无线局域网技术及其应用.ppt
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1、无线局域网技术及应用无线局域网技术及应用无线局域网技术及应用无线局域网技术及应用一、概述一、概述二、二、WLAN信道特性信道特性三、三、WLAN物理层分类与调制解调技术物理层分类与调制解调技术四、四、WLAN物理层协议与性能物理层协议与性能五、无线局域网的安全五、无线局域网的安全六、六、WLAN设备及应用设备及应用无线局域网技术及应用一、概述一、概述1、基本概念、基本概念无线局域网无线局域网WLAN(Wireless Local Area Networks)广义上:就是在局部区域内以无线(广义上:就是在局部区域内以无线(No Wire or Wireless)媒体或介质进行通信的)媒体或介质进
2、行通信的 无线网络。无线网络。狭义上:遵循狭义上:遵循IEEE 802.11系列协议的无线局系列协议的无线局 域技术的网络。域技术的网络。无线局域网技术及应用WLAN就是利用无线通信技术在一定的局部就是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络,是计算机网络与无线通范围内建立的网络,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物信技术相结合的产物 无线局域网技术及应用WLAN特点:移动性、灵活性、建网迅速、特点:移动性、灵活性、建网迅速、管理方便、网络造价低、扩展能力强等。管理方便、网络造价低、扩展能力强等。因此,因此,WLAN应用于需要在移动中联网和在应用于需要在移动中联网和在网间漫游的场合,并在
3、不易布线的地方和远距网间漫游的场合,并在不易布线的地方和远距离的数据节点提供网络支持。离的数据节点提供网络支持。其主要应用行业有:其主要应用行业有:石油工业、医护管理、工厂车间、库存控制、石油工业、医护管理、工厂车间、库存控制、展览和会议、金融服务、旅游服务、移动办公展览和会议、金融服务、旅游服务、移动办公系统等。系统等。无线局域网技术及应用2、WLAN的历史与发展趋势的历史与发展趋势 1985年,美国联邦通信委员会年,美国联邦通信委员会(Federai Communication Committee,FCC)授权普通授权普通用户可以使用用户可以使用ISM频段而把无线局域网推向频段而把无线局域
4、网推向商业化发展。商业化发展。FCC定义的定义的ISM频段为三个频段频段为三个频段:902928MHz,2.42.4835GHz 5.7255.875GHz1990年年11月,月,IEEE召开了召开了80211委员会,开委员会,开始制订无线局域网络标准。始制订无线局域网络标准。无线局域网技术及应用1997年年6月月26日,日,IEEE 80211标准制定完成,标准制定完成,1997年年11月月26日,正式发布。日,正式发布。1996年,中国无线电管理委员会开放了年,中国无线电管理委员会开放了 2.42.4835GHz(IEEE标准标准)的的ISM频段。频段。1998年,各供应商推出了大量基于年
5、,各供应商推出了大量基于IEEE 80211 标准的无线网卡和访问节点。标准的无线网卡和访问节点。目前,目前,IEEE80211发展到了发展到了IEEE 80211a、IEEE 80211b、IEEE 80211i等。等。无线局域网技术及应用同时,欧洲也成立了关于高速无线局域网同时,欧洲也成立了关于高速无线局域网(HiperLAN)的标准化组织,它获得了)的标准化组织,它获得了5.155.35GHz和和17.117.3GHz二个二个200MHz频段,频段,1997年完成了年完成了HiperLAN1标准的制定。标准的制定。目前,符合目前,符合IEEE802.11a/b/g标准及标准及HiperL
6、AN2标准的产品已经较为普及了标准的产品已经较为普及了。WLAN的研究现状和发展趋势:的研究现状和发展趋势:宽带(高速)化、(快速)移动性支持、多媒宽带(高速)化、(快速)移动性支持、多媒体(体(QoS)保证、安全性、可靠性、小型化、)保证、安全性、可靠性、小型化、大覆盖、节能、经济性。大覆盖、节能、经济性。无线局域网技术及应用 3、无线局域网的组成、无线局域网的组成WLAN由无线网卡、无线接入点由无线网卡、无线接入点(Access Point,AP)、计算机和有关设备组成、计算机和有关设备组成。无线局域网技术及应用AP类似于有线局域网中的集线器,是一种特殊类似于有线局域网中的集线器,是一种特
7、殊的无线工作站。通常一个的无线工作站。通常一个AP能够在几十米至上能够在几十米至上百米的范围内连接多个用户。在同时具有有线百米的范围内连接多个用户。在同时具有有线和无线网络的情况下,和无线网络的情况下,AP可以通过标准的可以通过标准的Ethernt电缆与传统的有线网络相连,作为无线电缆与传统的有线网络相连,作为无线网络和有线网络的连接点。网络和有线网络的连接点。在在80211规范中,规范中,WLAN中的无线网络设备都中的无线网络设备都统称为站点统称为站点STA(station),也可以分别称为固定,也可以分别称为固定站点、半移动站点和移动站点。站点、半移动站点和移动站点。无线局域网技术及应用由
8、一组相互直接通信的站点构成一个由一组相互直接通信的站点构成一个基本服务集基本服务集(Basic Service Set,BSS)。一个基本服务集仅包含一个无线基站和一个或多个无一个基本服务集仅包含一个无线基站和一个或多个无线客户端线客户端。BSS使用基础结构使用基础结构(Infrastructure)模式,)模式,这个模式要求使用这个模式要求使用一个无线基站,所有一个无线基站,所有的无线通信都通过无的无线通信都通过无线基站。不允许无线线基站。不允许无线客户端对无线客户端客户端对无线客户端的传输。的传输。无线局域网技术及应用infrastructure模式的基本服务集模式的基本服务集 由一个基本
9、服务集由一个基本服务集覆盖的无线传输区覆盖的无线传输区域称为基本服务区域称为基本服务区域域(Basic Service Set,BSA),基本服务区域使,基本服务区域使基本服务集中的站点保持充分的连接,一个站基本服务集中的站点保持充分的连接,一个站点可以在基本服务区域内自由移动,但如果它点可以在基本服务区域内自由移动,但如果它离开了基本服务区域就不能直接与其他站点建离开了基本服务区域就不能直接与其他站点建立连接。立连接。无线局域网技术及应用IEEE80211定义了两种拓扑结构:定义了两种拓扑结构:独立基本服务集独立基本服务集(IBSS)和扩展服务集和扩展服务集(ESS)IBSS就是一个独立的就
10、是一个独立的BSS,是自组网拓扑,是自组网拓扑结构,也称为结构,也称为Ad hoc WLAN,这类网络可,这类网络可以在没有任何预先规划的情况下快速组建。以在没有任何预先规划的情况下快速组建。在在IBSS中没有无线基站,中没有无线基站,传输数据时无线传输数据时无线客户端相互之间客户端相互之间直接进行连接。直接进行连接。无线局域网技术及应用 Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有节点的地位平等,网络。网络中所有节点的地位平等,无需设置任何中心控制节点。网络无需设置任何中心控制节点。网络中的节点不仅具有普通移动终端所中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能,而且
11、具有报文转发能力。需的功能,而且具有报文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比。与普通的移动网络和固定网络相比。主要的特点有:无中心、自组织、主要的特点有:无中心、自组织、多跳路由和动态拓扑等。多跳路由和动态拓扑等。无线局域网技术及应用扩展服务集(扩展服务集(ESS)ESS被定义为通过一个普通分布式系统连接的一被定义为通过一个普通分布式系统连接的一个或多个基本服务集,这个分布式系统可能是个或多个基本服务集,这个分布式系统可能是有线的、无线的、局域网、广域网或任何其他有线的、无线的、局域网、广域网或任何其他网络连接方式,网络连接方式,所以所以ESS网络允网络允许创建任意规模许创建任意规模和复杂
12、的无线局和复杂的无线局域网。域网。无线局域网技术及应用4、无线局域网的技术要求、无线局域网的技术要求 无线局域网与以往的基于蜂窝电话网、专无线局域网与以往的基于蜂窝电话网、专用分组交换网及其他技术的无线计算机通用分组交换网及其他技术的无线计算机通信相比,有许多本质上的区别。无线局域信相比,有许多本质上的区别。无线局域网必须支持高速突发数据业务,在室内使网必须支持高速突发数据业务,在室内使用时要解决包括多径衰落、相邻子网间串用时要解决包括多径衰落、相邻子网间串扰等问题。扰等问题。无线局域网技术及应用无线局域网必须克服的技术难点:无线局域网必须克服的技术难点:可靠性:可靠性:有线局域网的信道误比特
13、率小到有线局域网的信道误比特率小到 兼容性:兼容性:无线局域网应尽可能与现有有线局域无线局域网应尽可能与现有有线局域网兼容网兼容 数据速率:数据速率:为了满足局域网的业务环境,至少为了满足局域网的业务环境,至少应具备应具备lMbPs以上的数据速率。以上的数据速率。通信保密:通信保密:内于元线局域网的数据经无线媒体内于元线局域网的数据经无线媒体发往中中,要求其有较高的通信保密能力。发往中中,要求其有较高的通信保密能力。节能管理:节能管理:为节省便携机内电他的消耗,网络为节省便携机内电他的消耗,网络应具有节能管理功能应具有节能管理功能 无线局域网技术及应用小型化、低价格:小型化、低价格:这是无线局
14、域网能够实用并这是无线局域网能够实用并普及的关键所在。普及的关键所在。电磁环境、无线电频段的使用范围:电磁环境、无线电频段的使用范围:在室内使在室内使用的无线局域网,应考虑电磁波对人体健康用的无线局域网,应考虑电磁波对人体健康的损害及其他电磁环境的影响。的损害及其他电磁环境的影响。无线局域网技术及应用二、二、WLAN信道特性信道特性信道的主要特性:信道的主要特性:带宽、传输速率、信道容带宽、传输速率、信道容量、吞吐量、误码率等。信道特性决定或影量、吞吐量、误码率等。信道特性决定或影响这些性能参数。响这些性能参数。表征无线信道特性的参数表征无线信道特性的参数主要有:主要有:传播衰减、时延扩展和相
15、干带宽、多普勒扩传播衰减、时延扩展和相干带宽、多普勒扩展和相干时间、衰落分布、衰落速率或衰落展和相干时间、衰落分布、衰落速率或衰落持续时间、电平通过率等。持续时间、电平通过率等。无线局域网技术及应用研究研究WLAN信道特性和信道模型的意义信道特性和信道模型的意义根据信道特性和信道模型,可以确定根据信道特性和信道模型,可以确定AP/BS的预测覆盖范围,规划的预测覆盖范围,规划AP/BS的的位置(即小区位置),使多个小区之间位置(即小区位置),使多个小区之间不产生干扰和错误,可以利用一个不产生干扰和错误,可以利用一个AP覆覆盖尽可能大的区域,提高系统的容量,盖尽可能大的区域,提高系统的容量,这对这
16、对WLAN的规划、设计与部署有着十的规划、设计与部署有着十分重要的意义。分重要的意义。无线局域网技术及应用WLAN的室外信道及特性:的室外信道及特性:WLAN的室外信道与传统的室外无线信道一的室外信道与传统的室外无线信道一样,其特性与所处的位置有关,如山区、样,其特性与所处的位置有关,如山区、开阔地、水面上、农村、市郊、和市区等。开阔地、水面上、农村、市郊、和市区等。主要有二种:主要有二种:(1)点对点或点对多点的远距离固定无线信)点对点或点对多点的远距离固定无线信道。道。主要考虑传播衰减和地形地物等对传播主要考虑传播衰减和地形地物等对传播特性的影响,它决定传输距离、传输速率、特性的影响,它决
17、定传输距离、传输速率、天线增益和发射功率等。天线增益和发射功率等。无线局域网技术及应用点对点或点对多点的远距离固定无线信道点对点或点对多点的远距离固定无线信道无线局域网技术及应用(2)慢速移动或半移动无线接入信道)慢速移动或半移动无线接入信道一般采用微蜂窝的多径信道模型,如双射线模一般采用微蜂窝的多径信道模型,如双射线模型、多射线模型、和多缝隙波导模型等,还要型、多射线模型、和多缝隙波导模型等,还要考虑街道、考虑街道、建筑物以建筑物以及墙等因及墙等因素的影响。素的影响。右图为右图为多径传播多径传播无线局域网技术及应用WLAN室内信道特性室内信道特性室内环境覆盖范围小,信号的传播受到建筑室内环境
18、覆盖范围小,信号的传播受到建筑物的布局、建筑材料和类型以及各种干扰等物的布局、建筑材料和类型以及各种干扰等因素的影响。如建筑物内部的门是否开着,因素的影响。如建筑物内部的门是否开着,收发机之间是否有人走动,物品摆放等,同收发机之间是否有人走动,物品摆放等,同时天线的安装位置也对接收信号的强度有较时天线的安装位置也对接收信号的强度有较大影响。大影响。无线信号在室内的传播方式:无线信号在室内的传播方式:直射、反射、绕射、散射。直射、反射、绕射、散射。无线局域网技术及应用与室外信道相比,室内信道在信号平均强度与室外信道相比,室内信道在信号平均强度上表现为快变化和深度衰落。上表现为快变化和深度衰落。在
19、室内环境中不存在高速移动的用户,因此在室内环境中不存在高速移动的用户,因此多普勒频移可以忽略。多普勒频移可以忽略。建筑物内或室内,还要考虑波导效应对电波建筑物内或室内,还要考虑波导效应对电波传播的附加影响。波导可以看作是在回廊或传播的附加影响。波导可以看作是在回廊或隧道中发生的特殊传播现象。这种环境下功隧道中发生的特殊传播现象。这种环境下功率损耗比自由空间小,可看作是波导增益。率损耗比自由空间小,可看作是波导增益。目前,随着多天线技术应用,出现了多输入目前,随着多天线技术应用,出现了多输入多输出(多输出(MIMO)信道模型。)信道模型。无线局域网技术及应用三、三、WLAN物理层分类与调制解调技
20、术物理层分类与调制解调技术无线局域网物理层是空中接口的重要组成部无线局域网物理层是空中接口的重要组成部分,它为分,它为WLAN系统提供无线通信链路。系统提供无线通信链路。无线局域网物理层的性能主要体现为:无线局域网物理层的性能主要体现为:传输容量(以传输速率标称)、传输质量传输容量(以传输速率标称)、传输质量(以误码性能和可用度指标体现)、信道(以误码性能和可用度指标体现)、信道利用率或频带利用率(单位频带的信息传利用率或频带利用率(单位频带的信息传输率)、覆盖范围等。输率)、覆盖范围等。针对具体设备,物理层指标有:发射功率、针对具体设备,物理层指标有:发射功率、接收灵敏度、功耗、体积、重量等
21、。接收灵敏度、功耗、体积、重量等。无线局域网技术及应用1、WLAN物理层分类物理层分类WLAN物理层分类取决于传输媒体、频段和物理层分类取决于传输媒体、频段和调制方式等内容,分类情况如下调制方式等内容,分类情况如下:WALN物理层 无线电波光波红外线(IR)可见光射频(RF)微波窄带宽带非扩频扩频直扩(DS)跳频(FH)正交频分复用(OFDM)无线局域网技术及应用2、WLAN中的调制解调技术中的调制解调技术调制解调技术是传输技术的核心,是调制解调技术是传输技术的核心,是WLAN物理层的关键技术和核心内容。物理层的关键技术和核心内容。WLAN的射频传输主要工作于微波频段,由的射频传输主要工作于微
22、波频段,由扩频传输和载波传输两类。扩频传输和载波传输两类。扩频传输比传统的窄带传输有更宽的带宽和扩频传输比传统的窄带传输有更宽的带宽和更好的抗干扰性能。更好的抗干扰性能。IEEE802.11标准规定使用直接序列扩频标准规定使用直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)和和跳频扩频跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)无线局域网技术及应用直接序列扩频直接序列扩频DSSS方式方式DSSS就是把要传送的信息直接由高码率的扩就是把要传送的信息直接由高码率的扩频码编码后,对载波进行调制以扩展信号的频频码编码后,对
23、载波进行调制以扩展信号的频谱;在收端,用相同的扩频码序列去进行解谱;在收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始信息。扩,把展宽的扩频信号还原成原始信息。常用的扩频码序列是常用的扩频码序列是伪噪声(伪噪声(PN)序列)序列,具,具有近似于随机信号的性能,有有近似于随机信号的性能,有m序列、序列、M序列序列和和Gold码等。码等。无线局域网技术及应用DSSS系统的主要特点系统的主要特点1)有较强的抗干扰能力。)有较强的抗干扰能力。IEEE802.11规定扩规定扩频处理增益不能小于频处理增益不能小于10dB。2)扩频信号淹没在噪声中,扩频信号淹没在噪声中,具有很强的抗截具有很强
24、的抗截获性和防侦察、防窃听能力。获性和防侦察、防窃听能力。3)PN码的相关特性良好,组网能力强,可码的相关特性良好,组网能力强,可实现码分多址,其实现码分多址,其频带利用率高频带利用率高。4)抗多径干扰能力强。)抗多径干扰能力强。通过相关解扩可以消通过相关解扩可以消除多径干扰的影响。除多径干扰的影响。无线局域网技术及应用跳频扩频跳频扩频FHSS方式方式FHSS是用伪随机码序列进行频移键控调制,是用伪随机码序列进行频移键控调制,使载波频率不断地随机跳变,此方式较隐蔽使载波频率不断地随机跳变,此方式较隐蔽且难以被截获。且难以被截获。把载波频率改变把载波频率改变的规律称为跳频的规律称为跳频图案或时频
25、矩阵,图案或时频矩阵,跳频图案的好坏跳频图案的好坏直接影响系统性直接影响系统性能的优劣。能的优劣。无线局域网技术及应用FHSS系统的主要特点系统的主要特点1)兼容性。)兼容性。属于瞬时窄带系统,易与当前的属于瞬时窄带系统,易与当前的窄带系统兼容。窄带系统兼容。2)具有较强的抗干扰能力。)具有较强的抗干扰能力。跳频速率越高,跳频速率越高,跳频数越多,抗干扰性能越强。跳频数越多,抗干扰性能越强。3)具有码分多址和频带共享的组网通信能力。)具有码分多址和频带共享的组网通信能力。利用不同跳频图案,可在一个宽的频带中容利用不同跳频图案,可在一个宽的频带中容纳多个跳频通信系统同时工作。纳多个跳频通信系统同
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