无线局域网关键技术与应用

0 引言
    无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Networks)是计算机网络技术与无线电通信技术结合的产物，是在有线局域网的基础上发展起来的。与有线局域网相比，无线局域网采用的是无线链路(Cable-free link)构成网络。局域网广泛应用于办公自动化、工业自动化和银行等金融系统，并且符合军队、公安部门等其它特殊场合的要求。具有很大的发展潜力。

l 无线局域网的主要特征
    无线局域网的出现弥补了有线网络的不足，较之有线网络它具有安装的灵活性、网络的伸缩性、网络的移动性等优势。
1．1 网络拓扑结构
    WLAN拓扑结构可分为有中心(Hub—Based)和无中心(Peer to peer)局域网两类。在有中心结构的网络拓扑中，设有一个无线节点充当基站，所有节点访问均由其控制，每个节点只要在中心站覆盖范围之内就可与其它节点通信，并且中心节点为访问有线主干网提供了一个逻辑节点，这与蜂窝式移动通信的方式非常相似。这种结构的缺点是抗毁性差，中心节点的故障容易导致整个网络的瘫痪；对于无中心结构的网络，要求其中任意节点均可与其它节点通信，所以又称自组织网络(Ad hoc)。由于无中心节点控制网络的接入，各节点都具有路由器功能，又都可以竞争共用信道，为此，大多数无中心结构的WLAN都要采用CSMA类型的MAC协议。
    应该指出的是，自组局域网在军用和民用领域都有很好的应用前景，在军事领域中，由于战场往往没有预先建好的固定接入节点，携带移动站的战士就可以利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面装甲车辆和坦克群，以及海上舰艇群、空中的机群。由于每一个移动设备都具有路由器的转发分组的功能，因此，这种自组局域网的生存能力非常好。在民用领域，当出现自然灾害时，在抢险救灾中利用移动自组网络进行及时的通信往往也是很有效的，因为这时事先已经建好的固定网络基础设施可能都已被毁坏。
1．2 传输媒质及传输方式
    WLAN的传送介质有两种，即无线电波和红外线，前者使用居多。红外线局域网有较强的方向性，适于近距离通信。而采用无线电波作为媒体的局域网，覆盖范围大，而且，这种局域网多采用扩频技术，发射功率比自然背景的噪声低，有效的避免了信号的偷听和窃取，使通信非常安全，具有很高的实用性。无线局域网采用微波传输，使用的频段有三个，L频段、S频段、C频段。目前大多数产品使用S频段(2．4GHz～2．4835GHz)，在这些波段内的WLAN的产品大多数采用扩频调制方式，主要有DS和FH两种。

2 无线局域网标准
    WLAN近年来的迅速发展受到了一系列标准协议的制定的促进，这些协议中影响最大的是IEEl302．1l系列标准，在此主要介绍无线局域网的这种标准。
2．1 IEEE 802．11标准
    1997年6月，IEEE推出了第一代无线局域网标准——IEEE 802．11。该标准定义了物理层和介质访问控制子层的协议规范。
    IEEE 802．11在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法，定义了两个无线电射频(RF)传输方法和一个红外线传输方法。RF传输标准包括直接序列扩频技术和跳频扩频技术。直接序列扩频技术采用二进制相移键控(BPSK)技术，可以以lMbps的速率进行发射，如果使用正交相移键控(QPSK)技术，发射速率可以达到2Mbps。跳频扩频技术利用GFSK二级或四级调制方式可以达到2Mbps的工作速率。
    由于在无线网络中冲突检测较困难，为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道，IEEE802．1l规定无线局域网介质访问控制子层采用CSMA／CA(载波监听多路访问／冲突防止)协议，而不是冲突检测(CD)协议。CSMA／CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制。
2．2 IEEE 802．1lb标准
    为了支持更高的数据传输速率和更健全的连接性，IEEE于1999年9月批准了IEEE 802．1lb标准。IEEE802．1lb标准对IEEE 802．1l标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在IEEE 802．11的基础上增加了两种更高的通信速率5．5Mbps和11Mbps。
    IEEE 802．11b采用了补充编码键控(CCK)，CCK由64个8比特长的码字组成。IEEE 802．11b规定在速率为5．5Mbps时使用CCK，对每个载波进行4比特编码。而当速率为llMbps时，对每个载波进行8比特编码。同时，MAC层的多速率机制确保当工作站之间距离过长或干扰过大时信噪比低于某个门限值时，传输速率能够从11Mb／s自动降到5．5Mb／s，进一步可调整到2Mb／s和1Mb／s。
    由于现行的以太网技术可以实现不同速率以太网络之间的兼容，因此有了IEEE 802．11b标准之后，移动用户将可以得到以太网级的网络性能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种LAN技术集成起来，形成一种能够最大限度地满足用户需求的网络。

3 无线局域网的组成及工作原理
    无线局域网也类似有线局域网，设备相应的有无线网卡、无线接入点(AP)、无线网桥(Bridge)、无线网关(Gate—way)和无线路由器等。下面仅介绍无线网卡和无线接入点的组成原理。
3．1 无线网卡
    无线网卡是在无线局域网的覆盖下，通过无线连接网络上网所使用的无线终端设备。无线网卡一般由网络接口控制器(NIC)、扩频调制及解扩解调单元及微波收发信机单元等三部分组成，如图l所示。其中：NIC为网络接口控制单元；BBP是基带处理单元；IF是中频调制解调器；RF是射频单元。

    NIC可以实现IICEE802．11的协议规范的MAC层功能，主要负责接入控制，在移动主机有数据要发送时，NIC负责接收主机发送的数据，并按照一定的格式封装成帧，然后根据多址接入协议(在WLAN中为IEEE802．1l协议)把数据帧发送到信道中去。当接收数据时，NIC根据接收帧中的目的地址，判别是否是发往本机的数据，如果是则接收该帧信息，并进行CRC校验。为了实现上述功能，NIC还需要完成发送和接收缓存的管理，通过计算机总线进行DMA操作和I／O操作，与计算机交换数据。
    后面三个单元组成一个通信机，用来实现物理层功能，并与NIC进行必要的信息交换。由于宽带无线IP网络中的通信业务具有宽带、突发的特点，因此对通信机提出了更高的要求。BBP在发送数据时对数据进行调制，IF处理器把基带数据调制到中频载波上去，再由RF单元进行上变频，把中频信号变换到射频上发射。在接收数据时，先由RF单元把射频信号变换到中频上，然后由IF进行中频处理，得到基带接收信号。BBP对基带信号进行解调处理，恢复位定时信息，把最后获得的数据交给NIC处理。
    事实上，在物理实现上可以将不同的功能单元组合到一起。例如NIC与BBP处理器都工作在基带，可以将两者集成到一起；IF可以全数字化，它与BBP结合在一起可以更方便地实现一些功能。
    无线网卡的软件主要包括基于MAC控制芯片的固件和主机操作系统下的驱动程序。固件是网卡上最基本的控制系统，主要基于MAC芯片来实现对整个网卡的控制和管理。在固件中完成了最底层、最复杂的传输／发送模块功能，并向下提供与物理层的接口，向上提供一个程序开发接口，为程序开发人员开发附加的移动主机应用功能提供支持。
3．2 无线接入点(AP)
    无线接入点作为移动终端与有线网络通信的接入点，其主要任务是协调多个移动终端对无线信道的访问，所以其功能主要对应于OSI模型中的MAC层。和有线以太网中的Hub类似可以实现。
    无线网络的帧格式(IEEE802．11帧)与有线网络的帧格式(IEEE802．3帧)之间的转换；负责本CELL内的管理，包括终端的登陆、认证、散步和漫游的管理；具有简单网管功能。做到“操作透明性”和“性能透明性”。
    从逻辑上讲，AP由无线收发部分、有线收发部分、管理与软件部分及天线组成，如图2所示。

    AP上有两个端口，一个是无线端口，所连接的是无线小区中的移动终端；另一个是有线端口，连接的是有线网络。在AP的无线端口，接收无线信道上的帧，经过格式转换后成为有线网格式的帧结构，再转发到有线网络上；同样，AP把从有线端口上接收到的帧，转换成无线信道上的帧格式转发到无线端口上。AP在对帧处理过程中，可以相应地完成对帧的过滤及加密工作，从而可以保证无线信道上数据的安全性。