無線局域網的技術與進展

2019-11-05 03:10:35

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供稿：網友

高嘉進李正茂洪福明　　無線局域網是90年代計算機網絡與無線通信技術相結合的產物，它提供了使用無線多址信道的一種有效方法來支持計算機之間的通信，并為通信的移動化、個人化和多媒體應用提供了潛在的手段。本文對無線局域網的概念和目前的技術發展進行了介紹，并具體分析了網絡的結構、協議及其它相關問題。

1 前言

　　自從1977年第1個民用局域網系統ARCnet投入運行以來，局域網以其廣泛的適用性和技術價格方面的優勢，獲得了成功和迅速的發展，已成為數據網絡領域中基于宿主機的最流行的網絡連接形式。

　　隨著社會對計算機依靠性的迅速增加，用戶要求互連的計算機數量更多，類型也更為復雜。現代固態電子技術的發展，使人們可以根據不同的要求選擇不同的網絡方案，但傳統有線網絡由于受設計或環境條件的制約，在物理、邏輯和資金方面普遍存在著一系列問題，非凡是當涉及到網絡移動和重新布局時，所以發展一種可行的無線通信網絡技術作為現有數據連接的擴充已成為一種需要。進入90年代以來，隨著個人數據通信的發展，功能強大的便攜式數據終端以及多媒體終端的廣泛應用，為了實現任何人在任何時間、任何地點均能實現數據通信的目標，要求傳統的計算機網絡由有線向無線，由固定向移動，由單一業務向多媒體發展，更進一步推動了無線局域網（Wireless LAN，以下簡稱無線LAN）的發展。

　　無線LAN和個人通信網（PCN）代表了90年代通信網絡技術的發展方向。PCN主要用于支持速率小于56kbit／s的語音／數據通信，而無線LAN大多用于傳輸率大于1Mbit／s的局域和室內數據通信，同時為未來多媒體應用（語音、數據和圖像）提供了一種潛在的手段。無線LAN既可滿足各類便攜機的入網要求，也可作為傳統有線LAN的補充手段。當然，局域網技術應用于無線信道之所以成為可能，還在于相關技術的發展解決了某些要害性問題：

　　（1）天線設計技術的發展，使得在無線LAN中，每個節點在保證信號強度的同時，實現整個區域的覆蓋。

　　（2）高性能、高集成度的CMOS和GaAs半導體技術的發展，以及多芯片模塊技術（MCM）的出現，使得在一塊低功耗、低成本專用集成電路（ASIC）芯片上可同時實現信號的調制解調，完成在微波以上頻段的收發信功能。

　　（3）網絡軟硬件設計技術的進展，使芯片實現高速數據處理和復雜協議成為可能。

2 網絡的組成

　　無線LAN基本上可分為三部分：通信設備、用戶終端和支持單元，如圖1所示。

無線局域網的技術與進展（圖一）

　　通信設備依據功能可分為四類：無線LAN“固定小區”、無線LAN“移動小區”、無線LAN“橋路器”，以及通信保密裝置（COMSEC）。“移動小區”與“固定小區”類型相似，區別主要在于當用戶移動時能否提供無中斷連接和越區切換。無線“橋路器”為分散的“固定小區”或獨立的“移動小區”提供中遠距離的點對點連接，橋路器檢查每個數據包的地址，并確定最佳路由方案。COMSEC裝置是為了滿足通信鏈路的保密要求設置的，它可以采用分組交換的數據加密設備（DED）進行網絡端-端加密，也可以使用整體加密裝置滿足整條物理鏈路的安全要求。

　　用戶終端提供的業務包括電子郵件、數據傳送、語音和圖像信息。其中，計算數據、仿真結果等，在傳輸過程中不答應出錯，所以對易出錯誤的無線傳輸信道而言，須采用糾錯能力較強的編碼方案，并且數據重傳次數顯著增加，會給系統帶來大量額外開銷。而用戶的多媒體信息，如語音和圖像數據，相對而言容錯性能較好，在一幀圖像或語音采樣中出現少量錯誤，對數據的整體性能影響不大。

　　網絡支持包括本地網絡治理和外部接口設備兩大部分。網絡治理由網絡的整體配置和各主要模塊（設備、軟件）配置組成，例如：COMSEC的加密算法和密鑰治理就被作為網絡治理的一部分，由中心統一控制。至于外部接口設備，在其它網絡中可能已經予以考慮，但為了滿足自維護網絡的要求，在條件答應（如空間資源不緊張）的情況下，還是應該保留。

3 網絡的拓樸結構

　　在無線LAN中，目前使用的拓撲結構主要有三種形式：點對點型、HUB型和全分布型，如圖2、3、4所示。這三種結構解決問題的方法各有優缺點，目的都是讓用戶在無線信道中，獲得與有線LAN兼容或相近的傳輸速率。

無線局域網的技術與進展（圖二）

　　（1）點對點型

　　典型的點對點結構，是通過單頻或擴頻微波電臺、紅外發光二極管、紅外激光等方法，連接兩個固定的有線LAN網段，實際上是作為一種網絡互連方案。無線鏈路與有線LAN的連接是通過橋路器或中繼器完成的。點對點拓撲結構簡單，采用這種方案可獲得中遠距離的高速率鏈路。由于不存在移動性問題，收發信機的波束寬度可以很窄，雖然這會增加設備調試難度，但可減小由波束發散引起的功率衰耗。

　　（2）HUB型

　　這種拓撲由一中心節點（HUB）和若干外圍節點組成，外圍節點既可以是獨立的工作站，也可與多個用戶相連。中心HUB作為網絡治理設備，為訪問有線LAN或服務器提供邏輯接入點，并監控所有節點對網路的訪問，治理外圍設備對廣播帶寬的競爭，其治理功能由軟件具體實現。在此拓撲中，任何兩外圍節點間的數據通信都須經過HUB，所以這種路由方案是種典型的集中控制式。

　　采用這種結構的網絡，具有用戶設備簡單，維護費用低，網絡治理單一等優點，并可與微蜂房技術結合，實現空間和頻率復用，但是，用戶之間的通信延遲增加，網絡抗毀性能較差，中心節點的故障輕易導致整個網絡的癱瘓。

　　（3）完全分布型

　　完全分布結構，目前還無具體應用，僅處于理論探討階段，它要求相關節點在數據傳輸過程中發揮作用，類似于分組無線網的概念。對每一節點而言，或許只有網絡的部分拓撲知識（也可通過軟件的安裝獲取全部拓撲結構），但它可與鄰近節點以某種方式分享對拓撲結構的熟悉，由此完成一種分布路由算法，即路由上的侮一節點都要協助將數據傳送至目的節點。

　　分布式結構抗毀性能好，移動能力強，可形成多跳網，適合較低速率的中小型網絡，但對于用戶節點而言，復雜性和成本較其它結構大幅度提高，網絡治理困難，并存在多徑干擾和“遠-近”問題，同時隨著網絡規模的擴大，其性能指標下降較快。但在軍事領域中，分布式無線LAN具有很好的應用前景。

4 網絡的傳輸方式

　　現行的無線LAN按傳輸方式通常可分為兩種：紅外系統、射頻系統。

4.1 紅外（IR）系統

　　紅外無線LAN在室內的應用正引起極大的關注，由于它采用低于可見光的部分頻譜作為傳輸介質，其使用不受無線電治理部門的限制。紅外信號要求視距傳輸，檢測和竊聽困難，對鄰近區域的類似系統也不會產生干擾，假如采用微蜂房技術，小區頻率復用度可為1。

　　紅外波段由于頻率太高，不能像射頻那樣進行調制解調。假如采用聚焦波束的點對點方案，在距離30m時可達到的比特速率至少為5OMbit／s，但出于安全考慮，其發射功率受到限制；漫射（diffuse）技術可為用戶提供移動能力，但由于多徑干擾以及對環境變化的敏感，一般工作于較低速率；準漫射技術（quasi-diffuse）綜合了兩者的優點，是目前紅外LAN研究的熱點，也是發展的方向。在實際應用中，由于IR系統具有很高的背景噪聲（日光、環境照明等），一般要求的發射功率較高，而采用現行技術，非凡是LED，很難獲得高的比特速率（＞1OMbit／s），盡管如此，紅外無線LAN仍是目前“100Mbit／s以上、性能價格比高的網絡”唯一可行的選擇。

4.2 射頻（RF）系統

　　RF無線LAN是目前最為流行的無線LAN，它按頻段可劃分為三類：

　　（1）非專用頻段，或稱為工業、科研、醫學（ISM）頻段

　　ISM頻段，位于調頻無線電和蜂窩電話使用的UHF頻段高端。由于此頻段頻譜資源擁擠，可用的帶寬較少，所以必須采用擴頻技術。由于優越的抗干擾性和保密性，擴頻技術已被廣泛應用于軍事通信，其概念就是把原始信息的帶寬變換成帶寬寬得多的類噪聲信號，擴頻信號輻射的功率是被擴展過10～1000倍原始信息的帶寬，這樣，功率譜密度也相應降低相同的量，擴頻信號對窄帶信號（FDMA，TDMA）用戶的干擾也相應地降低相同的量，于是擴頻信號對窄帶用戶的干擾就很小了。另一方面，擴頻信號本身具有強的抗干擾能力，從這個意義上說，在窄帶用戶發射功率一定時，由于擴頻處理增益的作用，擴頻寬帶信號可以與窄帶信號共享相同的頻帶。也正鑒于此，美國聯邦通信委員會（FCC）在1985年開放了三個頻段：（902～928）MHz，（2.4～2.4835)GHz，（5.725～5.85)GHz，答應輸出功率小于1W的擴頻電臺免許可證使用，這極大地促進了無線LAN的發展。

　　ISM頻段中涉及的免許可證電臺，可以采用直接序列擴頻（DS）、跳頻（HF），也可以是混合擴頻（DS／HF）。DS技術常用于較高速率的數據通信，跳頻系統從本質而言還是窄帶傳輸過程，由于限制了調制帶寬，通常速率較低，所以ISM頻段的無線LAN大多采用DS擴頻，FCC對其使用做了較嚴格的技術規定。但是，擴頻技術并不能從根本上解決可用帶寬問題，在無線傳輸中，數據編碼的可用帶寬越多，可達到的總的數據率就越高，盡管FCC開放了多個頻段，但其總的可用帶寬有限，理論上，處理增益l0dB的DS系統（QPSK）可得到的最大數據率分別為2.6Mbit／s（900MHz）和8.35Mbit／s（2.4GHz）。而目前工作于ISM頻段中的無線LAN最高數據率均小于Mbit／s。

　　此外，在ISM頻段中射頻信號具有一定的透射和繞射能力，頻率復用度較低，無法與最新的微蜂房技術結合，阻止了其應用范圍的進一步擴大。

　　（2）專用頻段：（18.825～18.875）GHz，（19.165～19.215）GHz

　　18GHz波段的主要優點是它具有一系列UHF和紅外光波的混合頻率特性，對于微蜂房網絡應用很有吸引力，可獲得較高的頻率復用度，并且信號不必嚴格限于視距傳輸。18GHz波段具有足夠高的頻率，辦公設施、生產設備對無線LAN的干擾很小，而且由于所需功率小，系統產生的微波能量也不會影響其它電子系統和設備的正常工作。

　　18GHz波段另一個主要優勢在于具有足夠的帶寬，最近FCC劃分的專用頻段，可供10個10MHz信道使用，由于FCC的控制，也減少了潛在的系統同頻干擾。專用頻段一般選用頻帶利用率高的窄帶調制方式（如TDMA），所以這一頻段的無線LAN多使用時分雙工（TDD）復用技術，使系統在進行高速數據傳輸的同時，還有足夠的頻率間隔保證數據的可靠性和完整性。

　　（3）毫米波段（mmW）

　　工作于毫米波段的無線LAN可提供更大的信息傳輸容量，但在技術上還未成熟。mmW與IR系統在物理層上有許多相似之處，在mmW系統中使用天線分集技術可明顯提高抗阻塞和抗多徑干擾能力，而IR系統由于波長短，使用天線分集時抗多徑性能改善不大，只能減小陰影、阻塞和時延擴展帶來的影響。此外，在mmW中采用靜態路徑補償相對簡單，并且mmW LAN具有很好的LPI／AJ特性，非凡是在頻率高端（58GHz左右）。在此頻段中，由于大氣氧產生分子諧振，比低頻段正常傳播損耗高約18dB／km，這種附加的衰落使信號明顯具有明顯的作用范圍，區域外不易檢測和竊聽到LAN信號，也使外來干擾對LAN不會產生大的影響，因此，毫米波段無線LAN在軍事領域中具有極好的發展前景。

5 網絡協議

　　分布計算環境的基礎是網絡數據的高質量傳輸，以有線以太網為例，其誤碼率在10-12數量級，出錯后還可通過分組重傳采取進一步保護措施。而在無線LAN中即使采用糾錯編碼、反饋補償等相關技術，要獲得有線LAN那樣的低誤碼率仍然困難。因此與有線傳輸相比，無線LAN在數據鏈路層上存在較大差異。

　　在介質訪問控制子層（MAC），有線LAN多遵循IEEE802系列標準，例如802.3的載波偵聽多路訪問／沖突檢測（CSMA／CD）協議，802.5的令牌環路協議等。而無線LAN的MAC標準化工作還未最后完成，IEEE802.11正致力于這方面的研究。由于MAC層及其以下各層對上層是透明的，只要配置相應的驅動程序，保證現有的有線局域網操作系統和應用軟件在無線局域網上正常運行，所以我們重點討論MAC層的協議。評價LAN協議的好壞，除了物理層傳輸速率，主要是吞吐量和時延特性參數。

　　（1）IEEE802系列

　　紅外無線LAN多采用IEEE802系列標準，所以它可以直接使用現有的應用軟件，可工作于802.X速率。而射頻波段的無線LAN，由于其物理層固有的信道波動性，采用上述協議不如有線系統可靠。

　　（2）載波偵聽多路訪問／沖突避免（CSMA／CA）協議

　　由于無線介質動態范圍大，一般的沖突檢測方法在技術上難以實現，所以射頻無線LAN大多采用沖突避免的協議。CSMA／CA從本質上說，是時分復用技術和CSMA／CD的組合，其隨機訪問特性，保證它在協議層、帶寬共享和物理信道特性方面性能可靠，但由于增加了時隙分配、同步比特等額外開銷，其運行速度一般低于IEEE802.3協議。

　　（3）IEEE802.11

　　1993年11月，IEEE802.11委員會提出了“基于分布方式的無線介質訪問控制協議”草案，簡稱DFWMAC，其基本出發點是CSMA／CA，但為了增強異步傳輸業務的可靠性，采用了MAC層確認機制，對幀丟失予以檢測并重新發送。此外，為了進一步減少碰撞，收發節點在數據傳輸前可交換簡短的控制幀，來完成信道占用時間確定等功能。

　　（4）時分雙工（TDD）復用技術

　　TDD技術采用時分多址（TDMA）的常規傳輸方式，即將一時隙預約TDMA作為MAC協議，網絡結構包括一控制模塊和若干用戶模塊。用戶發送數據前要先發送請求，控制模塊會在下一幀中分配時隙，從而避免了沖突。在傳送突發性很強的單向高速數據時，可通過使用多時隙和不對稱傳輸（使用上、下行時隙同向傳送）來實現。幀長的選擇取決于兩個因素：時延和有效性。幀長越短，由于開銷比特固定，有效性越差；相反則時延越大，所以幀長是采用TDD技術的無線LAN設計中的要害問題。

　　（5）網關方式

　　這種方式基于國際標準化組織定義的開放系統互連（OSI）協議體系結構，采用802.X與上層軟件接口，然后安裝一完全不同的協議棧供無線信道使用，實現有線LAN和無線信道協議在邏輯鏈路控制（LLC）層的互連，使系統不必依靠于特定的有線LAN技術，如圖5所示。

無線局域網的技術與進展（圖三）

　　綜上所述，無線LAN協議的要害在于提高吞吐量、降低網絡時延、有效利用信道。同時，一些國際標準，如泛歐數字無繩電話標準DECT，也向支持無線LAN應用的方向發展，它通過將橋路器和無線基站集成，使PABX和LAN系統相結合，來支持語音、數據等綜合業務的傳輸。

6 網絡設計中的問題

　　（1）吞吐量

　　目前，有些設備吞吐量已超過15Mbit／s，而有些只能達到15kbit／s或者更低，對用戶而言，應以滿足實際需求、有效利用帶寬為原則。以互連有線以太網為例，雖然有線網傳輸速率可達100Mbit／s，但實際的最大負載約為4Mbit／s（因為隨著輸入量增大，沖突和重傳次數也相應增加），若是遠距離傳輸，吞吐量會降低至2～3）Mbit／s。此外，在有線LAN中，只有無線節點的業務才會通過無線接口。因此，工作于較低速率（2Mbit／s）的無線LAN，可很好地與有線以太網相匹配，并具有較好的性能。

　　從長遠看，無線LAN提供的速率應與FDDI（分布式光纖接口）或BISDN（寬帶綜合業務數字網）兼容，所以目前人們正致力于傳輸率100Mbit／s系統的研究開發。

　　（2）保密性

　　由于無線傳輸介質的開放性，除了在網絡治理層采取一定的安全措施外，在無線LAN中，擴頻傳輸技術也提供了許多安全方面的優點，如LPI／AJ特性。不同的擴頻用戶選擇不同的擴頻碼可共享同一頻帶，只有與發信機具有相同擴頻碼的收信機才能恢復或解擴信號，PN碼使數據的保密性能得到增強。但直擴或跳頻技術帶來的優點，在單頻傳輸時無法實現，所以有必要發展一種動態、簡單的加密設備或算法，不僅易于連接和操作，而且傳輸密碼對數據鏈路也不會產生太多的附加延遲或開銷。在實際應用中，既可以通過獨立的設備，也可采用硬件或軟件方法融入無線LAN設備中實現。

　　（3）“動中通”（OTM，on-the-move）

　　隨著計算機大量進入商業市場和軍事部門，主機之間的相互通信變得非常重要。無論普通用戶，還是軍事指揮員，都希望能從網絡的任何位置，不需復雜的尋址或長時間的物理連接就可發送數據。目前無線LAN已完成了“無束縛”的靜態操作，下一步發展目標，將是OTM能力，即在以一定速度行進時，可無中斷地收發數據，這將是實現個人通信網（PCN）的一條有效途徑。當然，為了擴大覆蓋范圍和提高頻譜利用率，有必要引入蜂房或微蜂房技術，所以說未來的無線LAN將是多項最新的通信技術的結合。

7 結束語

　　無線LAN技術的未來極大地依靠于標準的建立，雖然IEEE802.11委員會的研究進展比原計劃滯后，但它對無線LAN的發展起著重要作用，此外，IsoENet（對等以太網）計劃也可望在無線LAN發展中產生積極影響。

　　為了實現通信業務的可視化、智能化和個人化（VI&P），國際電信研究與開發的熱點正轉向寬帶綜合業務數字網（BISDN），而異步轉移模式（ATM）作為BISDN的基本傳輸機制，在無線網絡中的應用將無可避免。因此，采用ATM連接將是下一代無線LAN發展的核心，當然這其中還有很多問題值得進一步探討。

摘自《移動通信在線》

轉自：動態網制作指南 www.companysz.com

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