詳解無線（WLAN）技術

2019-11-05 02:37:32

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供稿：網友

　　一個無線局域網可當作有線局域網的擴展來使用，也可以獨立作為有線局域網的替代設施，因此無線局域網提供了很強的組網靈活性。
　　
　　無線局域網(WLAN)技術的成長始于20世紀80年代中期，它是由美國聯邦通信委員會(FCC)為工業、科研和醫學(ISM)頻段的公共應用提供授權而產生的。這項政策使各大公司和終端用戶不需要獲得FCC許可證，就可以應用無線產品，從而促進了WLAN技術的發展和應用。
　　
　　與有線局域網通過銅線或光纖等導體傳輸不同的是，無線局域網使用電磁頻譜來傳遞信息。同無線廣播和電視類似，無線局域網使用頻道(Airwave)發送信息。傳輸可以通過使用無線微波或紅外線實現，但要求所使用的有效頻率且發送功率電平標準，在政府機構答應的范圍之內。
　　
　　WLAN技術的優勢
　　WLAN是指以無線信道作傳輸媒介的計算機局域網絡，是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物，它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統有線局域網的功能，能夠使用戶真正實現隨時、隨地、隨意的寬帶網絡接入。
　　
　　WLAN技術使網上的計算機具有可移動性，能快速、方便地解決有線方式不易實現的網絡信道的連通問題。WLAN利用電磁波在空氣中發送和接收數據，而無需線纜介質。
　　
　　與有線網絡相比，WLAN具有以下優點：
　　
　　◆ 安裝便捷：無線局域網的安裝工作簡單，它無需施工許可證，不需要布線或開挖溝槽。它的安裝時間只是安裝有線網絡時間的零頭。
　　
　　◆ 覆蓋范圍廣：在有線網絡中，網絡設備的安放位置受網絡信息點位置的限制。而無線局域網的通信范圍，不受環境條件的限制，網絡的傳輸范圍大大拓寬，最大傳輸范圍可達到幾十公里。
　　
　　◆ 經濟節約：由于有線網絡缺少靈活性，這就要求網絡規劃者盡可能地考慮未來發展的需要，所以往往導致預設大量利用率較低的信息點。而一旦網絡的發展超出了設計規劃，又要花費較多費用進行網絡改造。WLAN不受布線接點位置的限制，具有傳統局域網無法比擬的靈活性，可以避免或減少以上情況的發生。
　　
　　◆ 易于擴展：WLAN有多種配置方式，能夠根據需要靈活選擇。這樣，WLAN就能勝任從只有幾個用戶的小型網絡到上千用戶的大型網絡，并且能夠提供像“漫游”(Roaming)等有線網絡無法提供的特性。
　　
　　◆ 傳輸速率高：WLAN的數據傳輸速率現在已經能夠達到11Mbit/s，傳輸距離可遠至20km以上。應用到正交頻分復用(OFDM)技術的WLAN，甚至可以達到54Mbit/s。
　　
　　此外，無線局域網的抗干擾性強、網絡保密性好。對于有線局域網中的諸多安全問題，在無線局域網中基本上可以避免。而且相對于有線網絡，無線局域網的組建、配置和維護較為輕易，一般計算機工作人員都可以勝任網絡的治理工作。
　　
　　由于WLAN具有多方面的優點，其發展十分迅速。在最近幾年里，WLAN已經在醫院、商店、工廠和學校等不適合網絡布線的場合得到了廣泛的應用。
　　
　　WLAN的拓撲結構
　　WLAN有兩種主要的拓撲結構，即自組織網絡(也就是對等網絡，即人們常稱的Ad-Hoc網絡)和基礎結構網絡(InfrastrUCture Network)。
　　
　　自組織型WLAN是一種對等模型的網絡，它的建立是為了滿足暫時需求的服務。自組織網絡是由一組有無線接口卡的無線終端，非凡是移動電腦組成。這些無線終端以相同的工作組名、擴展服務集標識號(ESSID)和密碼等對等的方式相互直連，在WLAN的覆蓋范圍之內，進行點對點，或點對多點之間的通信，如圖1所示。
　　　詳解無線（WLAN）技術（圖一）

　　圖1 自組織網絡結構
　　組建自組織網絡不需要增添任何網絡基礎設施，僅需要移動節點及配置一種普通的協議。在這種拓撲結構中，不需要有中心控制器的協調。因此，自組織網絡使用非集中式的MAC協議，例如CSMA/CA。但由于該協議所有節點具有相同的功能性，因此實施復雜并且造價昂貴。
　　
　　自組織WLAN另一個重要方面，在于它不能采用全連接的拓撲結構。原因是對于兩個移動節點而言，某一個節點可能會暫時處于另一個節點傳輸范圍以外，它接收不到另一個節點的傳輸信號，因此無法在這兩個節點之間直接建立通信。
　　
　　基礎結構型WLAN利用了高速的有線或無線骨干傳輸網絡。在這種拓撲結構中，移動節點在基站(BS)的協調下接入到無線信道，如圖2所示。
　　詳解無線（WLAN）技術（圖二）

　　圖2 基礎結構網絡結構
　　基站的另一個作用是將移動節點與現有的有線網絡連接起來。當基站執行這項任務時，它被稱為接入點(AP)。基礎結構網絡雖然也會使用非集中式MAC協議，如基于競爭的802.11協議可以用于基礎結構的拓撲結構中，但大多數基礎結構網絡都使用集中式MAC協議，如輪詢機制。由于大多數的協議過程都由接入點執行，移動節點只需要執行一小部分的功能，所以其復雜性大大降低。
　　
　　在基礎結構網路中，存在許多基站及基站覆蓋范圍下的移動節點形成的蜂窩小區。基站在小區內可以實現全網覆蓋。在目前的實際應用中，大部分無線WLAN都是基于基礎結構網絡。
　　
　　一個用戶從一個地點移動到另一個地點，應該被認定為離開一個接入點，進入另一個接入點，這種情形稱為“漫游”。漫游功能要求小區之間必須有合理的重疊，以便用戶不會中斷正在通信的鏈路連接。接入點之間也需要相互協調，以便用戶透明地從一個小區漫游到另一個小區。發生漫游時，必須執行切換操作。切換既可以通過交換局，以集中的方式來控制，也可以通過移動節點，監測節點的信號強度來實現控制，也就是非集中式切換。
　　
　　在基礎結構型網絡中，小區大小一般都比較小。小區半徑的減小，意味著移動節點傳輸范圍的縮短，這樣可以減少功率損耗。并且，小的蜂窩小區可以采用頻率復用技術，從而提高系統頻譜利用率。目前，提高頻譜利用率的常用策略有：固定信道分配(FCA)、動態信道分配(DCA)和功率控制(PC)等。
　　
　　在使用FCA策略時，每個小區分配有固定的資源，但與移動節點數量無關。這種策略的問題在于，它沒有充分考慮移動用戶的分布。在人口稀少的地區，同樣分配相同數量的帶寬資源給小區，但小區可能僅包含幾個或者是根本不包含任何移動節點，使資源被浪費。因此，在這種情況下，頻譜的利用率并不是最優的。
　　
　　在移動節點采用DCA、PC技術，或者是集成DCA和PC的技術，可以提高整個蜂窩系統的容量，減少信道干擾，并減少發射功率。
　　
　　DCA技術將所有可用的信道放置在一個公共信道池中，并根據小區當前的負載，將這些信道動態地分配給小區。移動節點向基站報告其干擾水平，基站以最小干擾方式實現信道復用。
　　
　　PC方案通過減小發送功率的方法，來減少系統中干擾，并減少移動節點的電池能量消耗。當某一個小區內受到的干擾增加時，PC方案通過增加發送節點的功率，來提高接收信號的信噪比(SIR)。當節點受到的干擾減小時，發送節點通過降低發送功率來節約能量。
　　
　　除以上兩種應用比較廣泛的拓撲結構之外，還有另外一種正處于理論研究階段的拓撲結構，即完全分布式網絡拓撲結構。這種結構要求，相關節點在數據傳輸過程中完成一定的功能，類似于分組無線網的概念。對每一節點而言，它可能只知道網絡的部分拓撲結構(也可通過安裝專門軟件獲取全部拓撲知識)，但它可與鄰近節點按某種方式共享對拓撲結構的熟悉，來完成分布路由算法，即路由網絡上的每一節點要互相協助，以便將數據傳送至目的節點。
　　
　　分布式結構抗損性能好，移動能力強，可形成多跳網，適合較低速率的中小型網絡。對于用戶節點而言，它的復雜性和成本較其它拓撲結構高，并存在多徑干擾和“遠—近”效應。同時，隨著網絡規模的擴大，其性能指標下降較快。但分布式WLAN將在軍事領域中具有很好的應用前景。
　　
　　縮略語注釋
　　WLAN：Wireless Local Area Network，無線局域網
　　
　　FCC：Federal Communications Commission，美國聯邦通信委員會
　　
　　OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用
　　
　　ESSID：Extended Service Set ID，擴展服務集標識號
　　
　　FCA：Fixed Channel Allocation，固定信道分配
　　
　　DCA：Dynamic Channel Allocation，動態信道分配
　　
　　PC：Power Control，功率控制
　　
　　SIR：Signal to Interference Noise Ratio，信噪比

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