAN 的特点使其迅速应用于需要在移动中联网和网间漫游的场合，并为不易布线的场所和远距离节点提供良好的网络支持。WLAN 目前主要应用于以下几个方面：
- 难以使用传统布线的场所，如风景名胜区、古建筑等。
- 采用无线网络成本较低的区域，如相距较远的建筑物、有强电设备的区域、公共通信网不发达的地区。
- 临时性网络，如展览会场、大型体育场馆和救灾现场等。
- 人员流动性大的场合，如机场、仓库、超市和餐厅等。
| 应用 | 简介 |
|---|---|
| 矿山采掘 | 提供从钻井台到压缩机房的数据链路，以传输和处理由钻井获取的重要数据 |
| 运输物流 | 可将货物情况和资料直接传给计算机系统进行处理，能有效提高工作效率和服务质量 |
| 医疗卫生 | 使得在医院任何地方使用移动或手持设备可便捷地访问医院的信息管理系统 |
| 制造业 | 数控制造设备、数字采集装置和机器人设备等应用无线网络非常合适 |
| 零售业 | 可使用 WLAN，连接条形码阅读器、移动终端和系统主机等，高效完成工作 |
| 金融服务业 | 使用 WLAN 作为备份，而为方便客户可通过 WLAN 迅速接入交易报价服务系统 |
| 饮食旅游业 | 服务员可通过手持终端将顾客需求输入计算机系统，持终端也可帮助及时结账 |
| 比赛场馆 | 用于大型比赛场馆的各种竞赛记分的处理、统计、发送和存储工作 |
| 移动办公环境 | 可使办公计算机具有移动能力，在网络范围内实现漫游 |
参考资料
《无线网络技术教程(第3版)——原理、应用与实验》，金光、江先亮编著，清华大学出版社
