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1第9章WIFI技术9.1WIFI技术概述9.2WIFI协议架构9.3WIFI技术应用小结2本章目标了解WIFI技术及其标准。了解WIFI技术协议架构。了解WIFI技术应用。3学习导航4目前国内外的无线传感器网络所使用的无线通信技术大多采用Zigbee技术。但是针对于需要高速率传输的无线传感器网络，选择Zigbee技术并不是最佳的选择，而WIFI技术正好可以弥补Zigbee传输速率低的缺点。WIFI全称为WirelessFidelity，又称IEEE802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mb/s，另外有效距离也较长，与已有的各种IEEE802.11DSSS设备兼容。本章介绍WIFI技术的技术标准、组网方式及协议架构。9.1WIFI技术概述59.1.1概述WIFI即无线保真技术或无线相容性认证，是一种无线局域网传输的技术与规格，即IEEE所定义的无线通信标准IEEE802.11。无线局域网是有线局域网的扩展和替换，是在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。IEEE802.11标准发表于1997年，其中定义了介质访问控制层和物理层，随后，IEEE又发布了一些补充协议，包括物理层的补充协议802.11a/b/g和其他一些服务相关协议。总之，WIFI属于短距离无线技术，使用2.4G附近的频段，覆盖范围可达到几百米，多用于家庭和办公无线接入场合。6WIFI技术具有如下特点：无线电波的覆盖范围广。WIFI覆盖范围半径可达到100m左右，可以在普通大楼中使用。WIFI传输速度快，可以达到11Mb/s，但是传输的无线通信质量和传输的安全性能不是很好。厂商进入该领域的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店等公共场所设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。无需布线。WIFI最主要的优势在于无需布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。79.1.2IEEE802.11WLAN标准IEEEWLAN标准开始于20世纪80年代中期，它是由美国联邦通信委员会(FCC)为工业、科研和医学频段的公共应用提供授权而产生。这项政策使各大公司和终端用户不需要获得FCC许可证，就可以应用无线产品，促进了WLAN技术的发展和应用。WLAN标准的第一个版本发表于1997年，即IEEE802.11，定义了介质访问控制层(MAC)和物理层。最初的版本主要用于办公室局域网和校园网，用户和用户终端的无线接入业务主要限于数据存取，速率最高达到2Mb/s。8由于802.11在速率和传输距离上都不能满足需要，1999年，IEEE小组又相继推出两个补充版本：802.11a和802.11b。802.11a定义了一个在5GHz的ISM频段上，数据传输速率可达到54Mbit/s的物理层；802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上，但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层，成为第一个在WIFI标准下将产品推向市场的标准。1999年，工业界成立了WIFI联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。2003年6月，IEEE802.11g规范正式批准，物理层速率提高到54Mb/s，并提高了与IEEE802.11b设备在2.4GHzISM频段的公用能力。9所示为IEEE802.11标准的发展，对各种版本的安全、局部灵活性，网状网络、高层数据传输速率性能改进等主要特性进行简要分析。10表9-1IEEE802.11标准家族标准主要特性IEEE802.11原始标准，支持速率2Mb/s，工作在2.4GHzISM频段IEEE802.11a高速WLAN标准，支持速率54Mb/s，工作在5GHzISM频段，使用OFDM调制IEEE802.11b最初的WIFI标准，提供速率11Mb/s，工作在2.4GHzISM频段，使用DSSS和CCK11续表标准主要特性IEEE802.11d使所用频率的物理层电平配置、功率电平、信号带宽可遵从当地RF规范，从而有利于国际漫游业务IEEE802.11e规定所有IEEE802.11无线接口的服务质量要求，提供TDMA的优先权和纠错方法，从而提高时延敏感型应用的性能IEEE802.11f定义了推荐方法和公用接入点协议，使得接入点之间能够交换需要的信息，以支持分布式服务系统，保证不同生产厂商的接入点的公用性。例如支持漫游IEEE802.11g数据速率提高到54Mb/s，工作在2.4GHzISM频段，使用OFDM调制技术，可与相同网络中的IEEE802.11b设备共同工作IEEE802.11h5GHz频段的频谱管理，使用动态频率选择和传输功率控制，满足欧洲对军用雷达和卫星通信的干扰最小化的要求IEEE802.11i指出了用户认证和加密协议的安全弱点。在标准中采用高级加密标准和IEEE802.1x认证IEEE802.11j日本对IEEE802.11a的扩充，在4.9～5.0GHz之间增加RF信道IEEE802.11k通过信道选择、漫游和TPC来进行网络性能优化。通过有效加载网络中的所有接入点，包括信号强度强弱的接入点，来最大化整个网络吞吐量IEEE802.11n采用MIMO无线通信技术、更宽的RF信道及改进的协议栈，提供更高的数据速率，从150Mb/s、350Mb/s至600Mb/s，可向后兼容IEEE802.11a、802.11b和802.11gIEEE802.11p车辆环境无线接入，提供车辆之间的通信或车辆的路边接入点的通信，使用工作在5.9GHz的授权智能交通系统IEEE802.11r支持移动设备从基本业务区到基本业务区的快速切换，支持时延敏感服务，如VoIP在不同接入点之间的站点漫游IEEE802.11s扩展了IEEE802.11MAC来支持扩展业务区网状网络。IEEE802.11s协议使得消息在自组织多跳网状拓扑结构网络中传递IEEE802.11T评估IEEE802.11设备及网络的性能测量、性能指标及测试过程的推荐方法，大写字母T表示推荐而不是技术标准IEEE802.11u修正物理层和MAC层，提供一个通用及标准的方法与非IEEE802.11网络(如蓝牙、WIMAX)共同工作IEEE802.11v扩大了网络吞吐量，减少冲突，提高网络管理的可靠性IEEE802.11w扩展了IEEE802.11对数据帧的管理和保护以提高网络安全129.1.3组网方式WIFI连接点的网络成员和结构如下：基本服务单元：网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成，站点可以动态地连接到基本服务单元中。分配系统：用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介逻辑上和基本服务单元相同，但使用的媒介是截然分开的，尽管物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。13站点：网络最基本的组成部分，指任何采用IEEE802.11MAC层和物理层协议的设备。接入点：在一组站点和分布式系统之间提供接口的站点。接入点既有普通站点身份，又有接入到分配系统的功能。扩展服务单元：由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上的组合。不同的基本服务单元有可能在地理位置上相距较远。分配系统也可以使用各种各样的技术。14IEEE802.11只负责在站点使用的无线的媒介上寻址。分配系统和其他局域网的寻址不属于无线局域网的范围。IEEE802.11标准定义了两种基本服务单元：Adhoc模式和固定模式。15图9-1Adhoc模式拓扑结构161. Adhoc模式若两个或两个以上的IEEE802.11站点直接相互通信而不依靠接入点或有线网络，则形成Adhoc网络。Adhoc模式也称为对等模式，允许一组具有无线功能的计算机或移动设备之间为数据共享而迅速建立起无线连接，如图9-1所示。Adhoc模式中的基本业务区称为独立基本业务区，在同一独立基本业务区下所有站点广播相同的信标帧，使用随机生成的基本服务组ID。172.固定模式固定模式为站点与接入通信取代站点间直接通信。例如：家庭WLAN有一个接入点及多个通过以太网集成器或交换机连接的有线设备，如图9-2所示。18图9-2固定结构模式拓扑结构19每个移动设备既是普通的站点，又是接入点。在基本服务组内站点间通过接入点实现通信，即使两个站点位于相同的单元中。在简单的网络中，采用这种在单元内先从发送站点到接入点、再从接入点到目的站点的通信方式似乎是没必要的，但当接收站处于待机模式、临时不在通信范围内以及切断时，接入点可以缓存数据。这是基本服务组和独立基本服务组相比优势所在。在固定结构模式中接入点还可以承担广播信标帧的任务。20接入点连接到分布式系统，分布式系统通常是有线网络，接入点也可以作为连接到其他无线网络单元的无线网桥，此时，含有一个接入点的单元即为一个基本服务组。在一个局域网中的两个或多个这样的单元构成了扩展业务组。21IEEE802.11标准规范定义了一个通用的媒体访问层(MAC)，提供了支持基于802.11无线网络操作的多种功能。9.2.1802.11规范9.2WIFI协议架构22图9-3IEEE802.11逻辑结构23IEEE802.11标准规范逻辑结构包括了无线局域网的物理层和媒体访问控制层(MAC)。逻辑链路控制层(LLC)由IEEE802.2规范定义，也用于以太网IEEE802.3中。逻辑链路控制层为网络层和高层协议提供链路，如图9-3所示。每个IEEE802.11站点都由MAC层实现，通过MAC层站点可以建立网络或接入已存在的网络，并传送给逻辑链路控制层数据。以上使用了两种服务：站点服务和分布式系统服务，并通过通信站点MAC层之间的各种管理、控制、数据帧的传输来实现站点服务和系统服务。在使用站点服务和系统服务之前，MAC首先需要接入到基本服务组内的无线传输媒体，同时多站点也竞争加入接入传输媒体。249.2.2无线媒体接入由于无线电收发信机不能在既发送又接收的同时还监听其他站点的发射，所以无线网络站点无法检测到自己的发射和其他站点发射的冲突，导致了无线网络中多个发射站点的共享媒体接入的实现比有线网络复杂。IEEE802.11标准定义了一些MAC层协调功能来调节多个站点的媒体接入，可选择点协调功能和分布式协调功能两种模式。点协调功能可以在时间要求严格的情况下为站点提供无竞争的媒体接入。25分布式协调功能可对基于接入竞争采取带有冲突避免的载波检测多路访问(CSMA/CA)机制。这两种模式可以在时间上交替使用，即一个点协调功能的无竞争周期后面紧跟一个分布式协调的竞争周期。分布式协调功能使用的媒体接入方法是载波监听/冲突避免(CSMA/CA)，如图9-4所示。26图9-4IEEE802.11CSMA/CA27在这种方式下，要发送数据的站点首先检测信道是否繁忙，如果信道正在被使用就继续检测信道，直至信道空闲。一旦信道空闲，站点就再等一个设定的时间即分布式帧间间隙(对于IEEE802.11b网络，这个时间为50μs)，如果站点在分布式帧间间隙结束前没有监听到其他站点发送数据，首先应将时间分为多个时隙单元，然后选择一个以时隙为单元的随机退避时间，继续检测信道。28CSMA/CA是一种简单的媒体接入协议，由于发送数据包的同时不能检测到信道上有无冲突，因而只能尽量避免冲突。当存在干扰时，站点会不停地退避来避免或等待信道空闲，网络的吞吐量会严重下降，也没有服务质量的保证。因为所有的站点都要竞争接入，所以CSMA/CA是基于竞争的协议。299.2.3物理层1997年完成并公布的IEEE802.11标准的最初版本支持3种可选的物理层：调频序列扩频、直接序列扩频和红外物理层。这三种物理层支持的数据速率为1Mb/s和2Mb/s。调频序列扩频：规定了2.44GHz为中心、间隔为1MHz的78个调频信道，这些调频信道26个为一组，被分成3组，最大跳跃速率为2.5跳/s，由物理层管理子层决定选用哪一组。调频序列扩频采用两级和四级高斯频移键控(GFSK)，分别实现速率1Mb/s和2Mb/s。30直接序列扩频(工作在2.4G)：将工作的频段分为11个