無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

0 引言

無線局域網(wǎng)(WLAN，Wireless Local Area Networks)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線電通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與有線局域網(wǎng)相比，無線局域網(wǎng)采用的是無線鏈路(Cable-free link)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)廣泛應(yīng)用于辦公自動化、工業(yè)自動化和銀行等金融系統(tǒng)，并且符合軍隊(duì)、公安部門等其它特殊場合的要求。具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

l 無線局域網(wǎng)的主要特征

無線局域網(wǎng)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，較之有線網(wǎng)絡(luò)它具有安裝的靈活性、網(wǎng)絡(luò)的伸縮性、網(wǎng)絡(luò)的移動性等優(yōu)勢。

1．1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WLAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為有中心(Hub—Based)和無中心(Peer to peer)局域網(wǎng)兩類。在有中心結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲�，設(shè)有一個無線節(jié)點(diǎn)充當(dāng)基站，所有節(jié)點(diǎn)訪問均由其控制，每個節(jié)點(diǎn)只要在中心站覆蓋范圍之內(nèi)就可與其它節(jié)點(diǎn)通信，并且中心節(jié)點(diǎn)為訪問有線主干網(wǎng)提供了一個邏輯節(jié)點(diǎn)，這與蜂窩式移動通信的方式非常相似。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是抗毀性差，中心節(jié)點(diǎn)的故障容易導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓；對于無中心結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，要求其中任意節(jié)點(diǎn)均可與其它節(jié)點(diǎn)通信，所以又稱自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)。由于無中心節(jié)點(diǎn)控制網(wǎng)絡(luò)的接入，各節(jié)點(diǎn)都具有路由器功能，又都可以競爭共用信道，為此，大多數(shù)無中心結(jié)構(gòu)的WLAN都要采用CSMA類型的MAC協(xié)議。

應(yīng)該指出的是，自組局域網(wǎng)在軍用和民用領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，在軍事領(lǐng)域中，由于戰(zhàn)場往往沒有預(yù)先建好的固定接入節(jié)點(diǎn)，攜帶移動站的戰(zhàn)士就可以利用臨時建立的移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)用到作戰(zhàn)的地面裝甲車輛和坦克群，以及海上艦艇群、空中的機(jī)群。由于每一個移動設(shè)備都具有路由器的轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能，因此，這種自組局域網(wǎng)的生存能力非常好。在民用領(lǐng)域，當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時，在搶險救災(zāi)中利用移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時的通信往往也是很有效的，因?yàn)檫@時事先已經(jīng)建好的固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可能都已被毀壞。

1．2 傳輸媒質(zhì)及傳輸方式

WLAN的傳送介質(zhì)有兩種，即無線電波和紅外線，前者使用居多。紅外線局域網(wǎng)有較強(qiáng)的方向性，適于近距離通信。而采用無線電波作為媒體的局域網(wǎng)，覆蓋范圍大，而且，這種局域網(wǎng)多采用擴(kuò)頻技術(shù)，發(fā)射功率比自然背景的噪聲低，有效的避免了信號的偷聽和竊取，使通信非常安全，具有很高的實(shí)用性。無線局域網(wǎng)采用微波傳輸，使用的頻段有三個，L頻段、S頻段、C頻段。目前大多數(shù)產(chǎn)品使用S頻段(2．4GHz～2．4835GHz)，在這些波段內(nèi)的WLAN的產(chǎn)品大多數(shù)采用擴(kuò)頻調(diào)制方式，主要有DS和FH兩種。

2 無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

WLAN近年來的迅速發(fā)展受到了一系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的制定的促進(jìn)，這些協(xié)議中影響最大的是IEEl302．1l系列標(biāo)準(zhǔn)，在此主要介紹無線局域網(wǎng)的這種標(biāo)準(zhǔn)。

2．1 IEEE 802．11標(biāo)準(zhǔn)

1997年6月，IEEE推出了第一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802．11。該標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問控制子層的協(xié)議規(guī)范。

IEEE 802．11在物理層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柼卣骱驼{(diào)制方法，定義了兩個無線電射頻(RF)傳輸方法和一個紅外線傳輸方法。RF傳輸標(biāo)準(zhǔn)包括直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)技術(shù)，可以以lMbps的速率進(jìn)行發(fā)射，如果使用正交相移鍵控(QPSK)技術(shù)，發(fā)射速率可以達(dá)到2Mbps。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)利用GFSK二級或四級調(diào)制方式可以達(dá)到2Mbps的工作速率。

由于在無線網(wǎng)絡(luò)中沖突檢測較困難，為了盡量減少數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送，防止各站點(diǎn)無序地爭用信道，IEEE802．1l規(guī)定無線局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制子層采用CSMA／CA(載波監(jiān)聽多路訪問／沖突防止)協(xié)議，而不是沖突檢測(CD)協(xié)議。CSMA／CA通信方式將時間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來，保證某一時刻只有一個站點(diǎn)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制。

2．2 IEEE 802．1lb標(biāo)準(zhǔn)

為了支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更健全的連接性，IEEE于1999年9月批準(zhǔn)了IEEE 802．1lb標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802．1lb標(biāo)準(zhǔn)對IEEE 802．1l標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改和補(bǔ)充，其中最重要的改進(jìn)就是在IEEE 802．11的基礎(chǔ)上增加了兩種更高的通信速率5．5Mbps和11Mbps。

IEEE 802．11b采用了補(bǔ)充編碼鍵控(CCK)，CCK由64個8比特長的碼字組成。IEEE 802．11b規(guī)定在速率為5．5Mbps時使用CCK，對每個載波進(jìn)行4比特編碼。而當(dāng)速率為llMbps時，對每個載波進(jìn)行8比特編碼。同時，MAC層的多速率機(jī)制確保當(dāng)工作站之間距離過長或干擾過大時信噪比低于某個門限值時，傳輸速率能夠從11Mb／s自動降到5．5Mb／s，進(jìn)一步可調(diào)整到2Mb／s和1Mb／s。

由于現(xiàn)行的以太網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同速率以太網(wǎng)絡(luò)之間的兼容，因此有了IEEE 802．11b標(biāo)準(zhǔn)之后，移動用戶將可以得到以太網(wǎng)級的網(wǎng)絡(luò)性能、速率和可用性，管理者也可以無縫地將多種LAN技術(shù)集成起來，形成一種能夠最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)。

3 無線局域網(wǎng)的組成及工作原理

無線局域網(wǎng)也類似有線局域網(wǎng)，設(shè)備相應(yīng)的有無線網(wǎng)卡、無線接入點(diǎn)(AP)、無線網(wǎng)橋(Bridge)、無線網(wǎng)關(guān)(Gate—way)和無線路由器等。下面僅介紹無線網(wǎng)卡和無線接入點(diǎn)的組成原理。

3．1 無線網(wǎng)卡

無線網(wǎng)卡是在無線局域網(wǎng)的覆蓋下，通過無線連接網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)所使用的無線終端設(shè)備。無線網(wǎng)卡一般由網(wǎng)絡(luò)接口控制器(NIC)、擴(kuò)頻調(diào)制及解擴(kuò)解調(diào)單元及微波收發(fā)信機(jī)單元等三部分組成，如圖l所示。其中：NIC為網(wǎng)絡(luò)接口控制單元；BBP是基帶處理單元；IF是中頻調(diào)制解調(diào)器；RF是射頻單元。

NIC可以實(shí)現(xiàn)IICEE802．11的協(xié)議規(guī)范的MAC層功能，主要負(fù)責(zé)接入控制，在移動主機(jī)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，NIC負(fù)責(zé)接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并按照一定的格式封裝成幀，然后根據(jù)多址接入?yún)f(xié)議(在WLAN中為IEEE802．1l協(xié)議)把數(shù)據(jù)幀發(fā)送到信道中去。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，NIC根據(jù)接收幀中的目的地址，判別是否是發(fā)往本機(jī)的數(shù)據(jù)，如果是則接收該幀信息，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，NIC還需要完成發(fā)送和接收緩存的管理，通過計(jì)算機(jī)總線進(jìn)行DMA操作和I／O操作，與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)。

后面三個單元組成一個通信機(jī)，用來實(shí)現(xiàn)物理層功能，并與NIC進(jìn)行必要的信息交換。由于寬帶無線IP網(wǎng)絡(luò)中的通信業(yè)務(wù)具有寬帶、突發(fā)的特點(diǎn)，因此對通信機(jī)提出了更高的要求。BBP在發(fā)送數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，IF處理器把基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到中頻載波上去，再由RF單元進(jìn)行上變頻，把中頻信號變換到射頻上發(fā)射。在接收數(shù)據(jù)時，先由RF單元把射頻信號變換到中頻上，然后由IF進(jìn)行中頻處理，得到基帶接收信號。BBP對基帶信號進(jìn)行解調(diào)處理，恢復(fù)位定時信息，把最后獲得的數(shù)據(jù)交給NIC處理。

事實(shí)上，在物理實(shí)現(xiàn)上可以將不同的功能單元組合到一起。例如NIC與BBP處理器都工作在基帶，可以將兩者集成到一起；IF可以全數(shù)字化，它與BBP結(jié)合在一起可以更方便地實(shí)現(xiàn)一些功能。

無線網(wǎng)卡的軟件主要包括基于MAC控制芯片的固件和主機(jī)操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序。固件是網(wǎng)卡上最基本的控制系統(tǒng)，主要基于MAC芯片來實(shí)現(xiàn)對整個網(wǎng)卡的控制和管理。在固件中完成了最底層、最復(fù)雜的傳輸／發(fā)送模塊功能，并向下提供與物理層的接口，向上提供一個程序開發(fā)接口，為程序開發(fā)人員開發(fā)附加的移動主機(jī)應(yīng)用功能提供支持。

3．2 無線接入點(diǎn)(AP)

無線接入點(diǎn)作為移動終端與有線網(wǎng)絡(luò)通信的接入點(diǎn)，其主要任務(wù)是協(xié)調(diào)多個移動終端對無線信道的訪問，所以其功能主要對應(yīng)于OSI模型中的MAC層。和有線以太網(wǎng)中的Hub類似可以實(shí)現(xiàn)。

無線網(wǎng)絡(luò)的幀格式(IEEE802．11幀)與有線網(wǎng)絡(luò)的幀格式(IEEE802．3幀)之間的轉(zhuǎn)換；負(fù)責(zé)本CELL內(nèi)的管理，包括終端的登陸、認(rèn)證、散步和漫游的管理；具有簡單網(wǎng)管功能。做到“操作透明性”和“性能透明性”。

從邏輯上講，AP由無線收發(fā)部分、有線收發(fā)部分、管理與軟件部分及天線組成，如圖2所示。

AP上有兩個端口，一個是無線端口，所連接的是無線小區(qū)中的移動終端；另一個是有線端口，連接的是有線網(wǎng)絡(luò)。在AP的無線端口，接收無線信道上的幀，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后成為有線網(wǎng)格式的幀結(jié)構(gòu)，再轉(zhuǎn)發(fā)到有線網(wǎng)絡(luò)上；同樣，AP把從有線端口上接收到的幀，轉(zhuǎn)換成無線信道上的幀格式轉(zhuǎn)發(fā)到無線端口上。AP在對幀處理過程中，可以相應(yīng)地完成對幀的過濾及加密工作，從而可以保證無線信道上數(shù)據(jù)的安全性。