无线局域网技术现状及其发展趋势

无线局域网技术现状及其发展趋势
(2003-03-19 11:27:00)
引言
移动计算网络基本上可以分为两种解决方案；广域解决方案和局域解决方案。

广域方案主要是依靠无线蜂窝数据通信网络和卫星通信网络作为移动计算的物理网；而在地域范围上受限制，但速率更高的移动解决方案是无线局域网。

无线局域网（Wireless LAN,以下简称WLAN）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。

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。

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WLAN的发展。

世界上第一个试验性无线局域网是1987年建立的，随后，在医疗、零售、机场等地方，出现无线局域网，各厂商的无线局域网不能互联，于是1990年11月成立1EEE802.11委员会，着手制定无线局域网标准，并于1997年6月制定出全球第一个无线局域网标准
1EEE802.11。

IEEE 802.11 WLAN标准又使得不同供应商的产品具有了互操作性。

目前1Mbps 和2Mbps的WLAN技术和产品已相当成熟，整个系统的实现成本也正逐渐下降。

但与以太网(10Mbps)相比，WLAN较慢的数据传输率成了其进一步发展的瓶颈。

为此，IEEE Group 又相继推出了新的高速标准802.11b和802.11a两个新标准,而且在前不久又推出了相当于前二者的混合标准802.11g，使得WLAN的速度又向前迈进了一大步。

欧洲电信标准化协会(ETSI)的宽带无线电接入网络(BRAN)小组着手制定Hiper(High Performance Radio)接入标准，研究任务之一是Hiper LAN标准，已推出HiperLAN1和HiperLAN2。

HiperLAN1对应
1EEE802.11b，HiperLAN2与1EEE082.11a具有相同的物理层。

目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈，主要有IEEE 802.11家族、HomeRF、HyperLAN2以及蓝牙技术等，它们各有特点，其应用领域也不尽相同。

光彩夺目的IEEE 802.11家族
最经典版本IEEE802.11
1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11无线局域网(WLAN)标准工作组。

IEEE802.11无线局域网标准工作组任务为研究1Mb/s和2Mb/s数据速率、工作在2.4GHz开
放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1997年6月公布了该标准，它是第一代无线局域网标准之一。

该标准定义物理层和媒体访问控制(MAC)规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。

标准中物理层定义了数据传输的信号特征和调制。

在物理层中，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法，RF传输方法采用扩频调制技术来满足绝大多数国家工作规范。

在该标准中RF传输标准是跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)，工作在2.4000～
2.4835GHz频段。

直接序列扩频采用BPSK和DQPSK调制技术，支持1Mb/s和2Mb/s数据速率，使用11位Barker序列，处理增益10.4dB。

跳频扩频采用2～4电平GFSK调制技术，支持1Mb/s数据速率，共有22组跳频图案，包括79信道，在美国规定最低跳频速率为每秒2.5跳。

红外线传输方法工作在850～950nm段，峰值功率为2W，使用4或16电平
pulse-positioning调制技术，支持数据速率为1Mb/s和2Mb/s。

媒体访问控制(MAC)层使用载波侦听多路访问／避免冲突(CSMA／CA)协议。

由于在RF 传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替在802.3协议使用的冲突检测，使用信道空闲评估(CCA)算法来决定信道是否空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强度RSSI来完成。

CSMA／CA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。

数据加密与有线网的等同加密(WEP)算法一样，使用64位密钥和RC4加密算法。

由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准。

最流行版本IEEE802.11b
1999.9通过，主要是工作在2.4GHz（2.4 to 2.483 GHz）频段的高速物理层规范，在物理层上其实是802.11的扩展版本，支持5.5 Mbps 和 11 Mbps两个新速率。

物理层的调制方式为CCK(补码键控）的DSSS。

802.11b规定的是动态速率，允许数据速率根据噪音状况进行自动调整。

这就意味着802.11b设备在噪声的条件下将以更低速率、1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps等多种速率传输。

多速率机制的介质接入控制（MAC）确保当工作站之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限时，传输速率能够从11Mbps 自动降到5.5Mbps，或者根据直接序列扩频技术调整到2Mbps 和1Mbps。

802.11b的物理层分为PLCP和PMD子层。

PLCP是专为写入MAC子层而准备的一个通用接口，并且提供载波监听和无干扰信道的评估。

PLCP有两种结构，长报头和短报头，所有相应的802.11b系统必须支持长报头，短报头（可选项）是在传输诸如语音、VoIP和视频流之类的特殊数据。

而PMD子层则承担无线编码的任务。

早期的802.11b无线局域网技术已经在纵向市场应用方面取得成功，例如生产、存货控制和零售点等方面，仅仅在１９９９年就已经取得了４亿美元的销售额。

而且目前
802.11b实际上已经成为WLAN市场上的主流技术。

随着802.11b性能价格比实质性的提高，一个全新的横向市场应用将全面展开。

最有希望版本IEEE802.11a
它扩充了标准的物理层，规定该层使用5GHz 的频带, 频段：5.15-5.25, 5.25-5.35 and 5.725-5.825 GHz bands，其物理层的吞吐量分为6、12、18、24、36、48、54Mbps。

高端的5.8GHz频段，由于输出功率高，适于建筑物之间或室外环境的无线应用。

低端的 5.2 GHz 和中部的 5.3 GHz 频段特别适合于建筑物内的产品。

对于 5.2 GHz band 的设备必须使用集成天线。

802.11a 在5GHz频段采用正交频分复用OFDM 来传输数据, 代替 802.11b的DSSS。

该技术可帮助提高速度和改进信号质量，并可克服干扰。

扩展频谱技术必须以直接序列DSSS发送信号，而OFDM技术与之不同，它可打破无线信道，将其分成以低数据速率并行传输的分频率。

OFDM技术然后可把这些频率一起放回接收端。

这一方法可大大提升无线局域网的速度和整体信号质量。

802.11a和802.11b具有相同的MAC技术都采用CSMA／CA协议，但是物理层有着很大的不同。

前者使用的是ISM波段的2.4GHZ而后者则是U-NII波段的5GHZ，相应的在这两个频段传播的信号才不会相互干扰。

因此，这两种技术是不兼容的。

但是有各种不同的策略可以使802.11b向802.11a推进，以使二者能够一种网络中同时工作。

有分析家认为，802.11a技术的普及仍需一段时间，在此之前，802.11b仍将是无线联网产品的主流。

与此同时，尽管这两种标准并不兼容，但硬件厂商将会设法提供能够同时支持这两种标准的产品。

Cahners In-Stat集团分析家Gemma Paulo预计，到2004年，基于802.11a标准的产品销售将会取代802.11b而成为市场主流。

最新混合标准IEEE802.11g
2001 年11月15日，IEEE试验性地批准一种新技术802.11g。

该技术可以提升家庭、公司和公共场所的无线互联网接入速度。

该技术使无线网络每秒传输最大速度可达54Mbps，比现在通用的802.11b要快出五倍，并且和802.11b兼容。

IEEE802.11g标准方案，工作在2.4GHz频段上。

该标准一经通过，美国Intersil 公司与美国德州仪器公司（TI公司）就分别宣布将在2002年推出用于IEEE802.11g的芯片组。

IEEE802.11g中规定的调制方式有两种，包括5GHz频帯无线LAN“IEEE802.11a”中采用的OFDM与IEEE802.11b中采用的CCK。

通过规定两种调制方式，既达到了用2.4GHz频段实现IEEE802.11a水平的数据传送速度，也确保了与装机数量超过1100万台的IEEE802.11b 产品的兼容。

TI公司提案的可实现22Mbit/秒数据传送速度的PBCC-22（CCK-PBCC）调制方式与CCK-OFDM也可以作为选项使用。

802.11g其实是一种混合标准，它既能适应传统的802.11b标准，在2.4GHz频率下提供每秒11Mbit/s数据传输率，也符合802.11a标准在5GHz频率下提供54Mbit/s数据传输
率。

TI公司无线网络业务部门总经理Mike Hogan称,“基于PBCC技术的无线局域网可以很好地兼容802.11b，这有效地保护了用户的投资，同时它还提供了更高的数据传输速率和覆盖范围。

”他称，PBCC技术比OFDM技术优越，其覆盖范围要广，数据传输速率达到了22Mbps，这就向后兼容了802.11b标准的11Mbps。

而Intersil公司认为，OFDM技术由于其优越的性能，与德州仪器公司的PBCC (packet binary convolutional coding) 技术相比，已经得到了工业界更为广泛的支持。

同时，OFDM 技术的数据传输速率更快，达到了54Mbps。

一些分析家认为，由于OFDM技术已经被FCC批准而在5GHz频段得到了采用，因而OFDM成为802.11g标准的试用方案
力不从心的HomeRF
1998年，由Intel、IBM、compaq、3com、Philps、Microsoft、Motorola等成立家用射频工作组HRFWG(Home RF Working Group)。

这个工作组由美国家用射频委员会领导。

HomeRF 是由HomeRF工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方，在PC和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。

HomeRF工作组于1998年制定了共享无线访问协议SWAP （Sharde Wirdless Access Protocol）。

该协议主要针对家庭无线局域网，采用简化的IEEE802.11协议标准和DECT。

Home RF工作组的工作频率为2.4GHz，支持语音和数据。

Home RF的传输速率原来为2Mb/s，这也是有的文章说Home RF最大数据速率为2Mb/s 的依据。

但是，去年8月31日美国联邦通信委会(FCC)批准了Microsoft.Intel.Motorola 等Home RF工作组成员的要求，允许Home RF的传输速率由2Mb/s提高到8—11Mb/s，而且，Home RF工作组的成员提出将发射带宽由原来的1MHz提高到5MHz，如果此付诸实施，数据数率会进一步提高。

HRFWG已有近100名会员，但是，Home RF难以脱颖而出，这个方案既受到外来竞争，又受到内部成员的攻击。

Home RF支持话音和数据，于是，“接收端必须捕获传输信号的数据头和几个数据包，判断是话音还是数据包，进而切换到相应的模式”，因此，内部成员认为，该方案“未免有点不切实际”，此外，对于FCC批准Home RF传输速主继8—11Mb/s，内部成员有些反对。

竞争者有蓝牙(Bluetooth)和1EEE802.11。

这个专用于家庭设备组网的协议前程如何，让我们拭目以待。

欧洲宠儿——HyperLAN2
HiperLAN2是为集团消费者、公共和家庭环境提供无线接入到因特网和未来多媒体，即实时视频服务。

由欧洲电信标准化协会(ETSI)的宽带无线电接入网络(BRAN)小组着手制定，已推出HiperLAN1和HiperLAN2。

有人称HiperLAN2代表目前发展阶段的最先进的WLAN技术，有人也称其为是下一代高速WLAN技术的标准,其工作在5GHZ，速率可达54Mbps。

而且作为一种标准，特别是在欧洲它得到了业界的广泛支持。

很多相关文章谈论IEEE802.11标准较多，而对于BRAN提出的标准谈得少，而事实上，HiperLAN1和 HiperLAN2标准是重要的。

HiperLAN1对应1EEE802 11b，HiperLAN2与1EEE082 11a具有相同的物理层。

HiperLAN1采用高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制，其速率最大23.5Mbps,也是工作在
5.3GHZ。

HiperLAN2的网络结构
HiperLAN2的主要特征如下：
高速数据传输物理层最高可达54Mb/s，网络层可达32Mb/s。

为了达到这样的要求,其采用了正交频分复用（OFDM）的调制,MAC子层有别于以往的CSMA及其改进方式，而采用一种动态时分复用的技术来保证最有效地利用无线资源。

面向链接的机制在HiperLAN2中，数据是通过MT和AP之间事先建立的信令链接来进行传输的，该链接通过空中接口实现时分复用。

QoS支持面向链接的特点使得HiperLAN2可以很容易地实现QoS支持，每个链接可以被指定一个特定的QoS，如带宽、时延、误码率等。

也可以给每个链接预先指定一个优先级。

QoS保障加上高速率的数据传输，使得该系统非常适合于同步地传输多媒体数据流，包括话音、视频和数据。

自动频率分配不需要像GSM网那样进行人工的频率分配。

每个AP都会在其覆盖范围内选择最合适的无线信道。

AP在工作的过程中同时监听环境干扰信息和邻近的其他AP，进而根据无线信道是否被其它AP占用和环境干扰最小化的原则选择合适的信道。

自动频率分配是HiperLAN2最大的特色。

安全性支持 HiperLAN2网络支持鉴权和加密。

通过鉴权，使得只有合法的用户可以接入网络，而且只能接入通过鉴权的有效网络。

而无线网络由于固有的开放性，其安全性通常远不如有线网，因此在业务流上进行加密是目前一种较为有效的安全手段.
移动性支持在HiperLAN2中，MT必须通过“最近”的AP，或者说信噪比最高的AP来收发数据。

因此当MT移动时，必须随时检测附近的AP，一旦发现其它AP有比当前AP更好的传输性能，就请求切换。

切换之后，所有已经建立的链接将转移到新的AP之上。

在切换过程中，通信不会发生中断，但一定数量的丢包是允许的.如果MT离开了无线覆盖区域一定的时间，它将丧失与HiperLAN2网络的联系并释放所有链接。

网络与应用的独立性 HiperLAN2的协议栈具有很大的灵活性，可以适应多种固定网络类型。

因此HiperLAN2网络既可以作为交换式以太网的无线接入子网，也可以作为第三代蜂窝网络的接入网，并且这种接入对于网络层以上的用户部分来说是完全透明的.当前在固定网络上的任何应用都可以在HiperLAN2网上运行。

相比之下，IEEE802.11的一系列协议都只能由以太网作为支撑，因此这种高度的灵活性也是HiperLAN2的特色。

节能管理 HiperLAN2网络中，节能管理的机制基于MT发起的节能请求。

在任何时刻，MT都可以向AP请求进入低功耗状态或休眠期。

针对不同的需求，比如要求较短等待时间或较低的功率，可以采用不同的休眠期。

爱立信是HiperLAN2主要支持者，在欧洲HiperLAN2颇为盛行。

HiperLAN2将是
IEEE802.11家族的强有力竞争者。

面向个人区域网络的蓝牙技术
1998年5月，瑞典爱立信（Ericsson）、芬兰诺基亚（Nokia）、日本东芝（Toshiba）、美国IBM和Intel公司等五家着名厂商，在联合开展一项旨在实现网络中各类数据及语音设备互连的计划，并为纪念一千多年前统一北欧的丹麦国王，将这种将在全球通用的无线传送技术命名为“蓝芽”，取其统一天下之意；1999年下半年，着名的业界巨头微软（Microsoft）、摩托罗拉（Motorola）、3Com、朗讯（Lucent）与蓝牙特别小组(Bluetooth SIG)的五家公司共同发起成立了“蓝牙”技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热。

“蓝牙”技术在短短的时间内，以迅雷不及掩耳之势席卷了世界各个角落。

到2000年12月止，已有2047位会员加入蓝牙联盟。

一项公开的技术规范得到工业界如此广泛的关注和支持是以往罕见的，最近美国权威杂志《网络计算》将蓝牙技术评为“十年来十大热门新技术”
蓝牙技术工作在2.4GHz ISM频段，提供低价、强壮的、大容量的语音和数据网络。

其实质内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。

主要技术特点如下：
１．Bluetooth的指定范围是10米（或者0dBm），在加入额外的功率放大器后，可以将距离扩展到100米（或者20dBm）。

辅助的基带硬件可以支持4个或者更多的语音信道。

２．提供低价、大容量的语音和数据网络。

最高数据率为723.2kb/s的异步（返回速率57.6kb/s)或 434Kbs symmetric ,或者最多3条语音链路；
３．使用快速跳频(1600跳/秒)避免干扰；在干扰下,使用短数据帧来尽可能增大容量；使用1Ms/s符号速率以达到最大限制带宽。

４．支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Piconet），多个微波网又可互连成特殊分散网（ad hoc scatternet），形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。

它能在一个微微网内寻址8个设备（实际上互联的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主,7个为从）。

５．任一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个惟一的48bit的BD_ADDR。

它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。

在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码（ID）在全球的惟一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。

６．TDMA结构。

采用TDD方案来实现全双工传输，蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首先是发送分组，然后是接收分组。

蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换，支持实时的同步定向联接（SCO）和非实时的异步不定向联接（ACL），前者主要传送话音等实时性强的信息，在规定的时隙传输，后者则以数据为主，可在任意时隙传输。

其实严格的来说该技术并不算一种WLAN技术，它面向的是移动设备间的小范围连接，因而本质上说它是一种代替线缆的技术。

它可以用来在较短距离内取代目前多种线缆连接方案，并且克服了红外技术的缺陷可穿透墙壁等障碍，通过统一的短距离无线链路，在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。

蓝牙技术的应用范围相当广泛，可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如PC（个人计算机）、HPC（掌上型计算机）、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等。

蓝牙是人们的热门话题，有的文章把它说成是万能的。

不少厂商投入大量资金、大力推出蓝牙芯片和蓝牙产品。

蓝牙技术被炒得风风火火，一些厂家也把蓝牙产品在展览会上亮相、表演，但是，在现实生活中，对我们来说仍然只是一个时髦的词语。

据报道，对蓝牙产品的全面测试(包括硬件和软件测试)问题还没有解决，加上很关键的蓝牙芯片价格贵等问题，蓝牙产品要实用化，还有待测试等问题得到解决。

当然，一旦存在的问题解决了，蓝牙技术会得到广泛的应用，特别是在一些特殊场所，如前面提到高速列车，利用蓝牙技术组建无线局域网，是会有独特的好处。

蓝牙特殊利益集团已有会员2000多，加上标准协会支持(如IEEE802.15)，应该确信，存在的问题很快会得到解决，到时候，数码相机、电脑、无绳电话、个人了助理(PDA)、打印机等设备会嵌入蓝牙芯片。

我国政府行业主管部门、科研部门和生产厂商十分关注蓝牙技术的进展，已成立中国蓝牙技术发展与应用论坛，科研与生产单位也在着手蓝牙产品的开发。

一句话，蓝牙技术先进，蓝牙产品一定会有很好的市场。

物竞天择，谁主沉浮？
目前，无线局域网仍处于众多标准共存时期。

每一标准的背后都有大公司或者大集团的支持。

在美国和欧洲，形成了几个互不相让的高速无线标准： 802.11b（也有称Wi-Fi）由3Com、Lucent、Apple、Cisco等公司支持，这个标准目前在北美非常流行；与其竞争的标准是由Intel、Proxim、Motorola、Compaq支持的HomeRF标准；美国IEEE创建了另外一种高速无线标准802.11a，比当前的802.11b技术快近5倍；欧洲电信标准委员会创建了一个很有竞争力的高速标准HyperLAN2，爱立信公司是主要的支持者，目前欧洲普遍采用HyperLAN2标准。

现在，没有人能够解决无线互联标准不统一的问题，主要是因为行业发展太快而标准跟不上，造成标准“百花齐放”。

有专家估计，最坏的情况是北美使用802.11a标准而欧洲使用HyperLAN2标准。

据悉，Intel、Microsoft和Compaq公司就下一代无线标准成立了一个机构，试图把欧美双方拉到一起，解决他们在标准上的分歧。

还有有一种说法，将来无线联网的标准都会归结到“蓝牙”。

虽然多种标准并存，但并没有制约产业的迅速发展，原因是，目前无线局域网一般还不能单独应用，只是作为局域网的备用或补充。

就像宽带接入市场有ADSL、ISDN、Cable Modem 等接入方式并没有妨碍用户的宽带上网一样，同一个局域网中很少会用到不同标准的无线局域网，因此，不存在不同标准的WLAN之间互连的问题。

从这个意义上来说，各大厂商坚持推出自己的产品和标准有其自身的道理，一般来讲，统一标准的产生都滞后于产品和市场，
谁家的产品市场覆盖面最广，谁就有可能成为事实的标准。

另外值得一提的是，目前在中国大陆市场中推得比较成功的无线局域网产品，如Cisco 和3Com的产品，均是支持802.11b协议。

在世界大学生运动会上和在ＡＰＥＣ会议期间，802.11b都有成功的运用，这是否预示着802.11b会成为中国的主流无线局域网标准呢？
无线局域网的发展过程可以用“更快、更便宜”来形容。

无线局域网技术已经相当成熟: 速率从1Mbps增长到了54Mbps。

但这还仅仅是个开始:：无线局域网的标准出现也就是四个年头，高速无线局域网标准才刚刚度过其两周岁生日。

随着标准的发展与无线网络产品的成熟，局域网能够覆盖有线网络所无法顾及的领域, 它能够用传统联网成本的一个零头来进行高速连接。

当然，无线局域网会在实用中发展，肯定不断还会有新的技术出现，如ATM无线局域网。

总之，无线局域网应用广、市场大,前景不可估量。

(计算机世界网)。