无线局域网技术_标准及热点宽带无线通信技术

无线局域网技术介绍 1.1 传输方式 目前无线局域网采用的传输媒体主要有两种，无线电 波与红外线。采用无线电波作为传输媒体的无线局域网根 据调制方式不同，可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。 (1) 扩展频谱方式 在扩展频谱方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几 倍到几十倍后再被搬移至射频发射出去。这一做法牺牲了 频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。由 于单位频带内的功率降低，因此它对其它电子设备的干扰 也较小。 采用扩展频谱方式的无线局域网一般使用ISM频段， （Industrial、Scientific、Medical）。美国ISM频段由902 MHz～928 MHz(26 MHz带宽)、2.4 GHz～2.48 GHz (84 MHz带宽)、5.725 GHz～5.850 GHz(125 MHz带 宽)三个频段组成。如果发射功率及带宽辐射满足美国联 邦通信委员会（FCC）的要求，则无须向FCC提出专门 的申请即可使用ISM频段。 (2) 窄带调制方式 在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩 展即被直接搬移到射频发射出去。 与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少、频 带利用率高。采用窄带调制方式的无线局域网通常使用专 用频段，需要经过无线电管理机构的许可方可使用。采用 窄带调制方式的无线局域网也可使用无需申请的ISM频 段，但当临近的仪器设备或通信设备也在使用这一频段 时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。 (3) 红外线方式 红外线的传输技术最近几年有了很大发展，家电遥控 器几乎都是采用红外线传输技术。红外线的最大优点是它 不受无线电干扰，且红外线的使用不受无线电管理机构的 限制。然而，红外线对非透明物体的穿透性极差，会导致 传输距离受限。 无线局域网技术、 及热点宽带无线通信技术 摘 要 首先介绍了无线局域网技术及802.11系列标准，进而评述了无线通信发展趋势和主要技术， 最后展望了无线通信产业未来发展的方向。 关键词 无线通信 无线局域网 802.11 蓝牙技术 家庭射频技术 超宽带技术 国家无线电监测中心 余亚莉 1 16 中国无线电2006/6 ???? 脉动·无线(一) 1.2 网络拓扑 无线局域网的拓扑结构可归结为两类:无中心分布对 等式（Peer to Peer）拓扑和有中心集中控制（Hub- Based）拓扑。 (1) 无中心分布对等式拓扑（Ad-hoc应用模式） 无中心分布对等式拓扑的网络要求网络中任意两个站 点均可直接通信。 采用这种拓扑结构的网络通常使用公用广播信道，各 站点都可竞争公用信道。信道接入控制（MAC）大 多采用CSMA（载波侦听多址接入）类型的多址接入协 议。 这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、费用较 低。但当网络中用户数（站点数）过多时，信道竞争成为 限制网络性能的要害，并且网络中站点布局受环境限制较 大，因此这种拓扑结构适用于用户相对较少的工作群网络 规模。 (2) 有中心集中控制拓扑（Hub-based应用模式） 有中心集中控制拓扑结构，要求一个无线站点充当中 心站，所有站点对网络的访问均由其控制。这样，当网络 业务量增大时，网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不 明显。由于每个站点只需在中心站覆盖范围之内就可与其 它站点通信，故网络中点站布局受环境限制较小。此外， 中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。 有中心集中控制网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中 心点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入 增加了网络成本。 在实际应用中，无线局域网往往与有线主干网络相结 合。这时，中心站点便充当无线局域网与有线主干网的转 接器。 1.3 网络接口 网络接口涉及无线局域网中站点从哪一层接入网络系 统。一般来讲，可以选择在OSI参考模型的物理层或数据 链路层进行接入。 物理层接口使用无线信道替代有线信道，而物理层以 上各层不变。这样做的最大优点是上层的网络操作系统及 相应的驱动程序可不做任何修改。这种接口方式在使用时 一般被作为有线网的集线器和无线转发器，以实现有线局 域网间互连或扩大有线局域网的覆盖面积。 另一种接口方法是从数据链路层接入网络。这种接口 方法并不沿用有线局域网的MAC协议，而采用更适合无 线传输环境的MAC协议。MAC层及其以下层对上层是 透明的，只需配置相应的驱动程序来完成域上层的接口， 这样可保证现有的有线局域网操作系统或应用软件可在无 线局域网上正常运转。 目前，大部分无线局域网厂商都采用数据链路层接口 方法。 802．11系列标准及最新的 宽带无线通信技术介绍 2.1 802.11系列标准 802.11b标准是IEEE早先制订的无线局域网标准，现 已到广泛应用。802.11b的最大缺点是传输速度相对较低。 虽然11 Mbit/s（实际值为550 kbit/s～600 kbit/s）的 传输速率对大多数宽带用户的接入速度来说已经足够，但 该性能指标却不能满足日益增长的宽带网络的需求。许多 个人及商业用户均希望将“家庭局域网”和“公司局域网” 通过无线方式来组建，从而实现大容量数据的无线传输。 此时WLAN与有线局域网相比，其速度瓶颈更加相形见 绌。再加上早期802.11b标准的安全性问题，注定了它与 主流应用无缘。无论802.11b如何改进，它已呈现出力不 从心的态势。 在WLAN技术发展方面，由于网络应用向多元化与 多媒体应用发展，IEEE802.11b无线局域网络的11Mbit/ s数据传输速率显然不足，因此IEEE便制订了传输速率较 高的IEEE802.11a及IEEE802.11g标准，利用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术克 服在宽频通信中最重要的多重路径问题，其传输速率最高 可达54 Mbit/s。作为802.11b的继承者，802.11a和802. 11g具备优秀的素质。首先，它们都是经IEEE（电子与电 气师协会）批准的无线局域网，标准的确立也就 2 中国无线电2006/617 ???? 脉动·无线(一)脉动·无线(一) 意味着厂商们的认可和支持;其次，它们拥有高达54 Mbit/s的传输速度（实际传输速率可达3 Mbit/s），非常 接近传统100M有线局域网传输速率的一半，如此一来， 大容量数据传输问题便得到了一定的解决;最后，在安全 性上，802.11a和802.11g较802.11b也更胜一筹。 然而在目前的市场上，鲜见有基于802.11a标准的无 线网络产品。随着Intel Dothan处理器的发布，主流高端 笔记本电脑上几乎清一色地配备了Intel Pro 2200 b/g 无线网卡，主流无线AP也大多为802.11b/g规范。 市场对802.11a的怀疑，让802.11g迅速成为厂商们 追捧的对象。和802.11a相比，802.11g在提供了同样54 Mbit/s的高速下，使用的是与802.11b相同的2.4 GHz 频段，解决了升级后的兼容性问题。同时802.11g也继承 了802.11b覆盖范围广的优点，价格也相对较低。当用户 过渡到“g网”时，只需购买相应的无线AP即可，而原 有的802.11b无线网卡则可继续使用。802.11g的灵活性 比802.11a更强。 然而，802.11a在信道可用性方面却比802.11g更具 优势。这是因为802.11a工作在更加宽松的5GHz频段， 拥有12条非重叠信道。而802.11g只有11条（802.11b 同为11条），并且只有3条是非重叠信道（信道1、信道 6、信道11）。因此802.11g在协调邻近接入点的特性上 不如802.11a。由于802.11a的12条非重叠信道能给接 入点提供更多的选择，因此它能有效降低各信道之间的 “冲突”问题;此外，工作在5 GHz频段的802.11a在抗 干扰性上也优于工作在2.4 GHz频段的802.11b/g。因 为在日常生活中，许多电子设备（如蓝牙设备、微波炉等） 都是基于2.4 GHz频段的，这正好与802.11b/g冲突。 5 GHz工作频段具有2.4 GHz无法比拟的抗干扰优 势，但它同时也预示了802.11a的灭亡。首先，由于频段 较高，802.11a的传输距离大打折扣。802.11b无线AP的 覆盖范围为80米～100米（室内），而802.11a仅有30米 左右。5 GHz频段的电磁波在遭遇墙壁、地板、家具等障 碍物时的反射与衍射效果均不如2.4GHz频段的电磁波 好，因而802.11a覆盖范围偏小;其次，由于设计复杂，基 于802.11a标准的无线产品的成本要比802.11b高的多。 据一份市场调查显示，802.11a产品的售价至少比802. 11b高出四倍，在价格敏感的前提下，它很难替代已成主 流的802.11b;最后就是802.11a致命的兼容性问题，其独 特的5 GHz频段无法与802.11b兼容。目前全球有几千 万个采用802.11b标准的无线局域网，如果从现有的802. 11b网络过渡到802.11a，光是更换无线AP的费用就十分 可观，更不用说数量更为庞大的无线网卡了。尽管后来厂 商们考虑到兼容性问题，将产品做成了802.11a/b双频、 甚至802.11a/b/g三频模式，但也改变不了成本过高、 802.11a大势已去的现状，在2002年几千万颗Wi-Fi产 品的芯片出货量中，只有不到10万颗是基于802.11a标准 的。 802.11a已渐渐淡出市场，但它不会完全消失，至少 在更新、更强、优点更出众的标准问世之前不会被市场完 全抛弃。随着WLAN在无线语音传输和矿山、医院等领 域应用，其抗干扰性强和多信道的特点仍是802.11b/g所 望尘莫及的。因此我们有理由相信在未来的一段时间内， 802.11a、802.11b、802.11g可能还会三足鼎立。 IEEE正准备制订下一代局域网标准802.11n，以使 数据传输速率高于100 Mbit/s，目前已进入征求技术建 议书阶段。可以预测的是，为了达到802.11n的要求， IEEE极有可能采用与多输入多输出系统（Multiple In- put Multiple Output;MIMO）技术结合的OFDM系统 技术，使数据传输更可靠，传输覆盖的范围也更大。 MIMO( Multiple Input Multiple Output)技术是近来 热门的无线通信技术之一，其最大的优势是可以大幅提 高数据的传输速率。目前许多国际大厂纷纷准备投入相 关的研发，以期自己开发的系统技术可以被纳入标准中。 2.2 其他带宽无线通信技术 在介绍完IEEE802. 11标准后，下面再介绍一下其 它如蓝牙技术、HomeRF和超宽带（UWB）技术等目前 比较热门的无线通信技术，它们都在快速发展。 蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合 推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣 组织(SIG)负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世 18 中国无线电2006/6 ???? 脉动·无线(一) 界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为 10cm～10m。它使用2.4 GHz ISM频段和调频、跳频技 术，速率为1 Mbit/s。 HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无 线网络技术，它借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP 传输的协议，其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标 准。HomeRF 定义的工作频段为2.4 GHz，这是不需许 可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口， 每秒跳频50次，即每秒钟信道改换50次。收发信机最大 功率为100 mW，有效范围约50m，其速率为1 Mbit/s 至2 Mbit/s。 超宽带UWB无线技术，即脉冲无线电( Impulse Radio) 技术，使用1 GHz以上的带宽，它被认为是未 来五年电信热门技术之一。它实际上整合了业界已经成熟 的技术，如无线USB、无线1394等。与传统通信技术不 同的是，UWB 是一种无载波通信技术，即它不采用载 波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数 据，因此它的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线 个人通信。按照FCC 的规定，从3.1 GHz到10.6 GHz 之间的7.5 GHz的带宽频率为UWB的频率范围。UWB 发射功率受限，进而限制了其传输距离，据资料表明， UWB信号的有效传输距离在10m以内，传输速率可达 500 Mbit/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想 的调制技术。而且UWB系统功耗低，UWB系统使用间 歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短（约为0.20 ns～1.5 ns），有很低的占空因数，系统耗电可以很低，在 高速通信时系统的耗电量仅为几百μW至几十mW。与 IEEE802.11相比，在短距离内，UWB的通信速率可以 达到上千兆，是IEEE802.11的几十倍。超过这个距离范 围(即大于10m)，UWB的性能就会快速下降(目前从演示 的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20m左右)。另 外802.11的功耗相当大。与蓝牙技术相比，从技术参数 上来看，UWB的优势是比较明显的，尽管两者的有效距 离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是 蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比 UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随 着UWB的发展，这种优势将会消失。UWB技术与 HomeRF相比则各有优势:HomeRF的传输距离远，但速 率太低;UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速 度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。 总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千 秋，这些技术之间存在着相互竞争， 但在某些实际应用领 域内它们又相互补充。 小结 同先进国家相比较，我国在无线通信领域仍处于 待开发状态，通过对无线通信技术的研究，可以充分发 挥后发优势，研究将会更有方向性和针对性，因而有可 能在该领域达到并超过世界先进水平，促进我国在无 线通信技术方面的全面发展。同时，这对我国在该研究 领域获得自主知识产权，建立新的经济增长点具有重 大意义。 3 中国无线电2006/619 脉动·无线(一)