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无线局域网的技术与进展

2/14/2005来源:电信网络人气:7712

高嘉进 李正茂 洪福明
  无线局域网是90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物,它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信,并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。本文对无线局域网的概念和目前的技术发展进行了介绍,并详细分析了网络的结构、协议及其它相关问题。

1 前 言

  自从1977年第1个民用局域网系统ARCnet投入运行以来,局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势,获得了成功和迅速的发展,已成为数据网络领域中基于宿主机的最流行的网络连接形式。

  随着社会对计算机依赖性的迅速增加,用户要求互连的计算机数量更多,类型也更为复杂。现代固态电子技术的发展,使人们可以根据不同的要求选择不同的网络方案,但传统有线网络由于受设计或环境条件的制约,在物理、逻辑和资金方面普遍存在着一系列问题,特别是当涉及到网络移动和重新布局时,所以发展一种可行的无线通信网络技术作为现有数据连接的扩充已成为一种需要。进入90年代以来,随着个人数据通信的发展,功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应用,为了实现任何人在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标,要求传统的计算机网络由有线向无线,由固定向移动,由单一业务向多媒体发展,更进一步推动了无线局域网(Wireless LAN,以下简称无线LAN)的发展。

  无线LAN和个人通信网(PCN)代表了90年代通信网络技术的发展方向。PCN主要用于支持速率小于56kbit/s的语音/数据通信,而无线LAN大多用于传输率大于1Mbit/s的局域和室内数据通信,同时为未来多媒体应用(语音、数据和图像)提供了一种潜在的手段。无线LAN既可满足各类便携机的入网要求,也可作为传统有线LAN的补充手段。当然,局域网技术应用于无线信道之所以成为可能,还在于相关技术的发展解决了某些关键性问题:

  (1)天线设计技术的发展,使得在无线LAN中,每个节点在保证信号强度的同时,实现整个区域的覆盖。

  (2)高性能、高集成度的CMOS和GaAs半导体技术的发展,以及多芯片模块技术(MCM)的出现,使得在一块低功耗、低成本专用集成电路(ASIC)芯片上可同时实现信号的调制解调,完成在微波以上频段的收发信功能。

  (3)网络软硬件设计技术的进展,使芯片实现高速数据处理和复杂协议成为可能。

2 网络的组成

  无线LAN基本上可分为三部分:通信设备、用户终端和支持单元,如图1所示。



  通信设备依据功能可分为四类:无线LAN“固定小区”、无线LAN“移动小区”、无线LAN“桥路器”,以及通信保密装置(COMSEC)。“移动小区”与“固定小区”类型相似,区别主要在于当用户移动时能否提供无中断连接和越区切换。无线“桥路器”为分散的“固定小区”或独立的“移动小区”提供中远距离的点对点连接,桥路器检查每个数据包的地址,并确定最佳路由方案。COMSEC装置是为了满足通信链路的保密要求设置的,它可以采用分组交换的数据加密设备(DED)进行网络端-端加密,也可以使用整体加密装置满足整条物理链路的安全要求。

  用户终端提供的业务包括电子邮件、数据传送、语音和图像信息。其中,计算数据、仿真结果等,在传输过程中不允许出错,所以对易出错误的无线传输信道而言,须采用纠错能力较强的编码方案,并且数据重传次数显著增加,会给系统带来大量额外开销。而用户的多媒体信息,如语音和图像数据,相对而言容错性能较好,在一帧图像或语音采样中出现少量错误,对数据的整体性能影响不大。

  网络支持包括本地网络管理和外部接口设备两大部分。网络管理由网络的整体配置和各主要模块(设备、软件)配置组成,例如:COMSEC的加密算法和密钥管理就被作为网络管理的一部分,由中心统一控制。至于外部接口设备,在其它网络中可能已经予以考虑,但为了满足自维护网络的要求,在条件允许(如空间资源不紧张)的情况下,还是应该保留。

3 网络的拓朴结构

  在无线LAN中,目前使用的拓扑结构主要有三种形式:点对点型、HUB型和全分布型,如图2、3、4所示。这三种结构解决问题的方法各有优缺点,目的都是让用户在无线信道中,获得与有线LAN兼容或相近的传输速率。

  (1)点对点型

  典型的点对点结构,是通过单频或扩频微波电台、红外发光二极管、红外激光等方法,连接两个固定的有线LAN网段,实际上是作为一种网络互连方案。无线链路与有线LAN的连接是通过桥路器或中继器完成的。点对点拓扑结构简单,采用这种方案可获得中远距离的高速率链路。由于不存在移动性问题,收发信机的波束宽度可以很窄,虽然这会增加设备调试难度,但可减小由波束发散引起的功率衰耗。

  (2)HUB型

  这种拓扑由一中心节点(HUB)和若干外围节点组成,外围节点既可以是独立的工作站,也可与多个用户相连。中心HUB作为网络管理设备,为访问有线LAN或服务器提供逻辑接入点,并监控所有节点对网路的访问,管理外围设备对广播带宽的竞争,其管理功能由软件具体实现。在此拓扑中,任何两外围节点间的数据通信都须经过HUB,所以这种路由方案是种典型的集中控制式。

  采用这种结构的网络,具有用户设备简单,维护费用低,网络管理单一等优点,并可与微蜂房技术结合,实现空间和频率复用,但是,用户之间的通信延迟增加,网络抗毁性能较差,中心节点的故障容易导致整个网络的瘫痪。

  (3)完全分布型

  完全分布结构,目前还无具体应用,仅处于理论探讨阶段,它要求相关节点在数据传输过程中发挥作用,类似于分组无线网的概念。对每一节点而言,或许只有网络的部分拓扑知识(也可通过软件的安装获取全部拓扑结构),但它可与邻近节点以某种方式分享对拓扑结构的认识,由此完成一种分布路由算法,即路由上的侮一节点都要协助将数据传送至目的节点。

  分布式结构抗毁性能好,移动能力强,可形成多跳网,适合较低速率的中小型网络,但对于用户节点而言,复杂性和成本较其它结构大幅度提高,网络管理困难,并存在多径干扰和“远-近”问题,同时随着网络规模的扩大,其性能指标下降较快。但在军事领域中,分布式无线LAN具有很好的应用前景。

4 网络的传输方式

  现行的无线LAN按传输方式通常可分为两种:红外系统、射频系统。

4.1 红外(IR)系统

  红外无线LAN在室内的应用正引起极大的关注,由于它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质,其使用不受无线电管理部门的限制。红外信号要求视距传输,检测和窃听困难,对邻近区域的类似系统也不会产生干扰,如果采用微蜂房技术,小区频率复用度可为1。

  红外波段由于频率太高,不能像射频那样进行调制解调。如果采用聚焦波束的点对点方案,在距离30m时可达到的比特速率至少为5OMbit/s,但出于安全考虑,其发射功率受到限制;漫射(diffuse)技术可为用户提供移动能力,但由于多径干扰以及对环境变化的敏感,一般工作于较低速率;准漫射技术(quasi-diffuse)综合了两者的优点,是目前红外LAN研究的热点,也是发展的方向。在实际应用中,由于IR系统具有很高的背景噪声(日光、环境照明等),一般要求的发射功率较高,而采用现行技术,特别是LED,很难获得高的比特速率(>1OMbit/s),尽管如此,红外无线LAN仍是目前“100Mbit/s以上、性能价格比高的网络”唯一可行的选择。

4.2 射频(RF)系统

  RF无线LAN是目前最为流行的无线LAN,它按频段可划分为三类:

  (1)非专用频段,或称为工业、科研、医学(ISM)频段

  ISM频段,位于调频无线电和蜂窝电话使用的UHF频段高端。由于此频段频谱资源拥挤,可用的带宽较少,所以必须采用扩频技术。由于优越的抗干扰性和保密性,扩频技术已被广泛应用于军事通信,其概念就是把原始信息的带宽变换成带宽宽得多的类噪声信号,扩频信号辐射的功率是被扩展过10~1000倍原始信息的带宽,这样,功率谱密度也相应降低相同的量,扩频信号对窄带信号(FDMA,TDMA)用户的干扰也相应地降低相同的量,于是扩频信号对窄带用户的干扰就很小了。另一方面,扩频信号本身具有强的抗干扰能力,从这个意义上说,在窄带用户发射功率一定时,由于扩频处理增益的作用,扩频宽带信号可以与窄带信号共享相同的频带。也正鉴于此,美国联邦通信委员会(FCC)在1985年开放了三个频段:(902~928)MHz,(2.4~2.4835)GHz,(5.725~5.85)GHz,允许输出功率小于1W的扩频电台免许可证使用,这极大地促进了无线LAN的发展。

  ISM频段中涉及的免许可证电台,可以采用直接序列扩频(DS)、跳频(HF),也可以是混合扩频(DS/HF)。DS技术常用于较高速率的数据通信,跳频系统从本质而言还是窄带传输过程,由于限制了调制带宽,通常速率较低,所以ISM频段的无线LAN大多采用DS扩频,FCC对其使用做了较严格的技术规定。但是,扩频技术并不能从根本上解决可用带宽问题,在无线传输中,数据编码的可用带宽越多,可达到的总的数据率就越高,尽管FCC开放了多个频段,但其总的可用带宽有限,理论上,处理增益l0dB的DS系统(QPSK)可得到的最大数据率分别为2.6Mbit/s(900MHz)和8.35Mbit/s(2.4GHz)。而目前工作于ISM频段中的无线LAN最高数据率均小于Mbit/s。

  此外,在ISM频段中射频信号具有一定的透射和绕射能力,频率复用度较低,无法与最新的微蜂房技术结合,阻止了其应用范围的进一步扩大。

  (2)专用频段:(18.825~18.875)GHz,(19.165~19.215)GHz

  18GHz波段的主要优点是它具有一系列UHF和红外光波的混合频率特性,对于微蜂房网络应用很有吸引力,可获得较高的频率复用度,并且信号不必严格限于视距传输。18GHz波段具有足够高的频率,办公设施、生产设备对无线LAN的干扰很小,而且由于所需功率小,系统产生的微波能量也不会影响其它电子系统和设备的正常工作。

  18GHz波段另一个主要优势在于具有足够的带宽,最近FCC划分的专用频段,可供10个10MHz信道使用,由于FCC的控制,也减少了潜在的系统同频干扰。专用频段一般选用频带利用率高的窄带调制方式(如TDMA),所以这一频段的无线LAN多使用时分双工(TDD)复用技术,使系统在进行高速数据传输的同时,还有足够的频率间隔保证数据的可靠性和完整性。

  (3)毫米波段(mmW)

  工作于毫米波段的无线LAN可提供更大的信息传输容量,但在技术上还未成熟。mmW与IR系统在物理层上有许多相似之处,在mmW系统中使用天线分集技术可明显提高抗阻塞和抗多径干扰能力,而IR系统由于波长短,使用天线分集时抗多径性能改善不大,只能减小阴影、阻塞和时延扩展带来的影响。此外,在mmW中采用静态路径补偿相对简单,并且mmW LAN具有很好的LPI/AJ特性,特别是在频率高端(58GHz左右)。在此频段中,由于大气氧产生分子谐振,比低频段正常传播损耗高约18dB/km,这种附加的衰落使信号明显具有明显的作用范围,区域外不易检测和窃听到LAN信号,也使外来干扰对LAN不会产生大的影响,因此,毫米波段无线LAN在军事领域中具有极好的发展前景。

5 网络协议

  分布计算环境的基础是网络数据的高质量传输,以有线以太网为例,其误码率在10-12数量级,出错后还可通过分组重传采取进一步保护措施。而在无线LAN中即使采用纠错编码、反馈补偿等相关技术,要获得有线LAN那样的低误码率仍然困难。因此与有线传输相比,无线LAN在数据链路层上存在较大差异。

  在介质访问控制子层(MAC),有线LAN多遵循IEEE802系列标准,例如802.3的载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议,802.5的令牌环路协议等。而无线LAN的MAC标准化工作还未最后完成,IEEE802.11正致力于这方面的研究。由于MAC层及其以下各层对上层是透明的,只要配置相应的驱动程序,保证现有的有线局域网操作系统和应用软件在无线局域网上正常运行,所以我们重点讨论MAC层的协议。评价LAN协议的好坏,除了物理层传输速率,主要是吞吐量和时延特性参数。

  (1)IEEE802系列

  红外无线LAN多采用IEEE802系列标准,所以它可以直接使用现有的应用软件,可工作于802. X速率。而射频波段的无线LAN,由于其物理层固有的信道波动性,采用上述协议不如有线系统可靠。

  (2)载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议

  由于无线介质动态范围大,一般的冲突检测方法在技术上难以实现,所以射频无线LAN大多采用冲突避免的协议。CSMA/CA从本质上说,是时分复用技术和CSMA/CD的组合,其随机访问特性,保证它在协议层、带宽共享和物理信道特性方面性能可靠,但由于增加了时隙分配、同步比特等额外开销,其运行速度一般低于IEEE802.3协议。

  (3)IEEE802.11

  1993年11月,IEEE802.11委员会提出了“基于分布方式的无线介质访问控制协议”草案,简称DFWMAC,其基本出发点是CSMA/CA,但为了增强异步传输业务的可靠性,采用了MAC层确认机制,对帧丢失予以检测并重新发送。此外,为了进一步减少碰撞,收发节点在数据传输前可交换简短的控制帧,来完成信道占用时间确定等功能。

  (4)时分双工(TDD)复用技术

  TDD技术采用时分多址(TDMA)的常规传输方式,即将一时隙预约TDMA作为MAC协议,网络结构包括一控制模块和若干用户模块。用户发送数据前要先发送请求,控制模块会在下一帧中分配时隙,从而避免了冲突。在传送突发性很强的单向高速数据时,可通过使用多时隙和不对称传输(使用上、下行时隙同向传送)来实现。帧长的选择取决于两个因素:时延和有效性。帧长越短,由于开销比特固定,有效性越差;相反则时延越大,所以帧长是采用TDD技术的无线LAN设计中的关键问题。

  (5)网关方式

  这种方式基于国际标准化组织定义的开放系统互连(OSI)协议体系结构,采用802.X与上层软件接口,然后安装一完全不同的协议栈供无线信道使用,实现有线LAN和无线信道协议在逻辑链路控制(LLC)层的互连,使系统不必依赖于特定的有线LAN技术,如图5所示。



  综上所述,无线LAN协议的关键在于提高吞吐量、降低网络时延、有效利用信道。同时,一些国际标准,如泛欧数字无绳电话标准DECT,也向支持无线LAN应用的方向发展,它通过将桥路器和无线基站集成,使PABX和LAN系统相结合,来支持语音、数据等综合业务的传输。

6 网络设计中的问题

  (1)吞吐量

  目前,有些设备吞吐量已超过15Mbit/s,而有些只能达到15kbit/s或者更低,对用户而言,应以满足实际需求、有效利用带宽为原则。以互连有线以太网为例,虽然有线网传输速率可达100Mbit/s,但实际的最大负载约为4Mbit/s(因为随着输入量增大,冲突和重传次数也相应增加),若是远距离传输,吞吐量会降低至2~3)Mbit/s。此外,在有线LAN中,只有无线节点的业务才会通过无线接口。因此,工作于较低速率(2Mbit/s)的无线LAN,可很好地与有线以太网相匹配,并具有较好的性能。

  从长远看,无线LAN提供的速率应与FDDI(分布式光纤接口)或BISDN(宽带综合业务数字网)兼容,所以目前人们正致力于传输率100Mbit/s系统的研究开发。

  (2)保密性

  由于无线传输介质的开放性,除了在网络管理层采取一定的安全措施外,在无线LAN中,扩频传输技术也提供了许多安全方面的优点,如LPI/AJ特性。不同的扩频用户选择不同的扩频码可共享同一频带,只有与发信机具有相同扩频码的收信机才能恢复或解扩信号,PN码使数据的保密性能得到增强。但直扩或跳频技术带来的优点,在单频传输时无法实现,所以有必要发展一种动态、简单的加密设备或算法,不仅易于连接和操作,而且传输密码对数据链路也不会产生太多的附加延迟或开销。在实际应用中,既可以通过独立的设备,也可采用硬件或软件方法融入无线LAN设备中实现。

  (3)“动中通”(OTM,on-the-move)

  随着计算机大量进入商业市场和军事部门,主机之间的相互通信变得非常重要。无论普通用户,还是军事指挥员,都希望能从网络的任何位置,不需复杂的寻址或长时间的物理连接就可发送数据。目前无线LAN已完成了“无束缚”的静态操作,下一步发展目标,将是OTM能力,即在以一定速度行进时,可无中断地收发数据,这将是实现个人通信网(PCN)的一条有效途径。当然,为了扩大覆盖范围和提高频谱利用率,有必要引入蜂房或微蜂房技术,所以说未来的无线LAN将是多项最新的通信技术的结合。

7 结束语

  无线LAN技术的未来极大地依赖于标准的建立,虽然IEEE802.11委员会的研究进展比原计划滞后,但它对无线LAN的发展起着重要作用,此外,IsoENet(对等以太网)计划也可望在无线LAN发展中产生积极影响。

  为了实现通信业务的可视化、智能化和个人化(VI&P),国际电信研究与开发的热点正转向宽带综合业务数字网(BISDN),而异步转移模式(ATM)作为BISDN的基本传输机制,在无线网络中的应用将无可避免。因此,采用ATM连接将是下一代无线LAN发展的核心,当然这其中还有很多问题值得进一步探讨。

摘自《移动通信在线》