福建省电信公司南平无线通信局 卓非凡技术
无线局域网（ＷＬＡＮ）是将无线电波作为传输媒介的一种计算机网络系统，它的出现，让人们摆脱了必须依靠有线线缆来连接到网络的束缚，使人们长期所期待的跨越时空连接网络的梦想成为现实。电子与电气工程师组织（ＩＥＥＥ）在九七年及随后颁布的ＩＥＥＥ８０２．１１ ＷＬＡＮ系列标准，极大地推动了ＷＬＡＮ的发展，使之成为全球第一个公认的ＷＬＡＮ标准。本文将对使用ＩＥＥＥ８０２．１１系列标准的ＷＬＡＮ（简称为ＩＥＥＥ８０２．１１ ＷＬＡＮ）的概念、技术及工作过程作详细的介绍。
一、网络的构成
１、设备组成
ＩＥＥＥ８０２．１１ ＷＬＡＮ由两类设备组成：⑴无线工作站，它由一台ＰＣ机（或ＰＤＡ）外加一块无线网卡构成；⑵无线接入点（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ，ＡＰ），它包含了一个无线输出口和一个有线网络接口。
２、结构模式
ＩＥＥＥ８０２．１１定义了两种结构模式：Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模式和Ａｄ Ｈｏｃ模式。
⑴Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模式：它由接入点、工作站和分布系统（ＤＳ）构成。
⑵Ａｄ Ｈｏｃ模式：也称对等模式，以这种方式连接的终端利用无线网络接口卡直接进行通信而不须与ＡＰ或有线网络连接。它用于无线终端的直接通信而不必与有线网络连接的场合。
３、协议栈
ＩＥＥＥ８０２．１１协议定义了ＯＳＩ参考模型的物理层和数据链路层的ＭＡＣ子层，数据链路层的ＬＬＣ子层则使用和ＩＥＥＥ８０２．１１完全相同的协议标准。任何局域网的应用程序、网络操作系统都能在ＩＥＥＥ８０２．１１协议上兼容运行。
二、传输方式
ＩＥＥＥ８０２．１１定义的物理层支持三种传输方式：红外传输方式和两种射频方式，射频方式采用扩展频谱通信。
１、扩频通信
扩频通信是四十年代发展起来的一种技术，由于它具有抗干扰性强，隐蔽性好等优点，因此，它广泛应用于军事领域。它的理论依据可以用Ｓｈａｎｎｏｎ的信道容量公式来做一简单解释：
Ｃ＝Ｗｌｏｇ２（１＋Ｐ／Ｎ）；
公式中Ｃ代表信息速率，Ｗ为信道带宽，Ｐ／Ｎ为信噪比。公式表明，即使是在很低的信噪比条件下，只要通过加宽频带宽度，就能在相同的速率下传输信息，即可用牺牲带宽来弥补信噪比的不足以提高传输性能。扩频通信有直接序列扩频（ＤＳＳＳ）、 跳频扩频（ＦＨＳＳ）、 跳时扩频（ＴＨＳＳ）、 线性调频（Ｃｈｉｒｐ）以及这几种方式的组合，ＩＥＥＥ８０２．１１定义了ＤＳＳＳ和ＦＨＳＳ两种方式。
⑴ＤＳＳＳ方式
所谓的直接序列扩频就是用高速率的伪随机扩频码序列对要发送的原始信息进行相移键控调制，在接收端则用相同的伪随机码进行解调来恢复原始信息。由于扩频调制的作用使信号的频谱被展宽，引起信号功率谱密度下降，系统对相邻窄带用户的干扰也相应减少，因此，它可以和窄带用户共享相同的带宽。在收端，对于与伪随机码不相关的干扰信号而言，则由于相关解扩频谱被展宽，使其功率谱密度下降，这样，进入接收机通道内的干扰则大大降低，从而使它具有很强的抗干扰能力。
⑵ＦＨＳＳ方式
所谓跳频，即采用某一称为跳频图案的扩频码序列对原始信息进行频移键控调制，使载波频率随着图案不断地跳变；在收端，则采用相同的图案进行解调以恢复原始信息。
与ＤＳＳＳ方式的扩频机理不同，跳频扩频是采用一个窄带载波在很宽的频带内按跳频图案不断地高速跳变而在宏观上实现频谱的扩展。因此，跳频系统既是一个瞬时的窄带系统，能够与目前的窄带系统兼容；同时，它又是一个宏观的宽带系统，具有扩展频谱的抗干扰能力。它的抗干扰能力与图案的随机程度、跳频速率及跳频码的长度有关。它具有共享频谱资源的特性，只要使用不同的跳频图案，就能够在相同的频段范围内容纳多个跳频系统同时工作而不互相干扰。
２、红外（ＩＲ）方式
红外系统工作于很高的频段，其频率略低于可见光，它的使用不受无线电管理部门限制。由于它不能穿透障碍物，所以传输方式限制在直射或散射的通信系统，散射降低了直射径的要求，但所传距离仍远比射频方式短。并且由于系统具有很高的背景噪声（自然光、环境照明），所以一般只支持小范围的室内通信。
三、网络协议
ＩＥＥＥ８０２．１１工作组颁布的ＩＥＥＥ８０２．１１标准规定了ＯＳＩ参考模型的物理层和数据链路层规范，允许各厂商的产品在同种物理层上建立互操作。鉴于ＩＥＥＥ８０２．１１在传输速率等方面的不足，两年后，他们又相继推出了ＩＥＥＥ８０２．１１ａ和ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准用来对ＩＥＥＥ８０２．１１标准进行补充。
１、ＩＥＥＥ８０２．１１物理层
最初的ＩＥＥＥ８０２．１１物理层定义了ＤＳＳＳ和ＦＨＳＳ两种射频方式和一种红外传输方式。射频方式工作在无须注册的ＩＳＭ ２．４ＧＨｚ频段，传输速率是１Ｍｂｐｓ和２Ｍｂｐｓ。
⑴ＦＨＳＳ规范
ＩＥＥＥ８０２．１１ＦＨＳＳ物理层将２．４００－２．４８３ＧＨｚ频段划分成７９个１ＭＨｚ的子信道，共有２２组跳频图案，而实际使用的信道数、功率和频率则取决于各国的频率分配规划。它采用了高斯整形频移键控调制（ＧＦＳＫ），速率为１Ｍｂｐｓ时，采用２电平ＧＦＳＫ；速率为２Ｍｂｐｓ时，采用４电平ＧＦＳＫ。
⑵ＤＳＳＳ规范
在ＩＥＥＥ８０２．１１中ＤＳＳＳ将２．４００－２．４８３ＧＨｚ的频段划分成１４个２２ＭＨｚ的信道，相邻的信道互相重叠，在１４个信道内，只有３个信道是互相独立的。在实际使用中，常利用这三个互相独立的信道来组成蜂窝状的覆盖区域，以扩大服务区和用户数量。标准使用了１１位的Ｂａｒｋｅｒ序列码来作为ＤＳＳＳ的扩频码序列。
ＤＳＳＳ的调制方式为相位键控调制（ＰＳＫ），速率为１Ｍｂｐｓ时采用差分二相键控调制（ＤＢＰＳＫ），速率为２Ｍｂｐｓ时，采用差分四相键控调制（ＤＱＰＳＫ）。
⑶ＩＲ规范
红外线传输方式工作在８５０ｎｍ－９５０ｎｍ段，峰值功率为２Ｗ，使用４或１６电平脉冲定位调制技术，支持数据速率为１Ｍｂｐｓ和２Ｍｂｐｓ。
２、ＩＥＥＥ８０２．１１的增强物理层
由于ＩＥＥＥ８０２．１１ａ与ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ不兼容且产品成本较高，因此，它没有成为市场的主流产品。以下只讨论ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准。
ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ增加了１１Ｍｂｐｓ和５．５Ｍｂｐｓ两种速率，由于ＦＨＳＳ的调制带宽受到限制，速率难以提高，因此，在ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ中，ＤＳＳＳ被选择为唯一的物理层传输方式。和ＩＥＥＥ８０２．１１一样，ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ也工作于２．４ＧＨｚ频段，信道的分配方式及在１Ｍｂｐｓ和２Ｍｂｐｓ速率的调制方式也相同，所以，它能在１Ｍｂｐｓ和２Ｍｂｐｓ速率上和ＩＥＥＥ８０２．１１的ＤＳＳＳ系统互操作。
在ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准中，能够获得高传输速率的一个重要原因是它采用了更为先进的ＣＣＫ编码技术，在这个编码中，８比特的ＣＣＫ串扩频码取代了ＩＥＥＥ８０２．１１标准中１１位的Ｂａｒｋｅｒ码序列，ＣＣＫ编码支持５．５Ｍｂｐｓ和１１Ｍｂｐｓ两种工作速率，在５．５Ｍｂｐｓ速率中，使用ＣＣＫ串来携带４位数字信息；在１１Ｍｂｐｓ速率中，使用ＣＣＫ串来携带８位数字信息。这两种速率都采用ＱＰＳＫ调制，调制速率为１．３７５Ｍｂｐｓ。
８０２．１１ｂ的另一个优势是动态速率调整技术的使用，它使得在不同的用户环境下，系统能够自动使用不同的连接速率来适应外界环境变化（干扰和传输距离等）的影响。速率调节的级别为：１１Ｍｂｐｓ、５．５Ｍｂｐｓ、２Ｍｂｐｓ和１Ｍｂｐｓ，它是在物理层自动实现的，不对用户和上层协议造成影响。
３、ＩＥＥＥ８０２．１１ＭＡＣ层
ＭＡＣ层的主要功能是控制无线环境的接入，同时也负责包括分割、加密、电源管理、同步及有多个接入点的漫游支持。
四、安全性
ＷＬＡＮ在物理上开放的传输媒质使得只要符合协议要求的无线系统均可能在信号覆盖范围内收到所有信息，为了达到和有线网络同等的安全性能，ＩＥＥＥ８０２．１１采取了验证和加密措施，其中，验证提供了类似有线网络的物理连接，加密则提供了有线网络的封闭性。
１、验证
验证程序提供了控制ＷＬＡＮ接入的能力，这一过程被所有无线终端用来建立自己合法接入到ＡＰ的身份标志，如果ＡＰ和工作站之间无法完成相互间的验证，那么它们就不能建立有效的连接。ＩＥＥＥ８０２．１１协议支持多个不同的验证过程，并且允许验证方案扩充。
２、加密
ＩＥＥＥ８０２．１１提供的加密方式采用ＷＥＰ机制，它的使用可以通过帧控制字段的ＷＥＰ子字段进行设置，ＷＥＰ机制对数据的加密和解密都使用同样的算法和密钥。它包括“共享密钥”认证和数据加密两个过程。“共享密钥”认证使得那些没有正确ＷＥＰ密钥的用户无法访问网络，而加密则要求网络中所有数据的发送和接收都必须使用密钥加密。
⑴“共享密钥”认证
认证采用了一个标准的询问和响应帧格式。执行过程中，ＡＰ采用ＲＣ４算法运用共享密钥对１２８字节的随机序列询问正文进行加密后作为询问帧发给用户，用户将收到的询问帧进行解密后以正文形式响应ＡＰ，ＡＰ将正文与原始随机序列进行比较，如果两者一致，则通过认证。
⑵数据加密
标准采用了４０位ＲＣ４算法，它利用一个４０比特的伪随机密钥发生器，运用共享密钥将发生器产生的数据生成一个随机密钥序列，其长度与被加密帧相同，然后将这个随机序列按模２加到帧比特上生成已加密帧。接收端采用同样的算法生成密钥序列，与加密帧再次进行模２运算，得到原始数据。
五、工作过程
１、同步搜索
为了得到ＷＬＡＮ提供的服务，工作站在进入ＷＬＡＮ区域时，须进行同步搜索以定位ＡＰ，获取相关信息。同步方式有主动扫描和被动扫描两种。
⑴主动扫描
工作站在预定的各个频道上连续扫描，发射探试请求管理帧，并等待由ＷＬＡＮ中各个ＡＰ回应的探试响应帧；收到各接入点的探试响应帧后，工作站将对各帧中的相关部分进行比较以确定最佳ＡＰ。
⑵被动扫描
工作站获得同步的第二种方法是被动扫描。如果工作站已在ＢＳＳ服务区，那么它可以收到各ＡＰ周期性发射的信标帧，因为帧中含有同步信息，所以工作站在对各帧进行比较后，确定最佳ＡＰ。
２、验证和关联
⑴验证
工作站在获得了同步信息并定位了ＡＰ后，它就开始了验证过程，验证过程包括ＡＰ对工作站身份的确认和共享密钥的认证等。
⑵关联
验证过程结束后，就开始关联过程，关联过程包括：工作站和ＡＰ交换信息，在ＤＳ中建立了工作站和ＡＰ的映射关系，ＤＳ将根据该映射关系来实现相同ＢＳＳ及不同ＢＳＳ用户间的信息传送。关联过程结束后，工作站就能够得到该ＢＳＳ提供的服务了。
３、漫游
ＩＥＥＥ８０２．１１ＭＡＣ层定义了移动工作站如何同ＡＰ进行连接，但并没有定义ＡＰ在服务区域对漫游用户的跟踪规范，ＭＡＣ层上的漫游通常是由厂商按自己开发的ＡＰ内部协议来完成，这里只简单的表述漫游用户的切换过程。
当工作站开始漫游并逐渐远离原ＡＰ时，它对原ＡＰ的接收信号及帧差错率将变差，于是，工作站启动扫描功能重先定位ＡＰ，一旦定位了新的ＡＰ，工作站随即发射重新连接请求给新的ＡＰ，新ＡＰ将该工作站重新连接请求通知分布系统（ＤＳ），ＤＳ随即更改该工作站与ＡＰ的映射关系，并通知原ＡＰ，不再与该工作站关联，然后，新ＡＰ向该站发射重新连接响应。至此，完成漫游过程。如果工作站没有收到重新连接响应，它将重启扫描功能，定位其他ＡＰ，重复上述过程，直到连上新的ＡＰ。
六、结束语
ＷＬＡＮ的发展呼唤着新标准的出台，它在运行中带来的各种问题包括安全问题、漫游问题等都对标准提出了更高的要求。技术孕育市场，市场培育技术，ＷＬＡＮ的应用、普及与发展有赖于相关标准化组织、业界包括运营商、芯片及设备制造商、内容供应商等的共同努力。
摘自《通信世界报》
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