淺談無線局域網（WLAN）

2019-11-03 19:13:39

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供稿：網友

李威
（北京市電信規劃設計院，北京 100044）　　摘要：本文介紹了無線局域網的發展背景、標準、特點、結構和應用。

　　關鍵詞：WLAN；WLL；IEEE 802.11；ISM；MAC；擴頻

　　1 無線局域網的發展背景

　　所謂無線局域網（Wireless Local-Area Network，WLAN），即"最后一公里"、"最后一百米"固定─無線接入解決方案。無線局域網是實現移動計算機網絡的關鍵技術之一，它是實現移動計算機網絡中移動站的物理層與鏈路層功能，為移動計算機網絡提供必要的物理接口的網絡。無線局域網是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。從專業角度講，無線局域網利用無線多址信道的一種有效方法來支持計算機之間的通信，并讓通信的移動化、個性化和多媒體應用得以實現。通俗地說，無線局域網就是在不采用傳統纜線的同時，提供以太網或者令牌網絡的功能。

　　隨著信息技術的飛速發展，人們對網絡通信的需求不斷提高，希望不論在何時、何地，與何人均能夠進行包括數據、話音、圖像等任何內容的通信，并希望能實現主機在網絡中自動漫游。據中國互聯網絡信息中心最新發布的第十次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2002年6月30日，我國上網用戶總數達到4580萬人?；ヂ摼W在國內的發展速度舉世矚目，通過互聯網所帶來的經濟效益更為人們所關注。有業界人士認為2002年將是無線局域網年，無線局域網因其可實現移動辦公、具有較好的保密性、抗干擾性、架設與維護容易等特點，優勢不言而喻。

　　2001年，信息產業部宣布劃出5.8GHz的頻段，支持無線局域網等新興無線技術的應用。這為各電信運營商們龐大的無線寬帶發展計劃開了綠燈。頻段的劃出，只不過是為其瓜熟蒂落及時地開出了"準生證"。

　　中國網通早在去年已著手在北京、上海、深圳、廣州等城市的商務熱點地區開通了被稱作"無限伴旅"的無線局域網接入服務，網點已達40多個。用戶只要在筆記本電腦內置了無線網卡，并購買網通的"無限伴旅"計費卡，輸入用戶名和密碼，經系統驗證后就可以自由上網。而且，網通的無線上網卡提供漫游服務，在網通的網點覆蓋范圍內可以"一次認證，全國通用"。

　　但更具有競爭性的是中國移動GPRS＋WLAN無線數據業務捆綁方案的登場。 GPRS是向第三代移動通信(3G)過渡的主流技術，要實現筆記本電腦的無線上網，GPRS的速度顯然太慢，中國移動適時引入WLAN無線局域網技術作為補充，通過一種特制的內置芯片，用戶的GPRS手機可探測到室內WLAN信號，并自動切換到 WLAN，實現11Mbit/s速率的高速互聯網接入，在WLAN覆蓋不到的室外地區，則通過GPRS網絡訪問移動互聯網。此種"雙劍合璧"的辦法取長補短，相互促進，相互拓展，相互完善，通過彌合技術之間的差異，形成有自己特色的雙贏網絡。

　　無論是中國網通的"無限伴旅"，還是中國移動的GPRS＋WLAN捆綁方案，都預示著一個新的無線局域網(WLAN)熱點的到來。

2 無線局域網的標準

　　無線局域網是采用無線傳輸介質的計算機局域網，它的標準是IEEE 802.11。早在1990年IEEE 802標準化委員會就成立了IEEE 802.11無線局域網(WLAN)標準工作組。IEEE 802.11無線局域網標準工作組的任務是研究開發能提供1Mbit/s和2Mbit/s數據傳輸速率、工作在2.4GHz開放頻段的無線通信設備及其網絡發展標準，并于1997年6月公布了該標準，它是第一代無線局域網標準之一。該標準定義了物理層和媒體訪問控制(MAC)層的規范。

　　標準中物理層定義了WLAN中數據傳輸的信號特征和調制方式。在物理層中，標準定義了兩個RF傳輸方式和一個紅外線傳輸方式，RF傳輸采用擴頻調制技術來滿足大多數國家允許的安全工作規范。擴頻調制分為直接序列擴頻(DSSS)和跳頻擴頻(FHSS)，工作在2.4000～2.4835GHz頻段。直接序列擴頻采用BPSK和DQPSK調制技術，使用具有高碼率的擴頻序列，在發射端擴展信號頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號，支持1Mbit/s和2Mbit/s數據速率，使用11 bit Barker序列，處理增益為10.4dB；跳頻擴頻與直序列擴頻完全不同，是另外一種擴頻技術，跳頻擴頻采用2～4電平GFSK調制技術，載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作帶寬范圍內，其頻率隨機改變。接收端的頻率也隨機變化，并保持與發射端的變化規律一致。跳頻速率的高低直接反映跳頻系統的性能，跳頻速率越高，抗干擾性能越好，軍用的跳頻系統可以達到每秒上萬跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統跳速都比較慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳頻系統實現簡單，因此低速WLAN常常采用這種技術。跳頻擴頻支持1Mb/s數據速率，共有22組跳頻圖案，包括79個信道；紅外線傳輸方法工作在850～950nm段，峰值功率為2W，使用4或16電平pulse-positioning調制技術，支持數據速率為1Mb/s和2Mb/s。

　　媒體訪問控制(MAC)層使用載波偵聽多路訪問／避免沖突(CSMA／CA)協議。由于在RF傳輸網絡中沖突檢測比較困難，所以該協議用避免沖突檢測代替802.3協議使用的沖突檢測，使用信道空閑評估(CCA)算法來決定信道是否空閑，通過測試天線口能量和決定接收信號強度rssI來完成。CSMA／CA使用RTS、CTS和ACK幀減少沖突。數據加密與普通局域網的等同加密(WEP)算法一樣，使用64位密鑰和RC4加密算法。

　　使用IEEE 802.11b標準的無線局域網帶寬最高可達11Mbps，比兩年前剛批準的IEEE 802.11標準快5倍，擴大了無線局域網的應用領域。IEEE 802.11b使用的是開放的2.4GHz頻段，不需要申請就可直接使用。IEEE 802.11b無線局域網與我們熟悉的IEEE 802.3以太網的原理很相似，都是采用載波偵聽的方式來控制網絡中信息的傳送。不同之處是以太網采用的是CSMA/CD（載波偵聽/沖突檢測）技術，網絡上所有終端都可以偵聽網絡中有無信息發送，當發現網絡空閑時即發出自己的信息，如同搶答一樣，只能有一臺終端搶到發言權，而其余工作站需要繼續等待。如果一旦有兩臺以上的終端同時發出信息，則網絡中會發生沖突，沖突后這些沖突信息都會丟失，各終端則將繼續搶奪發言權。而802.11b無線局域網則引進了沖突避免技術，從而避免了網絡中沖突的發生，可以大幅度提高網絡效率。

　　IEEE 802.11b優點：

　　802.11b運作模式基本分為兩種：點對點模式和基本模式。點對點模式是指無線網卡和無線網卡之間的通信方式。只要PC插上無線網卡即可與另一具有無線網卡的PC連接，對于小型的無線網絡來說，是一種方便的連接方式，最多可連接256臺PC。而基本模式是指無線網絡規模擴充或無線和有線網絡并存時的通信方式，這是802.11b最常用的方式。此時，插上無線網卡的PC需要由接入點（AP）與另一臺PC連接。接入點負責頻段管理及漫游等指揮工作，一個接入點最多可連接1024臺PC（無線網卡）。當無線網絡節點擴增時，網絡存取速度會隨著范圍擴大和節點的增加而變慢，此時添加接入點可以有效控制和管理頻寬與頻段。當無線網絡需要與有線網絡互連，或無線網絡節點需要連接和存取有線網的資源和服務器時，接入點可以作為無線網和有線網之間的橋梁。

　　隨著無線IEEE 802.11標準開始深入人心，各IC制造商開始尋求提供更為快速的協議和配置，其中，802.11g混合標準是無線局域網的最新寵兒，它既能適應傳統的802.11b標準，在2.4GHz頻率下提供每秒11 Mbps數據傳輸率，也符合802.11a標準在5GHz頻率下提供54 Mbps數據傳輸率。支持者聲稱802.11g標準一旦獲得認可，它將有助于進一步推動802.11無線局域網飛速發展的勢頭。

　　下表為幾種標準比較：

3 無線局域網的特點

　　下面從傳輸方式、網絡拓撲、網絡接口這三個方面來描述無線局域網的特點：

　　1.傳輸方式

　　傳輸方式涉及無線局域網采用的傳輸介質、選擇的頻段及調制方式。目前無線局域網采用的傳輸介質主要有兩種，即微波與紅外線。采用微波做為傳輸介質的無線局域網可分為擴頻方式與窄帶調制方式。大多數的WLAN產品都采用了擴頻技術。擴頻技術原先是軍事通訊領域中使用的寬帶無線通信技術。使用擴頻技術，能夠使數據在無線傳輸中保持完整可靠。并且確保同時在不同頻段傳輸的數據不會互相干擾。

　　在擴頻方式中，數據基帶信號的頻譜被擴展至幾倍～幾十倍再被搬移至射頻發射出去。這一做法雖然犧牲了頻帶帶寬，卻提高了通信系統的抗干擾能力和安全性。由于單位頻帶內的功率降低，對其它電子設備的干擾也減小了。采用擴展頻譜方式的無線局域網一般選擇所謂的ISM頻段，這里ISM分別取自Industrial、Scientific及Medical的第一個字母。許多工業、科研和醫療設備輻射的能量集中于該頻段。歐美日等國家的無線管理機構分別設置了各自的ISM頻段。例如美國的ISM頻段由902MHZ～928MHZ，2.4GHz～2.484GHz, 5.725GHz～5.850GHz三個頻段組成。如果發射功率及帶外輻射滿足美國聯邦通信委員會（FCC）的要求，則無需向FCC提出專門的申請即可使用這些ISM頻段。

　　在窄帶調制方式中，數據基帶信號的頻譜不做任何擴展即被直接發射出去。與擴展頻譜方式相比，窄帶調制方式占用頻率少，頻帶利用率高。但采用窄帶調制方式的無線局域網一般選用專用頻段，需要經過國家無線電管理部門的許可方可使用，當然，也可選用ISM頻段，這樣可免去向無線電管理委員會申請。但帶來的問題是，當出現臨頻或同頻干擾時，會嚴重影響通信質量，通信的可靠性無法得到保障。

　　基于紅外線的傳輸技術最近幾年有了很大發展。目前廣泛使用的家電遙控器幾乎都是采用紅外線傳輸技術。做為無線局域網的傳輸方式，紅外線方式的最大優點是這種傳輸方式不受無線電干擾，且紅外線的使用不受國家無線管理委員會的限制。然而，紅外線對非透明物體的透過性極差，對無線局域網傳輸距離有致命限制。

　　2.網絡拓撲

　　無線局域網的拓撲結構可歸納為兩類：無中心或對等式（PEER TO PEER）拓撲和有中心（HUB－BASED）拓撲?！　o中心拓撲的網絡要求網中任意兩個站點均可直接通信。采用這種拓撲結構的網絡一般使用公用廣播信道，各站點都可競爭公用信道，而信道接入控制（MAC）協議大多采用CSMA（載波監測多址接入）類型的多址接入協議。這種結構的優點是網絡抗毀性好、建網容易、且費用較低。但當無線網絡中用戶數（站點數）過多時，信道競爭成為限制網絡性能的瓶頸。因此這種拓撲結構受布局和環境限制較大，適用于用戶數相對較少的工作群。

　　在有中心拓撲結構中，一個無線站點充當中心站，所有站點對網絡的訪問均由其控制。當網絡業務量增大時網絡吞吐性能及網絡時延性能的惡化并不劇烈。由于每個站點只需在中心站覆蓋范圍內就可與其它站點通信，故網絡中心點布局受環境限制較小，此外，中心站為接入有線主干網提供了一個邏輯接入點。而采用有中心網絡拓撲結構的弱點是抗毀性差，中心站點的故障容易導致整個網絡癱瘓，并且中心站點的引入增加了網絡成本。

　　在實際應用中，無線局域網往往與有線主干網絡結合使用。這時，中心站點充當無線局域網與有線主干網間的轉接器。

　　3.網絡接口

　　網絡接口一般是指無線局域網中站點從哪一層接入網絡系統。通常網絡接口選擇在OSI參考模型的物理層或數據鏈路層。選用物理層接口即用無線信道替代通常的有線傳輸，而物理層以上各結構層保持不變。這樣做的最大優點是上層的網絡操作系統及相應的驅動程序可不做任何修改。這種接口方式一般應用于有線局域網的集線器和無線轉發器以實現有線局域網間互聯或擴大有線局域網的覆蓋范圍。

　　另一種接口方法是從數據鏈路層接入網絡。這種接口方法并不沿用有線局域網的MAC協議，而采用更合適無線傳輸環境的MAC協議。在實際中，MAC層及其以下層對上層是透明的，配置相應的驅動程序來完成與上層的接口，這樣可保證現有的有線局域網操作系統或應用軟件可在無線局域網上正常運行。目前，大部分無線局域網廠商都采用數據鏈路層接口方法。

　　4 無線局域網的網絡結構及應用

　　無線局域網由無線網卡、無線接入點、計算機及相關設備組成，與有線局域網主要區別在于傳輸介質與MAC協議。它可以與有線網絡互連使用或單獨使用，可以組成自組無線局域網(Ad-hoc Network)、多區無線局域網(Infrastructure Network)和有線局域網(LAN-interconnection)。

　　根據無線局域網的組網特點，其應用分為以下兩種：

　　1.獨立的無線局域網

　　這是指整個網絡都使用無線通信方式。在這種組網方式下可以使用接入點（AP），也可以不使用AP。在不使用AP時，各個用戶之間通過無線直接互連。但缺點是各用戶之間的通信距離較近，且當用戶數量較多時，性能較差。

　　2.非獨立的無線局域網

　　在大多數情況下，無線通信是作為有線通信的一種補充和擴展。我們把這種情況稱為非獨立的WLAN。在這種配置下，多個AP通過線纜連接在有線網絡上，使無線用戶能夠訪問網絡的各個部分。

　　根據無線局域網的應用環境，其應用可分為以下兩種：室內應用和室外應用。

　　1.室內應用，無線局域網作為有線局域網的補充，與有線局域網并存。由于無線局域網的價格比有線局域網高，故在室內環境下，無線局域網在以下應用情況可發揮其無線特長：大型辦公室、車間、超級市場、智能倉庫、臨時辦公室、會議室、證券市場等。

　　2.室外應用，在難于布線的室外環境下，無線局域網可充分發揮其高速率、組網靈活之優點。尤其在公共通信網無法實現的地區，無線局域網可作為區域網（覆蓋范圍幾十公里）使用。下面列出幾種應用情況：城市建筑群間通信、學校校園網絡、工礦企業廠區自動化控制與管理網絡、銀行、金融證券城區網絡、城市交通信息網絡、礦山、水利、油田等區域網絡、港口、碼頭、江河湖壩區網絡、野外勘測、實驗等流動網絡、軍事、公安流動網絡等。

　　在實際組網中根據不同的應用環境與使用需求，無線局域網可采取不同的網絡結構來實現互連。

　　1、網橋連接型：不同的局域網之間互連時，由于物理上的原因，不便采取有線方式時，則可利用無線網橋的方式實現二者的點對點連接，無線網橋不僅提供二者之間的物理與數據鏈路層的連接，還可為兩個網的用戶提供較高層的路由與協議轉換。

　　2、基站接入型：當采用移動蜂窩通信網接入方式組建無線局域網時，各站點之間的通信是通過基站接入、數據交換方式來實現互連的。各移動站不僅可以通過交換中心自行組網，還可以通過廣域網與遠程站點組建工作網絡。

　　3、Hub接入型：利用無線Hub可以組建星型結構的無線局域網，具有與有線Hub組網方式相類似的優點。在該結構基礎上的無線局域網，可采用類似于交換型以太網的工作方式，要求Hub具有簡單的網內交換功能。

　　4、無中心結構：要求網中任意兩個站點均可直接通信。此結構的無線局域網一般使用公用廣播信道，MAC層采用CSMA類型的多址接入協議。

　　在充分掌握WLAN的網絡結構及特點后，在設計WLAN的網絡過程中應首先確定接入點的數量和位置，以及每一組互連接入點覆蓋區域的位置，防止因覆蓋區的間隙而導致在這些區域內無法正常通信。可以通過實地勘察來確定接入點的位置和數量，了解實際環境和用戶需求，這包括覆蓋頻率、信道使用效率和吞吐量需求等信息，最后確定網絡結構及組網方案。如同接受廣播節目一樣，在WLAN中隨著移動用戶逐漸遠離接入點，他與接入點之間的通信也越來越困難，傳輸吞吐量也將會逐漸減少，WLAN可以通過減低可靠性來提高傳輸速率，相反也可以通過降低傳輸速率來確?？煽啃浴：芏喾桨付伎赏ㄟ^多速率技術保證可靠性，這是對企業級WLAN的一項重要功能。

5 無線局域網的發展前景：

　　早期的802.11無線局域網技術已經在歐美無線市場取得成功， 1999年獲得了4億美元的銷售額。隨著802.11性價比實質性的提高，一個全新WLAN的銷售高峰即將到來。企業將可以應用無線局域網作為他們有線局域網的延伸。同樣，商務人士集中的機場、酒店、會議中心、咖啡廳等地也將成為無線局域網擴展的重點。一項數據顯示，如今，全世界每天大約有15萬人成為新的無線局域網用戶，全球范圍內的無線局域網用戶數量目前已經超過2億，作為一項新的應用，可以說，無線局域網已成功叩開市場的大門。據專家預測，全球無線局域網市場總銷售額將于2004年達到近22億美元，每年平均增幅高達25%左右。無線局域網應用范圍也在不斷拓展，甚至在某些情況下取代有線局域網。

　　無線局域網技術在北美、歐洲方興未艾的今天，我國是否也會有同樣的需求？有人說，在目前，上網64Kbps速率就夠了，11Mbps這么高的速率有什么用？然而，正如專業人士所指出的那樣，無線局域網技術的"大帶寬、大數據量"的特點，決定了它將主要應用于機場、酒店、會議中心、咖啡廳等無線數據需求較大的高端商務用戶市場，而非個人用戶市場。在中國的商務用戶市場中，這一需求正日益迫切。

　　無線局域網可極大提高企業的經濟效益，具有市場可行性。據無線局域網協會的調查表明，無線局域網可提高企業生產率48%，提高企業效率6%，改善企業收益與利潤6%，降低企業成本40%。使用無線局域網不僅可以減少對布線的需求和與布線相關的一些開支，還可以為用戶提供靈活性更高、移動性更強的信息獲取方法。

　　正是看到了這一巨大市場潛力，2001年5月，在北京中國大飯店舉行的《世界新經濟論壇暨高新技術與金融論壇》盛會上，中國網通推出"無限伴旅"無線寬帶接入服務的試用服務。這應該說是無線局域網在中國的第一次商業試用。此后，這種無線局域網服務在深圳華南互聯網展覽會上又成為網通的亮點。10月10日，2001年APEC領導人非正式會議在上海召開，網通的"無限伴旅"服務被列為APEC會議通信保障項目之一。在此期間，人們對這一服務表現出了極大的熱情，紛紛踴躍申請。顯然，這一切進一步印證了無線局域網的潛在的巨大需求。

　　在國內，WLAN的技術和產品在實際應用領域還是比較新的。但是，無線由于其不可替代的優點，將會迅速地應用于需要在移動中聯網和在網間漫游的場合，并在不易布線的地方和遠距離的數據處理節點提供強大的網絡支持。特別是在一些行業中，WLAN將會有更大的發展機會：

　　石油工業：無線網連接可提供從鉆井臺到壓縮機房的數據鏈路，以便顯示和輸入由鉆井獲取的重要數據。海上鉆井平臺由于寬大的水域阻隔，數據和資料的傳輸比較困難，敷設光纜費用很高，施工難度很大。使用WLAN，費用不及敷設光纜的十分之一，效率高，質量好。

　　醫護管理：現在很多醫院都有大量的計算機病人監護設備、計算機控制的醫療裝置和藥品等庫存計算機管理系統。利用WLAN，醫生和護士在設置計算機專線的病房、診室或急救中進行會診、查房、手術時可以不必攜帶沉重的病歷，而可使用筆記本電腦、PDA等實時記錄醫囑，并傳遞處理意見，查詢病人病歷和檢索藥品。

　　工廠車間：工廠往往不能敷設連到計算機的電纜，在加固混凝土的地板下面也無法敷設電纜，空中起重機使人很難在空中布線，零備件及貨運通道也不便在地面布線。在這種情況下，應用WLAN,技術人員在進行檢修、更改產品設計、討論工程方案，并可在任何地方查閱技術檔案、發出技術指令、請求技術支援，甚至和廠外專家討論問題。

　　庫存控制：倉庫零備件和貨物的發送和貯存注冊可以使用無線鏈路直接將條形碼閱覽器、筆記本計算機和中央處理計算機連接，進行清查貨物、更新存儲記錄和出具清單。

　　展覽和會議：在大型會議和展覽等臨時場合，WLAN可使工作人員在極短的時間內，方便地得到計算機網絡的服務，和Internet 連接并獲得所需要的資料，也可以使用移動計算機互通信息、傳遞稿件和制作報告。

　　金融服務：銀行和證券、期貨交易業務可以通過無線網絡的支持將各機構相連。即使已經有了有線計算機網，為了避免由于線路等出現的故障，仍需要使用無線計算機網做備份。在證券和期貨交易業務中的價格以及"買"和"賣"的信息變化極為迅速頻繁，利用手持通信設備輸入信息，通過計算機無線網絡迅速傳遞到計算機、報價服務系統和交易大廳的顯示板，管理員、經紀人和交易者可以迅速利用信息進行管理或利用手持通信設備直接進行交易。避免了由于手勢、送話器、人工錄入等方式而產生的不準確信息和時間延誤所造成的損失。

　　旅游服務：旅館采用WLAN，可以做到隨時隨地為顧客進行及時周到的服務。登記和記賬系統一經建立，顧客無論在區域范圍內的任何地點進行任何活動，比如在酒吧、健身房、娛樂廳或餐廳等，都可以通過服務員的手持通訊終端來更新記賬系統，而不必等待復雜的核算系統的結果。

　　移動辦公系統：在辦公環境中使用WLAN，可以使辦公用計算機具有移動能力，在網絡范圍內可實現計算機漫游。各種業務人員、部門負責人和工程技術專家，只要有移動終端或筆記本電腦，無論是在辦公室、資料室、洽談室，甚至在宿舍都可通過WLAN隨時查閱資料、獲取信息。領導和管理人員可以在網絡范圍的任何地點發布指示，通知事項，聯系業務。也就是說可以隨時隨地進行移動辦公。

　　可以預見，隨著開放辦公的流行和手持設備的普及，人們對移動性訪問和存儲信息的需求愈來愈多，因而WLAN將會在辦公、生產和家庭等領域不斷獲得更廣泛地應用，WLAN將擁有美好的明天。

摘自《電信建設》2002.5

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