目錄

• 無線局域網

• WLAN 的定義
• WLAN 的特點
• WLAN 的侷限性
• WLAN 的分類

• WLAN 的組成
• WLAN 的拓撲結構

• 分佈對等式拓撲
• 基礎架構集中式拓撲
• 其他拓撲結構

• WLAN 的服務

• STA 服務
• DS 服務

• IEEE 802.11 標準

• 兩個經典標準
• IEEE 802.11 協議標準
• IEEE802.11 層次結構

• IEEE 802.11ac 標準物理層規範

• 信號頻段
• 信道帶寬
• 調製與編碼
• 波束賦形
• 下行多用户 MIMO

• IEEE 802.11ac 標準 MAC 層規範

• 分佈式協調功能（DCF）和幀間間隔
• CSMA/CA
• RTS/CTS
• 點協調功能
• IEEE802.11ac 的 MAC 層機制特點

• 其他標準簡介
• WLAN 的應用
• 參考資料

無線局域網

WLAN 的定義

無線局域網 WLAN 脱離了線纜，通常指採用無線傳輸介質的計算機局域網，用户能方便地通過無線方式連接網絡和收發數據。它類似傳統的有線局域網，可以是客户機/服務器類型，也可是無服務器的對等網。

WLAN 其利用無線電和紅外線等無線方式，提供對等或點對點連通性的數據通信。WLAN 利用無線多址信道和寬帶調製技術來提供統一的物理層平台，以此來支持節點間的數據通信，為通信的移動化、個性化和多媒體應用提供可能。WLAN 的覆蓋範圍較為有限，距離差異使數據傳輸的性能不同，導致網絡具體設計和實現上有所區別。

WLAN 應用可分室內和室外兩類，主要有 3 種應用：WLAN 接入、無線網絡互聯和定位。

WLAN 的特點

WLAN 是在有線局域網的基礎上發展而來的，主要特點如下：

特點	説明
移動性	網絡和主機遷移方便，通信範圍不再受線路環境的限制，為便攜式設備提供有效的網絡接入功能
靈活性	安裝簡單，組網靈活，可將網絡延伸到線纜無法連接的地方
可伸縮性	放置或添加接入點或擴展點，可擴展組網
經濟性	可用於難以物理佈線或臨時性佈線的環境，節省了成本和佈線工序，可快速投入使用

WLAN 的侷限性

WLAN 儘管有很多優點，也面臨一些侷限性：

侷限性	説明
可靠性	WLAN 的無線信道並不十分可靠，各種干擾和噪音會引起信號衰落和誤碼
兼容性	WLAN 要兼容有線局域網和現有網絡操作系統和網絡軟件，多種 WLAN 標準互相兼容，不同廠家的無線設備兼容
共存性	同一頻段的不同制式或標準共存，不同頻段、制式或標準共存
帶寬與系統容量	由於頻率資源匱乏，WLAN 的信道帶寬常小於有線網絡帶寬
覆蓋範圍	WLAN 的低功率和高頻率限制了其覆蓋範圍
干擾	外界干擾可影響無線信道和設備，WLAN 內部會形成自干擾，也會干擾其他無線系統
安全性	一是信息安全，即信息傳輸的可靠性、保密性、合法性和不可篡改性等；二是人員安全，即電磁波輻射對人體的影響
能耗	WLAN 的終端多為便攜設備，為延長使用時間和提高電池壽命，網絡應有節能管理功能
多業務與多媒體	由於語音、圖像等多媒體業務的需求，要進一步開發保證多媒體服務質量的相關標準和產品
移動性	WLAN 對大範圍移動和高速移動的支持機制尚不完善，而小範圍低速移動也會對性能造成一定影響
小型化和低成本	這取決於大規模集成電路，尤其是高性能、高集成度技術的進步

WLAN 的分類

WLAN 可根據不同層次、不同業務、不同技術、不同標準及不同應用等進行分類。按頻段分，可分為專用頻段和自由頻段兩類。

根據業務類型，可分為無連接和麪向連接兩類。

根據網絡拓撲和應用要求，可分為對等、基礎架構、接入和中繼等。

WLAN 的組成

WLAN 由站、無線介質、無線接入點或基站、分佈式系統等組成。

組件	説明
站(STA)	站也稱主機或終端，是 WLAN 的基本組成單元
無線介質(WM)	無線介質是 WLAN 中站或 AP 間通信的傳輸介質
無線接入點(AP)	AP 類似於移動通信網絡的基站(BS)，常處於 BSA 中心固定不動
分佈式系統(DS)	為覆蓋更大區域，可將多個 BSA 通過 DS 連接，形成一個擴展服務區(ESA)

其中站一般作為客户端，是具備無線網絡接口的計算機設備，通常包括終端用户設備、無線網絡接口和網絡軟件 3 部分。站之間的通信距離由於天線輻射能力有限和應用環境不同而受限制,站如果移動，稱為移動主機或移動終端，可分為固定站、半移動站和移動站。

按移動性分類	説明
固定站	位置固定不動
半移動站	經常改變地理位置，但移動時並不要求保持網絡連接
移動站	要求在移動狀態保持連接

無線 AP 是具有無線網絡接口的網絡設備，主要有以下 3 種功能

1. 完成其他非 AP 站的接入訪問和同一 BSS 中的不同功能；
2. 作為橋接點，完成 WLAN 與分佈式系統間的橋接功能；
3. 作為 BSS 的控制中心，控制和管理其他非 AP 站。

WLAN 的拓撲結構

WLAN 的拓撲結構可從幾方面分類：

分類方式	類型
根據物理拓撲	單區網和多區網
根據邏輯拓撲	對等式、基礎架構式和總線型、星型、環型等
根據控制方式	無中心分佈式和有中心集中控制式兩種
根據與外網的連接性	獨立和非獨立兩種

BSS 是 WLAN 的基本構造模塊，有兩種基本拓撲結構或組網方式：分佈對等式拓撲和基礎架構集中式拓撲。單個 BSS 稱單區網，多個 BSS 通過 DS 互連構成多區網。

分佈對等式拓撲

分佈對等式網絡是獨立 BSS(IBSS)，它是典型的自治方式單區網，任意站之間可直接通信而無須依賴 AP 轉接，如圖。由於無 AP，站之間是對等、分佈式或無中心的。由於 IBSS 網絡不必預先計劃，可按需隨時構建，因此也稱為自組織網絡。

該結構中各站競爭公用信道，如站點數過多，競爭會影響網絡性能，因此較適合小規模、小範圍的 WLAN，多用於臨時組網和軍事通信。

基礎架構集中式拓撲

一個基礎架構除 DS 外，至少要有一個 AP 作為中心控制站，其他站在該中心站的控制下互相通信。基礎架構 BSS 中的某個站在與另一站通信時，須經源站 → AP → 目標站的兩跳過程，由 AP 轉接。

與 IBSS 相比基礎架構 BSS 有以下一些缺點：

1. 可靠性較差，如 AP 發生故障或遭破壞整個 BSS 就會癱瘓；
2. 中心站 AP 的複雜度較大，成本也較高；
3. 通信有兩跳的過程，佔用了鏈路，增加了傳輸時延。

但與兩站間直接通信相比仍有以下優勢：

1. 各站間距離無限制，站點佈局受環境限制較小；
2. 各站不需保持鄰居關係，路由和物理層實現複雜度較低；
3. 業務量增大時網絡吞吐和時延性能惡化不劇烈；
4. AP 對站點進行同步/移動/節能管理，可控性好；
5. 為接入 DS 或骨幹網提供邏輯接入點，可伸縮性較強。

其他拓撲結構

ESA 是多個 BSA 通過 DS 連接形成的擴展區域，範圍可達數千米，同一 ESA 的所有站組成 ESS。ESA 中 AP 除完成基本功能外，還可確定一個 BSA 的地理位置。ESS 是一種由多個 BSS 組成的多區網，每個 BSS 都有一個 BSS 標識（BSSID）。

中繼或橋接型網絡拓撲中，兩個或多個網絡（LAN 或 WLAN）或網段可通過無線中繼器、網橋或路由器等連接和擴展。如中間只經過一個設備，稱單跳網絡，如經過多個設備則稱多跳網絡。

WLAN 的服務

WLAN 的不同層次都有相應服務，與 WLAN 體系結構密切相關的服務有 STA 服務和 DS 服務，這兩種服務均在 MAC 層。

STA 服務

WLAN 無法像有線局域網那樣用物理接口來實現授權接入，因為其傳輸介質沒有精確邊界，STA 服務提供認證服務控制接入，主要包括以下 3 個內容。

STA 服務	説明
認證（authentication)	所有站均可用認證獲取其他站的身份，如果兩站間未建立交互式認證，則無法建立連接
解除認證（deauthentication）	如欲終止已存在的認證，需喚醒解除認證服務，解除認證服務可由任一連接實體喚醒
保密（privacy）	無線共享介質不同於有線網絡，任何一台符合標準的站均可偵聽到其覆蓋範圍內的所有物理層通信

DS 服務

DS 提供的服務稱為DSS，WLAN 中 DSS 通常由 AP 提供。

DS 服務	説明
關聯（association)	為在 DS 內傳輸信息，對於給定站 DSS 需知道接入哪個 AP
重新關聯（reassociation)	BSS 切換移動需重新關聯服務，即當前關聯從一個 AP 移動到另一 AP
解除關聯（disassociation）	終止一個已有關聯時會喚醒解除關聯，關聯任一節點均可喚醒解除關聯服務
分佈（distribution）	由來自或發送到工作在 ESS 中的 WLAN 站的每個數據消息喚醒，分佈藉助於 DSS 完成
集成（integration）	集成功能負責完成消息從 DSM 到集成 LAN 介質和地址空間的變換

IEEE 802.11 標準

兩個經典標準

目前 WLAN 領域主要有兩個典型標準：IEEE802.11 和 HiperLAN。

標準	説明
IEEE 802.11	由 IEEE 82.11 工作組提出，包括多個子標準如常見的 IEEE 802.11g/n/ac 等
IEEE 802.11g	採用補碼鍵控(CCK)、OFDM、分組二進制卷積碼(PBCC)等，54 Mbps 速率
IEEE 802.11n	進一步使用 MIMO/OFDM 等，速率提升至 300 M 甚至 600 Mbps
IEEE 802.11ac	性能提升，配置 1/2/4/8 天線 AP 的傳輸速率最高可達 867 M/1.69 G/3.39 G/6.77 Gbps
HiperLAN	由歐洲 ETSI 開發，包括 HiperLAN1、HiperLAN2、HiperLink、HiperAccess 4 種標準

其中 HiperLAN 致力於實現速無線連接，減少無線技術複雜性，採用了移動通信中廣泛使用的高斯最小頻移鍵控（GMSK）調製技術。

IEEE 802.11 協議標準

1990 年 IEEE802.11 工作組成立，1993 年形成基礎協議，此後協議標準一直不斷髮展和更新，迄今形成了許多子集。

IEEE802.11g 的其載波頻率為 2.4 GHz，原始傳輸速率為 54 Mbps，淨傳輸速率約為 24.7 Mbps。採用 OFDM 等技術，兼容性和高數據速率彌補了 IEEE802.11a/b 等早期標準的缺陷，已得到廣泛使用。

IEEE802.11n 標準使用較為廣泛，它將傳輸速率增至 100 Mbps 以上，最高可達 600 Mbps，為雙頻（2.4GHz/5GHz）模式兼容以往標準。結合 MIMO 與 OFDM 等技術，提高了無線資源的利用率，擴大了無線信號的傳輸範圍，提高了系統容量。

IEEE802.11ac 標準在 IEEE802.11n 的性能上進一步提升，理論上配置 1/2/4/8 天線 AP 的傳輸速率最高分別可達 867 Mbps/1.69 Gbps/3.39 Gbps/6.77 Gbps。

IEEE802.11 層次結構

IEEE802.11 層次結構中：

層次	功能
物理層匯聚協議子層	主要偵聽載波和對不同物理層形成不同格式分組
物理介質依賴子層	識別相關介質傳輸信號使用的調製與編碼技術
物理管理子層	為不同物理層選擇信道
MAC 子層	主要控制節點獲取信道訪問權
LLC 子層	負責建立和釋放邏輯連接，提供高層接口、差錯控制、添加幀序號等
MAC 管理層	負責越區切換、功率管理等，還有站點管理以協調物理層和鏈路層交互

IEEE 802.11ac 標準物理層規範

信號頻段

以往 IEEE 802.11 標準一般使用 2.4GHz 頻段，世界通用 ISM 頻段。包括 14 個載波頻道，每個佔用 22 MHz。中國允許使用 1~13 信道，美日略有不同。2.4 GHz 頻段己在家庭/商業領域廣泛使用，如 WLAN/無線 USB/藍牙/ZigBee/微波爐等也工作在該頻段，日趨擁擠，互擾日益嚴重。

我國於 2002 年開放了 5.725-5.850 GHz 頻段，IEEE 802.11ac 將使用該頻段。

2012 年我國又開放了 5.150-5.350 GHz 頻段資源用於無線接入系統，共分為 8 個信道，但僅限室內使用。

13 個非重疊信道可支持高帶寬 WLAN，發揮多頻點、高速率、低干擾的優勢，可有效緩解無線網絡擁堵。同等發射功率前提下，5GHz 頻段傳輸距離和覆蓋範圍比 2.4GHz 頻段要小，更適合室內高密度部署場景。

為使工作於 5 GHz 頻段的無線系統與雷達和其他同類系統避免互擾，IEEE 802.11h 標準就引入了兩項關鍵技術：動態頻率選擇和發射功率控制。

關鍵技術	説明
動態頻率選擇機制	AP 和終端可結合當前信道狀況，根據需要轉到其他信道
發射功率控制	通過降低設備無線發射功率，減少與其他通信互擾

信道帶寬

IEEE802.11ac 採用了物理層 OFDM 技術，將給定信道分成許多正交子信道，每個子信道使用子載波調製，並行傳輸，頻譜可相互重疊，減小子載波間互擾，提高了頻譜利用率。IEEE802.11ac 可支持20/40/80/160 MHz 帶寬模式，其中可選的 160 MHz 帶寬遠超過 802.11n 的最髙 40 MHz 帶寬，理論數據率可提高 3 倍。

調製與編碼

以往標準最高使用 64QAM 調製，802.11ac 引入 256QAM。每符號可承載 8 比特數據，數據速率比 64QAM 提高 33%。

波束賦形

波束賦形主要在 AP 中實現，在獲取信道狀態信息(CSI)後，相應調整天線上發送信號振幅與相位，通過波束賦形使接收端處最佳接收狀態。802.11n 並未包含波束賦形技術，有些廠商產品中自行實現，但各自專屬算法不兼容。802.11ac 將波束賦形技術納入標準，採用通用波束賦形算法。

下行多用户 MIMO

802.11n 最高支持 44 的 MIMO，802.11ac 最高支持 88 的 MIMO 天線架構。還引入下行多用户 MIMO 技術，AP 將不同數據通過不同空間流傳給不同站點。通過波束賦形，將不同數據波束指向不同接收端，從而同時向不同站點發送不同數據。

IEEE 802.11ac 標準 MAC 層規範

MAC 子層協議對網絡吞吐率、時延等性能有重要影響，還影響小區結構、頻譜利用率、系統容量、設備成本和複雜度等。需要合理選擇 MAC 子層規範，並根據網絡業務特徵有效配置信道資源，以提高無線信道效率、系統吞吐量和傳輸質量。

分佈式協調功能（DCF）和幀間間隔

MAC 子層的功能首先是提供可靠的數據傳輸，通過 MAC 幀交換協議來保障無線介質上的數據傳輸可靠性。DCF 是基礎協議，核心是載波監聽多路訪問/衝突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA)，包括載波檢測、幀間間隔和隨機退避。PCF 用於超幀無競爭期，支持時限服務，是可選協議。
為避免衝突，MAC 子層規定所有站在完成發送後必須等待一個短時間（繼續監聽）才能發送下一幀，該時間稱為幀間間隔（InterFrame Space, IFS）。IEEE802.11 規定了 4 種 IFS，以實現不同的訪問優先級別，其時間長度關係為 SIFS < PIFS < DIFS < EIFS。

IFS	長度	説明
SIFS (Short IFS)	最小 IFS	具有最高優先級，一些特殊幀要求使用 SIFS 訪問介質，如應答幀(ACK)、清除發送幀(CTS)等
PIFS (PCF IFS)	SIFS 和時隙時間之和	AP 在無競爭期開始時獲得介質訪問權的時間間隔
DIFS (DCF IFS)	SIFS 和兩倍時隙時間之和	工作在 DCF 模式的終端通過載波監聽到介質空閒超過 DIFS，且本終端隨機退避結束，可立即發送
EIFS (Extended IFS)	ACK 幀傳輸時間和 SIFS、DIFS的時間之和	前一幀出錯，發送節點延遲 EIFS 時間後再發送下一幀，期內收到正確幀將使該站重新同步並結束 EIFS

CSMA/CA

IEEE802.11 與 IEEE802.3 的 MAC 層採用不同策略。IEEE802.3 中採取載波偵聽多路訪問/衝突檢測（CSMA/CD）機制，而無線網絡中的衝突檢測較難，原因在於信號強度衰減，無法準確檢測出衝突。同時可能會有節點隱藏問題，如兩個相反方向的工作站共同使用一箇中心接入點進行連接時，可能因障礙或距離原因無法感知對方存在，而會導致衝突。如圖所示當 A 和 C 檢測不到無線信號時，都以為 B 是空閒的，因而都向 B 發送數據，結果發生碰撞。

IEEE802.11 採用 CSMA/CA，他的基礎是載波偵聽。當檢測到信道空閒期間大於某一 IFS 後立即開始發送幀，否則延遲發送直到檢測到所需 IFS，然後選擇退避時間進入退避，結束後重新開始上述過程。

RTS/CTS

當一個站只能偵聽到部分其他站時，就存在隱藏節點問題，為解決該問題 IEEE 802.11 提供了 RTS/CTS 機制。

4 次握手的 RTS/CTS 方式工作過程為：

1. 假設站 A 要向站 B 發送數據，A 先向 B 發送 RTS 信號，表明自己準備向 B 發送數據；
2. B 收到 RTS 後，會向周圍廣播 CTS 信號，表明準備接收就緒；
3. 接下來 A 可發送數據，其餘站暫處於靜止態；
4. B 接收完數據後，即向周圍廣播 ACK 幀；
5. 所有站又開始監聽信道，開始新一輪信道競爭。

傳輸數據前發送 RTS/CTS 幀，意味着額外開銷，尤其對短數據報文影響明顯，所以 RTS/CTS 幀都很短。

點協調功能

PCF 是一種集中式協調的信道接入技術，AP 中的點協調器建立一個週期性的無爭用週期（CFP），CFP 中無線信道的無爭用接入由點協調器協調。

IEEE802.11ac 的 MAC 層機制特點

1. 幀體字段長度上限從 7955 字節增至 11426 字節，添加擴展高速控制(HT Control)字段；
2. 802.11ac 對幀聚合功能進行增強，幀聚合為必選項，每個幀都是 A-MPDU 幀；
3. 802.11ac 未使用 RIFS，而使用 A-MPDU 幀；
4. 802.11ac 引入動態帶寬接入、輔信道檢測及擴展 RTS/CTS。

其他標準簡介

IEEE802.11 的一些其他標準如下：

標準	簡介
IEEE802.11e	對 MAC 協議做了改進，使其可支持 QoS 要求的應用。對 DCF 和 PCF 在 QoS 支持方面進行了加強，稱為增強分佈式通道存取（EDCA），通過設置優先級，既保證大帶寬應用的通信質量，同時又能向下兼容 IEEE802.11 設備
IEEE802.11ad	針對高清多媒體音視頻傳輸，採用高頻載波的 60 GHz 頻帶，通過 MIMO 實現多信道同時傳輸
IEEE802.11ah	致力於提供更長的傳輸距離，而非更高的傳輸速率，更適合智慧城市和户外物聯網的應用
IEEE 802.11ax	可看作是 IEEE 802.11ac 標準的升級，其使用 5GHz 頻帶，物理層採用多用户 MIMO（MU-MIMO）和帶內全雙工機制改善信道擁塞，空間信道複用方面則考慮使用增強的乾淨信道評估和部分頻率複用機制，同時使用休眠模式以節能

除了 IEEE802.11 技術外，其他一些 WLAN 技術簡介如下。

標準	簡介
HomeRF	家庭範圍內 PC 與其它電子設備無線通信，有效支持流媒體，能滿足不同業務對傳輸的要求，抗干擾能力強，較強電源管理功能
HiperLAN2	易滿足 QoS 要求，確定每個連接在帶寬、時延、擁塞、誤碼率等要求，保證視頻、語音和數據等同時高速傳輸
藍牙	一種短距離無線通信技術，有效簡化終端設備間的通信，使數據傳輸更高效

WLAN 的應用

WLAN 的特點使其迅速應用於需要在移動中聯網和網間漫遊的場合，併為不易佈線的場所和遠距離節點提供良好的網絡支持。WLAN 目前主要應用於以下幾個方面：

1. 難以使用傳統佈線的場所，如風景名勝區、古建築等。
2. 採用無線網絡成本較低的區域，如相距較遠的建築物、有強電設備的區域、公共通信網不發達的地區。
3. 臨時性網絡，如展覽會場、大型體育場館和救災現場等。
4. 人員流動性大的場合，如機場、倉庫、超市和餐廳等。

應用	簡介
礦山採掘	提供從鑽井台到壓縮機房的數據鏈路，以傳輸和處理由鑽井獲取的重要數據
運輸物流	可將貨物情況和資料直接傳給計算機系統進行處理，能有效提高工作效率和服務質量
醫療衞生	使得在醫院任何地方使用移動或手持設備可便捷地訪問醫院的信息管理系統
製造業	數控制造設備、數字採集裝置和機器人設備等應用無線網絡非常合適
零售業	可使用 WLAN，連接條形碼閲讀器、移動終端和系統主機等，高效完成工作
金融服務業	使用 WLAN 作為備份，而為方便客户可通過 WLAN 迅速接入交易報價服務系統
飲食旅遊業	服務員可通過手持終端將顧客需求輸入計算機系統，持終端也可幫助及時結賬
比賽場館	用於大型比賽場館的各種競賽記分的處理、統計、發送和存儲工作
移動辦公環境	可使辦公計算機具有移動能力，在網絡範圍內實現漫遊

參考資料

《無線網絡技術教程(第3版)——原理、應用與實驗》，金光、江先亮編著，清華大學出版社