无线网络通信技术完全介绍(1)(2)
二、无线城域网(WMAN)
在1999年，美国电气与电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE)设立了IEEE 802.16工作组，其主要工作是建立和推进全球统一的无线城域网技术标准。在IEEE 802.16工作组的努力下，近些年陆续推出了IEEE 802.16、IEEE 802.16a、IEEE802.16b、IEEE 802.16d等一系列标准。然而IEEE主要负责标准的制订，为了使IEEE 802.16系列技术得到推广，在2001年成立了WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波接入互通)论坛组织，因而相关无线城域网技术在市场上又被称为“WiMAX技术”。
WiMAX技术的物理层和媒质访问控制层(MAC)技术基于IEEE 802.16标准，可以在5.8 GHz、3.5 GHz和2.5 GHz这三个频段上运行。WiMAX利用无线发射塔或天线，能提供面向互联网的高速连接。其接入速率最高达75 Mbps，胜过有线DSL技术，最大距离可达50km，覆盖半径达1.6km，它可以替代现有的有线和DSL连接方式，来提供最后1km的无线宽带接入。因而，WiMAX可应用于固定、简单移动、便携、游牧和自由移动这五类应用场景。
WiMAX论坛组织是WiMAX推广的大力支持者，目前该组织拥有近300个成员，其中包括Alcatel、AT&T、FUJITSU、英国电信、诺基亚和英特尔等行业巨头。WiMAX之所以能获得如此多公司的支持和推动，与其所具有的技术优势也是分不开的。WiMAx的技术优势可以简要概括为以下几点。
(1) 传输距离远、接入速度高、应用范围广
WiMAX采用正交频分复用(Orthogonal Freguency Division Multiplexing，OFDM)技术，能有效地抗多径干扰;同时采用自适应编码调制技术，可以实现覆盖范围和传输速率的折中;利用自适应功率控制，可以根据信道状况动态调整发射功率。正因为有这些技术，WiMAX的无线信号传输距离最远可达50km，最高接入速度达到75Mbps。由于其具有传输距离远、接入速度高的优势，其可以应用于广域接入、企业宽带接入、移动宽带接入，以及数据回传等几乎所有的宽带接入市场。
(2) 不存在“最后1km”的瓶颈限制，系统容量大
WiMAX作为一种宽带无线接入技术，它可以将Wi-Fi热点连接到互联网，也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展，实现最后1km的宽带接入。WiMAX可为50km区域内的用户提供服务，用户只要与基站建立宽带连接即可享受服务，因而其系统容量大。
(3) 提供广泛的多媒体通信服务
由于WiMAX具有很好的可扩展性和安全性，从而可以提供面向连接的、具有完善QoS保障的、电信级的多媒体通信服务，其提供的服务按优先级从高到低有主动授予服务、实时轮询服务、非实时轮询服务和尽力投递服务。
(4) 安全性高
WiMAX空中接口专门在MAC层上增加了私密子层，不仅可以避免非法用户接入，保证合法用户顺利接入，而且还提供了加密功能(比如EAP-SIM认证)，保护用户隐私。
当然，WiMAX发展还面临许多的问题，具体概括为以下几点。
① 成本问题。相对于有线产品，成本太高，不利于普及。
② 技术标准和频率问题。许多国家的频率资源紧缺，目前都还没有分配出频带给WiMAX技术适用，频率的分配直接影响系统的容量和规模，这决定了运营商的投资力度和经营方向。
③ 与现有网络的相互融合问题。IEEE 802.16系列技术标准只是规定空中接口，而对于业务、用户的认证等标准都没有一个统一的规范，因而需要通过借助现有网络来完成，因此必须解决与现有网络的相互融合问题。
总之，从技术层面讲，WiMAX更适合用于城域网建设的“最后1km”无线接入部分，尤其对于新兴的运营商更为合适。WiMAX技术具备传输距离远、数据速率高的特点，配合其他设备(比如VoIP、Wi-Fi等)可提供数据、图像和语音等多种较高质量的业务服务。在有线系统难以覆盖的区域和临时通信需要的领域，可作为有线系统的补充，具有较大的优势。随着WiMAX的大规模商用，其成本也将大幅度降低。相信在未来的无线宽带市场中，尤其是专用网络市场中，WiMAX将占有重要位置。
三、无线局域网(WLAN)
无线局域网是指以无线电波、红外线等无线媒介来代替目前有线局域网中的传输媒介(比如电缆)而构成的网络。无线局域网内使用的通信技术覆盖范围一般为半径100m左右，也就是说差不多几个房间或小公司的办公室。当然实际的覆盖范围受很多因素影响，比如通信区域中的高大障碍物。
IEEE 802.11系列标准是IEEE制订的无线局域网标准，主要对网络的物理层和媒质访问控制层进行规定，其中重点是对媒质访问控制层的规定。目前该系列的标准有：IEEE802.11、IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11d、IEEE 802.11e、IEEE802.11f、IEEE 802.11h、IEEE 802.11i、IEEE 802.11j等，其中每个标准都有其自身的优势和缺点。
下面就IEEE已经制订且涉及物理层的4种IEEE 802.11系列标准：IEEE 802.11、IEEE802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g进行简单介绍。
1.IEEE 802.11
IEEE 802.11是最早提出的无线局域网网络规范，是IEEE于1997年6月推出的，它工作于2.4GHz的ISM频段，物理层采用红外、跳频扩频(Frequency Hopsping SpreadSpectrum，FHSS)或直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技术，其数据传输速率最高可达2Mbps，它主要应用于解决办公室局域网和校园网中用户终端等的无线接入问题。使用FHSS技术时，2.4GHz频道被划分成75个1MHz的子频道，当接收方和发送方协商一个调频的模式，数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送，每次在IEEE 802.11网络上进行的会话都可能采用了一种不同的跳频模式，采用这种跳频方式避免了两个发送端同时采用同一个子频段;而DSSS技术将2.4GHz的频段划分成14个22MHz的子频段，数据就从14个频段中选择一个进行传送而不需要在子频段之间跳跃。由于临近的频段互相重叠，在这14个子频段中只有3个频段是互不覆盖的。IEEE 802.11由于数据传输速率上的限制，在2000年也紧跟着推出了改进后的IEEE 802.11b。但随着网络的发展，特别是IP语音、视频数据流等高带宽网络应用的需要，IEEE 802.11b只有11Mbps的数据传输率不能满足实际需要。于是，传输速率高达54Mbps的IEEE 802.11a和IEEE802.11g也都陆续推出。
2.IEEE 802.11b
IEEE 802.11b又称为Wi-Fi，是目前最普及、应用最广泛的无线标准。IEEE 802.11b工作于2.4GHz频带，物理层支持5.5 Mbps和11 Mbps 两个速率。IEEE 802.11b的传输速率会因环境干扰或传输距离而变化，其速率在1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps、11 Mbps 之间切换，而且在1 Mbps、2 Mbps速率时与IEEE 802.11兼容。IEEE 802.11b采用了直接序列扩频DSSS技术，并提供数据加密，使用的是高达128位的有线等效保密协议(WiredEquivalent Privacy，WEP)。但是IEEE 802.11b和后面推出的工作在5GHz频率上的IEEE802.11a标准不兼容。
从工作方式上看，IEEE 802.11b的工作模式分为两种：点对点模式和基本模式。点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式，即一台配置了无线网卡的计算机可以与另一台配置了无线网卡的计算机进行通信，对于小规模无线网络来说，这是一种非常方便的互联方案;而基本模式则是指无线网络的扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这也是IEEE 802.11b最常用的连接方式。在该工作模式下，配置了无线网卡的计算机需要通过“无线接入点”才能与另一台计算机连接，由接入点来负责频段管理等工作。在带宽允许的情况下，一个接入点最多可支持1 024个无线节点的接入。当无线节点增加时，网络存取速度会随之变慢，此时通过添加接入点的数量可以有效地控制和管理频段。
IEEE 802.11b技术的成熟，使得基于该标准网络产品的成本得到很大的降低，无论家庭还是公司企业用户，无须太多的资金投入即可组建一套完整的无线局域网。当然，IEEE 802.11b并不是完美的，也有其不足之处，IEEE 802.11b最高11Mbps的传输速率并不能很好地满足用户高数据传输的需要，因而在要求高宽带时，其应用也受到限制，但是可以作为有线网络的一种很好的补充。
3.IEEE 802.11a
IEEE 802.11a工作于5GHz频带，但在美国是工作于U-NII频段，即5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz、5.725～5.825GHz三个频段范围，其物理层速率可达54 Mbps，传输层可达25Mbps。IEEE 802.11a的物理层还可以工作在红外线频段，波长为850～950纳米，信号传输距离约10m。IEEE 802.11a采用正交频分复用(OFDM)的独特扩频技术，并提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，支持语音、数据、图像业务。IEEE 802.11a使用正交频分复用技术来增大传输范围，采用数据加密可达152位的WEP。
就技术角度而言，IEEE 802.11a与IEEE 802.11b之间的差别主要体现在工作频段上。由于IEEE 802.11a工作在与IEEE 802.11b不同的5GHz频段，避开了大量无线电子产品广泛采用的2.4GHz频段，因此其产品在无线通信过程中所受到的干扰大为降低，抗干扰性较IEEE 802.11b更为出色。高达54Mbps数据传输带宽，是IEEE 802.11a的真正意义所在。当IEEE 802.11b以其11Mbps的数据传输率满足了一般上网浏览网页、数据交换、共享外设等需求的时候，IEEE 802.11a已经为今后无线宽带网的高数据传输要求做好了准备，从长远的发展角度来看，其竞争力是不言而喻的。此外，IEEE 802.11a的无线网络产品较IEEE802.11b有着更低的功耗，这对笔记本电脑及PDA等移动设备来说也有着重大实用价值。
然而在IEEE 802.1la的普及过程中也面临着很多问题。首先，来自厂商方面的压力。IEEE 802.11b已走向成熟，许多拥有IEEE 802.11b产品的厂商会对IEEE 802.11a都持保守态度。从目前的情况来看，由于这两种技术标准互不兼容，不少厂商为了均衡市场需求，直接将其产品做成了“a+b”的形式，这种做法虽然解决了“兼容”问题，但也使得成本增加。其次，由于相关法律法规的限制，使得5GHz频段无法在全球各个国家中获得批准和认可。5GHz频段虽然令基于IEEE802.11a的设备具有了低干扰的使用环境，但也有其不利的一面，由于太空中数以千计的人造卫星与地面站通信也恰恰使用5GHz频段，这样它们之间产生的干扰是不可避免的。此外，欧盟也已将5GHz频率用于其自己制订的HiperLAN无线通信标准。
4.IEEE 802.11g
IEEE 802.11g是对IEEE 802.11b的一种高速物理层扩展，它也工作于2.4GHz频带，物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，而且它采用了OFDM技术，使无线网络传输速率最高可达54Mbps，并且与IEEE802.11b完全兼容。IEEE802.11g和IEEE802.11a的设计方式几乎是一样的。
IEEE 802.11g的出现为无线传感器网络市场多了一种通信技术选择，但也带来了争议，争议的焦点是围绕在IEEE 802.11g与IEEE 802.11a之间的。与IEEE 802.11a相同的是，IEEE802.11g也采用了OFDM技术，这是其数据传输能达到54Mbps的原因。然而不同的是，IEEE 802.11g的工作频段并不是IEEE 802.11a的工作频段5GHz，而是和IEEE 802.11b一致的2.4GHz频段，这样一来，使得基于IEEE 802.11b技术产品的用户所担心的兼容性问题得到了很好的解决。
从某种角度来看，IEEE 802.11b可以由IEEE 802.11a来替代，那么IEEE 802.11g的推出是否就是多余的呢?答案当然是否定的。IEEE 802.11g除了具备高数据传输速率及兼容性的优势外，其所工作的2.4GHz频段的信号衰减程度也不像IEEE 802.11a所在的5GHz那么严重，并且IEEE 802.11g还具备更优秀的“穿透”能力，能在复杂的使用环境中具有很好的通信效果。但是IEEE 802.11g工作频段为2.4GHz，使得IEEE 802.11g与IEEE 802.11b一样极易受到来自微波、无线电话等设备的干扰。此外，IEEE 802.11g的信号比IEEE 802.11b的信号能够覆盖的范围要小得多，用户需要通过添置更多的无线接入点才能满足原有使用面积的信号覆盖，这或许就是IEEE 802.11g能够具有高宽带所付出的代价吧!
IEEE 802.11系列4个标准的一些特性见表1-2。
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