无线网络通信技术（中）

3  无线局域网(WLAN)

 

无线局域网是指以无线电波、红外线等无线媒介来代替目前有线局域网中的传输媒介(比如电缆)而构成的网络。无线局域网内使用的通信技术覆盖范围一般为半径100m左右，也就是说差不多几个房间或小公司的办公室。当然实际的覆盖范围受很多因素影响，比如通信区域中的高大障碍物。

 

IEEE 802.11系列标准是IEEE制订的无线局域网标准，主要对网络的物理层和媒质访问控制层进行规定，其中重点是对媒质访问控制层的规定。目前该系列的标准有：IEEE802.11、IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11d、IEEE 802.11e、IEEE802.11f、IEEE 802.11h、IEEE 802.11i、IEEE 802.11j等，其中每个标准都有其自身的优势和缺点。

 

下面就IEEE已经制订且涉及物理层的4种IEEE 802.11系列标准：IEEE 802.11、IEEE802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g进行简单介绍。

 

    1．IEEE 802.11

 

IEEE 802.11是最早提出的无线局域网网络规范，是IEEE于1997年6月推出的，它工作于2.4GHz的ISM频段，物理层采用红外、跳频扩频(Frequency Hopsping SpreadSpectrum，FHSS)或直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技术，其数据传输速率最高可达2Mbps，它主要应用于解决办公室局域网和校园网中用户终端等的无线接入问题。使用FHSS技术时，2.4GHz频道被划分成75个1MHz的子频道，当接收方和发送方协商一个调频的模式，数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送，每次在IEEE 802.11网络上进行的会话都可能采用了一种不同的跳频模式，采用这种跳频方式避免了两个发送端同时采用同一个子频段；而DSSS技术将2.4GHz的频段划分成14个22MHz的子频段，数据就从14个频段中选择一个进行传送而不需要在子频段之间跳跃。由于临近的频段互相重叠，在这14个子频段中只有3个频段是互不覆盖的。IEEE 802.11由于数据传输速率上的限制，在2000年也紧跟着推出了改进后的IEEE 802.11b。但随着网络的发展，特别是IP语音、视频数据流等高带宽网络应用的需要，IEEE 802.11b只有11Mbps的数据传输率不能满足实际需要。于是，传输速率高达54Mbps的IEEE 802.11a和IEEE802.11g也都陆续推出。

 

2．IEEE 802.11b

 

IEEE 802.11b又称为Wi-Fi，是目前最普及、应用最广泛的无线标准。IEEE 802.11b工作于2.4GHz频带，物理层支持5.5 Mbps和11 Mbps 两个速率。IEEE 802.11b的传输速率会因环境干扰或传输距离而变化，其速率在1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps、11 Mbps 之间切换，而且在1 Mbps、2 Mbps速率时与IEEE 802.11兼容。IEEE 802.11b采用了直接序列扩频DSSS技术，并提供数据加密，使用的是高达128位的有线等效保密协议(WiredEquivalent Privacy，WEP)。但是IEEE 802.11b和后面推出的工作在5GHz频率上的IEEE802.11a标准不兼容。

 

从工作方式上看，IEEE 802.11b的工作模式分为两种：点对点模式和基本模式。点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式，即一台配置了无线网卡的计算机可以与另一台配置了无线网卡的计算机进行通信，对于小规模无线网络来说，这是一种非常方便的互联方案；而基本模式则是指无线网络的扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这也是IEEE 802.11b最常用的连接方式。在该工作模式下，配置了无线网卡的计算机需要通过“无线接入点”才能与另一台计算机连接，由接入点来负责频段管理等工作。在带宽允许的情况下，一个接入点最多可支持1 024个无线节点的接入。当无线节点增加时，网络存取速度会随之变慢，此时通过添加接入点的数量可以有效地控制和管理频段。

 

IEEE 802.11b技术的成熟，使得基于该标准网络产品的成本得到很大的降低，无论家庭还是公司企业用户，无须太多的资金投入即可组建一套完整的无线局域网。当然，IEEE 802.11b并不是完美的，也有其不足之处，IEEE 802.11b最高11Mbps的传输速率并不能很好地满足用户高数据传输的需要，因而在要求高宽带时，其应用也受到限制，但是可以作为有线网络的一种很好的补充。

 

3．IEEE 802.11a

 

IEEE 802.11a工作于5GHz频带，但在美国是工作于U-NII频段，即5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz、5.725～5.825GHz三个频段范围，其物理层速率可达54 Mbps，传输层可达25Mbps。IEEE 802.11a的物理层还可以工作在红外线频段，波长为850～950纳米，信号传输距离约10m。IEEE 802.11a采用正交频分复用(OFDM)的独特扩频技术，并提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，支持语音、数据、图像业务。IEEE 802.11a使用正交频分复用技术来增大传输范围，采用数据加密可达152位的WEP。

 

就技术角度而言，IEEE 802.11a与IEEE 802.11b之间的差别主要体现在工作频段上。由于IEEE 802.11a工作在与IEEE 802.11b不同的5GHz频段，避开了大量无线电子产品广泛采用的2.4GHz频段，因此其产品在无线通信过程中所受到的干扰大为降低，抗干扰性较IEEE 802.11b更为出色。高达54Mbps数据传输带宽，是IEEE 802.11a的真正意义所在。当IEEE 802.11b以其11Mbps的数据传输率满足了一般上网浏览网页、数据交换、共享外设等需求的时候，IEEE 802.11a已经为今后无线宽带网的高数据传输要求做好了准备，从长远的发展角度来看，其竞争力是不言而喻的。此外，IEEE 802.11a的无线网络产品较IEEE802.11b有着更低的功耗，这对笔记本电脑及PDA等移动设备来说也有着重大实用价值。

 

然而在IEEE 802.1la的普及过程中也面临着很多问题。首先，来自厂商方面的压力。IEEE 802.11b已走向成熟，许多拥有IEEE 802.11b产品的厂商会对IEEE 802.11a都持保守态度。从目前的情况来看，由于这两种技术标准互不兼容，不少厂商为了均衡市场需求，直接将其产品做成了“a+b”的形式，这种做法虽然解决了“兼容”问题，但也使得成本增加。其次，由于相关法律法规的限制，使得5GHz频段无法在全球各个国家中获得批准和认可。5GHz频段虽然令基于IEEE802.11a的设备具有了低干扰的使用环境，但也有其不利的一面，由于太空中数以千计的人造卫星与地面站通信也恰恰使用5GHz频段，这样它们之间产生的干扰是不可避免的。此外，欧盟也已将5GHz频率用于其自己制订的HiperLAN无线通信标准。

 

4．IEEE 802.11g

 

IEEE 802.11g是对IEEE 802.11b的一种高速物理层扩展，它也工作于2.4GHz频带，物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，而且它采用了OFDM技术，使无线网络传输速率最高可达54Mbps，并且与IEEE802.11b完全兼容。IEEE802.11g和IEEE802.11a的设计方式几乎是一样的。

 

IEEE 802.11g的出现为无线传感器网络市场多了一种通信技术选择，但也带来了争议，争议的焦点是围绕在IEEE 802.11g与IEEE 802.11a之间的。与IEEE 802.11a相同的是，IEEE802.11g也采用了OFDM技术，这是其数据传输能达到54Mbps的原因。然而不同的是，IEEE 802.11g的工作频段并不是IEEE 802.11a的工作频段5GHz，而是和IEEE 802.11b一致的2.4GHz频段，这样一来，使得基于IEEE 802.11b技术产品的用户所担心的兼容性问题得到了很好的解决。

 

从某种角度来看，IEEE 802.11b可以由IEEE 802.11a来替代，那么IEEE 802.11g的推出是否就是多余的呢?答案当然是否定的。IEEE 802.11g除了具备高数据传输速率及兼容性的优势外，其所工作的2.4GHz频段的信号衰减程度也不像IEEE 802.11a所在的5GHz那么严重，并且IEEE 802.11g还具备更优秀的“穿透”能力，能在复杂的使用环境中具有很好的通信效果。但是IEEE 802.11g工作频段为2.4GHz，使得IEEE 802.11g与IEEE 802.11b一样极易受到来自微波、无线电话等设备的干扰。此外，IEEE 802.11g的信号比IEEE 802.11b的信号能够覆盖的范围要小得多，用户需要通过添置更多的无线接入点才能满足原有使用面积的信号覆盖，这或许就是IEEE 802.11g能够具有高宽带所付出的代价吧!

 

IEEE 802.11系列4个标准的一些特性见表1-2。

 

4  无线个域网(WPAN)

 

从网络构成上来看，无线个域网WPAN(Wireless Personal Area Networks)位于整个网络架构的底层，用于很小范围内的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接。WPAN是基于计算机通信的专用网，工作在个人操作环境，把需要相互通信的装置构成一个网络，且无须任何中央管理装置及软件。用于无线个域网的通信技术有很多，如蓝牙、红外、UWB、HomeRF等，下面就几种主要的技术进行讲述。

 

    1．蓝牙(Bluetooth)

 

蓝牙(Bluetooth)是由爱立信、英特尔、诺基亚、IBM和东芝等公司于1998年5月联合主推的一种短距离无线通信技术，它可以用于在较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备或移动设备之间的网络互联，从而在各种数字设备之间实现灵活、安全、低功耗、低成本的语音和数据通信。蓝牙技术的一般有效通信范围为10m，强的可以达到100m左右，其最高速率可达1Mbps。  

 

蓝牙技术运行在全球通行的、无须申请许可的2.4GHz频段。采用GFSK调制技术，传输速率达1Mbps；采用FHSS扩频技术，把信道分成若干个长为625μs的时隙，每个时隙交替进行发射和接收，实现时分双工。在2.402～2.480GHz频段内含有间隔为1MHz的79个跳频载频及一系列的跳频序列，跳频速率为1 600hops／s，每个时隙传送一个分组数据。蓝牙由于采用了时分双工，可以防止收发信机之间的串扰；采用跳频技术提高了设备抗干扰能力，以及提供了一定的安全保障，便于叠区组网。蓝牙采用电路交换和分组交换技术，可独立或同时支持异步数据信道和语音信道。每个同步语音信道数据速率为64kbps，语音信号编码采用脉冲编码调制或连续可变斜率增量调制方法。当采用非对称信道传输数据时，其速率可达723.2kbps；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbps。蓝牙还使用了前向纠错(Forward Error Correction，FEC)机制，从而抑制了长距离链路的随机噪声。

 

基于蓝牙技术的设备在网络中所扮演的角色有主设备和从设备之分。主设备负责设定跳频序列，从设备必须与主设备保持同步。主设备负责控制主从设备之间的业务传输时间与速率。在组网方式上，通过蓝牙设备中的主设备与从设备可以形成一点到多点的连接，即在主设备周围组成一个微微网，网内任何从设备都可与主设备通信，而且这种连接无须任何复杂的软件支持，但是一个主设备同时最多只能与网内的7个从设备相连接进行通信。同样，在一个有效区域内多个微微网通过节点桥接可以构成散射网。

 

蓝牙技术是一种新兴的技术，其传输使用的功耗很低，它可以应用到无线传感器网络中。同时，也可以广泛应用于无线设备(如PDA、手机、智能电话)、图像处理设备(照相机、打印机、扫描仪)、安全产品(智能卡、身份识别、票据管理、安全检查)、消遣娱乐(蓝牙耳机、MP3、游戏)、汽车产品(GPS、动力系统、安全气袋)、家用电器(电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机)、医疗健身、智能建筑、玩具等领域。如今日常生活中基于蓝牙技术的手机、耳机和笔记本电脑随处可见。

 

2．红外(IrDA)

 

IrDA是国际红外数据协会的英文缩写，IrDA技术是一种利用红外线进行点对点短距离通信的技术。IrDA技术的主要特点有：利用红外传输数据，无须专门申请特定频段的使用执照；具有对设备体积小、功率低的特点；由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较小，数据传输速率高，速率可达16Mbps。

 

由于IrDA使用红外线作为传播介质。红外线是波长在0.75～1000μm之间的无线电波，是人用肉眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内波长在0.75～25μm之间的近红外线。红外数据协会成立后，为保证不同厂商基于红外技术的产品能获得最佳的通信效果，规定所用红外波长在0.85～0.90μm之间，红外数据协会相继也制订了很多红外通信协议，有些注重传输速率，有些则注重功耗，也有二者兼顾的。

 

IrDA1.0标准简称SIR(Serial Infrared，串行红外协议)，它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式，它以系统的异步通信收发器(Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，UART)为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编解码过程(3／16 EnDec)实现红外数据传输。SIR的最高数据速率只有115.2kbps。在1996年，发布了IrDA1.1协议，简称FIR(Fast Infrared，快速红外协议)，采用4PPM(Pulse Position Modulation，脉冲相位调制)编译码机制，最高数据传输速率可达到4Mbps，同时在低速时保留1.0标准的规定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的VFIR(Very Fast Infrared)技术，并将其作为补充纳入IrDA1.1标准之中。

 

IrDA标准都包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范IrPHY(Infrared PhysicalLayer Link Specification)、红外连接访问协议IrLAP(Infrared Link Access Protoco1)和红外连接管理协议IrLMP(Infrared Link Management Protoco1)。IrPHY规范制订了红外通信硬件设计上的目标和要求；IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。

 

IrDA技术缺陷主要有：

 

    ·受视距影响其传输距离短；

  ·要求通信设备的位置固定；

  ·其点对点的传输连接，无法灵活地组成网络等。

 

  但是这些缺点并没有给IrDA的应用带来致命的障碍，红外技术已在手机和笔记本电脑等设备上得到了广泛的应用。

 

3．UWB

 

UWB(Ultra Wideband)技术最初是被作为军用雷达技术开发的，它是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1纳秒)的脉冲进行通信的方式，能在10m左右的范围内达到数百Mbps至数Gbps的数据传输速率。

 

UWB的工作频段为3.1～10.6GHz，作为一种时域通信技术，UWB采用超短周期脉冲对信号进行调制，把信号直接按照0或1发送出去，而不使用载波，这与此前的无线通信截然不同。而且脉冲调制产生的信号为超宽带信号，谱密度极低，信号的中心频率在650MHz～5GHz之间，发送功率非常小，平均功率为亚毫瓦量级。UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声；接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益，从而抗干扰和抗多径的能力强。与CDMA系统相比，时域通信系统结构简单，成本相对较低。UWB技术具有上述高速率、低成本、低功耗和抗多径能力强等显著特性，而UWB最引人注目的特点还是其具有很高的数据传输速率，可以应用到家庭中的视频超高数据传输应用中去，解决了以前众多无线通信技术所不能达到的高速率数据传输问题。

 

目前有关UWB的标准还没有制订。在UWB标准化的工作上，存在两大技术阵营：多频带正交频分复用(MB-OFDM)和直序列码分多址(DS-CDMA)。这两大阵营的代表厂商前者有德州仪器、英特尔、三星电子等，后者是美国XtremeSpectrum、FreeScale等为主的DS-CDMA联盟。在标准的制订中，两个阵营都互不妥协，目前都还没有达成一致的方案。这两个技术提案都有其各自的特点和技术优势，最终选择哪种方案还要综合考虑市场等因素。至于这两种技术提案的具体内容可以查阅相关资料，在这里就不展开讲述。

 

UWB技术在无线通信技术方面的创新性、利益性具有很大的潜力，不仅在军事上有巨大应用价值(比如雷达跟踪、精确定位)，在商业多媒体设备、家庭数字娱乐和个人网络方面也极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。相信在军事需求和商业市场的推动下，UWB技术将会进一步发展和成熟起来，广泛地应用到众多领域中去。

 

4．HomeRF

 

HomeRF是由HomeRF工作组开发的，它是在家庭区域范围内的计算机和电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准，为家庭用户建立具有互操作性的音频和数据通信网带来了便利。

 

HomeRF是IEEE 802.11与DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)的结合。与前面所介绍的IEEE 802.11、IEEE 802.11b、蓝牙等无线通信技术一样，HomeRF工作在开放的2.4GHz频段，采用跳频扩频(FHSS)技术，跳频速率为50hops／s，共有75个带宽为1 MHz的跳频信道，室内覆盖范围约45m，调制方式为恒定包络的FSK调制，且分2FSK与4FSK两种，采用FSK调制可以有效地抑制无线通信环境下的干扰和衰落。2FSK方式下，最高数据的传输速率为1Mbps；4FSK方式下，速率可达2Mbps。在新的HomeRF 2.x标准中，采用了宽带跳频(Wide Band Frequency Hopsping，WBFH)技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz跳频信道增加到3MHz和5MHz，跳频的速率也提高到75hops／s，数据传输速率峰值达10Mbps。

 

HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进。HomeRF把共享无线接入协议(SWAP)作为网络的技术指标，当进行数据通信时，采用简化的IEEE 802.11标准，沿用类似于以太网技术中的载波监听多路访问／冲突避免(CSMA／CA)方式；当进行语音通信时，则采用DECT无线通信标准，使用TDMA技术。HomeRF提供了对流媒体真正意义上的支持，其规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，这样就满足了播放流媒体所需的高带宽、低干扰、低误码要求。

 

目前HomeRF技术仅获得了少数公司的支持，并且由于在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比也存在不少缺陷，这些使得HomeRF技术的应用和发展前景受到限制，又加上这一标准推出后，市场策略定位不准、后续研发与技术升级进展迟缓，因此，从2000年之后，HomeRF技术开始走下坡路，2001年HomeRF的普及率降至30％，逐渐丧失市场份额。尤其是芯片制造巨头英特尔公司决定在其面向家庭无线网络市场的AnyPoint产品系列中增加对IEEE802.11b标准的支持后，HomeRF的发展前景比较不乐观。这样看来，HomeRF很难冲出只能在家庭里应用的限制。