WLAN(Wireless Local Area Network)無線局域網最初設計時,作爲有線網絡的延伸,隨着無線技術的發展,它的靈活性,簡易性,高擴展性的特點,現在在組網中已經得到了廣泛的應用。
目前WLAN的主要標準如表XX顯示包括802.11,802.11a,802.11b,802.11g和802.11n,802.11於1997年7月通過,主要定義了2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical)頻段的物理層和介質訪問控制規範。值得一提的是802委員會第11任務組也定義了IEEE802.11T,這是針對WLAN設備性能評測的測試標準,包含了數據、延遲時間敏感與流媒體的測試內容。而針對WLAN系統的測試,國內外尚無可執行性較強的標準,但基於運營商等的行業標準已比較成熟。
802.11 |
802.11a |
802.11b |
802.11g |
802.11n |
|
標準發佈 時間 |
1997.7 |
1999.9 |
1999.9 |
2003.6 |
2009.9 |
合法頻寬 |
83.5MHz |
325MHz |
83.5MHz |
83.5MHz |
83.5Mhz 325Mhz |
頻率範圍 |
2.400-2.483GHz |
5.150-5.350GHz 5.725-5.850GHz |
2.400-2.483GHz |
2.400-2.483GHz |
2.400-2.483GHz 5.150-5.350GHz 5.725-5.850GHz |
調製技術 |
FHSS/DSSS |
OFDM |
CCK/ DSSS |
CCK/OFDM |
OFDM |
物理髮送速率 |
1, 2 |
6, 9, 12, 18, |
1,2,5.5, 11 |
6, 9, 12, 18, |
15, 30, 45, 60, 90, 120, 135, 150 |
兼容性 |
N/A |
與11b/g不能互通 |
與11g產品可互通 |
與11b產品可互通 |
與11b/g產品可互通 |
表。
小貼士: WiFi —— Wireless Fidelity,Wi-Fi是一種可以將個人電腦、手持設備(如PDA、手機)等終端以無線方式互相連接的技術。Wi-Fi是一個無線網路通信技術的品牌,由Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)所持有。故Wi-Fi不等於無線局域網或802.11標準。 |
ISM頻段
圖。
ISM(Industrial Scientific Medical) 工業科學醫療頻段,是由ITU-R (ITU Radiocommunication Sector,國際通信聯盟無線電通信局)定義的。此頻段屬於Free License,無需授權許可,只需要遵守一定的發射功率(一般低於1W),並且不要對其它頻段造成干擾即可使用。2.4GHz()頻段爲各國共同的ISM頻段。因此無線局域網,無繩電話,藍牙,ZigBee等無線技術,均可工作在2.4GHz頻段上。這也造成了WLAN技術在部署時干擾的一大誘因。另外一段用於WLAN的頻帶爲5.8GHz,從5.725 GHz到5.875 GHz。
在2.4GHz ISM頻段中,可用帶寬爲83.5MHz,2.4-2.4835 GHz頻段被分爲13個信道,每個信道間隔爲5MHz,自通道1(2.412GHz)到通道13(2.472GHz),(我國爲13個信道,也有在13通道後12MHz處定義了14通道,僅用於802.11b,不同地區定義有所不同)。
802.11b/g是基於擴頻與22 MHz的通道寬度,故無法實現13個信道不交疊。因此,只有三個通道可以實現頻率不重疊,故在WLAN部署時,信道1,6和11爲推薦信道。在信道資源不夠用或者用戶容量要求較高時,也可以採用四個非重疊信道1,5,9和13。
而在5.8GHz頻段,我國把5.725 GHz到5.875 GHz這一頻段分成了5個信道,每個信道帶寬爲20MHz。雖然劃分了5個信道(149,153,157,161,165),但一般設備只支持其中的4個信道(149,153,157,161)
信道 |
中心頻率(MHz) |
頻率範圍(MHz) |
149 |
5745 |
5735-5755 |
153 |
5765 |
5755-5775 |
157 |
5785 |
5775-5795 |
161 |
5805 |
5795-5815 |
165 |
5825 |
5815-5835 |
在實際無線網絡部署時,相鄰小區應儘量使用不重疊的信道,以避免彼此的干擾,如圖XX所示,當一個區域需要3個以上AP進行信號覆蓋時,爲避免相鄰小區使用同一信道,我們分別使用1,6,11信道,但是在兩個信道1的小區中間,存在盲區,這將導致移動設備漫遊時信號中斷。而假使兩個信道1的小區縮短距離,那麼又會面臨同頻干擾加大的問題。因此在無線規劃中,通過蜂窩式的設計來解決相鄰信道不重疊,同時兼顧了信道的交替複用。
圖。Xx
圖。蜂窩式組網
蜂窩式組網使得信道可以無限制的複用,可以組建更大區域內的無線網絡。而WLAN中的不同標準在蜂窩組網是也可以互爲補充,802.11b/g以及802.11a等技術可以在一個小區內同時共站址部署,由於彼此分別處於2.4GHz和5.8GHz頻段,信號互不干擾。
在無線組網時,用戶容量也是一個重要考慮部分。由於容量同AP數量並不是成正比的,通過在同一個小區內增加AP的方法,在信道選擇上將成爲新的問題,一般通過小蜂窩的方式進行部署,使得容量要求較高的區域,通過範圍更小(調整發射強度等方法)的小區密集覆蓋,在範圍比較大容量相對小的區域採用大蜂窩的方式進行部署。
WLAN的組成:
Wireless Medium (WM):無線傳輸媒介,無線局域網絡物理層所使用到的傳輸媒介。
Station (STA):工作站,任何設備只要擁有 IEEE 802.11 的 MAC 層和 PHY 層的接口,就可稱爲一個工作站。
Station Services (SS):工作站服務,提供工作站收發數據的服務。
Basic Service Area (BSA):每一個幾何上的建構區塊 (building block) 就稱爲一個基本服務區域(Basic Service Area, 簡稱 BSA) ,每一建構區塊的大小依該無線工作站的環境和功率而定。
Basic Service Set (BSS):基本服務區中所有工作站的集合。
Distribute System (DS):分佈式系統,通常是由有線網絡所構成,可將數個 BSA基本服務區域連結起來。
Access Point (AP):接入點,連接BSS 和 DS 的設備,通常在一個BSA 內會有一個接入點。
Extended Service Area (ESA):數個 BSA基本服務區域 經由 DS 連結在一起,所形成的區域,就叫作一個擴充服務區。
Extended Service Set (ESS):數個經由DS分佈式系統所連接的 BSS 中的每一基本工作站集,形成一個擴充服務集。
Distribution System Services (DSS):分佈式系統所提供的服務,使得數據能在不同的 BSS 基本服務集間傳送。
WLAN的網絡結構
WLAN網絡結構主要可分爲:AD-HOC,基礎架構模式,多AP 模式,無線網橋模式,無線中繼器模式。
Ad-hoc的網絡沒有中心接入點來控制設備通訊,而是允許各設備之間直接進行通訊。Ad-hoc的網絡不能與任何基礎架構設備或其他有線網絡設備通訊, 只可與其他Ad-hoc設備進行通訊。
Infrastructure基礎架構模式的網絡需使用接入點來控制無線網絡通訊,通常由無線接入點AP、無線站點STA、分佈式系統DS組成。
多AP模式指多個AP和DS組成的基礎架構模式網絡,即ESA。
無線網橋模式即採用一對AP以網橋模式,連通兩段DS。
無線中繼器模式則類似接力的方式,進行信號延伸。
WLAN組網技術的發展
WLAN組網架構隨着標準的發展特別是802.11n的出現,也有了較大的發展。傳統蜂窩WLAN系統,我們稱第一代WLAN系統,每個AP形成一個蜂窩,分配一個信道,相鄰小區分配其他非重疊信道。爲了降低相互間的無線干擾,在部署前,需要進行實地RF勘測,以確定閒置或者干擾最小的信道。但是第一代無線WLAN系統中,存在很大的問題,一旦網絡擴容或者調整,之前的工作很多需要重做,包括重新進行RF勘測,重新確定合適的AP部署位置等。
於是,第二代基於控制器加”瘦”AP的架構提出,它的優點在於引入了控制器的概念,原先一代中的AP,由於配置,認證,管理,安全功能都集中在一個AP上,又稱”胖”AP,在後期管理時,難度和複雜性都大大提高,而在第二代WLAN系統裏,管理的工作通過控制器完成,AP可以按照覆蓋範圍變化的需求,自動調整AP的傳輸功率。通過連續監測無線電波,它們還能幫助監測並發現無線網絡中的非法***者,從而免除了技術人員人工採用頻譜分析儀進行分析的需求。控制器的智能化,節約了大量勘測和維護上的要求,使大面積區域的無線組網得到了巨大的發展。
圖。胖AP和瘦AP的架構特點
但是,第二代WLAN組網技術還是存在着明顯的不足,如同頻干擾問題,同信道的兩個AP爲了避免同頻干擾,需要間隔一定距離,而距離遠近會直接導致不同的傳輸速率,從而使傳輸質量QoS無法保障,而即便是信號強度不足以建立連接的區域,由於信號還是存在一定強度,會對工作在這一區域的AP產生干擾,因此在信號覆蓋和吞吐量上,二代WLAN無法很好的做到平衡。2.4G頻段只有3個可用信道,理論上可以實現蜂窩組網,實際上由於現場環境的不同,組網後實際效果很難確定,而速率上的要求提升,如802.11n標準的推行,使得2.4G頻段由於只有2個可用信道,難以實施,即便通過5G頻段可以解決信道數量,802.11n網絡覆蓋的特點,也使網絡規劃和維護極爲複雜。802.11n標準設計信號覆蓋距離比802.11b/g更遠,但是由於使用了MIMO技術,而實際環境中的信號反射,造成距離不是唯一的影響傳輸質量的因素,因而勘測802.11n有效覆蓋範圍有時難以確定。
圖。802.11n在2.4G頻段的可用信道示意圖
圖。802.11b/g和802.11n信號覆蓋範圍示意圖
於是有了第三代WLAN的組網技術,綜合考慮第二代無線組網中的問題後,提出了Channel Blanket信道覆蓋的設計思路。如圖Channel Blanket信道覆蓋顯示,此時AP僅作爲無線收發的節點,所有一個層面的AP工作於同一信道,整體信道覆蓋看起來就像只有一個AP一樣。
圖。Channel Blanket信道覆蓋和終端接入
由交換控制器實現優化選擇上行數據包以及選擇AP下發數據的工作,各終端始終保持最佳的無線鏈路連接,根據最近AP保持最高數據傳輸速率,而由於同層AP都由交換控制器統一控制,只有一個相關AP發送數據,避免了同頻干擾。
在容量設計上,採用同一區域增加立體的多層覆蓋,每個AP都有多個Radio。漫遊則由終端裁決,而非終端發起漫遊,幾乎沒有漫遊延時。而傳統蜂窩WLAN系統中,用戶從一個蜂窩移動到另一個蜂窩,必須經歷重新檢索AP,鑑權,身份驗證,重新連接等步驟,通常這將需要150-400毫秒完成整個過程,不可避免的將會造成網絡延時,抖動,降低語音,視頻通信質量。