无线局域网标准

第二章无线局域网标准802.11协议族成员WiMAX

802.11协议族

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。为了更好的构建理性中的无线网络，我们需要了解无线网络的技术体系、熟悉构建无线网络设备的功能。引入

课程目标

掌握802.11b/a/g的主要技术指标1掌握802.11n的关键技术原理2掌握802.11的MAC层工作原理3掌握802.11其他协议相关标准4802.11协议组成员PHYMAC802.11(1/2Mbps)802.11b(5.5/11Mbps)802.11g(54Mbps)802.11a(54Mbps)802.11n(300Mbps)802.11/1/11b/1gMAC802.11e--QOS802.11h—动态调整802.11i—安全增强802.11f—漫游和切换802.11s--mesh802.11协议标准无需授权使用的无线频率(ISM)802.11b/g在各国家授权使用的频段802.11b/g工作频段的划分WLAN设备的实际吞吐量802.11g在物理层的理论传输速率为54Mbps，实际吞吐量为20-24Mbps。→其他用于协议封装或避免冲突开销干扰实际吞吐率的因素→速率不稳定→物理环境的变化→放置AP的位置→共享介质WLAN设备的实际覆盖距离输出功率为100mW的802.11b/g产品覆盖距离理论值为100m。实际覆盖距离依赖于现实的物理环境。影响覆盖距离的因素→建筑结构→电磁干扰在一般的办公大楼内，覆盖距离为15m-30m。WLAN概述——WLAN物理层协议802.11b

工作于2.4GHz 1999年,IEEE推出了802.11b标准，该标准工作在2.4GHz频段，最大数据传输速率可达11Mbps。IEEE802.11bWLAN概述——WLAN物理层协议802.11b工作于公共频段，容易与同一工作频段的蓝牙、微波炉等设备形成干扰，且速度较低，为了解决这个问题，在802.11b通过的同年，802.11a标准应运而生。该标准工作于5GHz频段，最大数据传输速率提高到54Mbps。IEEE802.11a802.11a

工作于5GHz802.11b2.4GHz11MbpsWLAN概述——WLAN物理层协议无法平滑升级

虽然802.11a标准比起802.11b先进不少，但由于802.11b的广泛使用，无线局域网的部署和升级必须考虑到客户的既有投资，业界迫切需要一种与802.11b工作于同一频段且更为先进的技术来保证这种妥协。2001年，工作于2.4GHz频段数据速率最高达54Mbps的802.11g标准获得通过。802.11a5GHz54MbpsIEEE802.11g802.11n技术

802.11n的关键技术MIMO-OFDM40MHz频宽模式帧聚合ShortGI802.11n技术

MIMO-OFDM可以实现20MHz下单个数据流达到65Mbps。可以实现在多条路径上并发通信。

40MHz频宽模式将两个20MHz频宽的信道进行捆绑，以获取高于2倍的20MHz频宽的吞吐量。帧聚合802.11MAC层协议耗费大量资源用于链路的维护，从而降低系统的吞吐量。引入帧聚合技术，提高MAC子层效率。ShortGI可以保证数据的发送间隔设置为400ns。802.11网络基本元素

SSID(ServiceSetID)服务集识别码STASTASTAAPAP:接入点STA:无线终端SSID=“marketing”SSID=“ofice”802.11网络基本元素

BSS(BasicServiceSet)基本服务集AP:接入点STA:无线终端BSS:基本服务集STA1STA3STA2APBSS1STA4STA6STA5APBSS2802.11网络基本元素DS(DistributionSystem)分布式系统BSS2BSS1DSDS:连接多个BSS网络以及有线网络802.11网络基本元素ESS(ExtendedServiceSet)扩展服务集BSS2BSS1DSESS:采用形同的SSID的多个BSS形成更大规模的虚拟BSSSSID1SSID1BSS3SSID1ESS802.11工作模式

Adhoc模式

不需要访问有线网络中的资源，只需要实现无线设备之间互相通讯.STA之间可直接互相连接，资源共享，而无需通过AP。802.11工作模式

基本（infrastructure）模式 至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端.

STA之间必须通过AP互联802.11MAC层工作原理802.11MAC层负责客户端与AP之间的通信包括：扫描、认证、接入、加密、漫游等802.11MAC层报文类型数据帧控制帧管理帧MAC层工作原理-用户接入管理过程MAC层工作原理-ScanningMAC层工作原理-AuthenticationMAC层工作原理-Association802.11WEP加密原理IVKey生成器静态Key用户数据明文XORKey流Key流XOR用户数据明文静态Key

Key生成器IVIVKey生成器静态Key用户数据明文XORKey流发送加密报文接收加密报文加密报文+IVWEP:WiredEquivalentPrivacy有线对等私有协议IV:InitializationVender初始向量802.11WEP加密特点与注意事项WEP加密密匙长度固定40bit(WEP40)104bit(WEP104)WEP加密的两种密匙格式ASCII码HEX十六进制WEP加密的密匙索引Key-id802.11i协议—802.1x认证接入过程802.11网络安全WEP加密整个网络共用一个密匙IV向量太短，WEP加密容易破解RC4加密算法过于简单解决办法增加密匙管理机制采用更强的加密算法802.11网络漫游无线漫游STA可以在属于同一个ESS的AP接入点接入。STA可以在WLAN中任意移动。保证已有的业务不中断，用户IP地址不变。802.11网络漫游漫游的分类二层漫游：在同一个子网内的AP间漫游三层漫游：在不同的子网内的AP间漫游网络的介质访问机制CAMA/CACSMA/CA：载波帧听多点接入/避让机制用于无线局域网802.11a/b/g/n，带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量‘避免’。CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突。网络的介质访问机制CAMA/CA802.11e协议—QoS保证支持业务优先级的报文标记业务优先级可被映射到4个输出队列高优先级的报文优先获取无线空口的访问能力SATToPC的QoS映射过程本章总结

本章主要介绍了802.11协议组成员及802.11b/a/g协议的主要技术指标。802.11n的关键技术、802.11协议的基本概念及其MAC工作原理、802.11的安全、漫游、CSMA/CA及QoS等相关内容。IEEE802.11无线局域网工作组

PHY802.11(1/2Mbps)802.11b(5.5/11Mbps)802.11g(54Mbps)802.11a(54Mbps)MAC802.11/11a/11b/11gMAC802.11e—

QoS802.11i—安全增强802.11n(300Mbps)802.11f—

漫游和切换802.11h—动态调整802.11s—

mesh增强了STA和AP的认证机制支持802.1x认证方式支持Pre-sharedkey认证方式增加了Key的生成、管理以及传递的机制每用户使用独立的Key

通过安全的传递方法传递用户数据加密使用的Key增加了两类对称加密算法，加密强度大大增强

TKIP（临时密钥完整性协议）：核心仍然是RC4算法

CCMP（计数器模式CBC-MAC协议）：核心为AES（AdvancedEncryptionStandard，先进加密标准）算法802.11i协议——安全认证和加密802.11技术在QOS方面存在的缺陷最初的802.11技术是为满足用户的数据传输而设计的，根本没有考虑多业务承载。802.11采用的DCF（distributedcoordinationfunction，分布式协调功能）调度模式是基于CSMA/CA原理，最终的效果是所有用户发送的报文平等地竞争无线资源。由于没有区分业务优先级的机制，造成AP和终端在对外发送报文时对报文按同等优先级对待。当发生流量拥塞时，需要优先处理的报文（例如语音报文）和普通的报文（例如浏览网页的报文）会按相同的概率被丢弃。和有线网络相对完善的QOS机制无法很好地衔接。802.11e协议——QOS保证802.11e针对DCF模式进行了改进，支持EDCA（EnhancedDistributionChannelAcess，增强型分布式协调访问机制）的媒体访问机制支持8个业务优先级的报文标记（类似于有线网络中的802.1P）

业务优先级可被映射到4个输出队列高优先级的报文优先获取无线空口的访问能力□宽带无线接入系统位于通信网络中的接入层，用于“最后一公里”的接入及热点地区的覆盖，在通信网络中占有重要的地位。宽带无线接入系统定位

什么是

WiMAX?□

WiMAX

=“WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess”□

WiMAX

是基于(IEEE802.16)技术标准的最后一公里宽带无线接入技术,WiMAX、DSL、CABLE使最后一公里宽带无线接入手段丰富多彩□

IEEE

802.16-2004

固定游牧便携

□

IEEE802.16e简单移动全移动下一代宽带无线网络特点提高无线覆盖率解决手段：OFDM/智能天线/MESH降低网络成本解决手段:统一协议,软件硬化,互通等丰富业务支持能力IP,电路,QoS保证…□为了促进宽带无线设备的标准化，推动其市场发展，由Intel等众多顶级通信部件、设备公司在2003年4月组成了非营利性机构WiMAX，致力于推动802.16无线宽带设备进入市场，加速最后一公里的宽带部署。关于WiMAX组织2004.42005.7应用供应商/其它运营商设备商芯片/元器件供应商WiMAX成员发展IEEE802.16标准比较

802.16802.16a802.16d802.16e标准情况2001年12月正式发布2003年1月正式发布2004年6月23日获批预计于2005年底发布使用频段10～66GHz<11GHz10～66GHz<11GHz<6GHz信道条件视距非视距视距＋非视距非视距固定/移动性固定固定固定+游牧移动＋漫游调制方式QPSK、16QAM和64QAM256OFDM（BPSK/QPSK/16QAM/64QAM）256OFDM（BPSK/QPSK/16QAM/64QAM）

2048OFDMA256OFDM（BPSK/QPSK/16QAM/64QAM）128/512/1024/2048OFDMA信道带宽25/28MHz1.25～20MHz1.25～20MHz1.25～20MHz传输速率32～134Mbps（以28MHz为载波带宽）在20MHz信道上提供约75Mbps的速率在20MHz信道上提供约75Mbps的速率在5MHz的信道上提供约15Mbps的速率额定小区半径<5km5～10km5～15km几kmIEEE802.16-2004与16e技术对比技术参数802.16-2004802.16e子载波数256（OFDM）2048（OFDMA）256（OFDM）128、512、1024、2048（OFDMA）带宽（MHz）1.75MHz~20MHz1.25MHz~20MHz频段2~11GHz<6GHz移动性固定或便携中低车速峰值速率75Mbps（20MHz）15Mbps（5MHz）调制方式QPSK、16QAM、64QAM信道编码卷积码、块Turbo码、卷积Turbo码、LDPC码链路自适应AMC、功率控制、HARQ小区间切换不支持支持增强型技术智能天线、空时码、空分多址、宏分集（16e）、Mesh网络拓扑接入控制主动带宽分配、轮询、竞争接入相结合QoS支持4种QoS等级：UGS、rtPS、nrtPS、BE省电模式不支持支持空闲（Idle）、睡眠模式技术Wi-Fi(802.11b)Wi-Fi(802.11a/g)WiMAX标准IEEE802.11bIEEE802.11a/gIEEE802.16-2004吞吐量直到11Mb/s直到54Mb/s直到75Mb/s覆盖范围约100m约100m30-50km(视距)、4-9km(非视距)、1－2km(户内安装)频率2