李威
（北京市电信规划设计院，北京 100044）
摘要：本文介绍了无线局域网的发展背景、标准、特点、结构和应用。
关键词：WLAN；WLL；IEEE 802.11；ISM；MAC；扩频
1 无线局域网的发展背景
所谓无线局域网（Wireless Local-Area Network，WLAN），即"最后一公里"、"最后一百米"固定─无线接入解决方案。无线局域网是实现移动计算机网络的关键技术之一，它是实现移动计算机网络中移动站的物理层与链路层功能，为移动计算机网络提供必要的物理接口的网络。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网利用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并让通信的移动化、个性化和多媒体应用得以实现。通俗地说，无线局域网就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能。
随着信息技术的飞速发展，人们对网络通信的需求不断提高，希望不论在何时、何地，与何人均能够进行包括数据、话音、图像等任何内容的通信，并希望能实现主机在网络中自动漫游。据中国互联网络信息中心最新发布的第十次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2002年6月30日，我国上网用户总数达到4580万人。互联网在国内的发展速度举世瞩目，通过互联网所带来的经济效益更为人们所关注。有业界人士认为2002年将是无线局域网年，无线局域网因其可实现移动办公、具有较好的保密性、抗干扰性、架设与维护容易等特点，优势不言而喻。
2001年，信息产业部宣布划出5.8GHz的频段，支持无线局域网等新兴无线技术的应用。这为各电信运营商们庞大的无线宽带发展计划开了绿灯。频段的划出，只不过是为其瓜熟蒂落及时地开出了"准生证"。
中国网通早在去年已着手在北京、上海、深圳、广州等城市的商务热点地区开通了被称作"无限伴旅"的无线局域网接入服务，网点已达40多个。用户只要在笔记本电脑内置了无线网卡，并购买网通的"无限伴旅"计费卡，输入用户名和密码，经系统验证后就可以自由上网。而且，网通的无线上网卡提供漫游服务，在网通的网点覆盖范围内可以"一次认证，全国通用"。
但更具有竞争性的是中国移动GPRS＋WLAN无线数据业务捆绑方案的登场。 GPRS是向第三代移动通信(3G)过渡的主流技术，要实现笔记本电脑的无线上网，GPRS的速度显然太慢，中国移动适时引入WLAN无线局域网技术作为补充，通过一种特制的内置芯片，用户的GPRS手机可探测到室内WLAN信号，并自动切换到 WLAN，实现11Mbit/s速率的高速互联网接入，在WLAN覆盖不到的室外地区，则通过GPRS网络访问移动互联网。此种"双剑合璧"的办法取长补短，相互促进，相互拓展，相互完善，通过弥合技术之间的差异，形成有自己特色的双赢网络。
无论是中国网通的"无限伴旅"，还是中国移动的GPRS＋WLAN捆绑方案，都预示着一个新的无线局域网(WLAN)热点的到来。
2 无线局域网的标准
无线局域网是采用无线传输介质的计算机局域网，它的标准是IEEE 802.11。早在1990年IEEE 802标准化委员会就成立了IEEE 802.11无线局域网(WLAN)标准工作组。IEEE 802.11无线局域网标准工作组的任务是研究开发能提供1Mbit/s和2Mbit/s数据传输速率、工作在2.4GHz开放频段的无线通信设备及其网络发展标准，并于1997年6月公布了该标准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义了物理层和媒体访问控制(MAC)层的规范。
标准中物理层定义了WLAN中数据传输的信号特征和调制方式。在物理层中，标准定义了两个RF传输方式和一个红外线传输方式，RF传输采用扩频调制技术来满足大多数国家允许的安全工作规范。扩频调制分为直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)，工作在2.4000～2.4835GHz频段。直接序列扩频采用BPSK和DQPSK调制技术，使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩展信号频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号，支持1Mbit/s和2Mbit/s数据速率，使用11 bit Barker序列，处理增益为10.4dB；跳频扩频与直序列扩频完全不同，是另外一种扩频技术，跳频扩频采用2～4电平GFSK调制技术，载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率随机改变。接收端的频率也随机变化，并保持与发射端的变化规律一致。跳频速率的高低直接反映跳频系统的性能，跳频速率越高，抗干扰性能越好，军用的跳频系统可以达到每秒上万跳。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都比较慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统实现简单，因此低速WLAN常常采用这种技术。跳频扩频支持1Mb/s数据速率，共有22组跳频图案，包括79个信道；红外线传输方法工作在850～950nm段，峰值功率为2W，使用4或16电平pulse-positioning调制技术，支持数据速率为1Mb/s和2Mb/s。
媒体访问控制(MAC)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，所以该协议用避免冲突检测代替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。数据加密与普通局域网的等同加密(WEP)算法一样，使用64位密钥和RC4加密算法。
使用IEEE 802.11b标准的无线局域网带宽最高可达11Mbps，比两年前刚批准的IEEE 802.11标准快5倍，扩大了无线局域网的应用领域。IEEE 802.11b使用的是开放的2.4GHz频段，不需要申请就可直接使用。IEEE 802.11b无线局域网与我们熟悉的IEEE 802.3以太网的原理很相似，都是采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送。不同之处是以太网采用的是CSMA/CD（载波侦听/冲突检测）技术，网络上所有终端都可以侦听网络中有无信息发送，当发现网络空闲时即发出自己的信息，如同抢答一样，只能有一台终端抢到发言权，而其余工作站需要继续等待。如果一旦有两台以上的终端同时发出信息，则网络中会发生冲突，冲突后这些冲突信息都会丢失，各终端则将继续抢夺发言权。而802.11b无线局域网则引进了冲突避免技术，从而避免了网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。
IEEE 802.11b优点：
802.11b运作模式基本分为两种：点对点模式和基本模式。点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式。只要PC插上无线网卡即可与另一具有无线网卡的PC连接，对于小型的无线网络来说，是一种方便的连接方式，最多可连接256台PC。而基本模式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这是802.11b最常用的方式。此时，插上无线网卡的PC需要由接入点（AP）与另一台PC连接。接入点负责频段管理及漫游等指挥工作，一个接入点最多可连接1024台PC（无线网卡）。当无线网络节点扩增时，网络存取速度会随着范围扩大和节点的增加而变慢，此时添加接入点可以有效控制和管理频宽与频段。当无线网络需要与有线网络互连，或无线网络节点需要连接和存取有线网的资源和服务器时，接入点可以作为无线网和有线网之间的桥梁。
随着无线IEEE 802.11标准开始深入人心，各IC制造商开始寻求提供更为快速的协议和配置，其中，802.11g混合标准是无线局域网的最新宠儿，它既能适应传统的802.11b标准，在2.4GHz频率下提供每秒11 Mbps数据传输率，也符合802.11a标准在5GHz频率下提供54 Mbps数据传输率。支持者声称802.11g标准一旦获得认可，它将有助于进一步推动802.11无线局域网飞速发展的势头。
下表为几种标准比较：
3 无线局域网的特点
下面从传输方式、网络拓扑、网络接口这三个方面来描述无线局域网的特点：
1.传输方式
传输方式涉及无线局域网采用的传输介质、选择的频段及调制方式。目前无线局域网采用的传输介质主要有两种，即微波与红外线。采用微波做为传输介质的无线局域网可分为扩频方式与窄带调制方式。大多数的WLAN产品都采用了扩频技术。扩频技术原先是军事通讯领域中使用的宽带无线通信技术。使用扩频技术，能够使数据在无线传输中保持完整可靠。并且确保同时在不同频段传输的数据不会互相干扰。
在扩频方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几倍～几十倍再被搬移至射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，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，对其它电子设备的干扰也减小了。采用扩展频谱方式的无线局域网一般选择所谓的ISM频段，这里ISM分别取自Industrial、Scientific及Medical的第一个字母。许多工业、科研和医疗设备辐射的能量集中于该频段。欧美日等国家的无线管理机构分别设置了各自的ISM频段。例如美国的ISM频段由902MHZ～928MHZ，2.4GHz～2.484GHz, 5.725GHz～5.850GHz三个频段组成。如果发射功率及带外辐射满足美国联邦通信委员会（FCC）的要求，则无需向FCC提出专门的申请即可使用这些ISM频段。
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发射出去。与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频率少，频带利用率高。但采用窄带调制方式的无线局域网一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可方可使用，当然，也可选用ISM频段，这样可免去向无线电管理委员会申请。但带来的问题是，当出现临频或同频干扰时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。
基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输技术。做为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线管理委员会的限制。然而，红外线对非透明物体的透过性极差，对无线局域网传输距离有致命限制。
2.网络拓扑
无线局域网的拓扑结构可归纳为两类：无中心或对等式（PEER TO PEER）拓扑和有中心（HUB－BASED）拓扑。
无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。采用这种拓扑结构的网络一般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信道接入控制（MAC）协议大多采用CSMA（载波监测多址接入）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、且费用较低。但当无线网络中用户数（站点数）过多时，信道竞争成为限制网络性能的瓶颈。因此这种拓扑结构受布局和环境限制较大，适用于用户数相对较少的工作群。
在有中心拓扑结构中，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。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剧烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故网络中心点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。而采用有中心网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心站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结合使用。这时，中心站点充当无线局域网与有线主干网间的转接器。
3.网络接口
网络接口一般是指无线局域网中站点从哪一层接入网络系统。通常网络接口选择在OSI参考模型的物理层或数据链路层。选用物理层接口即用无线信道替代通常的有线传输，而物理层以上各结构层保持不变。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。这种接口方式一般应用于有线局域网的集线器和无线转发器以实现有线局域网间互联或扩大有线局域网的覆盖范围。
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，而采用更合适无线传输环境的MAC协议。在实际中，MAC层及其以下层对上层是透明的，配置相应的驱动程序来完成与上层的接口，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行。目前，大部分无线局域网厂商都采用数据链路层接口方法。
4 无线局域网的网络结构及应用
无线局域网由无线网卡、无线接入点、计算机及相关设备组成，与有线局域网主要区别在于传输介质与MAC协议。它可以与有线网络互连使用或单独使用，可以组成自组无线局域网(Ad-hoc Network)、多区无线局域网(Infrastructure Network)和有线局域网(LAN-interconnection)。
根据无线局域网的组网特点，其应用分为以下两种：
1.独立的无线局域网
这是指整个网络都使用无线通信方式。在这种组网方式下可以使用接入点（AP），也可以不使用AP。在不使用AP时，各个用户之间通过无线直接互连。但缺点是各用户之间的通信距离较近，且当用户数量较多时，性能较差。
2.非独立的无线局域网
在大多数情况下，无线通信是作为有线通信的一种补充和扩展。我们把这种情况称为非独立的WLAN。在这种配置下，多个AP通过线缆连接在有线网络上，使无线用户能够访问网络的各个部分。
根据无线局域网的应用环境，其应用可分为以下两种：室内应用和室外应用。
1.室内应用，无线局域网作为有线局域网的补充，与有线局域网并存。由于无线局域网的价格比有线局域网高，故在室内环境下，无线局域网在以下应用情况可发挥其无线特长：大型办公室、车间、超级市场、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场等。
2.室外应用，在难于布线的室外环境下，无线局域网可充分发挥其高速率、组网灵活之优点。尤其在公共通信网无法实现的地区，无线局域网可作为区域网（覆盖范围几十公里）使用。下面列出几种应用情况：城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网络、银行、金融证券城区网络、城市交通信息网络、矿山、水利、油田等区域网络、港口、码头、江河湖坝区网络、野外勘测、实验等流动网络、军事、公安流动网络等。
在实际组网中根据不同的应用环境与使用需求，无线局域网可采取不同的网络结构来实现互连。
1、网桥连接型：不同的局域网之间互连时，由于物理上的原因，不便采取有线方式时，则可利用无线网桥的方式实现二者的点对点连接，无线网桥不仅提供二者之间的物理与数据链路层的连接，还可为两个网的用户提供较高层的路由与协议转换。
2、基站接入型：当采用移动蜂窝通信网接入方式组建无线局域网时，各站点之间的通信是通过基站接入、数据交换方式来实现互连的。各移动站不仅可以通过交换中心自行组网，还可以通过广域网与远程站点组建工作网络。
3、Hub接入型：利用无线Hub可以组建星型结构的无线局域网，具有与有线Hub组网方式相类似的优点。在该结构基础上的无线局域网，可采用类似于交换型以太网的工作方式，要求Hub具有简单的网内交换功能。
4、无中心结构：要求网中任意两个站点均可直接通信。此结构的无线局域网一般使用公用广播信道，MAC层采用CSMA类型的多址接入协议。
在充分掌握WLAN的网络结构及特点后，在设计WLAN的网络过程中应首先确定接入点的数量和位置，以及每一组互连接入点覆盖区域的位置，防止因覆盖区的间隙而导致在这些区域内无法正常通信。可以通过实地勘察来确定接入点的位置和数量，了解实际环境和用户需求，这包括覆盖频率、信道使用效率和吞吐量需求等信息，最后确定网络结构及组网方案。如同接受广播节目一样，在WLAN中随着移动用户逐渐远离接入点，他与接入点之间的通信也越来越困难，传输吞吐量也将会逐渐减少，WLAN可以通过减低可靠性来提高传输速率，相反也可以通过降低传输速率来确保可靠性。很多方案都可通过多速率技术保证可靠性，这是对企业级WLAN的一项重要功能。
5 无线局域网的发展前景：
早期的802.11无线局域网技术已经在欧美无线市场取得成功， 1999年获得了4亿美元的销售额。随着802.11性价比实质性的提高，一个全新WLAN的销售高峰即将到来。企业将可以应用无线局域网作为他们有线局域网的延伸。同样，商务人士集中的机场、酒店、会议中心、咖啡厅等地也将成为无线局域网扩展的重点。一项数据显示，如今，全世界每天大约有15万人成为新的无线局域网用户，全球范围内的无线局域网用户数量目前已经超过2亿，作为一项新的应用，可以说，无线局域网已成功叩开市场的大门。据专家预测，全球无线局域网市场总销售额将于2004年达到近22亿美元，每年平均增幅高达25%左右。无线局域网应用范围也在不断拓展，甚至在某些情况下取代有线局域网。
无线局域网技术在北美、欧洲方兴未艾的今天，我国是否也会有同样的需求？有人说，在目前，上网64Kbps速率就够了，11Mbps这么高的速率有什么用？然而，正如专业人士所指出的那样，无线局域网技术的"大带宽、大数据量"的特点，决定了它将主要应用于机场、酒店、会议中心、咖啡厅等无线数据需求较大的高端商务用户市场，而非个人用户市场。在中国的商务用户市场中，这一需求正日益迫切。
无线局域网可极大提高企业的经济效益，具有市场可行性。据无线局域网协会的调查表明，无线局域网可提高企业生产率48%，提高企业效率6%，改善企业收益与利润6%，降低企业成本40%。使用无线局域网不仅可以减少对布线的需求和与布线相关的一些开支，还可以为用户提供灵活性更高、移动性更强的信息获取方法。
正是看到了这一巨大市场潜力，2001年5月，在北京中国大饭店举行的《世界新经济论坛暨高新技术与金融论坛》盛会上，中国网通推出"无限伴旅"无线宽带接入服务的试用服务。这应该说是无线局域网在中国的第一次商业试用。此后，这种无线局域网服务在深圳华南互联网展览会上又成为网通的亮点。10月10日，2001年APEC领导人非正式会议在上海召开，网通的"无限伴旅"服务被列为APEC会议通信保障项目之一。在此期间，人们对这一服务表现出了极大的热情，纷纷踊跃申请。显然，这一切进一步印证了无线局域网的潜在的巨大需求。
在国内，WLAN的技术和产品在实际应用领域还是比较新的。但是，无线由于其不可替代的优点，将会迅速地应用于需要在移动中联网和在网间漫游的场合，并在不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供强大的网络支持。特别是在一些行业中，WLAN将会有更大的发展机会：
石油工业：无线网连接可提供从钻井台到压缩机房的数据链路，以便显示和输入由钻井获取的重要数据。海上钻井平台由于宽大的水域阻隔，数据和资料的传输比较困难，敷设光缆费用很高，施工难度很大。使用WLAN，费用不及敷设光缆的十分之一，效率高，质量好。
医护管理：现在很多医院都有大量的计算机病人监护设备、计算机控制的医疗装置和药品等库存计算机管理系统。利用WLAN，医生和护士在设置计算机专线的病房、诊室或急救中进行会诊、查房、手术时可以不必携带沉重的病历，而可使用笔记本电脑、PDA等实时记录医嘱，并传递处理意见，查询病人病历和检索药品。
工厂车间：工厂往往不能敷设连到计算机的电缆，在加固混凝土的地板下面也无法敷设电缆，空中起重机使人很难在空中布线，零备件及货运通道也不便在地面布线。在这种情况下，应用WLAN,技术人员在进行检修、更改产品设计、讨论工程方案，并可在任何地方查阅技术档案、发出技术指令、请求技术支援，甚至和厂外专家讨论问题。
库存控制：仓库零备件和货物的发送和贮存注册可以使用无线链路直接将条形码阅览器、笔记本计算机和中央处理计算机连接，进行清查货物、更新存储记录和出具清单。
展览和会议：在大型会议和展览等临时场合，WLAN可使工作人员在极短的时间内，方便地得到计算机网络的服务，和Internet 连接并获得所需要的资料，也可以使用移动计算机互通信息、传递稿件和制作报告。
金融服务：银行和证券、期货交易业务可以通过无线网络的支持将各机构相连。即使已经有了有线计算机网，为了避免由于线路等出现的故障，仍需要使用无线计算机网做备份。在证券和期货交易业务中的价格以及"买"和"卖"的信息变化极为迅速频繁，利用手持通信设备输入信息，通过计算机无线网络迅速传递到计算机、报价服务系统和交易大厅的显示板，管理员、经纪人和交易者可以迅速利用信息进行管理或利用手持通信设备直接进行交易。避免了由于手势、送话器、人工录入等方式而产生的不准确信息和时间延误所造成的损失。
旅游服务：旅馆采用WLAN，可以做到随时随地为顾客进行及时周到的服务。登记和记账系统一经建立，顾客无论在区域范围内的任何地点进行任何活动，比如在酒吧、健身房、娱乐厅或餐厅等，都可以通过服务员的手持通讯终端来更新记账系统，而不必等待复杂的核算系统的结果。
移动办公系统：在办公环境中使用WLAN，可以使办公用计算机具有移动能力，在网络范围内可实现计算机漫游。各种业务人员、部门负责人和工程技术专家，只要有移动终端或笔记本电脑，无论是在办公室、资料室、洽谈室，甚至在宿舍都可通过WLAN随时查阅资料、获取信息。领导和管理人员可以在网络范围的任何地点发布指示，通知事项，联系业务。也就是说可以随时随地进行移动办公。
可以预见，随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访问和存储信息的需求愈来愈多，因而WLAN将会在办公、生产和家庭等领域不断获得更广泛地应用，WLAN将拥有美好的明天。
摘自《电信建设》2002.5
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