wifi

7 无线网

7.1.1 无线网络概述

无线网络技术涵盖的范围很广，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术。通常用于无线网络的设备包括便携式计算机、台式计算机、手持计算机、个人数字助理(PDA)、移动电话、笔式计算机和寻呼机。无线技术用于多种实际用途。例如，手机用户可以使用移动电话查看电子邮件。使用便携式计算机的旅客可以通过安装在机场、火车站和其他公共场所的基站连接到 Internet。在家中，用户可以连接桌面设备来同步数据和发送文件。

无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线用户，全球范围内的无线用户数量目前已经超过2亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。

7.1.2无线网络标准概述

按照覆盖范围的大小，宽带无线网络可以分为:无线城域网(wireless metropolitan area Network WMAN)、无线局域网(wireless local area netwo WLAN)和无线个域网 (wireless personal area netwoK WPAN)。由于应用场合和设计目标的不同，它们的QoS划分也各不相同，MAC层的QoS保障机制也有很大的差异。以下对这三种网络的标准分别加以介绍。

7.1.2.1无线城域网

无线城域网的通信距离比较大，是一种可以用来取代光纤接入的高速接入网技术，它以提供高质量的无处不在的通信连接为目标。现有的无线城域网标准主要是IEEE802.16和802.20。IEEE802.20是支持高速移动的城域网标准，工作在3.5GHz以下的执照频带，支持高达250Km/h高移动性车载通信，与802.16e有融合的趋势。

IEEE802.16采用类似蜂窝的服务区结构，将需要提供业务的地区划分为若干个服务区，典型服务区半径为4-6英里。在服务区内设基站(BS)，经点到多点无线链路与服务区内的多个固定用户终端(ss)通信。采用面向连接的中央控制接入方式。基站一般采用多扇区覆盖技术，通过无线链路或光纤接入骨干网，完成骨干网与无线传输间的信号转换;用户终端一般采用口径很小的室外定向大线与基站进行通信。

IEE802.16作在10-66GHz视距传输频段和2-llGHz非视距传输频段，最高传输速率可达l00Mbps以上。针对不同的工作频段采用不同的物理层协议。随着系统工作频率范围的扩大和服务要求的增加，MAC层增加了自动重传请求(ARQ)机制，大大缓解了无线链路上的干扰对系统的影响，增强了无线网络的端到端传输性能。它灵活地支持TDD和FDD两种双工方式，根据业务量的需求动态分配带宽。为了在各种信道环境下提供可靠的性能802.16物理层还具备以下一些特点:灵活的信道宽度(例如3.5MHz，5MHz和l0MHz等)、自适应突发信号轮廓 (burst profile)，采用RS码与卷积码级联的前向纠错、先进天线系统(AAS)、动态频率选择(DFs)和空时编码(STC)。这些无线链路空中接口规范共同为业务的QoS性能提供保障。

7.1.2.2无线局域网

现有无线局域网标准有IEEE 802.11系列标准、欧洲的HiperLAN1/HiperLAN2和日本的MMAC系列标准。本文将主要介绍正IEEE 802.11系列标准。

IEEE 802.11系列标准工作于2.4GHz和5GHz频段。1997年提出的802.11标准工作在 2.4GHz频段，物理层采用红外(IR)、直接序列扩频(DSSs)或跳频扩频(FSSS)技术，最高数据率可达2Mbps。为满足日益发展的业务对高数据率的要求，IEEE在1999年相继推出了502一802.11b,802.11a两个物理层标准。802.11b标准工作于2.4GHz ISM(Idustrial Seientice Medieal)开放频段，采用直接序列扩频或补码键控(CCK)，能够支持5.5Mbps和 11Mbps两种速率，可以与速率为IMbps和ZMbps的 802.11DSSS系统交互操作，但不能与IMbps和2Mbps的802.11FHSS系统交互操作。802.11a工作于5GHz频段(在美国为U一Nll频段:5.15一5.25GHz，5.25一5.35GHz，5.725一5.82sGHz).它采用正交频分复用(OFDM)技术，有52个子载波，采用BPSK/QPSK，16QAM，64QAM等调制方式。前向纠错码采用编码速率为1/2，2/3或3/4的卷积码。可支持数据速率为6Mbps，9Mbps，12Mbps，18Mbps，24Mbps，36Mbps，48Mbps和54Mbps。但它与802.llb不兼容且成本较高。2001年年底又通过了802.11g试用混合方案。它工作于 2.4GHz ISM频段，采用OFDM技术，可实现最高54Mbps的数据速率，与802.llb标准兼容，还较好地解决了WLAN与蓝牙的相互干扰。

7.1.2.3无线个域网

无线个域网是为活动半径小、业务类型丰富的特定群体提供无缝连接的无线通信网络技术。目前研究认甲WPAN的组织有Bluetooth SIG,IEEE，ITU，HomeRF等。WPAN的技术多种多样，为大家所熟悉的技术有:IEEE802.15家族、Bluetooth，IrDA，HomeRF，RFID、ZigBee等。下面以IEEE802.15家族为例介绍WPAN。

IEEE802.15家族规定了无线个域网的物理层和MAC层规范。吸收蓝牙技术的IEEE802.15.1标准是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立临时性的对等连接(ad一hoccolmeetion)。它的网络拓扑基于Ad hoc网络模式，建立点对点或点对多点的连接。主动发起组网连接请求的设备称为主设备(masteR)，而连接响应方为从设备(slave)。一个主设备和若干个从设备构成一个微微网印piconet)。微微网是实现蓝牙无线通信的最基本方式。多个微微网在时间空间上相互重叠构成散射网(scatternet)。蓝牙标准使用跳频(FH)技术来作为信号的通信方式以克服无线通信的多路径衰减及共频道干扰。它工作在2.4GHz的ISM频段，最高数据率可达20Mbps。它还引入功率节省模式，采用快跳频、短分组抗干扰通信技术，并通过FEC和快速ARQ实现链路差错控制，提供可靠传输。IEEE802.15.2主要解决WPAN与其他无线设备在ISM频段的共存问题。IEEE802.15.3负责开发高速率(大于20Mbps)的WPAN标准。它的物理层工作在2.4GHz IsM频段。目前，该项目组已经在超宽带(UWB)方面取得了很大进展，传输速率己经达到55Mbps，最终将达到480Mbps。IEEE802.15.4是低速率、低功耗、短距离的wpAN IEEE标准，适用于无线传感器网络及基于微控制的应用。它提供两种物理层选择(868/gl5MHz和2.4GHz)，采用DssS技术，2.4oHz频段的数据速率为250kbps。868/915MHz频段的数据速率为20kbps或40kbps。

WPAN与WLAN之间存在多方面的不同:WPAN的功率和价格比WLAN低:典型的WPAN覆盖范围一般在10m以内，而WLAN的典型范围一般在50一100m，有些WLAN甚至到数公里;WPAN的速率普遍低于WLAN(802.15.3除外);WPAN主要用于家居以及个人工作环境(Person Operating Spaee.POS)，而WLAN主要用于公司办公环境。

7.1.3无线网络常见标准有以下几种：

IEEE 802.11a：使用5GHz频段，传输速度54Mbps，与802.11b不兼容

IEEE 802.11b：使用2.4GHz频段，传输速度11Mbps

IEEE 802.11g：使用2.4GHz频段，传输速度主要有54Mbps、108Mbps，可向下兼容802.11b

IEEE 802.11n草案：使用2.4GHz频段，传输速度可达300Mbps，目前标准尚为草案，但产品已层出不穷

目前IEEE 802.11b最常用，但IEEE 802.11g更具下一代标准的实力，802.11n也在快速发展中。

IEEE 802.11b标准含有确保访问控制和加密的两个部分，这两个部分必须在无线LAN中的每个设备上配置。拥有成百上千台无线LAN用户的公司需要可靠的安全解决方案，可以从一个控制中心进行有效的管理。缺乏集中的安全控制是无线LAN只在一些相对较的小公司和特定应用中得到使用的根本原因。

IEEE 802.11b标准定义了两种机理来提供无线LAN的访问控制和保密：服务配置标识符（SSID）和有线等效保密（WEP）。还有一种加密的机制是通过透明运行在无线LAN上的虚拟专网（VPN）来进行的。

SSID，无线LAN中经常用到的一个特性是称为SSID的命名编号，它提供低级别上的访问控制。SSID通常是无线LAN子系统中设备的网络名称；它用于在本地分割子系统。

WEP，IEEE802.11b标准规定了一种称为有线等效保密（或称为WEP）的可选加密方案，提供了确保无线LAN数据流的机制。WEP利用一个对称的方案，在数据的加密和解密过程中使用相同的密钥和算法。

下面我们主要介绍wifi，WiMaX，蓝牙，红外，Zigbee等。

7.2 Wi-Fi

WiFi的全称是Wireless Fidelity，无线保真技术。与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的是2.4GHz附近的频段，该频段目前尚属没用许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个，分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b。802.11b有时也被错误地标为Wi-Fi，实际上Wi-Fi是无线局域网联盟（WLANA）的一个商标，该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。但是后来人们逐渐习惯用WIFI来称呼802.11b协议。

IEEE（［美国］电子和电气工程师协会）802.11b无线网络规范是IEEE 802.11网络规范的变种，最高带宽为11 Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。该技术由于有着自身的优点，因此受到厂商的青睐。

WiFi突出优势有很多，其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右，约合15米，而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右，约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300英尺,接近100米的通信距离扩大到4英里约6.5公里。

其二，虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。

其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置"热点"，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于"热点"所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。

WiFi在掌上设备上应用越来越广泛，而智能手机就是其中一份子。与早前应用于手机上的蓝牙技术不同，WiFi具有更大的覆盖范围和更高的传输速率，因此WiFi手机成为了目前移动通信业界的时尚潮流。由于WiFi的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此WLAN无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。用户可以在WiFi覆盖区域内快速浏览网页，随时随地接听拨打电话。而其它一些基于WLAN的宽带数据应用，如流媒体、网络游戏等功能更是值得用户期待。下面我们主要讲一下WiFi的物理层实现

7.2.l wi一Fi的物理层实现

IEEE802.llb中定义了三种不同类型的物理层实现，即红外线、跳频扩谱 (FHSS)和直接序列扩谱(DSSS)。红外线保密性好，但红外线对非透明物体的透过性极差，这导致传输距离受限。FHSS系统采用83.5MHz带宽中相隔1MHz的79个频点(北美、欧洲大部分国家)，跳频模式分为三组，每组有26个跳频模式。跳频次数由各国主管部门决定。数据率1Mb/s时采用2GFSK，2Mb/s时采用4GFSK。由于GFSK具有恒包络特性，可使用非线性功率放大器，故容易实现，成本较低。DSSS系.统在 1Mb/和ZMb/s时采用长度为11的Barker码扩频，1Mb/s时采用DBPSK调制，2Mb/s时采用DQPSK调制。DSSS系统，除了 1Mb/s和2Mb/s的速率之外，还可提供5.5Mb/s和11Mb/s。码片(Chip)的速率都是11M chiP/s，因此四种速率的信道带宽都是一样的。而且，四种速率所使用的Preamble和header都是一样的。

研究表明，DSSS系统比FHSS系统具有更好的误码性能、传输距离，但因QPSK不具有恒包络特性，需要用线性功率放大器，故适用于高性能系统。在 IEEE802.llb中，数据速率为5.5Mb/s和11Mb/s，它也工作在2.4GHz频段，它采用CCK调制。

7.2.2Wi一Fi物理层的构成及其实现的功能

7.2.2.1Wi一Fi物理层的构成:物理层主要有下面三个实体构成，具体如下:

(1)PLME(物理层管理实体)

(2)PLCP(物理层收敛协议层)

(3)PMn(物理介质依赖层)

PLCP子层用来将MAC层的MPDU数据单元映射成适合PMD传送的帧格式，从而降低MAC层对PMD层的依赖程度。PMD位于PLCP子层下面，PMD支持两个工作站通过无线介质实现物理层实体的发送和接收，PMD直接面向无线介质并向帧提供调制和解调功能。

Wi一Fi物理层PLCP帧结构

图1物理层帧结构

物理层帧结构如图1所示，其中SYNC字段由0和1交替组成，接收器在检测的SYNC后开始进入输入信号的同步，startFrarneDelimit(开始帧界定符)标志一个帧的开始signal(信号)标明接收器的调制方式，serviee保留使用，Length标明MPDU帧的长度，Fr别爪eCheeksequence(帧校验序列)用于帧校验，Mpnu来自MAC层。

Wi一Fi物理层PLME管理实体概述

(1)层管理的概念:MAC层和物理层在概念上包括有各自的管理实体，分别称为MLME(MAC层管理实体)和PLME(物理层管理实体)。这些实体提供触发管理函数的接口。为了提供正确的MAC层操作，在每一个工作站中都有一个SME(工作站管理实体)，这个管理实体是独立于层的实体，这个实体的功能主要是从不同层管理实体收集层的状态和设置具体层的参数值。

不同实体之间通过相互之间SAP (服务接入点)来交换原语(原语是指某个软件上操作)。大致有三种SAP:SME一MLME SAP，SME一PLMES SAP和MLME一PLMES SAP，其中后面两个SAP支持相同的原语，所以可以看作一个SAP(PLME一SAP)。

(2)层之间的通用原语

XX一GET.request(Mmattribute):要求得到给出的MIBattribute的值。

XX一GET. confirm(status，MIBattribute，MIBattributevalue):当状态值为成功时返回相应MIBattributevalue值，如果状态值为失败值，则返回错误的原因。

XX一SET.request(Mmattribute，Mmattributevalue):将给定的Mmatt行bute设为某个值,如果MIBattribute意味着某个操作，则执行相应的操作。

XX一SET.confirm(status，MIBattribute):如果状态值返回成功值，则Mmattribute将被设为指定的值，或者是成功执行了某个操作。否则在状态域中返回一个错误值。

7.2.2.2wi一Fi物理层实现的功能

Wi一Fi物理层实现三大功能:载波监听功能、发送数据功能和接收数据功能。

(l)载波接听功能:物理层通过PMD层检查介质状态来执行载波监听操作，PLCP层在没有发送和接收帧时探测信号的到来和完成信道评估。PLCP层持续对介质进行监听，当介质忙时PLCP层将发送一个标明介质忙的PHY-CCA.indication原语到MAC层，同时PLCP层将读取前同步码，并试图同步接收器和信号数据率。当介质空闲时，PLCP层将发送一个标明介质空闲的PHY-CCA.indication原语到MAC层。在DSSS方式下MAC层通过下面三种方式完成信道评估:PMD一ED(能量探测)、PMD一Cs(载波监听)和PMD一ED+PMD一CS，此功能的设置主要在驱动程序初始化中设置

(2)发送数据功能:PLCP层在收到MAC层PHY-TXSTART. request原语后将PMD转换到传输模式，发送器以1Mbit/s的数率发送前同步码和适配头，适配头发送结束后，发送器将数据速率改到适配头中确定的速率，在发送完后，PLCP层向MAC层发送PHY一TXEND.onfirm原语，关闭发送器，并将PMD电路转换到接收模式。

(3)接收数据功能:当信道评估为忙，并有合法的前同步码时，PLCP层将监听该帧的适配头，当PLCP层确定适配头无误时将向MAC层发送PHY-TXSTART..indication原语通知帧的到来，随同这个原语一起发送的还有适配头的一些信息。PLCP层根据适配头中字段长度的值来设置字节计数器，PLCP层通过PHY-DATA.indicatinn来向MAC层发送PSDU的字节，当字节计数器为零时，PLCP层向MAC层发送PHY-RXEND.indication原语来声明完成帧的接收。

7.2.2.3Wi一Fi物理层关键技术

a ICCK调制

在IEEE 802.llb中，在传输速率为5.5Mb/s，llMb/s时采用了CCK(Complementary Code Keying,互补码键控)调制方式，这使得它占用的频带与1Mb/s，2Mb/s情况下的是一样的，但可获得较高的传输速率，而且在结合采用有关技术，如RAKE接收、DFE(判决反馈均衡器)等之后可获得令人满意的传输质量。

(l)互补码定义

假设有限长复值序列。的长度为N。在任意给出的间隔情况下，序列a中相同元素对数与相同间隔下序列b中不同元素对数相等，则序列入b构成互补码。

假定序列，序列。在序列a中，两元素相邻相同对数为2;两元素间隔一位相同对数为1;序列b中两元素相邻不同对数为2，两元素间隔一位不同的对数为1;则序列a，b构成补码序列

(2)复值序列的自相关函数与互相关函数定义

首先给出有限长复值序列自相关函数与互相关函数定义。设序列是长度N的复值序列，其中对任意。

序列a的自相关函数定义为

（1-1）

序列a，b的互相关函数定义为

（1-2）

用数学公式表述，互补码可以定义为:如果序列a，b构成互补码，则有2，n=0

（1-3）

同样的，如果集合中的元素a，自相关函数之和

（1-4）

则称集合A为互补码集。

(3)互补码性质

性质1:如果序列a，b构成互补码，则序列a，b自相关函数满足关系式(13)，即

（1-5）

性质2:如果序列a，b的自相关函数满足关系式(1-3)，则序列a，b构成互补码。

性质3:如果序列a，b构成互补码，则序列a，b的长度相等，且为偶数。同理，如果集

合A为补码集，则集合A中的所有元素的长度都相等，且为偶数。

下面对序列定义几种操作。用符号表示序列a的倒置;—a表示序列a的负序列，等价于序列a的各个元素乘1后所得序列;表示序列中下标为奇数的元素组成的序列;表示序列a中下标为偶数的元素组成的序列。例如，若序列，其中N为偶数。则

（1-6）

（1-7）

（1-8）

（1-9）

性质4:若序列a，b构成互补码，则序列，b构成互补码;序列—a，b构成互补码;

序列，b构成互补码。

性质5:若集合是补码集，则集合

也是补码集。

b DSSS通信技术

Dsss(Direct Sequenece Spread Spectrum)技术是一种信息处理传输技术。它利用伪随码对信息进行编码调制，实现频谱扩展，使被传输信号幅度低于噪声电平，这就大大提高了通信隐蔽性和抗截获能力。接收端则采用相同的序列进行解扩和相关处理，恢复出原始的数据信息。它是现代通信抗侦收、抗干扰的重要手段，在恶劣的干扰环境下，采用DSSS技术可以提供安全可靠的通信信道。DSSS信号具有三个特征

(l)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号;

(2)扩频信号的带宽远大于被传输数据(信息)带宽;

(3)接收机中必须用与宽带载波同步的副本。

由于DSSS信号的上述特征，另外不同用户可以使用不同的伪随机码，使得DSSS通信系统具有以下几个特点:

(l)有选择地址的能力，对于多元接入系统能实现码分复用;其频带利用率并不因占用

的频带扩展而降低，采用多址通信后，反而比单频单载波系统的频带利用率高。

(2)信号的功率谱密度低，可使信号淹没在噪声之中，不易被敌方截获、侦察、测向

和窃听。DSSS系统可在一10dB~一15dB乃至更低的信噪比条件下工作，具有很强的隐蔽

wi一Fi，wimax异构IEEE802网络之间漫游问题的研究

性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力。

(3)具有较强的抗干扰能力

(4)抗衰落能力强

c同步机制

在IEEE802.11中，同步有两种类型。一种是我们通常意义上的严格的时间同步，另一种是终端之间为了能通信而建立在管理功能上的同步。严格的时间同步需要时间同步函数(TSF)来维持一个网络中各个终端必须认同的时间，该时间需要通过收发Beacon帧发送到网络中的各个终端，从而实现全网络的同步。在拥有AP的网络中，由AP初始化TSF，并定时的通过时标帧(Beacon)将其发送给网络中所有的终端。如果终端中的TSF与收到的Beacon中的时戳不同，在根据收到的Beaoon进行更新。在一个分布式的网络中，TSF是采用分布式算法得到并通过Beacon发送使得各个终端得以更新。在有AP的情况下，终端和AP之间通信实现同步。在同步的过程中，Beacon帧是非常重要的。AP将通过发送Beacon帧来定义完整的BSS时间，使得各个终端及时的进行时间戮更新。在每个网络中定义时标期TBTT，当TBTT到达时标期时，AP将发送Beacon帧。该帧的发送也是通过CSMA/CA来访问物理媒体的。如果在TBTT时信道正忙，AP将进行Beacon帧发送的延迟。

而管理层上面的同步需要经过扫描(scan)，加入(join)和开始(Start)三个步骤，以使得移动台加入WLAN。扫描分为主动扫描和被动扫描两种。被动扫描时，终端将扫描Beacon帧并从中提取出相关的信息。主动扫描时，扫描方发送探测帧。探测帧中包含期望加入的无线网络的ID号。如果没有发现期望的网络，则该终端将建立自己的基本服务集网络。否则，它将进一步启动加入期望网络的过程，并开始在网络中进行通信。

7.2.3WiFi技术的优点和不足

(1)WiFi技术突出的优势在于较广的局域网覆盖范围，WiFi的覆盖半径可达100米左右，相比于蓝牙技术覆盖范围较广：传输速度快：WiFi技术传输速度非常快．适合高速数据传输的业务：无须布线：WiFi最主要的优势在于不需要布线，因此非常适合移动办公用户的需要。健康安全：IEEE802 11规定的发射功率不可超过100毫瓦。实际发射功率约60～70毫瓦．而手机的发射功率约200毫瓦一1瓦问，手持式对讲机高达5瓦。与后者相比．WiFi产品的辐射更小。

(2)WiFi技术的不足之处首先它的覆盖面积有限。其次它的移动性不佳。只有在静止或者步行的情况下使用才能保证其通信质量。为了改善WiFi网络覆盖面积有限和低移动性的缺点最近又提出了802．11n协议草案。802．11n相比前面的标准技术优势明显。在传输速率方面，802．11n可以将WLAN的传输速率由目前802．11b／g提供的54Mbps提高到300Mbps甚至600Mbps。在覆盖范围方面．802．11n采用智能天线技术。可以动态调整波束。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．从而将获得更宽的覆盖范围。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/e25437e39b89680203d825d4.html