无线局域网

       进入90年代，各种通信技术发展迅速，其中人个通信成为人们追求的最高目标，它能够利用各种网络技术实现任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的通信。无线局域网就是实现这一目标的主要系统之一。此外，由于无线局域网具有移动性、便携性、建网迅速等特点，所以在工业控制与管理、医疗、金融等领域也有着广泛的应用前景。
      无线局域网技术发展至今，主要分为两大协议体系：IEEE802.11协议标准体系和欧洲CEPT制定的HIPERLAN协议标准体系。 IEEE802.11局域网工作在2.4GHzISM（工业、科学、医学）频段上，速率为1Mb/s和2Mb/s，HIPERLAN工作在5.150~5.300GHz频段，工作速率可达23.529Mb/s。
      本文介绍IEEE802.11局域网体系。自1990年IEEE802.11工作委员会成立至今，经过长期不懈的努力，到1996年推出了IEEE802.11协议标准草案D4版。

一、无线局域网（WLAN）的基本概念

1.什么是无线局域网

      从广义上讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可称为无线局域网。这里的无线媒体可以是无线电波、红外线或激光。IEEE802.11支持无线电波和红外线。无线局域网的延伸或替代网络。接入方式的WLAN可以将带有无线设备的工作站或笔记本电脑通过接入点（AP）连入有线LAN；中继方式的WLAN可以用无线链路作为连接两个或多个有线网的桥梁，完成多个有线LAN间的数据传输。这两种WLAN方式延伸了有线LAN的作用范围。纯WLAN则是完全由无线设备构成的，它是对有线局域网的替代。

2.WLAN的网络结构
     WLAN的配置结构分为两类：一类是独立网络（见图1）；另一类是基础设施网络（见图2）。独立网络只有一个BSS（基本服务群），是WLAN的基本单元，其中的各移动站可以彼此直接通信，比如Ad-hoc网。基础设施网络则是一种接入型扩展服务网络（ESS），它由两个或两个以上BSS组成，每个BSS中有一个站作为AP接入分布系统DS，并通过DS与其他BSS相连，也可以通过DS和PORTAL与其他有线LAN相连。


3.WLAN的特点

      由于WLAN的传输媒质是无线的，所以它与有线LAN存在很大区别。WLAN比有线LAN易受外界干扰，通信可靠性不如有线方式，所以无线数据传输必须增加纠错编码信息，以增加其可靠性。IEEE802.11规定速率为1Mb/s和2Mb/s，而有线LAN802.3典型速率为10Mb/s，现在已经研制出100Mb/s和1000Mb/s的高速以太网。因此，目前有线LAN还不能完全被WLAN所取代。但是WLAN也具有其不可取代的优越性，在一些场合，比如地理环境恶劣的丘陵、山地，传统布线不易实施；在移动环境下面向计算机用户；在临时性需要快速组网的场合（博览会或灾难恢复）等；无线LAN明显优于有线LAN。此外，WLAN采用无线扩频技术，可以增强通信的保密性。

二、WLAN的关键技术

     IEEE802.11 WLAN是802系列局域网的一个分支。其与802.3以太网等其他LAN只是LLC层以下的MAC子层和PHY层不同，WLAN的特色充分体现在这两层上。WLAN的协议结构见图3。



1.MAC子层

（1）MAC子层的功能结构

      MAC子层的功能结构见图4。其中分布协调功能DCF是数据传输的基本方式，作用于媒体竞争期（CP），其核心是CSMA/CA技术。点协调功能PCF建立在DCF基础上，工作于非竞争期。两者总是交替出现，先由DCF竞争媒体使用权，然后进入非竞争期（CFP），由PCF控制数据传输。

（2）MAC管理实体

     WLAN是开放系统，各站共享媒体，而且通信站具有可移动性、便携性，因此，必须解决信息的保密性问题、节能问题、同步问题和漫游问题。

       保密问题。IEEE802.11定义了两种认证服务：开放系统认证和共享密钥认证。开放系统认证就是使用口令对入网者进行鉴权；共享密钥认证就是用WEP（有线等效保密算法）对服务进行加密，使之成为密文，实现信息的保密传输。

      同步问题。WLAN只能在一个BSS内实现各站的时钟同步。对于基础设施网，每个BSS利用各自的AP作为主时钟，控制其内部的各站达到同步，这种方式称为主从同步；对于独立网，BSS采用互同步方式达到同步。

      节能问题。IEEE802.11允许空闲站处于睡眠状态，在同步时钟的控制下周期性地唤醒处于睡眠态的空闲站，由AP发送的信标帧中的TIM（业务指示图）指示是否有数据暂存于AP，若有，则向AP发探询帧，从AP接收数据，然后进入睡眠态；若无，则立即进入睡眠态。

      漫游问题。IEEE802.11只考虑ESS内的移动，即BSS转移移动。这种转移移动主要解决的问题是如何选择一个合适AP与之连接和再连接。站利用扫描功能或当前的扫描信息发现一个新的高质量的AP，并向这个AP发送再连接请求，若再连接请求成功，则旧站漫游到新的AP，而且AP把再次连接信息通知分布系统，分布系统修改信息，这样做从一个BSS完成了向另一个BSS的漫游。若再次连接不成功，站将扫描另一个AP。


2.物理层PHY
       PHY层是WLAN的收发信机，负责收发MAC的数据。它分为两个层：物理汇聚子层PLCP和物理媒体相关子层PMD。PLCP是连接MAC与PHY之间的桥梁，负责对数据进行必要的处理，便于数据在MAC层和PMD层之间传输；PMD层直接与物理媒体接口，是无线收发信机。

      在PHY层，扩频技术是数据传输的关键技术。所谓扩频通信是指发送的信息被展宽到一个比信息带宽宽得多的频带上去，接收端通过相关接收将其恢复到原信息带宽的一种通信手段。扩频通信的特点是：具有很强的抗干扰能力。可以进行多址通信，安全保密性好，抗多径干扰。扩频技术包括：直接序列扩频DSSS，跳频扩频FHSS，跳时扩频THSS，线性调频和DS/FH、DS/TH、FH/TH混合系统。其中最常用的是直接序列扩频和跳频扩频方式。IEEE802.11支持DSSS、FHSS两种扩频方式，规定其工作频段为2.4GHz ISM频段。

       DSSS是指用高速伪噪声码序列与信息码序列模2加（或波开相乘）后的复合码序列去控制载波的相位而获得的信号。FHSS是指信息的载波受一伪随机序列的控制，不断随机跳变，即载波按一定规律变化的多频频移键控，虽然在某一时刻频谱是窄带的，但在整个时间内，跳频系统在整个频带内跳变是宽带的，从而达到了扩频的目的。DSSS与FHSS各有利弊。在抗衰落等方面DSSS优于FHSS；而FHSS则在抗远近效应上优于DSSS。为了弥补单一扩频方式的缺陷，可以将两者结合起来，采用FH/DS方式，从而达到提高性能，降低成本的目标。在实际应用中应根据需要，综合考虑，选择最优的扩频方式。
    无线局域网技术正处于蓬勃发展的阶段，目前许多公司正在致力于高速的WLAN，有的厂商已经研制出能与IEEE802.11协议兼容的基于MBOK调制解调方式的扩频处理芯片，它可达到11Mb/s的速率。此外，随着WLAN技术日趋成熟，使得无线网能够处理来自有线ATM网的信元，实现无线局域网对有线ATM网的接入，达到WLAN的宽带化。无线局域网的宽带化是未来发展的趋势。