無限無線之理論篇

2019-11-05 02:44:28

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供稿：網友

　　您是否渴望在寬敞的辦公室內不依靠繁雜的網絡線纜，就能將各個角落的計算機連接起來，從而在一定范圍內自由地擺放電腦卻絲毫不影響網絡的通訊，實現資源及網絡方便、快捷的共享？您是否渴望在舒適的家中不必再忍受網絡布線的煩惱，自由安閑地在家里的任何位置實現Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互聯，甚至是移動中……

　　所有的這些夢想，如今已不再是可望而不可即的“空中樓閣”。基于Ｗｉ－Ｆｉ標準的ＩＥＥＥ８０２．１１系列無線局域網（ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ，簡稱ＷＬＡＮ）已將人們“無線”的愿望變成了現實。無需復雜的設計、煩瑣的布線；無需龐大的投入、高昂的成本。無線局域網以其功能強大、組網靈活、移動性優越等優點，提供了不受限制的廣泛應用。令“移動互聯”的實現越來越輕松簡單，真正地融入人們的工作生活中。

　　概念

　　科技的飛速發展，信息時代的網絡互聯已不再是簡單地將計算機以物理的方式連接起來，取而代之的是合理地規劃及設計整個網絡體系、充分利用現有的各種資源，建立遵循標準的高效可靠、同時具備擴充性的網絡系統。無線網絡的諸多特性，正好符合了這一需求。

　　一般而言，凡采用無線傳輸的計算機網絡都可稱為無線網。從WLAN到藍牙、從紅外線到移動通信，所有的這一切都是無線網絡的應用典范。就本文的主角——WLAN而言，從其定義上可以看到，它是一種能讓計算機在無線基站覆蓋范圍內的任何地點（包括戶內戶外）發送、接收數據的局域網形式，說得通俗點，就是局域網的無線連接形式。

　　接著，讓我們來熟悉一下Wi-Fi。就目前的情況來看，Wi-Fi已被公認為WLAN的代名詞。但要注重的是，這二者之間有著根本的差異：Wi-Fi是一種無線局域網產品的認證標準；而WLAN則是無線局域網的技術標準，二者都保持著同步更新的狀態。

　　Wi-Fi的英文全稱為“Wireless Fidelity”，即“無線相容性認證”。之所以說它是一種認證標準，是因為它并不是只針對某一WLAN規范的技術標準。例如，IEEE 802.11b是較早出臺的無線局域網技術標準，因此當時人們就把IEEE 802.11b標準等同于Wi-Fi。但隨著無線技術標準的多樣化，Wi-Fi的內涵也就相應地發生了變化，因為它針對的是整個WLAN領域。

　　由于無線技術標準的多樣化出現，所使頻段和調頻方式的不盡相同，造成了各種標準的無線網絡設備互不兼容，這就給無線接入技術的發展帶來了相當大的不確定因素。為此。1999年8月組建的WECA（無線以太網兼容性聯盟）推出了Wi-Fi標準，以此來統一和規范整個無線網絡市場的產品認證。只有通過了WECA認證，廠家生產的無線產品才能使用Wi-Fi認證商標，有了Wi-Fi認證，一切兼容性問題就變得簡單起來。用戶只需認準Wi-Fi標簽，便可保證他們所購買的無線AP、無線網卡等無線周邊設備能夠很好地協同工作。
　　原理

　　盡管各類無線網所遵循的標準和規范有所不同，但就其傳輸方式來看則不外兩種，即無線電波方式和紅外線方式。其中紅外線傳輸方式是目前應用最廣泛的一種無線網技術，我們所使用的家電遙控器幾乎都是采用紅外線傳輸技術。作為一種無線局域網的傳輸方式，紅外線傳輸的最大優點是不受無線電波的干擾，而且紅外線的使用也不會被國家無線電治理委員會加以限制。然而，紅外線傳輸方式的傳輸質量受距離的影響非常大，并且紅外線對非透明物體的穿透性也非常差，這就直接導致了紅外線傳輸技術與計算機無線網的“主角地位”無緣；相比之下，無線電波傳輸方式的應用則廣泛得多。基于本文的定位，在此筆者僅簡單介紹無線電波的調制方式。

　　１．擴展頻譜方式

　　在這種方式下，數據信號的頻譜被擴展成幾倍甚至幾十倍后再被發射出去。這一做法固然犧牲了頻帶帶寬，但卻提高了通信系統的抗干擾能力和安全性。

　　采用擴展頻譜方式的無線局域網一般選擇的是ISM頻段，這里ISM分別取于Industrial、Scientific及Medical的第一個字母。許多工業、科研和醫療設備的發射頻率均集中于該頻段。例如美國ISM頻段由902MHz~928MHz，2.4GHz~2.48GHz，5.725GHz~5.850GHz三個頻段組成。假如發射功率及帶寬輻射滿足美國聯邦通信委員會（FCC）的要求，則無須向FCC提出專門的申請即可使用ISM頻段。

　　２．窄帶調制方式

　　顧名思義，在這種調制方式下，數據信號在不做任何擴展的情況下即被直接發射出去。與擴展頻譜方式相比，窄帶調試方式占用頻帶少，頻帶利用率高。但采用窄帶調制方式的無線局域網要占用專用頻段，因此需經過國家無線電治理部門的批準方可使用。當然，用戶也可以直接選用ISM頻段來免去頻段申請。但所帶來的問題是，當臨近的儀器設備或通信設備也在使用這一頻段時，會嚴重影響通信質量，通信的可靠性無法得到保障。

　　目前，基于IEEE 802.11標準的WLAN均使用的是擴展頻譜方式。

　　特點

　　通常計算機組網的傳輸媒介主要依靠銅纜或光纜，構成有線局域網。但有線網絡在許多場合會受到布線的限制，無論是組建，還是改造的工程均十分大。而且有線局域網還存在著線路輕易損壞、網絡節點不可移動等缺陷。非凡是連接相距較遠的節點時，鋪設專用通訊線路布線的施工難度大，費用、耗時多。這些問題都對正在迅速擴大的聯網需求形成了嚴重的瓶頸阻塞，限制了互聯網的發展。

　　WLAN的出現，則充分解決了有線網絡先天性缺陷所帶來的一系列問題。與有線網絡相比，WLAN具備了如下特定優勢。
　　●安裝便捷：在網絡的組建過程中，施工周期最長、對周邊環境影響最大的就是網絡布線了。而無線局域網的組建則減少甚至免去了這部分繁雜的工作量，一般只需在該區域安放一個或多個無線接入（access Point）設備即可建立網絡覆蓋。

　　●使用靈活：在有線網絡中，網絡設備的安放位置受網絡信息點位置的限制。而WLAN一旦建成后，在信號覆蓋區域內的任何位置都可方便地接入網絡，進行數據通信。

　　●經濟節約：出于有線網絡靈活性的不足，往往設計者要盡可能地考慮到未來擴展的需要，在網絡規劃時要預設大量利用率較低的接入點，造成資源浪費。而且一旦網絡的發展超出了預期的規劃，整體的改造也將是一筆不小的開支。WLAN的出現，則徹底解決了這一規劃上的難題，充分保護了用戶的投資，而且改造和維護起來也十分簡便。

　　●易于擴展：同有線局域網一樣，WLAN具備了多種配置方式，能根據實際需要靈活選擇、合理搭配。如此一來，無論是幾個用戶的小型網還是上千用戶的大型網WLAN都能勝任，并能提供像“漫游”（Roaming）等有線網絡無法提供的特性。

　　目前，無線局域網的數據傳輸速率可達54Mbps，已經非常接近有線局域網的傳輸速率，而且其遠至20km 的傳輸距離也是有線局域網所望塵莫及的。作為有線局域網的一種補充和擴展，WLAN使計算機具有了可移動性，能快速、方便地解決有線網絡不易實現的網絡連通問題，成為今后網絡發展的主導方向。標準

　　伴隨著英特爾迅馳“移動計算”技術的深入人心（如圖），許多人在熟悉了無線局域網后將其誤認為近幾年的科技成果。其實不然，早在50年前的第二次世界大戰期間，美國陸軍就已開始采用無線電波傳輸數據資料。由于這項無線電傳輸技術采用了高強度的加密方式，因此在當時獲得了美軍和盟軍的廣泛支持。與此同時，這項技術的運用也讓許多研究者得到了靈感。到1971年時，夏威夷大學（University of Hawaii）的幾名研究員創造了第一個基于“封包式”技術的無線電網絡。這個被稱為ALOHNET的網絡已經具備了無線局域網的雛形，它由7臺計算機、并采用雙向星型拓撲結構組成，橫跨了夏威夷整個島嶼，中心計算機則放置在瓦胡島（Oahu Island）上，至此，無線局域網正式誕生。

　　到了近代，伴隨著以太局域網的迅猛發展，無線局域網以其安裝簡便、使用靈活等優點贏得了特定市場的認可。但也正因為當時的無線局域網是作為有線局域網的一種補充，使得基于802.3架構上的無線網絡產品存在著極易受干擾、性能不穩定、傳輸速率低且不易升級等缺陷，不同廠商之間的產品也互不兼容，從而限制了無線局域網的進一步發展。于是，規范和統一無線局域網標準的IEEE 802.11委員會在1990年10月成立，并于1997年6月制定了具有里程碑性的無線局域網標準——IEEE 802.11。

　　IEEE 802.11標準是IEEE制定的無線局域網標準，主要對網絡的物理層（PH）和媒質訪問控制層（MAC）進行規定，其中對MAC層的規定是重點。各廠商的產品在同一物理層上可以互相操作。這樣就使得無線局域網的兩種主要用途——“多點接入”和“多網段互聯”更易于低成本實現，從而為無線局域網的進一步普及打通了道路。
　　規范

　　迄今為止，電子電器工程師協會（IEEE）已經開發并制定了4種IEEE 802.11 無線局域網規范：IEEE 802.11、IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g。所有的這4種規范都使用了防數據丟失特征的載波檢測多址連接（CDMA/CD）作為路徑共享協議。任何局域網應用、網絡操作系統以及網絡協議（包括互聯網協議、TCP/ip）都可以輕松運行在基于IEEE 802.11規范的無線局域網上，就像以太網那樣。但是WLAN卻沒有“飛檐走壁”的連接線纜。

　　早期的IEEE 802.11標準數據傳輸率為2Mbps，后經過改進，傳輸速率達11Mbps的IEEE 802.11b也緊跟著出臺。但隨著網絡的發展，非凡是IP語音、視頻數據流等高帶寬網絡應用的頻繁，IEEE 802.11b規范11Mbps的數據傳輸率不免有些力不從心。于是，傳輸速率高達54Mbps的IEEE 802.11a和IEEE 802.11g隨即誕生。下面就從性能及特點上入手，來分別介紹這三種當今主流的無線網絡規范。

　　１．ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ

　　從性能上看，IEEE 802.11b的帶寬為11Mbps，實際傳輸速率在5Mbps左右，與普通的10Base-T規格有線局域網持平。無論是家庭無線組網還是中小企業的內部局域網，IEEE 80

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