第一章 WLAN 技术背景知识

引入 • 无线局域网（WLAN）技术以其可移动性、使用方便等优点越来越受到人们的欢迎。为了能够更好地掌握WLAN技术与相关产品，我们需要先了解一下与WLAN相关的背景知识，如WLAN相关组织与标准、802.11协议的发展进程等。

课程目标 学习完本课程，您应该能够： • 了解主要的无线技术 • 了解WLAN网络的优点 • 了解WLAN相关组织与标准 • 了解802.11协议的发展与主要问题

IrDA 利用红外线进行点到点的无线通讯，速率可达4Mbps BlueTooth 工作在2.4GHz频段，采用跳频技术，速率为1Mbps 3G 包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，速率可达10Mbps 802.11a/b/g/n 主流的IEEE 802.11无线标准，工作在2.4GHz或5GHz频段，最大速率为11Mbps、54Mbps或300Mbps 主要的无线技术

无线让网络使用更自由 • 凡是自由空间均可连接网络，不受限于线缆和端口位置。办公大楼候机大厅渡假山庄商务酒店

无线让网络建设更经济 • 终端与交换设备之间省去布线，有效降低布线成本。 • 适用于特殊地理环境下的网络架设，如隧道、港口码头、高速公路。终端与设备之间不方便通过线缆连接地理环境不适合布设有线网络

无线让工作更高效 • 不受限于时间和地点的无线网络，满足各行各业对于网络应用的需求。展馆与证券大厅体育场馆新闻中心制造车间物流运输

WLAN相关组织和标准 • IEEE • 美国电气与电子工程师学会，自1997年以来先后公告802.11、802.11b、802.11a、802.11g等多个802.11协议相关标准 • Wi-Fi联盟 • 非牟利的国际协会，旨在认证基于IEEE 802.11产品的互操作性和推动其新标准的制定，提出802.11i（安全）中的WPA、802.11e（QoS）中的WMM • IETF • 互联网工程任务组，是一个松散的、自律的、志愿的民间学术组织，其主要任务是负责互联网相关技术规范的研发和制定 • CAPWAP • IETF中目前有关于无线控制器与FIT AP间控制和管理标准化的工作组 • 提出的重要标准有Architecture Taxonomy for CAPWAP 与LWAPP，用于无线控制器与FIT AP间的管理和控制 • WAPI联盟 • 制定并推广中国无线网络产品国标中的安全机制标准WAPI，其包括无线局域网鉴别（WAI）和保密基础结构（WPI）两部分

802.11协议的发展进程 2.4GHz 2.4GHz、5GHz 2.4GHz 2.4GHz & 5GHz 频率 2Mbit/s 11Mbit/s、54Mbit/s 54Mbit/s 300Mbit/s 速率 802.11 802.11b、802.11a 802.11g 802.11n 协议 1999 时间 1997 2003 2009

WLAN面临的挑战与问题 干扰工作在相同频段的其他设备会对WLAN设备的正常工作产生影响电磁辐射无线设备的发射功率应满足安全标准，以减少对人体的伤害数据安全性无线网络中，数据在空中传输，因此安全性显得尤为重要

干扰 2.4GHz为ISM频段，不需授权即可使用同一区域内WLAN设备之间的互相干扰其他工业设备的干扰，如：微波炉蓝牙无绳电话双向寻呼系统

WLAN产品的电磁辐射 • 许多研究已经证明，WLAN产品可以在家庭及商业中使用，对人体来说是安全的。 • 政府有相关的法令对发射功率进行严格的限制，因此通过政府相关部门认证过的无线设备对人体是无害的。

数据安全性 无线网络中，数据在空中传输，需充分考虑业务数据的安全性，选择相应的加密方式开放式，不加密采用弱加密算法采用强加密算法

引入 • 无线局域网（WLAN）技术是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，其利用电磁波实现了信息的传输，所以要深刻理解并应用WLAN技术与理论，对相关的无线技术基础知识的掌握是必须的。本章内容就主要为大家讲解与WLAN理论相关的无线技术基础知识，以加深大家对WLAN产品相关特性的理解。

课程目标 学习完本课程，您应该能够： • 了解电磁波的相关属性 • 掌握各功率计算单位间的换算关系 • 了解WLAN的调制传输方式 • 了解无线电波的传播特性

波的基本概念 波－某一物理量的扰动或振动在空间逐点传递时形成的运动。振幅波长

电磁波相关属性 电磁波波长与频率的关系：－波长 f －频率 c－光速（3×108m/s）振子电场磁场电场磁场电场电波传输方向 • 电磁波的相关属性 • 能量 • 方向 • 极化 • 相位

常见电磁波的频率分布 2.4-2.4835GHz 83.5MHz （IEEE 802.11b/g） 5GHz （IEEE 802.11a）音频调频广播调幅广播蜂窝电话短波无线电通信电视信号红外IrDA

功率计算单位 • 功率计算单位包括：dB、dBm、dBw • dB是用来衡量被测量功率与某一基准功率的比值 • 计算公式：被测量功率（dB）= 10×lg（测量功率 / 基准功率） • 当基准功率取为1mW时，此dB值以dBm表示 • 当基准功率取为1W时，此dB值以dBw表示

信号信号－含有所传送信息的可检测到的发射能量随时间变化的信号通过示波器可查看信号在时域中的变化随频率变化的信号通过频谱分析可查看信号的频域的变化噪音常见噪音为白噪音（高斯噪音）和窄带干扰

带宽数字带宽单位时间内发送的信息量，单位为比特每秒（bps）模拟带宽模拟电子系统中的频率范围，单位为赫兹（Hz）数字带宽与模拟带宽的关系

调制与传输技术在网络中的应用 AP（TX） PC Card（RX）接收数据：101 发送数据：101 解调调制电磁波传输

调制技术 数据调制信号调制器载波数据 0 1 0 1 1 0 1 数字信号调幅（AM）调频（FM）调相（PM）

WLAN调制技术 BPSK 利用载波的两个不同相位表示二进制的0或1 QPSK 利用载波的4种相位变化表示2个二进制位 CCK 使用一个补码函数来发送更多数据 16QAM 规定了16种载波振幅和相位的组合，每个子信道可承载4位 64QAM 规定了64种载波振幅和相位的组合，每个子信道可承载6位

WLAN传输技术 FHSS 利用跳频技术将频谱进行扩展的扩频通讯技术 DSSS 利用复合码序列而获取直接序列扩频信号的扩频通讯技术 OFDM 将一个高速的数据载波分成若干个低速的子载波，然后并行地发送这些子载波

反射、折射 信号源入射信号反射信号空气其他物质折射信号

多径天花板 PC Card（RX） AP（TX）柜子三路信号到达接收端三路信号叠加后的效果

路径损耗 空气墙，门，等等信号在传播路径中不断衰减

信号穿透损耗估测

引入 • WLAN已经成为宽带接入的有效手段之一，使用WLAN的区域及其承载的业务愈来愈多。为了更好地构建理想中的无线网络，我们需要了解无线网络的技术体系、熟悉构建无线网络的设备的功能。

课程目标 学习完本课程，您应该能够： • 掌握802.11b/a/g的主要技术指标 • 掌握802.11n的关键技术原理 • 掌握802.11的MAC层工作原理 • 掌握802.11其他协议相关标准

IEEE 802.11协议族成员 MAC 802.11/11a/11b/11g MAC 802.11e —QoS 802.11h —动态调整 802.11i —安全增强 802.11f — 漫游和切换 802.11s — mesh PHY 802.11(1/2 Mbps) 802.11b(5.5/11 Mbps) 802.11g(54 Mbps) 802.11a(54 Mbps) 802.11n(300 Mbps)

802.11协议标准

无需授权使用的无线频率（ISM） 2400 5.1GHz 2440 2480 2500 U-NII U-NII Japan* Europe HiperLAN2* Europe HiperLAN1 5100 5200 5300 5400 5500 5600 5700 5800 5900 U-NII: Unlicensed National Information Infrastructure *Frequency Allocations are pending • 902MHz • 26MHz BW • Crowded • Worldwide limited • 2.4GHz • 83.5MHz BW • Available worldwide • IEEE802.11 WLANs • 5.1GHz • 300MHz BWdiscontinuous • Developing North & South America 902MHz 902 928 Americas, most of Europe, China 2.4GHz Japan Spain France

各国授权使用的频段

802.11b/g工作频段划分图 2.467 2.417 2.427 2.437 2.447 2.457 5 10 4 9 14 3 8 13 2 7 12 1 6 11 频率/GHz 2.412 2.422 2.432 2.442 2.452 2.462 2.472 2.484

WLAN设备的实际吞吐量 802.11g标准描述的速率为54Mbps，此为物理层传输速率，而实际可获得的吞吐量为20-24Mbps 其他用于协议封装或冲突避免开销干扰实际吞吐率的因素不稳定是无线通讯的本性无线环境不停的保持变化物理建筑的构成 AP的位置共享介质：用户数数据量注：“综合实际应用速率”以58％88Byte、 17％512Byte、 25％1500Byte报文进行计算

WLAN设备的实际覆盖距离 输出功率为100mW的802.11b/g产品覆盖距离理论值为100m 实际覆盖距离更依赖于现实环境影响覆盖范围的因素建筑结构电磁干扰在一般办公室大楼内，覆盖距离为15m～30m

802.11n的关键技术 802.11n是IEEE 802.11协议中继802.11b/a/g后又一个无线传输标准协议，802.11n将802.11a/g的54Mbps最高发送速率提高到了300Mbps，其中的关键技术为： MIMO-OFDM 40MHz频宽模式帧聚合 Short GI

MIMO-OFDM MIMO-OFDM是OFDM和MIMO相结合的技术，由于支持更多的子载波，可以实现20MHz 下单个流达到65 Mbps。基于MIMO技术，实现了在多条路径上并发通信，称之为Spatial Multiplexing。

40MHz频宽模式 • 802.11n同时定义了2.4GHz频段和5GHz频段的WLAN标准，与11a/b/g每信道只用20MHz频宽不同的是11n定义了两种频带宽度： • 20MHz频宽 • 40MHz频宽 2车道变4车道 40MHz频宽将两个20MHz频宽的信道进行捆绑，以获取高于2倍的20MHz频宽的吞吐量

帧聚合 MAC header MAC header MAC header MAC header P2 P2 P2 P2 P2 P3 P1 P1 P3 P3 P1 P1 P3 P1 P3 • 802.11MAC层协议耗费了相当的效率用作链路的维护，从而大大降低了系统的吞吐量。 • 802.11n引入帧聚合技术，提高MAC层效率，报文帧聚合技术包括： • MSDU聚合 • MPDU聚合 Applications MSDU （MAC Service Data Unit） MAC processing MAC processing MAC processing MPDU （MAC Protocol Data Unit） MSDU聚合 MPDU聚合 PHY Layer

Short GI • Short Guard Interval (Short GI) • 802.11a/b/g标准要求在发送数据时，必须要保证在数据之间存在800 ns的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval (GI)。 • 11n仍然缺省使用800 ns。当多径效应不严重时，可以将该间隔配置为400ns，可以将吞吐提高近10%，此技术称为Short GI。合适的GI时长 GI时长过短数据1 数据2 数据1 数据2 干扰数据1 数据2 数据1 数据2 时间时间 GI时长合适的情况 GI时长过短的情况

SSID AP SSID＝“marketing” SSID＝“office” STA STA STA • SSID：Service Set ID 服务集识别码

BSS STA（Station）：任何的无线终端设备。 AP（Access Point）：一种特殊的STA BSS（Basic Service Set）：基本服务集 BSS1 AP BSS2 AP STA1 STA2 STA3 STA4 STA5 STA6

DS DS（Distribution System）：分布式系统 BSS1 AP DS AP BSS2

ESS ESS（Extended Service Set）：扩展服务集，采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS。 BSS1 属于同一VLAN的客户端 Service set identify (SSID1) ESS AP1 AP2 DS Service set identify (SSID1) BSS2

Ad Hoc STA STA STA STA STA • Ad Hoc构成一种特殊的无线网络应用模式，STA间可直接互相连接，资源共享，而无需通过AP。

第一章 WLAN 技术背景知识