WLAN基础理论

1、基基 础础 理理 论论 无 线 局 域 网 技 术 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利 用射频（RF）技术，取代旧式的双绞线构成局域网络，提供传 统有线局域网的所有功能。 WLAN已经成为宽带接入的有效手段之一，使用WLAN的区域 及其承载的业务愈来愈多。为了更好地构建理想中的无线网络， 我们需要了解无线网络的技术体系、了解无线网络的射频技术。 引 言 n WLAN基础知识基础知识 n 802.11协议简析协议简析 n WLAN设备设备 目录目录 WLAN 基 础 知 识 n 什么是什么是WLAN n 为什么要使用为什么要使用WLAN网络网络 n WLAN技术的发展进程技术

2、的发展进程 WLAN 基 础 知 识 无线局域网（无线局域网（Wireless Local Area Wireless Local Area NetworksNetworks，简称，简称WLANWLAN） WLANWLAN是是 利用无线射频技术实现快速接入以太网的技术。是一种相当便利的数利用无线射频技术实现快速接入以太网的技术。是一种相当便利的数 据传输系统，它利用射频据传输系统，它利用射频(Radio Frequency(Radio Frequency； RF)RF)的技术，取代传统的技术，取代传统 的双绞铜线所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取的双绞铜线所构成的局域网络，使得

3、无线局域网络能利用简单的存取 架构，让用户通过它达到信息随身化的理想境界。架构，让用户通过它达到信息随身化的理想境界。 无线局域网是固定局域网的一种延伸。无线局域网是固定局域网的一种延伸。 l没有线缆限制的网络连接没有线缆限制的网络连接。 对用户来说是完全透明的，与有线局域网一样。对用户来说是完全透明的，与有线局域网一样。 WLAN 基 础 知 识 凡是自由空间均可连接网络，不受限于线缆和端口位置。 办公大楼候机大厅 渡假山庄商务酒店 WLAN 基 础 知 识 不受限于时间和地点的无线网络，满足各行各业对于网络应用的需求。 体育场馆新闻中心展馆与证券大厅 制造车间物流运输 WLAN 基 础 知

4、 识 WLAN协议标准简介协议标准简介 1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11WLAN标准工作组。 IEEE 802.11（别名：Wireless Fidelity，Wi-Fi，无线保真）是在1997年6月 由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准，该标准定义物理层和媒体 访问控制(MAC)规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两 个RF传输方法和一个红外线传输方法。 目前常见的协议：IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、 IEEE 802.11a WLAN 基 础 知 识 WLAN协议标准简介协议标准简介 （1）IEEE 802.11 199

5、0年IEEE802标准化委员会成IEEE802.11WLAN标准工作组。IEEE 802.11（别名：Wi-Fi (Wireless Fidelity) 无线保真）是在1997年6月由大量 的局域网以及计算机专家审定通过的标准，该标准定义物理层和媒体访问控 制(MAC)规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个RF传 输方法和一个红外线传输方法，RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工 作在2.40002.4835GHz频段。 IEEE 802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办 公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问， 速率最高

6、只能达到2Mbps。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需 要，所以IEEE 802.11标准被IEEE 802.11b所取代了。 WLAN 基 础 知 识 （2）IEEE 802.11b 1999年9月IEEE 802.11b被正式批准，该标准规定WLAN工作频段在2.4- 2.4835 GHz，数据传输速率达到11Mbps, 传输距离控制在50-150英尺。该标 准是对IEEE 802.11的一个补充，采用补偿编码键控调制方式，采用点对点 模式和基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps、1 Mbps等不同速率间自动切换，它

7、改变 了 WLAN设计状况，扩大了WLAN的应用领域。 IEEE 802.11b已成为主流的WLAN标准，被多数厂商所采用，所推出的 产品广泛应用于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场合，但是由于许 多WLAN新标准的出现，IEEE 802.11a和IEEE 802.11g更是倍受业界关注。 WLAN协议标准简介协议标准简介 WLAN 基 础 知 识 （3）IEEE 802.11a 1999年，IEEE 802.11a标准制定完成，该标准规定WLAN工作频段在 5.725-5.850 GHz，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps(Turbo), 传输距离控制 在10-100米。该标准也

8、是IEEE 802.11的一个补充，扩充了标准的物理层，采 用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术。 IEEE 802.11a标准是IEEE 802.11b的后续标准，其设计初衷是取代 802.11b标准，然而，工作于2.4GHz频带是不需要执照的，该频段属于工业、 教育、医疗等专用频段，是公开的；而工作于5.725-5.850 GHz频带需要执照 的。而且IEEE802.11a卡片价格昂贵也大大的限制了该技术的发展一些公司更 加看好当时最新混合标准IEEE802.11g。 WLAN协议标准简介协议标准简介 WLAN 基 础 知 识 （4）IEEE 802.11g 802.11a与802.1

9、1b两个标准都存在着缺陷，802.11b的优势在于价格低 廉,但速率较低（最高11Mbps）；而802.11a优势在于传输速率快（最高 54Mbps）且受干扰少，但价格相对较高。 目前最流行的IEEE 802.11g认证标准,该标准提出拥有IEEE 802.11a的传 输速率，安全性较IEEE 802.11b好，采用2种调制方式，含802.11a中采用的 OFDM与IEEE802.11b中采用的CCK，做到与802.11a和802.11b兼容。 IEEE802.11g标准的诞生到流行，无论对用户还是对整个业界都是一个 推动，它将把无线局域网的性能提升到一个新的高度，同时降低构建网络的 成本。

10、WLAN协议标准简介协议标准简介 WLAN 基 础 知 识 （5）IEEE 802.11n 为了实现高带宽、高质量的WLAN服务，使无线局域网达到以太网的性能 水平，802.11n应运而生。 在传输速率方面，802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及 802.11g提供的54Mbps提高到108Mbps，甚至高达500Mbps。这得益于将 MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的MIMO OFDM 技术，这个技术不但提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。 在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的 天线阵列，可以动态

11、调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可 以减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使 WLAN移动性极大提高。 WLAN协议标准简介协议标准简介 WLAN 基 础 知 识 802.11协议的发展进程 802.11802.11b802.11a802.11g 标准发布时间July 1997Sept 1999Sept 1999June 2003 合法频宽83.5MHz83.5MHz325MHz83.5MHz 频率范围 2.400-2.483GHz2.400-2.483GHz 5.150-5.350GHz 5.725-5.850GHz 2.400-2.483GHz 非重叠

12、信道 33123 调制技术FHSS/DSSSCCK/ DSSSOFDMCCK/OFDM 物理发送速率1, 21,2,5.5, 11 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 无线覆盖范围N/A100M50M100M 理论上的最大UDP吞吐量 (1500 byte) 1.7 Mbps7.1 Mbps30.9 Mbps30.9 Mbps 理论上的TCP/IP吞吐量 (1500 byte) 1.6 Mbps5.9 Mbps24.4 Mbps24.4 Mbps 兼容性N/A与11g产品可互通与11b/g不能互通与11b产品可互通

13、 WLAN 基 础 知 识 各个国家授权使用的频段 Channel Freq (GHz) US/Can Europe Japan 1 2.412xx 2 2.417xx 3 2.422xx 4 2.427xx 5 2.432xx 6 2.437xx 7 2.442xx 8 2.447xx 9 2.452xx 10 2.457xx 11 2.462xx x 12 2.467x 13 2.472x 14 2.484 WLAN 基 础 知 识 802.11b/g工作频段划分图 2.412 2.417 2.4222.4322.4422.4522.4622.4722.484 2.4272.4372.44

14、72.4572.467 2 3 4 5 1 7 8 9 10 611 12 13 14 WLAN 基 础 知 识 蜂窝式无线覆盖 l 任意相邻区域使用无频率交叉 的频道，如：1、6、11频道 ； l 适当调整发射功率，避免跨区 域同频干扰； l 蜂窝式无线覆盖实现无交叉频 率重复使用。 WLAN 基 础 知 识 n WLAN基础知识基础知识 n 802.11协议简析协议简析 n WLAN设备设备 目录目录 WLAN 基 础 知 识 IEEE 802.11无线局域网工作组 PHY 802.11(1/2 Mbps) 802.11b(5.5/11 Mbps) 802.11g(54 Mbps) 802

15、.11a(54 Mbps) MAC 802.11/11a/11b/11g MAC 802.11e QoS 802.11i 安全增强安全增强 802.11n(300 Mbps) 802.11f 漫游和切换漫游和切换 802.11h 动态调整动态调整 802.11s mesh 802.11网络的基本元素 SSID AP1 SSID“CMCC” SSID：Service Set ID 服务集识别码服务集识别码 STA STASTA 802.11网络的基本元素 BSS Stations (STA)：任何的无线终端设备。 AP （Access Point）：一种特殊的STA BSS：Basic Serv

16、ice Set BSS1 BSS2 STA1 STA2 STA3 STA5 STA6 STA4 AP AP 802.11 组网模式 Ad hoc STA STA STA STA STA 802.11组网模式 多个BSS 以太网 AP AP STA STA STA STA 802.11MAC层工作原理 概述 802.11MAC层负责客户端与AP之间的通讯。 主要功能包括：扫描、接入、认证、加密、漫游和同步。主要功能包括：扫描、接入、认证、加密、漫游和同步。 802.11MAC 报文分类： 数据帧数据帧 用户的数据报文用户的数据报文 控制帧控制帧 协助发送数据帧的控制报文，例如：协助发送数据帧的控

17、制报文，例如：RTS、CTS、ACK等等 管理帧管理帧 负责负责STA和和AP之间的能力级的交互，认证、关联等管理工作之间的能力级的交互，认证、关联等管理工作 例如：例如：Beacon、Probe、Association及及Authentication等等 802.11MAC层工作原理 用户接入管理过程 STA AP Discovery选择AP (采用侦听Beacon帧或发送Probe帧) Authentication Association 和建立Association关系的AP收发数据 1 2 3 4 802.11MAC层工作原理 Scanning 802.11MAC 使用Scanning

18、功能来完成Discovery 寻找和加入一个网络 当STA漫游时寻找一个新的AP 通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络。Beacon帧中包含AP所 属的BSS的基本信息及AP的基本能力级，包括:BSSID(AP的MAC地址)、 SSID、支持的速率、支持的认证方式，加密算法、Beacons帧发送间隔，使 用的信道等。当未发现包含期望的SSID的BSS时，STA可以工作于IBSS状 态 在每个信道上发送Probe request报文，从Probe response中获取BSS 的基本信息。 802.11MAC层工作原理 Authentication认证 802.11MAC层工作原理 A

19、ssociation关联 n WLAN基础知识基础知识 n 802.11协议简析协议简析 n WLAN设备设备 目录目录 WLAN 基 础 知 识 n什么是什么是FAT（胖）（胖） AP n什么是无线交换机和什么是无线交换机和FIT（瘦）（瘦） AP n天线工作原理及参数介绍天线工作原理及参数介绍 WLAN设备设备 FAT AP设备功能 802.11a/b/g 网管、二层漫游, 安全 802.1x认证,802.11e QoS 天线 加密 FAT AP设备的典型组网 l 企业网络的组网模式： AP1 APn STAs l 家庭或soho网络的组网模式： AP ADSL Modem WAN 以太交

20、换机以太交换机 PCSTAs 企业核心网企业核心网 FAT AP组网的局限性 FAT AP组网更适合在家庭和中小型网络中使用，无法满足大型的无线企业网 络的需求，这是由于FAT AP自身的特点所决定的。当需要组建大型无线网络或需 要更多的增值服务时： FAT/FIT性能比较 无线交换机+Fit AP系统构成特点 主要由无线交换机和主要由无线交换机和Fit AP在有线网的基础上构成的。在有线网的基础上构成的。 AP零配置，硬件主要由零配置，硬件主要由CPU内存内存RF构成，配置和软件都要从无线交换构成，配置和软件都要从无线交换 机上下载。所有机上下载。所有AP和无线客户端的管理都在无线交换机上完

21、成。和无线客户端的管理都在无线交换机上完成。 AP和无线交换机之间的流量被私有协议加密；无线客户端的和无线交换机之间的流量被私有协议加密；无线客户端的MAC只出现在只出现在 无线交换机端口，而不会出现在无线交换机端口，而不会出现在AP的端口。的端口。 可以在任何现有的二层或三层可以在任何现有的二层或三层 LAN 拓扑上部署通用无线解决方案，而无需拓扑上部署通用无线解决方案，而无需 重新配置主干或硬件。无线交换机以及管理型接入点重新配置主干或硬件。无线交换机以及管理型接入点AP可以位于网络中的任可以位于网络中的任 何位置。何位置。 无线交换机的数据转发原理 STA Server VLAN 1 I

22、P:1.0.0.1 无线交换机无线交换机 Fit AP 隧道口隧道口 隧道口隧道口 IP:3.0.0.1 无线交换机和AP间数据转发的核心思想 在无线交换机和AP之间建立IPinIP隧道，无线交换机将这些隧道看做虚拟物理端口； 无线客户端STA的任何数据报文都将由AP通过IPinIP隧道交给无线交换机，由无线交 换机统一转发； 无线交换机从IPinIP隧道接收到用户的数据后先解隧道封装，然后做数据交换，如果 出接口为隧道则对数据报文再次加上隧道封装，直到交换到最远端。 核心交换机核心交换机 接入交换机接入交换机 Fit AP 隧道口隧道口 STA VLAN 2 IP:2.0.0.1 VLAN

23、1 IP:1.0.0.2 n什么是什么是FAT（胖）（胖） AP n什么是无线交换机和什么是无线交换机和FIT（瘦）（瘦） AP n天线工作原理及参数介绍天线工作原理及参数介绍 WLAN设备设备 功率计算单位: dB, dBm, dBw dB是用来测量被测量功率与某一基准功率的比值。它的数值等于被测量功率与 基准功率的比值取以10为底的对数，再乘以10。当基准功率取为1mw时，此dB值 以dBm表示。当基准功率取为1w时，此dB值以dBw表示。 公式： 测量功率(dB) = 10 * lg(测量功率/参考功率) 主要无线技术指标 无线电频率无线电频率(Hz) 发射天线增益发射天线增益(dBi)

24、 天线极化方向天线极化方向 波束宽度波束宽度 天线方向图天线方向图 天线的工作频率 天线的工作频率范围： 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的， 通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输 送的功率都将减小。送的功率都将减小。 天线的方向性 全向天线 发射天线的基本功能之一是把从APAP取得的能量向周围空间辐射出去，基本功 能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。 水平面上各向能量辐射相等的天线称为全向天线。水平面上各向能

25、量辐射相等的天线称为全向天线。 图 c 水平面方向图图b 垂直面方向图 各向同性点状天线 能量辐射形状 全向天线能 量辐射形状 图a 天线能量辐射形状图 天线的方向性 定向天线 水平面上各向能量辐射不等的天线称为定向天线。水平面上各向能量辐射不等的天线称为定向天线。 全向阵全向阵 （垂直阵列（垂直阵列 不带平面反射板）不带平面反射板） 扇形区覆盖扇形区覆盖 （垂直阵列（垂直阵列 带平面反射板）带平面反射板） 平面反射板平面反射板 天线增益 10dBm 20dBm 13dBm 一个各向同性的天线在所有方向一个各向同性的天线在所有方向 具有相同的辐射能量具有相同的辐射能量 一个具有一定增益的天线只

26、在一个具有一定增益的天线只在 某个特定方向才具有辐射能量某个特定方向才具有辐射能量 一个一个3dBi增益的天线，辐射增益的天线，辐射 能量的范围在能量的范围在50% 的空间的空间 点状天线 天线的极化 垂直极化垂直极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场 的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的 单极化的情况：垂直极化单极化的情况：垂直极化是最常用的；水平极化是最常用的；水平极化也是要被用到的。也是要被

27、用到的。 水平极化水平极化 E E 波束宽度 60 峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点 3dB 波束宽度波束宽度 15峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点 旁瓣旁瓣主瓣主瓣 天线方向图2.4G室外高增益全向天线 全向天线 增益:11dBi 工作在2.4G频段 用于地广人稀地区的大范围覆盖 水平方向图 垂直方向图 天线方向图2.4G室外高增益定向天线 面板型定向天线 增益:11dBi 工作在2.4G频段 适用于高密度接入覆盖 水平方向图 垂直方向图 无线传输的干扰因素 多径干扰 Direct Signal Reflected Signals PC Card Access Point (AP) 无线传输的干扰因素 障碍物 功率在穿过障碍物后衰减 墙，门，等等。墙，门，等等。 信号穿透损耗估测 障碍物衰减程度举例 开阔地开阔地无无自助餐厅、庭院自助餐厅、庭院 木制品木制品少少内墙、办公室隔断、门、地板内墙、办公室隔断、门、地板 石膏石膏少少内墙（新的石膏比老的石膏对无线信号的影响大）内墙（新的石膏比老的石膏对无线信号的影响大） 合成材料合成材料少少办公室隔断办公室隔断 煤渣砖块煤渣砖块少少内墙、外墙内墙、外墙 石棉石棉少少天花板天花板 玻璃玻璃少少没有色彩的窗户没有色彩的窗户 玻璃中的金属网玻璃中的金属网中等中等门、隔断门、隔断 金属色彩的玻璃金属色彩的玻璃少少带有色彩的窗