7.4 无线网络标准

 

7.4  无线网络标准

无线网络标准就是无线网络设备之间相互通信时必须遵守的一些准则，如同人与人之间相互交流时需要遵循的规矩一样。无线网络标准规定了设备所能支持的网络传输速率，以及其他兼容性等。目前常用的无线网络标准主要是美国电子工程师协会（IEEE）制定的802.11无线局域网标准和802.16无线城域网标准。另外，为了确保用户选购不同厂家的无线设备可以很好地协同工作，还必须通过Wi-Fi规范的认证。

7.4.1  IEEE 802.11标准系列

1．IEEE 802.11标准

IEEE 802标准定义了物理层和数据链路层规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作无线网络设备。

其中，物理层定义了数据传输的信号特征和调制。在物理层中，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法。RF传输方法采用扩频调制技术来满足多数国家的工作规范。在该标准中RF传输标准是跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS），工作在2.4000GHz～2.4835GHz频段。直接序列扩频支持1Mbps和2Mbps数据速率，使用11位Barker序列，处理增益10.4dB。跳频扩频采用2～4电平GFSK调制技术，支持1Mbps数据速率，共22组跳频图案，包括79信道，在美国规定最低跳频速率为2.5跳/s。红外线传输方法工作在850mm～950mm段，峰值功率为2W，使用4或16电平脉位调制技术，支持速率为1Mbps和2Mbps。

数据链路层使用载波侦听多路访问/避免冲突（CSMA/CA）协议。由于在RF传输网络中冲突检测比较困难，所以使用该协议避免冲突检测带在IEEE 802.3协议使用的冲突检测，使用信道空闲评估（CCA）算法来决定信道是否空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强度RSSI来完成。CSMA/CA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。数据加密与等效有线加密WEP算法一样，使用64位密钥和RC4加密算法。

2．IEEE 802.11b标准

IEEE 802标准的出台推动了无线网络的发展，但是由于其传输速率仅有1Mbps～2Mbps，仍不能得到广泛的推广应用。IEEE 802.11b标准（Wi-Fi）的颁布则给无线局域网带来了新的发展商机，它最高11Mbps的传输速率从根本上改变了无线局域网的设计和应用现状，满足了人们在一定区域内实现不间断移动办公的要求，逐渐成为全世界普遍接受的无线局域网标准，扩大了无线局域网的应用领域。

IEEE 802.11b标准工作在2.4GHz的频带，采用补码键控（CCK）调制技术，传输速率最高可达到11Mbps。IEEE 802.11b对无线局域网的最大贡献就是根据无线信道状况的变化支持物理层传输速率的动态变化，可以在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps和1Mbps之间进行动态速率调整。

IEEE 802.11b的传输技术是直接序列扩频技术（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）。DSSS直接利用高速率扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列去进行解码。DSSS扩频通信技术具有保密性好、抗多径干扰等优点。

IEEE 802.11b技术有以下几个特点：

·    可靠的通信  抗干扰和抗多径干扰能力强，能够高速、高质量地传输数据。

·    低成本  节省了网络综合布线高额费用，节省了租用线路月租费和线路的维护费用。

·    灵活性  不受电缆和一般障碍物限制，可任意增加和配置工作站。

·    移动性  允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，可在无线网络覆盖的范围内自动漫游。

·    高吞吐量  可以实现11Mbps的数据传输速率，并可以在5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间自动进行速率调整。

在网络安全机制上，IEEE 802.11b提供了MAC层的访问控制和加密机制，即WEP（等效有线加密），为无线局域网提供了与有线网络相同级别的安全保护。IEEE 802.11b标准还提供了可选的RSA40及128位的共享密钥RC4PRNG算法。

IEEE 802.11b的网络协议主要有两种：一种是载波侦听多路访问/避免冲突（CSMA/CA）技术；另一种是请求发送/允许发送协议（RCT/CTS），它相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏终端”问题，更加保证了网络的安全。

另外还有一种基于IEEE 802.11b标准的非正式标准，即IEEE 802.11b+，也称为增强型IEEE 802.11b，与IEEE 802.11b完全兼容，只是采用了特殊的数据调制技术，所以，能够实现高达22Mbps的通信速率，比IEEE 802.11b标准快一倍。同时，由于IEEE 802.11b+产品在价格上与IEEE 802.11b相差无几，因此，具有很好的市场前景。

3．IEEE 802.11a标准

IEEE 802.11a标准几乎是与IEEE 802.11b标准同时制定的，但是它们之间却存在着较大的差异。IEEE 802.11a无线通信标准所规定的最大吞吐率为在5 GHz频段上实现54Mbps传输速率，该标准采用正交频分多路复用（OFDM）调制技术。

OFDM技术实质上是多载波调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）的一种，其原理是：将无线信道分成若干正交子信道，然后将高速传输的数据信号，转换成并行低速的子数据流，并调制到每个子信道上进行传输。同时在接收端，OFDM也采用了类似的方法，将正交信号分开，从而减少了子信道之间的相互干扰，信道的均衡性也更加容易实现。由于OFDM允许每个频带可以有不同的调制方法，因而可以增加子载波的数目，从而大大提高了数据的传输速率。

IEEE 802.11a与IEEE 802.11b标准的完整技术指标对比包含大量复杂的讨论内容。如表7-1所示提供了针对这两种技术标准的高级概述。目前，IEEE 802.11b与某些无绳电话及其他设备共享2.4 GHz频段，并且可能造成冲突。

表7-1  IEEE 802.11a和IEEE 802.11b技术指标的对比

IEEE 802.11a标准下的网络传输速率虽然有了很大的提高，但是由于其造价非常高，组建网络的投资大，所以短时间内很难实现大规模的应用。

4．IEEE 802.11g标准

2003年6月12日，在IEEE大会上，802.11g标准终于正式定案推出。而在此之前，定位于中小规模网络与无线网络的厂商美国网件（NETGEAR）已经率先发布了基于802.11g标准的全系列无线局域网产品。802.11g标准所规定的最大传输速率也是54Mbps，不过它仍然工作在2.4GHz频段，和原来的802.11b标准工作的频段相同。

从技术角度上看，IEEE 802.11g的高速来源于“正交频分多路复用”（OFDM）技术的模块设计，这个技术与IEEE 802.11a所使用的技术相同。事实上早在1999年，OFDM技术就曾被提出应用在IEEE 802.11b标准中，由于当时FCC禁止在2.4GHz频段中使用OFDM，因此802.11b转向使用了“互补码移位键”（CCK）的模块设计。直至2001年5月FCC解除此限令，OFDM才得以在IEEE 802.11g标准中大显身手，从而实现2.4GHz频段WLAN的高速传输率。

IEEE 802.11g标准可以说是综合了原有的IEEE 802.11b和IEEE 802.11a两种无线传输标准优点的一种新型网络标准，如今无线产品市场上大多数都是IEEE 802.11g标准的产品。IEEE 802.11g标准的产品之所以受到广大消费者的青睐，主要是因为它有两大方面的优点：其一，传输速率高，这是人所共知的，由于其采用了OFDM调制技术，使传输速率可以高达54Mbps，是原来802.11b标准的5倍；其二，它仍然工作在2.4GHz频段，这就意味着其与早期的工作在802.11b标准的无线设备是兼容的，即让已拥有802.11b产品的用户能够以802.11g的产品达到一个速度升级的需求。

无线局域网产品的设计者经常面临的问题是由多路径而引起的信号质量降低。例如，在室内环境中，无线信号可能会以不同路径抵达接收端，但每个路径的距离有很大差别，有时相差可能高达百米。由于从发射端到接收端的每个信号路径都具有独特的时间延迟和与之相关的位移，所以，经过不同路径到达接收端的无线信号就可能产生较大的误差。因为信号带宽可能出现频率相加，使信号强度增强的现象，也可能出现相互抵消，在某些频率处降低信号强度的现象，极端情况下甚至还会出现信号为零的情况。而OFDM调制技术则很好地解决了这个问题，它能给无线局域网应用提供最佳的信号波形，从而有效地解决了早期802.11b网络的“信号不稳定”问题。

5．108Mbps的IEEE 802.11g+标准

54Mbps的无线传输速率已经让人们充分体验了无线网络的快感，但是通过一些提升传输性能手段的应用，可以使无线传输速率达到令人难以置信的108Mbps，恰好是IEEE 802.11g标准的2倍。虽然现在无线设备市场上IEEE 802.11g+标准的产品还不多，但是在不久的将来很可能会成为一项引领无线传输技术的新标准。

可以肯定地说，目前的IEEE 802.11g+仍然属于IEEE 802.11g标准的范畴，因为它仍是基于2.4GHz频段工作并沿用OFDM模块设计的。但是相比标准的802.11g，802.11g+采用了多项提升性能的技术手段，包括硬件压缩加密、双频捆绑、动态包突发机制、动态调速等。技术的创新使得802.11g得以超越54Mbps，达到108Mbps的全新高度，这无疑是WLAN中的一项重大突破。

7.4.2  IEEE 802.16a标准

IEEE 802.16a标准是IEEE 802.16规范的扩展，同样是一项无线城域网技术，用于将802.11热点连接到互联网，它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，最长传输距离可达50km。IEEE 802.16a标准运行于2GHz～11GHz频谱之上，可以为微蜂窝塔或塔链路提供更高容量的链路，其覆盖范围在可视距离（Line-of-Sight）之内。如果说IEEE 802.11产品只是一部无绳电话或小灵通，那么，IEEE 802.16产品才是真正的移动电话，IEEE 802.16a将带领我们步入真正的无线网络时代。

1．802.16a无线标准的特性

802.16a无线标准的特性如下：

·    传输距离  最远可达约50km。

·    覆盖范围  更出色的非线性站点性能可显著提高运营商目标服务区域的覆盖范围。

·    使用频谱  2GHz～11GHz。

·    每区段最大数据速率  每扇区高达70Mbps，每个基站最多6个扇区。

·    服务质量  MAC内置的服务可支持不同的服务等级，从而可以同时支持采用T1类型连接的企业用户和采用DSL类型连接的家庭用户。此外，它还可以支持语音和视频。

2．IEEE 802.16a标准的优势

IEEE 802.16a无线标准的无线网络可以在同一基站内，为需要不同服务的用户提供支持。与专用的宽带解决方案相比，它可以节省大量的设备投资。另外，IEEE 802.16a标准的无线城域网还可以支持语音和视频传输，可以满足网络用户的不同需求。无线城域网覆盖范围非常广泛，完全突破了以太网线性传输的定局，可以使更多的用户享受到高速无线互联的网络传输。

7.4.3 Wi-Fi

无线保证联盟（Wireless Fidelity，Wi-Fi）是一个非营利的国际贸易组织，主要工作就是测试那些基于IEEE 802.11（包括IEEE 802.11b、IEEE 802.11a和IEEE 802.11g）标准的无线设备，以确保Wi-Fi产品的互操作性。Wi-Fi认证的意义在于，只要是经过Wi-Fi认证的产品，就能够在家庭、办公室、公司、校园网，或者在机场、旅馆、咖啡店及其他公众场所，到处链接、随处上网。Wi-Fi认证商标作为唯一的保障，说明该产品符合严谨互操作性的测试，并保证它能和不同厂家的产品互相操作。也就是说，只要购买的无线设备有Wi-Fi认证商标，就可以保证我们购买的无线设备能够融入到其他无线网络中，也可以保证其他无线设备能够融入我们的无线网络中，实现彼此之间的互联互通。Wi-Fi认证等于无线互联保证。

既然通过Wi-Fi认证的无线LAN产品能够确保相互之间的连接性，那么，用户无须再像以前那样必须购买同一厂家的产品，这样，既可以有效地保障以前的投资和网络扩展的需要，同时，又有利于厂家间价格的竞争，如今无线网络设备的不断降价就是一个很好的例子。我们有理由相信，在可预见的3～5年内，无线产品在价格上将非常接近现有的以太网络产品。