WLAN基础知识及网络结构

1、20112011年年1010月月WLANWLAN基础知识基础知识及网络架构介绍及网络架构介绍网络部网络部- 2 - 目 录uWLAN基础知识u WLAN概述u 主要标准介绍u 相关基础知识u WLAN关键技术uWLAN网络架构u 总体网络结构u 认证方式u 网络方案u 与其他系统的关系u业务流程第 2 页- 3 - 概述-无线局域网的含义与定位无线局域网（WLAN：Wireless Local Network）是指以无线信道来替代传统有线传输介质所构成的局域网络。是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。介于有线传输

2、和移动数据通信网之间的一种技术，可提供给用户低速或游牧式的无线数据通信。第 3 页 Mbps1101000.1步行高速固定/桌面移动性移动性3G LANWLAN802.11 a/b/g/n2.5GLTExDSLCable1000- 4 - 概述-无线局域网的含义与定位广域网广域网 WAN(Wide Area Network)城域网城域网 MAN(Metropolitan Area Network)局域网局域网 LAN(Local Area Network)第 4 页IEEE 802.20 3GPP、EDGE、GPRS、2GIEEE 802.16WIMAXIEEE 802.11WLANIEEE

3、802.15BluetoothETSI HiperMANETSI HiperLANHomeRF个域网个域网PAN(Personal Area Network)- 5 - WLAN的发展历程无线局域网的起源最早可以迫溯到第二次世界大战期间的军事应用。1971年，美国夏威夷大学(University Hawaii)的研究人员创造了第二个基于封包式技术的无线电通信网络ALOHNET，这被认为是最早的无线局域网络20世纪70年代至90年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，无线局域网以其无需架线、灵活性强等优点赢得了特定市场的认可，成为有线以太网的有效补充。这一时期的无线局域网产品直接架构于EEE802.3

4、标准上，存在着易受其他微波噪声干扰、传输速率低、各厂商产品互不兼容等弱点，从而限制了无线局域网的进一步应用。1990年11月，为了顺应无线局域网的发展需求，美国国际电子电机学会(IEEE)成立了802.11委员会，开始制定无线局域网标准，迄今已推出了IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n等多项标准。目前，无线局域网产品所采用的技术标准主要有IEEE802.11系列、欧洲的HiperLAN系列等。1999年，WiFi联盟成立，它的主要目的是在全球范围内推行WLAN产品的兼容认证，发展802.11技术。目前，该联盟成员单

5、位超过200家，其中42%的成员单位来自亚太地区，中国区会员也有5个。- 6 - 目 录uWLAN基础知识u WLAN概述u 主要标准介绍u 相关基础知识u WLAN关键技术uWLAN网络架构u 总体网络结构u 认证方式u 网络方案u 与其他系统的关系u业务流程第 6 页- 7 - WLAN标准简介无线局域网主流标准无线局域网主流标准 HomeRF IEEE 802.11协议（主协议（主导技术）导技术） 欧洲欧洲HiperLAN2协议协议WiFi相关标准化组织相关标准化组织 HiperLAN 是一种在欧洲应用的无线局域网通讯标是一种在欧洲应用的无线局域网通讯标准的一个子集。由两种规格：准的一个

6、子集。由两种规格：HiperLAN/1和和HiperLAN/2。这两种标准均被欧洲电信标准协会。这两种标准均被欧洲电信标准协会（ETSI）采用）采用。采用采用5G频率。频率。 目前最完善的目前最完善的wlan协议，协议， HiperLAN标准定义了许标准定义了许多支持无线网络功能的信令和测量方法，包括动多支持无线网络功能的信令和测量方法，包括动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等天线和功率控制等 由美国家用射频委员会领导、成立于由美国家用射频委员会领导、成立于1997年的工年的工作组开发的开放性行业标准，在家庭范围内使计作组开发的

7、开放性行业标准，在家庭范围内使计算机与其他电子设备之间实现无线通信。算机与其他电子设备之间实现无线通信。 基于共享无线接入协议基于共享无线接入协议SWAP，使用，使用TDMA+CSMA/CA方式，适用于语音和数据业务。方式，适用于语音和数据业务。在语音通信时采用数字增强无绳电话（在语音通信时采用数字增强无绳电话（DECT）标）标准，数据通信时采用准，数据通信时采用802.11的的CSMA/CA。HomeRFHiperLAN2- 8 - IEEE 802.11标准系列第 8 页PHYMACOSI层层2OSI层层1IEEE 802.3Ethernet以太网IEEE 802.4Token Bus令牌

8、总线IEEE 802.5Token Ring令牌环IEEE 802.15WPAN蓝牙IEEE 802.16BWA宽带无线IEEE 802.2逻辑链路控制(LLC)IEEE 802.11WLAN无线局域网无线局域网IEEE 802 LAN标准系列MACPHYIEEE 802.11 WLAN标准系列标准系列802.11g(54 Mbps)802.11(1/2 Mbps)802.11b(5.5/11 Mbps)802.11a(54 Mbps)802.11n(600 Mbps)802.11/11a/11b/11g/11n MAC802.11f 漫游和切换漫游和切换802.11e QoS802.11i

9、安全增强安全增强802.11s mesh802.11r快切快切- 9 - IEEE 802.11系列标准（1）IEEE802.11 1997年6月，工作频段为2.4GHz，数据传输速率最高为2Mb/s，主要用于解决办公室局域网和校园网中设备的无线接入（1 1）IEEE802.11bIEEE802.11b 1999年9月，工作频段在2.4-2.4835GHz，数据传输速率达到11Mbps,传输距离为50-150米，采用补偿编码键控调制方式（CCK）。IEEE802.11b是前期主流的WLAN标准，被多数厂商所采用，但是由于许多WLAN的新标准的出现，IEEE802.11a和IEEE802.11g

10、更受业界关注。（2 2）IEEE802.11a IEEE802.11a 工作频段在5.725-5.85GHz，数据传输速率达到54Mbps,传输距离为10-50米，采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，采用QFSK调制方式，支持多种业务如话音、数据和图像等。（3 3）IEEE802.11gIEEE802.11g 工作频段在2.4-2.4835GHz，数据传输速率达到54Mbps,传输距离为50-150米，802.11g中规定的调制方式包括80211a中采用的OFDM与802.11b中采用的CCK。通过规定两种调制方式，既达到了用2.4GHz频段实现802.11a54Mbps的数据传送速度

11、，也确保了与802.11b产品的兼容。WLAN运营商目前大多选用802.11g。（4 4）IEEE802.11n IEEE802.11n IEEE802.11n标准将无线局域网的数据传输速率提高到108Mb/s以上，最高传输速率可达300Mb/s600Mb/s。该标准被定义为双频工作模式，包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段。其物理层的核心技术是MIMO+ OFDM无线信号调制方式。- 10 - IEEE 802.11系列标准IEEE802.11e IEEE802.11e 802.11e定义了无线局域网的服务质量（Quality-Of-Service，QOS）特性，包括数据优先级、语音和

12、视频的传输。802.11e用时分多址（TDMA）方式取代类似Ethernet的MAC层，并为那些时间敏感性强的数据（如语音和视频）增加额外的纠错功能。 802.11e标准工作在两个频段：2.4GHz 5.8 GHz。较高的频率范围有一些优势，包括更高的数据传输率、更多信道以及更高的抗干扰性。IEEE802.11iIEEE802.11i 2004年6月，无线局域网安全标准，为了增强WLAN的数据加密和认证性能，定义了RSN（Robust Security Network）的概念，并且针对WEP加密机制的各种缺陷做了多方面的改进。其商用名称为“WPA2”。IEEE802.11sIEEE802.11

13、s 2006年2月，IEEE802.11s 草案标准，制订与实现目前最先进的MESH 网络，定义：拓扑发现、路径选择与转发、信道定位、安全、流量管理和网络管理。融合了WLAN和Adhoc网络的优势，支持多点对多点的网状结构。 具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络。802.11r802.11r加强漫游的性能，以实现基于无线数据和无线语音的快速漫游。- 11 - IEEE 802.11几种主要标准的对比标准号IEEE 802.11bIEEE 802.11aIEEE 802.11gIEEE 802.11n标准发布时间

14、1999年年9月月1999年年9月月2003年年6月月2009年年9月月工作频率范围2.42.4835GHz5.1505.350GHz5.4755.725GHz5.7255.850GHz2.42.4835GHz2.42.4835GHz5.1505.850GHz非重叠信道数35（中国） 315最高速率（Mbps）115454300-600实际吞吐量（Mbps）62424100以上以上受干扰机率高高低低高高低低覆盖范围100米米50米米100米米几百米几百米调制方式CCK/DSSSOFDMCCK/OFDMMIMO/OFDM兼容性802.11b802.11a802.11b/g802.11a/b/g/

15、n- 12 - 第 12 页中国WLAN 规范和标准 由信息产业部科技司批准成立的中国宽带无线由信息产业部科技司批准成立的中国宽带无线IP 标准工作组标准工作组()在移动无线在移动无线IP 接入、接入、IP 移动性、移动移动性、移动IP 安全性、移动安全性、移动IP业务等方面进行了标准化工作。业务等方面进行了标准化工作。 2003 年由信息产业部报送国家标准化管理委员会正式颁布了年由信息产业部报送国家标准化管理委员会正式颁布了GB 15629.11-2003信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网

16、特定要求第11 部分：部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范无线局域网媒体访问控制和物理层规范，其中定义了我国自主知识产权的无线，其中定义了我国自主知识产权的无线网络安全机制网络安全机制WAPI。 GB 15629.1102-2003 无线局域网媒体访问控制和物理层规范：无线局域网媒体访问控制和物理层规范： 2.4GHz 频段较高速物理层扩展规范频段较高速物理层扩展规范GB 15629.1101-2006 无线局域网媒体访问控制和物理层规范：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：5 .8GHz 频段高速物理层扩展规范频段高速物理层扩展规范GB/T 15629.1103-2006 无线局域网媒体

17、访问控制和物理层规范：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：附加管理域操作规范附加管理域操作规范GB 15629.1104-2006 无线局域网媒体访问控制和物理层规范：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：2.4GHz 频段更高数据速率扩展规范频段更高数据速率扩展规范- 13 - 中国移动无线局域网（WLAN）企业规范第 13 页业务规范业务规范总体技术要求总体技术要求业务总体技术要求设备规范AP AC设备规范Portal 、Radius设备规范网管规范网络管理总体技术要求网络管理功能要求设备网管接口技术要求终端规范终端技术规范接口流程规范设备接口规范用户接入流程技术规范用户界面规范工程规范工程

18、验收测试规范 测试规范AP、AC设备测试规范Portal、Radius设备测试规范终端测试规范客户端测试规范设备网管接口测试规范客户端规范客户端规范共计共计9 9类类1818项规范项规范今年计划制定的企业标准今年计划制定的企业标准中国移动中国移动WLAN工程设计规范工程设计规范- 14 - 目 录uWLAN基础知识u WLAN概述u 主要标准介绍u 相关基础知识u WLAN关键技术uWLAN网络架构u 总体网络结构u 认证方式u 网络方案u 与其他系统的关系u业务流程第 14 页- 15 - 基础知识-传播理论描述发射机和接收机之间（描述发射机和接收机之间（T-RT-R）长距离）长距离（几百米

19、或几千米）上的场强变化的传（几百米或几千米）上的场强变化的传播模型称为大尺度衰落模型；播模型称为大尺度衰落模型；描述发射机和接收机之间（描述发射机和接收机之间（T-RT-R）短距离）短距离（几个波长）或短时间（秒级）内的接（几个波长）或短时间（秒级）内的接收场强快速波动的传播模型称为小尺度收场强快速波动的传播模型称为小尺度衰落模型。衰落模型。距离距离接收功率接收功率大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落自由空间传播模式：电磁波在自由空间的传播方式是最基本、最简单的一种自由空间传播模式：电磁波在自由空间的传播方式是最基本、最简单的一种 ，对于开，对于开阔的室内或室外可以采用此模型。阔的室内或室

20、外可以采用此模型。222)4(log10log10)(dGGPPdBPLrtrtPtPt：发射功率；：发射功率；PrPr：接收功率；：接收功率；GtGt：发射天线增益：发射天线增益GrGr：接收天线增益：接收天线增益d d：T-RT-R间距离；间距离；：波长：波长- 16 - 三种传播机制之反射反射：反射：在在不同性质的介质交界处，电磁波会有一部分发生反射；反射波和传输波的电场强不同性质的介质交界处，电磁波会有一部分发生反射；反射波和传输波的电场强度取决于反射系数（度取决于反射系数（）。反射系数是材料的函数，并与极性、入射角和频率有关）。反射系数是材料的函数，并与极性、入射角和频率有关; ;下

21、图所示的双线地面反射模型是基于几何光学的的传播模型下图所示的双线地面反射模型是基于几何光学的的传播模型, ,总的接收场强为直接总的接收场强为直接视距成分和地面反射成分的合成。视距成分和地面反射成分的合成。 - 17 - 三种传播机制之绕射绕射：电磁波信号能够绕物体曲线表面传播到阻挡物后面的现象；绕射：电磁波信号能够绕物体曲线表面传播到阻挡物后面的现象；由由Huygen原理解释绕射现象：波前上的所有点可以作为产生次级波的点源，次级波的传播原理解释绕射现象：波前上的所有点可以作为产生次级波的点源，次级波的传播进入阴影区而形成绕射场。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量叠加。进入阴影区而形成

22、绕射场。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量叠加。绕射损耗是路径差的函数，可以用费涅尔区解释。绕射损耗是路径差的函数，可以用费涅尔区解释。 费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距路径长度大费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距路径长度大n/2（n为正整数）为正整数）的连续区域的连续区域 ；下图是一个位于发射机和接收机之间的平面，其上的同心圆环叫做费涅尔区；下图是一个位于发射机和接收机之间的平面，其上的同心圆环叫做费涅尔区；同心圆的半径与平面的位置有关。这说明遮挡效应不仅对频率敏感，而且对阻挡物的位置同心圆的半径与平面的位置有关。这说明遮挡效应不仅对频率敏感，

23、而且对阻挡物的位置敏感。敏感。 当由单个物体引起遮挡时，一般通过把阻挡体当作绕射刃形边缘来预测绕射损耗；传播路径上当由单个物体引起遮挡时，一般通过把阻挡体当作绕射刃形边缘来预测绕射损耗；传播路径上可能不只一个阻挡，这时可以用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体的方法来预测绕射损耗；可能不只一个阻挡，这时可以用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体的方法来预测绕射损耗；- 18 - 三种传播机制之散射当电磁波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向；当电磁波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向；表面的粗糙程度经常产生不同的传播效果，一般使用瑞利（表面的粗糙程度经常产生不同的传播效果，一般使

24、用瑞利（Rayleigh）原则表征表面粗糙程度，其中定义了给定入射角的表面平整度的参考原则表征表面粗糙程度，其中定义了给定入射角的表面平整度的参考高度。高度。T TR Richsin8- 19 - 阴影衰落由于电磁波在传播路径障碍物阻挡而在障碍物后面形成电波阴影区，造成接收信号场强中值的缓慢由于电磁波在传播路径障碍物阻挡而在障碍物后面形成电波阴影区，造成接收信号场强中值的缓慢随机衰落，这种现象称为阴影效应；随机衰落，这种现象称为阴影效应；由于随机阴影效应，一个地点的信号不是固定的，不能确保的信号一直保持在某个门限以上，只能由于随机阴影效应，一个地点的信号不是固定的，不能确保的信号一直保持在某个

25、门限以上，只能以一个概率表示，信号强度超过一定门限的达到了某个概率，我们就可以认为这个覆盖是可以接通以一个概率表示，信号强度超过一定门限的达到了某个概率，我们就可以认为这个覆盖是可以接通的。因此计算边界内覆盖面积的百分率是非常有意义的；与覆盖面积百分率相关的一个概念就是边的。因此计算边界内覆盖面积的百分率是非常有意义的；与覆盖面积百分率相关的一个概念就是边缘覆盖概率，指在覆盖区边缘上，接收信号强度大于接收门限的时间百分比缘覆盖概率，指在覆盖区边缘上，接收信号强度大于接收门限的时间百分比 ；覆盖面积百分率与边缘覆盖概率定义不一样，达到某个覆盖面积百分率或者边缘覆盖概率时，对应覆盖面积百分率与边缘

26、覆盖概率定义不一样，达到某个覆盖面积百分率或者边缘覆盖概率时，对应的接收信号强度门限与接收信号中值的差值叫做阴影衰落余量。阴影衰落余量广泛应用于无线网络的接收信号强度门限与接收信号中值的差值叫做阴影衰落余量。阴影衰落余量广泛应用于无线网络链路预算和计算机仿真中链路预算和计算机仿真中 。- 20 - 多径传播之基本概念无线信道的主要特征是多径传播。多径传播的概念：无线信道中反射无线信道的主要特征是多径传播。多径传播的概念：无线信道中反射物的存在，导致信号经过反射由多条路径到达接收机，各条路径传播物的存在，导致信号经过反射由多条路径到达接收机，各条路径传播距离的差异导致信号幅度、相位及时间的变化；

27、不同相位的多个信号距离的差异导致信号幅度、相位及时间的变化；不同相位的多个信号叠加，接收信号的幅度将急剧变化，这就导致了衰落的产生。叠加，接收信号的幅度将急剧变化，这就导致了衰落的产生。多径传播可以使信号基带部分到达接收机所用的时间延长，由于码间多径传播可以使信号基带部分到达接收机所用的时间延长，由于码间干扰引起信号衰落和信号失真。干扰引起信号衰落和信号失真。- 21 - 传播损耗自由空间的损耗，根据自由空间电波损耗公式：Lbs =32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km) 式中，Lbs称为自由空间的路径传播损耗。WLAN信号穿透建筑物的特性：距离损耗(dB)M（米）2.4GHz5G

28、Hz140462465255460757631060662066.02723069.675.64072785074806075.281.2707783807884频率混凝土墙混凝土楼板天花板管道金属楼梯2400MHz12dB10dB1.49dB7dB- 22 - 链路预算及覆盖规划第 22 页l室内的室内的WLAN信号传播损耗：信号传播损耗：l选取衰减因子模型作为室内无线传播模型，其表示式为：l其中PL(d0)=20lg(4d0/)，一般取d0=1 m，当频率为2.45 GHz时，其值为40dB；n：衰减因子，与传播环境有关；FAF：附加衰减因子，指由于楼板、隔板、墙壁等引起的附加损耗。l经过

29、链路预算，可以初步确定经过链路预算，可以初步确定AP的覆盖范围及位置的覆盖范围及位置FAFddndPLdBdPL)lg(10)()(00衰减因子取值衰减因子取值环境环境衰减因子衰减因子n n自由空间自由空间2 2全开放环境全开放环境2.02.02.52.5半开放环境半开放环境3.0较封闭环境较封闭环境3.03.03.53.5- 23 - l接收信号质量与调制方式的关系：接收信号质量与调制方式的关系：l不同的接收信号强度下所能获得的传输速率是不同的；l接收电平、信干比越高，采用的调制方式越高，获得的传输速率就越高；l以小功率AP为例，中国移动要求的数据速率与接收机门限电平指标如下：l集团建议集团建议WLAN信号的主要覆盖指标如下：信号的主要覆盖指标如下：l无线信号场强建议-75dBml信噪比20dB链路预算及覆盖规划802.11g802.11g数据速率（数据速率（MbpsMbps）接收机门限电平（接收机门限电平（dBmdBm）PER10% PER10% （PSDU1000BytesPSDU热点交换机-汇聚交换机-AC通过三层转发实现瘦AP的管理，实现AP即插即用。在热点交换机上启用本地DHCP给AP分配管理地址，热点交换机终结本地AP的管理VLAN。 - 78 - WLAN业务数据流业务数