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第二章 无线局域网标准

第二章 无线局域网标准. 802.11 协议族. 802.11 协议族成员 WiMAX. 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。为了更好的构建理性中的无线网络，我们需要了解无线网络的技术体系、熟悉构建无线网络设备的功能。. 引 入. 1. 2. 3. 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. 课程目标. 4. 掌握 802.11 其他协议相关标准. 802.11 协议组成员. PHY. MAC.

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第二章 无线局域网标准

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  1. 第二章 无线局域网标准

  2. 802.11协议族 • 802.11协议族成员 • WiMAX

  3. 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。为了更好的构建理性中的无线网络，我们需要了解无线网络的技术体系、熟悉构建无线网络设备的功能。 引 入

  4. 1 2 3 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 课程目标 4 掌握802.11其他协议相关标准

  5. 802.11 协议组成员 PHY MAC 802.11/1/11b/1gMAC 802.11(1/2Mbps) 802.11b(5.5/11Mbps) 802.11e--QOS 802.11g(54Mbps) 802.11h—动态调整 802.11i—安全增强 802.11a(54Mbps) 802.11f—漫游和切换 802.11n(300Mbps) 802.11s--mesh

  6. 802.11协议标准

  7. 无需授权使用的无线频率(ISM)

  8. 802.11b/g在各国家授权使用的频段

  9. 802.11b/g工作频段的划分

  10. 802.11g在物理层的理论传输速率为54Mbps，实际吞吐量为20-24Mbps。802.11g在物理层的理论传输速率为54Mbps，实际吞吐量为20-24Mbps。 → 其他用于协议封装或避免冲突开销 干扰实际吞吐率的因素 → 速率不稳定 → 物理环境的变化 → 放置AP的位置 → 共享介质 WLAN设备的实际吞吐量

  11. 输出功率为100mW的802.11b/g产品覆盖距离理论值为100m。输出功率为100mW的802.11b/g产品覆盖距离理论值为100m。 实际覆盖距离依赖于现实的物理环境。 影响覆盖距离的因素 → 建筑结构 → 电磁干扰 在一般的办公大楼内，覆盖距离为15m-30m。 WLAN设备的实际覆盖距离

  12. WLAN概述——WLAN物理层协议 1999年,IEEE推出了802.11b标准，该标准工作在2.4GHz频段，最大数据传输速率可达11Mbps。 • IEEE 802.11b 工作于2.4GHz 802.11b

  13. WLAN概述——WLAN物理层协议 802.11b工作于公共频段，容易与同一工作频段的蓝牙、微波炉等设备形成干扰，且速度较低，为了解决这个问题，在802.11b通过的同年，802.11a标准应运而生。该标准工作于5GHz频段，最大数据传输速率提高到54Mbps。 • IEEE 802.11a 工作于5GHz 802.11a

  14. WLAN概述——WLAN物理层协议 虽然802.11a标准比起802.11b先进不少，但由于802.11b的广泛使用，无线局域网的部署和升级必须考虑到客户的既有投资，业界迫切需要一种与802.11b工作于同一频段且更为先进的技术来保证这种妥协。2001年，工作于2.4GHz频段数据速率最高达54Mbps的802.11g标准获得通过。 802.11a 802.11b • IEEE 802.11g 5GHz 54Mbps 无法平滑升级 2.4GHz 11Mbps

  15. 802.11n的关键技术 MIMO-OFDM 40MHz频宽模式 帧聚合 Short GI 802.11n技术

  16. MIMO-OFDM 可以实现20MHz下单个数据流达到65Mbps。 可以实现在多条路径上并发通信。 40MHz频宽模式 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 802.11MAC层协议耗费大量资源用于链路的维护，从而降低系统的吞吐量。 引入帧聚合技术，提高MAC子层效率。 Short GI 可以保证数据的发送间隔设置为400ns。 802.11n技术

  17. SSID(Service Set ID)服务集识别码 802.11网络基本元素 AP SSID = “marketing” SSID = “ofice” STA STA AP:接入点 STA:无线终端 STA

  18. BSS (Basic Service Set)基本服务集 BSS1 BSS2 AP AP STA3 STA6 STA1 STA4 STA2 STA5 802.11网络基本元素 AP:接入点 STA:无线终端 BSS:基本服务集

  19. DS(Distribution System)分布式系统 802.11网络基本元素 BSS1 BSS2 DS DS:连接多个BSS网络以及有线网络

  20. 802.11网络基本元素 • ESS(Extended Service Set)扩展服务集 BSS1 SSID1 ESS BSS3 SSID1 BSS2 DS SSID1 ESS:采用形同的SSID的多个BSS形成更大规模的虚拟BSS

  21. Ad hoc模式 不需要访问有线网络中的资源，只需要实现无线设备之间互相通讯. 802.11工作模式 STA之间可直接互相连接，资源共享，而无需通过AP。

  22. 基本（infrastructure ）模式 至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端. 802.11工作模式 STA之间必须通过AP互联

  23. 802.11 MAC层负责客户端与AP之间的通信 包括：扫描、认证、接入、加密、漫游等 802.11 MAC层报文类型 数据帧 控制帧 管理帧 802.11 MAC层工作原理

  24. MAC层工作原理-用户接入管理过程

  25. MAC层工作原理-Scanning

  26. MAC层工作原理-Authentication

  27. MAC层工作原理-Association

  28. 802.11 WEP加密原理 WEP:Wired Equivalent Privacy 有线对等私有协议 IV 用户数据明文 发送加密报文 IV 用户数据明文 Key生成器 XOR Key生成器 XOR 加密报文+IV 静态Key Key流 静态Key Key流 Key流 静态Key XOR Key生成器 接收加密报文 IV:Initialization Vender 初始向量 用户数据明文 IV

  29. WEP加密密匙长度固定 40bit (WEP40) 104bit(WEP104) WEP加密的两种密匙格式 ASCII码 HEX十六进制 WEP加密的密匙索引 Key-id 802.11 WEP加密特点与注意事项

  30. 802.11i协议—802.1x认证接入过程

  31. WEP加密整个网络共用一个密匙 IV向量太短， WEP加密容易破解 RC4加密算法过于简单 解决办法 增加密匙管理机制 采用更强的加密算法 802.11 网络安全

  32. 无线漫游 STA可以在属于同一个ESS的AP接入点接入。 STA可以在WLAN中任意移动。 保证已有的业务不中断，用户IP地址不变。 802.11 网络漫游

  33. 漫游的分类 二层漫游：在同一个子网内的AP间漫游 三层漫游： 在不同的子网内的AP间漫游 802.11 网络漫游

  34. CSMA/CA：载波帧听多点接入/避让机制 用于无线局域网802.11a/b/g/n，带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量‘避免’。 CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。 本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突。 网络的介质访问机制CAMA/CA

  35. 网络的介质访问机制CAMA/CA

  36. 支持业务优先级的报文标记 业务优先级可被映射到4个输出队列 高优先级的报文优先获取无线空口的访问能力 802.11e协议—QoS保证

  37. SAT To PC的QoS映射过程

  38. 本章主要介绍了802.11协议组成员及802.11b/a/g协议的主要技术指标。802.11n的关键技术、 802.11协议的基本概念及其MAC工作原理、 802.11的安全、漫游、CSMA/CA及QoS等相关内容。 本章总结

  39. IEEE 802.11无线局域网工作组 PHY MAC 802.11/11a/11b/11g MAC 802.11(1/2 Mbps) 802.11e —QoS 802.11b(5.5/11 Mbps) 802.11h —动态调整 802.11g(54 Mbps) 802.11i —安全增强 802.11a(54 Mbps) 802.11f —漫游和切换 802.11n(300 Mbps) 802.11s —mesh

  40. 增强了STA和AP的认证机制 支持802.1x认证方式 支持Pre-shared key认证方式 增加了 Key的生成、管理以及传递的机制 每用户使用独立的Key 通过安全的传递方法传递用户数据加密使用的Key 增加了两类对称加密算法，加密强度大大增强 TKIP（临时密钥完整性协议）：核心仍然是RC4算法 CCMP（计数器模式CBC-MAC 协议）：核心为AES（Advanced Encryption Standard，先进加密标准）算法 802.11i协议 —— 安全认证和加密

  41. 802.11技术在QOS方面存在的缺陷 • 最初的802.11技术是为满足用户的数据传输而设计的，根本没有考虑多业务承载。 • 802.11采用的DCF（distributed coordination function，分布式协调功能）调度模式是基于CSMA/CA原理，最终的效果是所有用户发送的报文平等地竞争无线资源。 • 由于没有区分业务优先级的机制，造成AP和终端在对外发送报文时对报文按同等优先级对待。当发生流量拥塞时，需要优先处理的报文（例如语音报文）和普通的报文（例如浏览网页的报文）会按相同的概率被丢弃。 • 和有线网络相对完善的QOS机制无法很好地衔接。

  42. 802.11e 协议 ——QOS保证 • 802.11e针对DCF模式进行了改进，支持EDCA（Enhanced Distribution Channel Acess，增强型分布式协调访问机制）的媒体访问机制 • 支持8个业务优先级的报文标记（类似于有线网络中的802.1P） • 业务优先级可被映射到4个输出队列 • 高优先级的报文优先获取无线空口的访问能力

  43. 宽带无线接入系统定位 □宽带无线接入系统位于通信网络中的接入层，用于“最后一公里”的接入及热点地区的覆盖，在通信网络中占有重要的地位。

  44. 什么是WiMAX? • □WiMAX= “Worldwide Interoperability for Microwave Access” • □WiMAX是基于 (IEEE 802.16) 技术标准的最后一公里宽带无线接入技术,WiMAX、DSL 、CABLE使最后一公里宽带无线接入手段丰富多彩 • □IEEE802.16-2004 • 固定 • 游牧 • 便携 • □IEEE802.16e • 简单移动 • 全移动

  45. 下一代宽带无线网络特点 降低网络成本 提高无线覆盖率 解决手段:统一协议,软件硬化,互通等 解决手段：OFDM / 智能天线 / MESH 丰富业务支持能力 IP,电路,QoS保证…

  46. 关于WiMAX组织 □为了促进宽带无线设备的标准化，推动其市场发展，由Intel等众多顶级通信部件、设备公司在2003年4月组成了非营利性机构WiMAX，致力于推动802.16无线宽带设备进入市场，加速最后一公里的宽带部署。

  47. WiMAX成员发展 应用供应商/其它 运营商 设备商 芯片/元器件供应商 2005.7 2004.4

  48. 802.16 802.16a 802.16d 802.16e 标准情况 2001年12月正式发布 2003年1月正式发布 2004年6月23日获批 预计于2005年底发布 使用频段 10～66GHz <11GHz 10～66GHz <11GHz <6GHz 信道条件 视距 非视距 视距＋非视距 非视距 固定/移动性 固定 固定 固定+游牧 移动＋漫游 调制方式 QPSK 、16QAM 和64QAM 256OFDM（BPSK/QPSK /16QAM/64QAM） 256 OFDM（BPSK/QPSK/ 16QAM/64QAM） 2048 OFDMA 256 OFDM （BPSK/QPSK/ 16QAM/64QAM） 128/512/1024/2048 OFDMA 信道带宽 25/28MHz 1.25～20MHz 1.25～20MHz 1.25～20MHz 传输速率 32～134 Mbps （以28MHz 为载波带宽） 在20 MHz信道上提供约75 Mbps的速率 在20 MHz信道上提供约75 Mbps的速率 在5 MHz 的信道上提供约15 Mbps 的速率 额定小区半径 <5km 5～10km 5～15km 几km IEEE 802.16 标准比较

  49. IEEE802.16-2004与16e技术对比 802.16-2004 802.16e 技术参数 256（OFDM） 2048（OFDMA） 256（OFDM） 128、512、1024、2048（OFDMA） 子载波数 带宽（MHz） 1.75MHz~20MHz 1.25MHz~20MHz 频段 2~11GHz <6GHz 中低车速 移动性 固定或便携 15Mbps（5MHz） 峰值速率 75Mbps（20MHz） 调制方式 QPSK、16QAM、64QAM 信道编码 卷积码、块Turbo码、卷积Turbo码、LDPC码 链路自适应 AMC、功率控制、HARQ 小区间切换 不支持 支持 增强型技术 智能天线、空时码、空分多址、宏分集（16e）、Mesh网络拓扑 接入控制 主动带宽分配、轮询、竞争接入相结合 QoS 支持4种QoS等级：UGS、rtPS、nrtPS、BE 省电模式 不支持 支持空闲（Idle）、睡眠模式

  50. WiMAX与WiFi的比较

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