无线局域网技术白皮书 （2）

四、 IEEE802.11无线局域网的操作

WLAN网络的操作可分为两个主要工作过程：工作站加入一个BSS，工作站从一个BSS移动到另一个BSS，实现小区间的漫游。一个站点访问现存的BSS需要几个阶段。首先，工作站开机加电开始运行，过后进入睡眠模式或者进入BSS小区。站点始终需要获得同步信号，该信号一般来自AP接入点。站点则通过主动和被动扫频来获得同步

主动扫频是指STA启动或关联成功后扫描所有频道；一次扫描中，STA采用一组频道作为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有ESSID的探测信号；AP根据该信号做响应。被动扫频是指AP每100毫秒向外传送灯塔信号，包括用于STA同步的时间戳，支持速率以及其它信息，STA接收到灯塔信号后启动关联过程。

WLAN为防止非法用户接入，在站点定位了接入点，并取得了同步信息之后，就开始交换验证信息。验证业务提供了控制局域网接入的能力，这一过程被所有终用来建立合法介入的身份标志

站点经过验证后，关联（Associate）就开始了。关联用于建立无线访问点和无线工作站之间的映射关系，实际上是把无线变成有线网的连线。分布式系统将该映射关系分发给扩展服务区中的所有AP。一个无线工作站同时只能与一个AP关联。在关联过程中，无线工作站与AP之间要根据信号的强弱协商速率，速率变化包括：11Mbps, 5.5Mbps, 2Mbps和1Mbps（以802.11b为例）。

工作站从一个小区移动到另一个小区需要从新关联。重关联（Reassociate）是指当无线工作站从一个扩展服务区中的一个基本服务区移动到另外一个基本服务区时，与新的AP关联的整个过程。重关联总是由移动无线工作站发起。

IEEE802.11无线局域网的每个站点都与一个特定的接入点相关。如果站点从一个小区切换到另一个小区，这就是处在漫游（Roaming）过程中。漫游指无线工作站在一组无线访问点之间移动，并提供对于用户透明的无缝连接，包括基本漫游和扩展漫游。基本漫游是指无线STA的移动仅局限在一个扩展服务区内部。扩展漫游指无线SAT从一个扩展服务区中的一个BSS移动到另一个扩展服务区的一个BSS，802.11并不保证这种漫游的上层连接。近年来,无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性能显得十分重要。

五、无线局域网的优化方式：移动IP, IEEE802.11e 与双频多模WLAN

近年来,无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性能显得十分重要。

5.1网络层的优化：移动IP

移动IP概述

由于Internet使用域名来转换成IP地址，一个发给一个地址的分组总是路由到同一个地方，因此，IP地址是与一个物理网络的位置相对应，传统的IP链接方式不能经受任何地址的变化。移动IP的引入解决了WLAN跨IP子网漫游的问题，是网络层的优化方案。可以把移动IP归结为一句话：如果用户可以凭一个IP地址进行不间断跨网漫游，就是移动IP（RFC2002）。如前文所述，802.11无线局域网只规定了MAC层和物理层。为了保证移动站在扩展服务区之间的漫游，需要在其MAC层之上引入Mobile IP技术。

移IP的无线局域网

移动主机（MN）在外地通过外地代理（FA）向位于家乡的家乡代理（HA）注册,从而使HA得知MN当前的位置，从而实现了移动性。有了移动IP，主机就可以跨越IP子网实现漫游。如图１所示，ＩＰ子网的网关路由器旁连接一个FA，FA负责其下无线网段用户的注册认证。FA不断地向本地子网发送代理通告，当移动终端进入子网Ａ时，接收到ＦＡ的代理广播，获得当地FA的信息，通过当地FA向HA注册,经过认证后可以被授权接入，访问Internet。终端在本子网内部移动时，不断监测AP和FA的信号质量，通过一定的算法得出当前所有FA的优先级，再根据指定的切换策略适时发起切换。如果只是在同一网段的AP间切换，因所处IP子网未变，不需要重新注册，AP的功能可以支持这种二层的漫游。当终端在跨网段的AP间切换时，所处IP子网发生改变,此时必须通过新的FA向HA重新注册，告知当前位置,以后的数据就会被ＨＡ转发至新的位置。移动IP技术大大扩展了WLAN接入方案的覆盖范围,提供大范围的移动能力，使用户在移动中时刻保持Internet连接。

图1.7 无线局域网移动IP的网络结构

WLAN实现移动IP的问题

为实现移动IP，无线局域网要解决一些技术问题：

IP地址分配：用户将获得唯一的IP地址，如同使用移动电话时有一个唯一号码。

应用透明性：无论上层应用采用何种上层协议都感觉不到移动的影响，这要求无缝移动性在IP层实现。

基础设施：为保证服务品质不受影响，用户在漫游时，带宽和服务质量要有保证。

协议软件：包括网络侧和用户侧的软件，客户端软件须向服务器端软件报告自己的信息，网络侧软件则负责解析用户的实际位置，鉴定用户身份、分配权限，并提供预定的业务。

5.2 MAC层优化：IEEE802.11e协议

概述

随着用户的增多，有线网络中提出的业务要求，如视频、语音等实时业务在WLAN中也将得到满足。这些实时业务要求WLAN的MAC层能够提供可靠的分组传输，传输时延低且抖动小。为此，IEEE 802.11工作组的媒体访问控制(MAC—Medium Access Control)改进任务组(即E任务组)着手对目前802.11 MAC协议进行改进，使其可以支持具有QoS(Quality of Service)要求的应用。

IEEE802.11MAC协议

普通的802.11无线局域网MAC层有两种通讯方式，一种叫分布式协同式（DCF），另一种叫点协同式。分布式协同（DCF）基于具有冲突检测的载波侦听多路存取方法(CSMA/CA)，无线设备发送数据前，先探测一下线路的忙闲状态，如果空闲，则立即发送数据，并同时检测有无数据碰撞发生。这一方法能协调多个用户对共享链路的访问，避免出现因争抢线路而谁也无法通信的情况。它对所有用户都一视同仁，在共享通讯介质时没有任何优先级的规定。

点协同方式（PCF）是指无线接入点设备周期性地发出信号测试帧，通过该测试帧与各无线设备就网络识别、网络管理参数等进行交互。测试帧之间的时间段被分成竞争时间段和无竞争时间段，无线设备可以在无竞争时间段发送数据。由于这种通讯方式无法预先估计传输时间，因此，与分布式协同相比，目前用得还比较少。

IEEE802.11e的EDCF机制

无论是分布式协同还是点协同，它们都没有对数据源和数据类型进行区分。因此，IEEE对分布式协同和点协同在QoS的支持功能方面进行增补，通过设置优先级，既保证大带宽应用的通讯质量，又能够向下兼容普通802.11设备。

对分布式协同（DCF）的修订标准称为增强型分布式协同（EDCF）。增强型分布式协同（EDCF）把流量按设备的不同分成8类，也就是8个优先级。当线路空闲时，无线设备在发送数据前必须等待一个约定的时间，这个时间称为“给定帧间时隙”(AIFS)，其长短由其流量的优先级决定：优先级越高，这个时间就越短。不难看出，优先级高的流量的传输延迟比优先级低的流量小得多。为了避免冲突，在8个优先级之外还有一个额外的控制参数，称为竞争窗口，实际上也是一个时间段，其长短由一个不断递减的随机数决定。哪个设备的竞争窗口第一个减到零，哪个设备就可以发送数据，其它设备只好等待下一个线路空闲时段，但决定竞争窗口大小的随机数接着从上次的剩余值减起。

对点协同的改良称为混和协同(HCF)，混和查询控制器在竞争时段探测线路情况，确定发送数据的起始时刻，并争取最大的数据传输时间。

5.3物理层优化：双频多模无线局域网

双频多模WLAN的引入

IEEE802.11工作组先后推出了802.11a、802.11b，和802.11g物理层标准。丰富多样的标准提升了无线局域网的性能，同时带来了新的问题。如前文所述802.11a和802.11b分别工作在不同频段（802.11a工作在5GHz，而802.11b工作在2.4GHz），采用不同调制方式（802.11a采用OFDM，而802.11b采用CCK方式）。一个采用802.11b标准设备工作站进入一个802.11a标准的小区中（其AP节点采用802.11a的标准设备），无法与AP节点进行联系。因此，其必须更换为同比标准的网络设备，才能正常工作。这就是由不同物理层标准，引起的网络兼容性问题。

图1.8 双频多模无线局域网结构示意图

为了解决上述问题，使不同标准的网络设备可以更为自由的移动，出现了一种无线局域网的优化方式：“双频多模”的工作方式。如同有线网的发展进程，现在有线网络主要工作在多模方式下，例如10Mbps/100Mbps混合的局域网加速了有线网络的发展，成为有线局域网的主要工作方式。WLAN也开始走向“多模”发展趋势。

双频多模WLAN简述

所谓“双频”产品，是指可工作在2.4GHz和5GHz的自适应产品。也就是说，可支持802.11a与802.11b两个标准的产品。由于802.11b和802.11a两种标准的设备互不兼容，用户在接入支持802.11a和802.11b的公共无线接入网络时，必须随着地点而更换无线网卡，这给用户带来很大的不便。而采用支持802.11a/b双频自适应的无线局域网产品就可以很好的解决这一问题。双频产品可以自动辨认802.11a和802.11b信号并支持漫游连接，使用户在任何一种网络环境下都能保持连接状态。54Mbps的802.11a标准和11Mbps802.11b标准各有优劣，但从用户的角度出发，这种双频自适应无线网络产品，无疑是一种将两种无线网络标准有机融合的解决方案,其需要的投资也很大。

随着802.11g标准的诞生，双频产品随后也将该标准融入其中，成为全方位的无线网络解决方案。而这种可与三个标准互联的产品叫做“双频三模”产品，也称双频多模（Dual Band and Multimode WLAN）。“双频三模”顾名思义，就是运行在两个频段，支持三种模式（标准）的产品。即同时支持802.11a/b/g三个标准自适应的无线产品，通过该产品，可实现目前大多无线局域网标准的互联与兼容。可使用户顺畅地高速漫游于802.11a、b、g标准的无线网络中，横跨于三种标准之上，这类产品目前市面上还比较少见，但却是“双频”产品的发展方向，具有良好的前景。（如图1.9）

图1.9 双频多模WLAN接收发送端组成框图

双频多模WLAN的应用

随着802.11标准b, a和g不断融合，双频多模无线局域网越来越显示出其优越性。首先，如前文所述b, a和g标准有其各自的优势和特点以及适合它们的工作环境。双频多模方式根据不同的环境，使用不同的标准，最大程度的发挥802.11标准的各自优势和特点。其次，在热点地区如车站，飞机场，仓库，超市等，无线局域网的密度大，小区间的切换频繁。双频多模的工作方式也是解决小区间无缝切换的问题的好的思路。

六、 无线局域网行业应用现状

无线局域网的应用范围非常广泛，如果其应用划分为室内和室外的话，室内应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场；室外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网络、银行金融证券城区网、矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、野外勘测实验、军事流动网、公安流动网等。

6.1石油工业

油矿的地形起伏不平，敷设电缆后不易传导，而且电缆穿过炼油厂可能是潜在的危险。无线网连接可提供从钻井台到压缩机房的数据链路以便显示和输入由钻井获取的重要数据。海上钻井平台由于宽大的水域阻隔，数据和资料的传输比较困难。敷设光缆费用又很高，施工难度很大。使用无线网技术，费用不及敷设光缆的十分之一，效率高，质量好。

6.2运输行业

铁路运输货场和码头货场，由于大型吊车，运输道路和货物通道不能敷设电缆，使用步话机报告货位和货号极易产生差错，无线计算机网络可以把货物情况和资料直接传输到计算机中进行处理，大大提高了工作效率和服务质量，避免了不必要的差错。

6.3医疗行业

现在很多医院都有了计算机管理系统、大量的计算机病人监护设备、计算机控制的医疗装置和药品等库存计算机管理系统。无线网络可以使医疗专家和管理者在医院内的任何地方使用移动和手持计算机设备方便地存取这些信息。利用无线网，医生和护士在设置计算机专线的病房、诊室或急救中进行汇诊、查房、手术时可以不必带着沉重的病例，而使用笔记本电脑实时记录医嘱，并传递处置意见，查询病人病历和检索药品，还可以访问中央专家系统以帮助诊断或预测药物的相互作用和反应。

6.4制造行业

制造工厂往往不能敷设连到计算机的电缆，在加固混凝土的地板下面也无法敷设计算机电缆，空中起重机使人很难在空中布线，零备件及货物运输通道使得也不便在地面布线。这种情况使用数字化制造设备、数字采集装置、机器人设备时应用无线网络是很合适的。工程师和技术人员在进行检修，更改产品设计，讨论工程方案以及其他技术处理时，可以利用无线网在工厂车间或厂区的任何地方查阅技术档案、工程工艺和过程图，发出技术指令，请求技术求援，甚至和厂外专家讨论问题。

6.5零售业

仓库零备件和货物的发送和贮存注册可以使用无线链路直接为条形码阅览器、笔记本电脑和中央处理计算机进行连接，进行清查货物，更新存储记录和出据清单。流动的工作人员直接使用手持设备就可以进行库存管理和数据采集加工。

6.6 金融服务行业

银行和证券、期货交易业务都需要无线网络的支持，把一个城市的银行与其分布在城市各处的下属机构相连。即使已经有了有线计算机网，为了避免由于线路等出现的故障，仍可使用无线计算机网做备份。在证券和期货交易业务中，价格以"买"和"卖"的信息变化极为迅速、频繁，利用手持通信器输入信息，通过无线网络迅速传递到计算机、报价服务系统和交易大厅的显示屏，管理员、经纪人和交易者可以迅速利用信息进行管理和手持通信器进行交易。避免了用手势、送话器和人工录入及报价而产生的不准确和时间延误而造成的损失。

6.7饮食、交通旅游服务行业

很多餐厅的服务员已经使用步话机或寻呼技术把餐厅中顾客需要的菜通知厨房，厨房也用同样的办法通知餐厅，顾客所需要的菜已经准备好了，这实际只是整个过程中的一部分。无线网络可以进一步做到，由餐厅中走来走去的点菜服务员通过手持终端机把顾客的需求送入计算机，把菜单立即打印给厨房并且把做好的菜立即通知给服务员，当然也可以在手持终端机屏幕显示的菜单上直接点菜，结账时可通过同一个系统及时打印结账单。旅馆采用无线网，可以做到随时随地为顾客进行及时周到的服务。登记和记账系统一经建立，顾客无论在区域范围内的任何地点进行任何活动，比如在酒吧、健身房、娱乐厅或餐厅等都可以通过服务员的手持通信终端来更新记账系统，而不必等待复杂的核算系统结果。

6.8比赛竞技场

无线网可以用来完成比赛场馆进行的各种竞赛记分的处理、统计、发送和记录存储工作。也适合于一些文艺及其他竞赛的比赛记分系统，特别是在那些多用途并进行多种比赛的场合。

6.9移动办公环境

在办公环境中使用无线网络系统，可以使办公用的计算机具有移动能力，在网络范围内可实现计算机漫游。各种业务人员、部门负责人、工程技术专家和管理人员，只要有可移动计算机或笔记本电脑，无论是在办公室、会议室、洽谈室，甚至在宿舍都可通过无线网络随时查阅资料、获取信息。

目前，越来越多的无线局域网产品投放市场，价格越来越低、覆盖范围也不断增大，而依据规范开发网络底层到应用层接口的中间件厂家也将有更多的应用产品投放市场。无线局域网已作为一种宽带网络解决方案得到了应用，可以预见，随着网上多媒体技术的日益应用发展，传输速率更高的无线网络设备将会涌现。所以，对无线局域网设备和服务的投资前景将会非常乐观。总之，在无线局域网用户和运营商的双重推动下，未来两年内，WLAN网络的应用将会成为未来网络的技术主流之一。