基础结构型网络基础结构型网络是指有固定基础设施的无线局域网，固定基础设施指预先建立的、能覆盖一定地理范围的一批固定基站。在这种拓扑结构中，由一批固定基站组成无线骨干传输网络，移动结点在这些基站的协调下接入无线信道，完成无线数据通信。IEEE 802.11 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集BSS。图4.15无线局域网中基础结构型网络的拓扑结构......
2023-10-19
无线局域网技术简介
【摘要】：图10.61显示了IEEE 802.11系列标准的演进。图10.61IEEE 802.11系列标准的演进可以看到，当前无线局域网的IEEE 802.11标准主要有四个，即802.11a/b/g/n，其工作频段主要有两段，2.4 GHz和5 GHz段。IEEE 802.11nIEEE 802.11n标准是802.11标准的补充版本，其主要目的是提高无线局域网的空中传输信息速率。
1.工作频率
无线局域网的发展初期曾出现了多种技术和标准，但发展至今，只有IEEE 组织制定的802.11系列标准成为工业界的实际标准，相应产品已经在全球范围内得到广泛应用。区别于有线局域网标准802.3，无线局域网的802.11系列标准制定了无线方面的空中接口标准，主要包含物理层（PHY）和媒体接入层（MAC），对应计算机网络中OSI标准协议模型的物理层和数据链路层。图10.61显示了IEEE 802.11系列标准的演进。
图10.61 IEEE 802.11系列标准的演进
可以看到，当前无线局域网的IEEE 802.11标准主要有四个，即802.11a/b/g/n，其工作频段主要有两段，2.4 GHz和5 GHz段。其中，802.11 b/g工作在2.4 GHz频段，802.11b是较早的标准，采用了基于直接序列扩频的技术，通信速率最高为11 Mbit/s，802.11g采用了OFDM 技术，通信速率最高为54 Mbit/s；802.11a工作在5 GHz频段，采用OFDM 技术，最高通信速率为54 Mbit/s；802.11n可工作于2.4 GHz和5 GHz频段，采用多天线和OFDM技术，最高通信速率可达600 Mbit/s。
2.4 GHz频段的信道频率分配和5 GHz频段的频率分配如表10.8所示。
表10.8 无线局域网2.4 G 频段信道频率分配
美国联邦通信委员会（FCC）和欧洲电信标准化协会（ETSI）为无线局域网在5 GHz频段频率分配如图10.62所示。
图10.62 无线局域网5 GHz频段划分
由于2.4 GHz频段是工业、科学和医疗实验频段（ISM 频段），可自由使用，因此这段频谱的应用系统很多，如蓝牙、无线麦克风、微波炉等。可以看到，802.11标准在2.4 GHz频段的信道频率间是互相重叠的，每个信道占用22 MHz带宽，为避免干扰，相邻小区使用的信道频率间距应大于25 MHz。
2.无线局域网空中接口技术
无线局域网技术关键集中在对空中接口的制定上，主要包括物理层和媒体接入层。无线局域网协议之间的关系以及与OSI 参考模型、TCP/IP 参考模型之间的对应关系如图10.63所示。可以看到，无线局域网协议对应的是OSI模型中的物理层和数据链路层，或TCP/IP参考模型中的网络接入层。由于TCP/IP 参考模型并不具体定义网络接入层的内容，因此可以包容各种不同物理实现的网络。
图10.63 无线局域网协议
(1)IEEE802.11
IEEE 802.11是1997年发布的无线局域网标准，共制定了三种空中接口，分别是802.11 FHSS、802.11 DSSS 和802.11 Infrared，其中802.11 FHSS 和802.11 DSSS 都工作于2.4 GHz频段，分别采用了基于跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）技术，实现了1～2 Mbit/s的通信速率。IEEE 802.11标准由于速率低，目前已经很少有相应的产品。
(2)IEEE 802.11a
IEEE 802.11a是1999年确定的无线局域网标准，工作频段为5 GHz的U-NII频段，如图10.64所示该频段分成三段：第一段5.15～5.25 GHz，带宽100 MHz，划分成4个信道，每个信道带宽为20 MHz，发射功率限制为50 mW；第二段5.25～5.35 GHz，带宽100 MHz，划分成4个信道，每个信道带宽20 MHz，发射功率限制为250 mW；第三段5.725～5.825 GHz，带宽100 MHz，划分成4个带宽为20 MHz的信道，发射信号功率限制为1 W。
图10.64 802.11a使用的频率
IEEE 802.11a采用OFDM 技术，每个20 MHz信道分成300 k Hz的52个子载波，其中4个子载波作为导频，48个子载波携带数据信息，每个子载波的调制视信道条件可以为BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM，采用卷积码作为信道编码，可支持的信息速率为6、9、12、18、24、36、48、54 Mbit/s。
(3)IEEE 802.11b
IEEE 802.11b是1999年发布的标准，是802.11 DSSS协议的兼容增强版，支持信息速率1 Mbit/s、2 Mbit/s、5.5 Mbit/s、11 Mbit/s，兼容IEEE 802.11 DSSS 标准中的1 Mbit/s、2 Mbit/s信息速率。802.11b工作在2.4～2.483 5 GHz频段，该频段被划分成13个重叠的22 MHz带宽的信道，由于总的带宽仅有83 MHz，因此该频段内不重叠的信道最多有3个。
IEEE 802.11b采用直接序列扩频技术，码片速率为11 Mbit/s，采用CCK 调制方式实现扩频，可获得高达5.5 Mbit/s、11 Mbit/s的信息速率。
(4)IEEE 802.11g
IEEE 802.11g是2002年发布的标准，是802.11b在2.4 GHz ISM 频段上的扩展版本。802.11g采用OFDM 作为调制方式，可支持与802.11a一样的信息速率。为了实现与802.11b的兼容，802.11g还可支持802.11b中采用DSSS/CCK 的调制方式。然而，当802.11g的AP节点中同时有802.11b、802.11g的设备时，由于802.11b设备不能理解802.11g的信号，因此可能将其当成噪声或非802.11b的信号，从而发起通信，干扰正常的802.11g的设备通信。为避免这种情况，802.11g利用载波侦听机制（RTS/CTS）对802.11g通信时进行信道保留，通知802.11b设备在信道保留时不发起通信，从而减小相互之间的干扰。
(5)IEEE 802.11n
IEEE 802.11n标准是802.11标准的补充版本，其主要目的是提高无线局域网的空中传输信息速率。
802.11n采用多种物理层技术来提高信息速率，主要包括：多天线技术（空时编码、空分复用、波束成型）、信道带宽可绑定至40 MHz、LDPC 信道编码、OFDM 调制。在媒体接入层（MAC）中，802.11n采用帧聚合、反向数据协议等技术减小信令开销，提高信息吞吐量。802.11n的理论支持速率最高可达600 Mbit/s。
基于空分复用的802.11n的发射机框图如图10.65所示，信息经过信道编码后并行成多路输出，然后每路信息经过交织、QAM 调制、结合多天线使用模式的空时编码、OFDM 调制，然后各自通过天线并行发送。
图10.65 802.11n发送框图
3.无线局域网媒体接入控制
802.11媒体接入层定义了两种媒体共享接入方式：基于分布协调功能（DCF）的方式和基于轮询协调功能（PCF）方式。
（1）DCF方式
DCF方式是基于载波侦听/载波碰撞检测（CSMA/CA）方式的一种无线信道共享接入方式，主要工作于具有AP和多个STA 的无线局域网中。DCF的工作方式是基于随机竞争使用无线信道的方式，任何STA 要发送信息前，需要先侦听相应载波信道上是否已经有其他终端发送信息，当侦听到信道空闲一段时间（DIFS）后，STA 终端再随机产生一个时延，如果信道仍然空闲，才占用信道进行发送。图10.66所示为4个STA 之间互相竞争信道发送数据的情况。
图10.66 DCF接入方式
（2）PCF方式
PCF方式是802.11定义的一种可选接入模式，不很常用。PCF 方式只能工作于固定接入方式，需要AP作为协调媒体的接入。PCF有两个工作阶段：竞争阶段（CP）和非竞争阶段（CFP）。在CP阶段，各STA 采用DCF方式竞争使用信道；在CFP阶段，AP通过轮询方式控制各STA 的发送。
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