原文地址：几种无线通信协议作者：龙行天下 无线局域网协议主 要分为两大阵 营：IEEE 802.11系列标准和欧洲的HiperLAN。其中 IEEE 802.11协议、蓝牙标准和HomeRF工业标准等是无线局域网所有标准中最主要的协议 标准。这些协议和标准各有优劣，各有自己擅长的应用领域，有的适合于办公环境，有的适合于个人应用，有的则更适合家庭用户。 4.2.1 IEEE 802.11协议 IEEE 802.11是美国电气和电子工程师协会IEEE在1997年6月颁布的无线网络标准。它是第一代无线局域网标准之一。IEEE 802.11规定了无线局域网在2.4GHz波段进行操作，这一波段被全球无线电法规组织定义为扩频使用波段。标准的802.11主要用于解决办公室局域 网和园区网中用户与用户终端的无线接入，速率最高只能达到 2Mbit／s。 IEEE 802.11标准定义物理层和媒体访问控制规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。IEEE 802.11体系结构如图4-1所示。
图4-1 IEEE 802.11体系结构 1．802.11物理层实现方式 IEEE 802.11标准中的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1Mbps和2Mbps数据速率。 跳频扩频采用2～4电平GFSK调制技术，支持1Mbps数据速率， 共有22组跳频图案，包括79信道。 红外线传输方法工作在850～950nm段，峰值功率为2W，支持数据速率为1Mbps和2Mbps。 2．MAC结构及服务内容 802.11的MAC子层负责解决客户端工作站和访问接入点之间的连接。当一个802.11客户端进入 一个或者多个 接入点的覆盖范围时，它会根据信号的强弱以及包错误率自动选择1个接入点进行连接。一旦被1个接入点接受，客户端就会将发送接收信号的频道切换为接入点的 频段。这种重新协商通常发生在无线工作站移出了它原连接的接入点的服务范围，信号 衰减后。其他的情况还发生在建筑物造成的信号的变化或者仅仅由于原有接入点中的拥塞。 无线局域网MAC 提供的服务有：安全服务、MAC服务数据单元(MSDU)重新排序服务和数据服务。802.11中 的安全服务提供的服务范围局限于站与站之间的数据交换，其内容为：加密、验证、与层管理实体相联系的访问控制。为提高成功发送的可能性，MAC提供了重新 排序的服务。只有在节电方式工作下的站，且不处于激活状态，才可先将MSDU缓存起来，等站激活时再突发出去，对缓存数据进行重新排序。 MAC数据服务可使对等LLC实体进行数据单元的交换。本地MAC利用下层的服务将1个MSDU传给1个对等的MAC实体，然后又传 给对等的LLC实体。当信道特性限制了长帧传输的可靠性时，可通过增加MSDU成功传输的可能性来增加可靠性。 802.11 MAC子层还提供了CRC 校验和包分片功能。在802.11协议中，每一个在无线网 络中传输的数据报都被附加上了校验位以保证它在传送的时候没有出现错误。包分片的功能 允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这在网络十分拥挤或者存在干扰的情况下是一个非常有用的特性，可以减少数据报被重传 的概率。MAC 子层负责将收到的 被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过程是完全透明的。 3．CSMA／CA协议 802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享介质上支持多个用户共 享资源，发送方在发送数据前先进行网络的可用性检测。802.3协议采用CSMA／CD介质访 问控制方法。然而，在无线系统中设备不能够一边接收数据信号一边传送数据信号。 无线局域网中采用了1种与CSMA／CD相类似的载波监听多路访问／冲突防止协议 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)实现介质资源共享。CSMA／CA利用确认信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上 返回的确认信号 后才确认送出的数据已经正确到达目的。CSMA／CA通过这种方式来提供无线的共享访问，这种方式在处理无线问题时非常有效。以CSMA／CA的方式共享 无线介质将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有1个站点发送，实现了网络系统的集中控制。 因传输介质不 同，CSMA／CD与CSMA／CA的检测方式也不同。CSMA／CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随 着发生变化；而CSMA／CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能 量载波混合检测3种检测信道空闲的方式。 4.2.2 IEEE 802.11系列标准 由于标准的IEEE 802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE于1999年8月，又相继推出了802.11b和802.11a两个 新标准。进一步 规范了不同频点的产品及更高网络速率产品的开发和应用，除原IEEE802.11的内容之外，增加了基于简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)的管理信息库(Management Information Base，MIB)，以取代原OSI协议的管理信息库。另外还增加了高速网络内容。 2001年11月，IEEE又推出第3个新的标准802.11g。尽管目前802.11a和802.11g倍受业界 关注，但从实际的应用上来讲，802.11b已成为无线局域网的主流标准， 被多数厂商所采用，并且已经有成熟的无线产品推向市场。经过不断开发和研制，现 在IEEE 802.11实际是一个协议族，称为802.11x系列标准，包含了一系列无线局域网的协议标准。 1．IEEE 802.11a IEEE802.11a在整个覆盖范围内提供了更高的速度，规定的频点为5GHz。 目前该频段用 得不多，干扰和信号争用情况较少。802.1la同样采用CSMA／CA协议。但在物理层，802.11a 采用了正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术。 OFDM技术的最大优势是 其多途径回声反射，特别适合于室内及移动环境。传输速率为 6Mbit／s～54Mbit／s，支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。OFDM技术将1个无线信 道分解成多个子 载波同时传输数据，每个子载波的速率比总速率低许多，也就是每个传输符号的时长要长许多，这有利于克服无线信道的衰落，改善了信号质量，提升了整个网络的 速度。通过对标准物理层进行扩充，802.11a支持的数据速率最高可达54Mbit／s。 2．IEEE 802.11b IEEE 802.11b工作于开放的2.4GHz频点，不 需要申请就可使用。既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用户摆脱网线的束缚，实现真正意 义上的移动应用。 IEEE 802.11b的关键技术之一是采用补偿码键控CCK调制技术，可以实现动态速率转换。当工作站之间的距离过长或干扰过大，信噪比低于某个 限值时，其传输 速率可从11Mbit／s自动降至5.5Mbit／s，或者再降 至直接序列扩频技术的2Mbit／s及1Mbit／s的速率。但是802.11b标准的速 率上限为20Mbit／s，它保持对802.11的向后兼容。 802.11b支持的范围是在室外为300m，在办公环境中最长为100m。当用户在楼房或公司部门之 间移动时，允许在访问点之间进行无缝连接。802.11b还具有良好的可伸缩性，最多3个访问点可以同时定位于有效使用范围中，以支持上百个用户。 目前，802.11b无线局域网技术已经在世界上得到了广泛的应用，它已经进入了写字间、 饭店、咖啡厅和候机室等场所。没有集成无线网卡的笔记本电脑用户只需 插进1张个人计算机存储器卡接口适配器(Personal Computer Memory Card Interface Adapter，PCMCIA)或USB卡，便可通过无线局域网连到因特网。 3．IEEE 802.11g和IEEE 802.11e IEEE 802.11a与802.11b的产品因为频段与调制方式不同而无法互通，这使得已经拥有 802.11b产品的消费者可能不会立即购买802.11a产品，阻碍了802.1la的应用步伐。2001年，IEEE批准一 种新技术802.11g， 其使命就是兼顾802.11a和802.11b，为802.11b过渡到802.11a铺路修桥。 它既适应传统的802.11b标准，在2.4GHz频率下提供11Mbit／s的数据速率，也符合802.11a标 准，在5GHz频率下提供54Mbit／s的数据速率。802.11g中规定的调制方式包括802.11a中采用的OFDM与802.11b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IEEE 802.11a 54Mbit／s的数据传送速度，也确保了与IEEE802.11b产品的兼容。 IEEE 802.1le被称为下一代WLAN标准。是WLAN标准方式IEEE 802.11的扩展标准。所谓IEEE 802.11的扩展标准，是在现有的802.11b及802.1la的MAC层追加了服务质量 (Quality of Service，QOS)功能及安全功能的标准。 4．IEEE 802.16 IEEE 802.16是宽带无线协议。802.16工作组成立于1999年，其主要使命是推动固定宽带无线接入系统的发展与应用。IEEE802.16工作组负责 对无线本地环路的无线接口及其相关功能制订标准，它包括3个项目组，每个项目组负责不同的方面：802.16.1负责制定频率为10～60GHz的无线接 口标准；802.16．2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；802.16.3负责制定频率范围在2～10GHz之间并获得频率使用许可的无线接口 标准。2001年12月，IEEE批准通过了802.16标准，802.16也被称为“WirelessMAN”。 802.16协议标准是按照3层结构体系组织的。 (1)物理层 物理层协议主要是关于频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、 数据传输率和时分复用结构等方面的。对于从用户到基站的通信，该标准使用的是“按需分 配多路寻址一时分多址”(DAMA—TDMA)技术。按需分配多路寻址(Demand Assigned Multiple Access，DAMA)技术是一种根据多个站点之间的容量需要的不同而动态地分配信道容量的技术。时分多路技术可以根据每个站点的需要为其在每个帧中分 配一定数量的时隙来组成每个站点的逻辑信道。通过DAMA—TDMA技术，每个信道的时隙分配可以动态地改变。 (2)数据链路层 在该层上IEEE 802.16规定的主要是为用户提供服务所需的各种功能。这些功能都包括 在介质访问控制MAC层中，主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。MAC协议规定基站或用户在什么时候采用何种方 式来初始化信道，并分配无线信道容量。位于多个TDMA帧中的一系列时隙为用户组成一个逻辑上的信道，而MAC帧则通过这个逻辑信道来传输。IEEE 802.16.1规定每个单独信道的数据传输率范围是从2Mbit/s到155Mbit/s。 (3)会聚层 在MAC层之上是会聚层，该层根据提供服务的不同而提供不同的功能。对于IEEE 802.16.1来说，能提供的服务包括数字音频／视频广播、数字电话、异步传输模式ATM、因特网接入、电话网络中无线中继和帧中继。 4.2.3 蓝牙技术 1998年包括IBM、Intel、诺基亚、东芝、三星等所有世界著名IT厂商共同组成了“蓝牙友好协会”，目的是 制定短距离无线数据传输标准，这项标准就是“蓝牙”(Bluetooth)。目前已有1400多家通信、信息、电子、汽车等厂商参与。 蓝牙技术以无线局域网的IEEE 802.11标准技术为基础，是一种用于替代便携或固定电子设备上使用的电缆或连线的短距离无线连接技术。设备使用无需许可申请的2.45GHz频段，可 实时进行数据和语音传输，传输速率可达到1Mbit/s，在支持3个话音频道的同时还支持高达723.2kbit/s的数据传输速率。 蓝牙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。也 就是说，在办公室、家庭和旅途中，无需在任何电子设备间布设专用线缆和连接器，通过蓝牙遥控装置可以形成一点到多点的连接，即在该装置周围组成一个“微 网”，网内任何蓝牙收发器都可与该装置互通信号。而且，这种连接无需复杂的软件支持。蓝牙收发器的一般有效通信范围为10m，最多可以达到100m左右。 蓝牙技术能够提供数字设备之间的无线传输功能。不仅可以使得PC、鼠标、键盘、打 印机告别电缆连线，而且可以实现将 家中的各种电器设备如空调、电视、冰箱、微波炉、安全设备及移动电话等无线连网，从而通过控。上网浏手机实现遥览网页和发送电子邮件将更加方便。还可以使 智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字化的信息设备能不再用电缆，而是用一种小型的、低成本的无线通信技术连接起来，进而形成无线个人网 (Wireless Personal AreaNetwork，WPAN)，实现资源无缝共享。 4.2.4 IrDA技术 红外局域网系统采用波长小于1μm的红外线作为传输媒体，该频谱在电磁光谱里仅次可见光，不受无线电管理部门的限 制。红外信号要求视距传输，方向性强，对邻近区域的类 似系统也不会产生干扰，并且**困难。实际应用中由于红外线具有很高的背景噪声，受日 光、环境照明等影响较大，一般要求的发射功率较高。尽管如此，红 外无线LAN仍是目前 100Mbit／s以上、性能价格比高的网络的惟一可行的选择，主要用于设备的点对点通信。 红外线数据标准协会(1nfrared Data Association，IrDA)成立于1993年。IrDA数据传输技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成 熟。 它在技术上的主要优点有： (1)无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匮乏，频道使用费 用增加的背景下是非常重要的。 (2)具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。 (3)传输速率在适合于家庭和办公室 使用的微微网(Piconet)中是最高的，由于采用点 到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达16Mbit／s。 对于要求传输速率高、使用 次数少、移动范围小、价格比较低的设备，如打印机、扫描 仪、数码像机等，IrDA技术是首选。 4.2.5 HomeRF技术 HomeRF是适合家庭区域范围内在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工作在2.4GHz 频段，采用数字跳频扩频技术，速率为50跳／秒，并有75个带 宽为1MHz跳频信道。调制方式为2FSK与4FSK。数据的传输速率在2FSK方式下为1Mbit／s， 在4FSK方式下为2Mbit／s。在新版HomeRF2.x中，采用了宽带频率群(Wide Band Frequency Hopping，WBFH)技术把跳频带宽增加到了3MHz和5MHz，跳频速率也增加到75跳/秒，数据传输速率达到了10Mbit／s。 HomeRF工作组制订了共享无线访问协议(SWAP)无线通信规范，定义了一个新的通用空中接口，此接口支持家庭 范围内语音、数据的无线通信。用户使用符合SWAP规范的电子产品可实现在PC的外设、无绳电话等设备之间建立一个无线网络，以共享语音和数据；在家庭区 域范围内的任何地方，可以利用便携式微型显示设备浏览因特网；在PC和其他设备之间共享同一个ISP连接等多项共享功能。 4.2.6 HiperLAN IEEE在美国及世界其他地区主推802.11x系列标准，而在欧洲，欧洲电信标准学会ETSI 则推出另一无线局域网系列标准HiperLAN1(高性能无线局域网)，其地位相当于802.11b， 但二者互不兼容。HiperLAN在欧洲得到了广泛支持和应用。 HiperLAN系列包含以下4种标准： (1)HiperLANl：用于高速WLAN接入，工作在5.3GHz频段。 (2)HiperLAN2：用于高速WLAN接入，工作在5GHz频段。 (3)HiperLink(HiperLAN3)：用于室内无线主干系统。 (4)HiperAccess(HiperLAN4)：用于室外对有线通信设施提供固定接入。 HiperLAN2工作在5GHz频段，速率高达54Mbit／s。 因为技术上的下列优点，它被认为是目前 最先进的WLAN技术。 1.为了实现54Mbit／s高速数据传输，物理层采用OFDM调制， MAC子层则采用1种动态时分复用的 技术来保证最有效地利用无线资源。 2.为使系统同步，在数据编码方面采用了数据串行排序和多级前向纠错，每一级都能纠正一定比例的误码。 3.数据通过移动终端和接入点之间事先建立的信令链接来进行传输，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，还可以给每个链接预先指定一个优先级。 4.自动进行频率分配。接入点监听周围的HiperLAN2无线信道，并自动选择空闲信道。这一功能消除了对频率规 划的需求，使系统部署变得相对简便。 5.为了加强无线接入的安全性，HiperLAN2网络支持鉴权和加密。 通过鉴权，使得只有合法的用户才能 接入网络，而且只能接入通过鉴权的有效网络。 其协议栈具有很大的灵活性，可以适应多种固定网络类型。它既可以作为交换式以太网的无线接入子网，也可以作为第3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， IEEE 802.11的一系列协议都只能由以太网作为支撑，不如HiperLAN2灵活。 目前，ETSI的BRAN项目组还在开发新的HiperLAN标准，如：用于无线ATM远程接入骨干网的 HiperLAN3(后更名为HiperAccess)；速率超过20Mbit／s用于无线ATM互联的 HiperLAN4(后更名为HiperLink)，工作于17GHz，速率最高可达150Mbit／s。 4.2.7 无线保真技术Wi-Fi 无线保真技术(Wireless Fidelity，Wi-Fi)，也称为无线相容性认证。Wi-Fi与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。 Wi-Fi传输速度 非常 高，最高可达11Mbit／s。 虽然在数据安全性方面，该技术比蓝牙技术要差一些， 但是在电波的覆盖范围方面则要略胜一筹。 另一方面，还可以将Wi-Fi本身当作新型的宽带服务的提供手段。美国Etherlinx、Iospan Wireless等企业通过对Wi-Fi方式进行某些改进，已经开发成功可将电波覆盖范围增加至最多32km的技术。如果使用该项技术，不需线缆和电话线 路，直接用Wi-Fi电波就可以提供无线宽带服务。过去虽然也出现过服务提供商提供的无线因特网业务，但是他们使用方式经常会因为大楼布局和地形条件等因 素而产生电波干扰，因此最终均告失败。但是利用对W1-Fi的改进方式不但可以解决这些问题，而且还可以将费用降低到比Cable Modem服务和DSL服务更便宜，而且速度更快。 2001年6月13日，Wi—Fi的工业团体WECA在赫尔辛基召开了一次成员会议以建立一个在不同的无线局域网 ISP间漫游模型。这使得终端用户可进入公众无线局域网而与提供服务的ISP无关。 表4-1列出了几种主要无线协议的频宽和最大传输速率。 表4-1 频宽和最大传输速率比较
4.2.8 无线应用协议 WAP 1997年包括摩托罗拉、诺基亚、爱立信和美国的软件公司的一些跨国通信技术公司共同制定了新一代无线应用协议 (Wireless Application Protocol，WAP)。WAP 是一种使用在无线通信设备(包括手机、便携计算机、掌上电脑等)上的新的移动通信技术，其功能类似于因特网上的 HTTP 协议。它定义了一系列将因特网内容过滤和转化为适用移动通信的标准，使内容可以更容易地在移动终端上显示，使得利用手机就可以接入因特网并使用因特网上的 各种应用。 WAP 定义了一个开放的标准化的结构，以及一系列的标准以实现因特网的无线接入访问，WAP 主要包括 3 部分：客户、网关和 WWW 服务器。其中 WWW 服务器就是目前常用的 WWW 服务器。网关与服务器之间通过 HTTP 协议进行通信，这就意味着服务的提供者几乎可以不改动信息的内容，只要增加网关设备，就可以向移动用户提供信息。 1. 无线标记语言(WML) WAP 移动终端上的浏览器所识别的描述语言不再是 HTML 或 JavaScript，而是无线标记语言(Wireless Markup Language，WML)和无线标记语言脚本 WMLScript。WML 是一种符合XML标准的描述语言。在 WML 中使用的标记数量比 HTML 使用的要少很多，这主要是为了易在终端设备中实现。这些移动设备的存储容量不大，不可能放置很大的系统和复杂的应用程序。HTML 文档是平面型的，而 WML 的文档由一系列精心定义的用户交互单元组成，一个交互单元成为一个卡(Card)，用户可以在一个或多个 WML 文档的 Card 之间进行浏览。 2．WDP 协议 众所周知，HTTP 所采用的是 TCP／IP 协议，而 WAP 所采用的通信协议则是无线数据报 协议(Wireless Datagram Protocol，WDP)。WDP 是属于无线网络传输层的协议，其作用是为了使 WAP 能使用 TCP／IP 访问因特网。 3．WAP网关 WAP 网关用标准的 HTTP1.1 协议从 WWW 服务器上获取信息，然后将其转换为 WML 格式的文档，并提供给移动终端。这样只需要增加网关设备就可以将现有的 WWW 服务器上的内容发送给移动用户，而不需要专门开发相关的信息内容。WAP 规范使用标准的 Web 代理技术来将无线网络与 Web 连接起来。通过将处理功能集中在 WAP 网关中，WAP 结构大大减少了手机上的操作负载。此外，网关还要完成DNS的功能。这样，终端只需要输入 URL 就可以得到相应的信息，减少了终端设备上浏览器的负担，使之既简单又廉价。网关的另一个功能是尽可能地减少用户浏览网络的时延，它可以通过与其他信息服务 器之间的高速连接，减少信息获取的时间。 4．WAP浏览器 为了实现客户端的因特网信息浏览，必须要有浏览器，WAP 对客户端使用的浏览器做了 相应的规定。要求移动终端使用的浏览器代码必须精练。WAP 中客户端的浏览器不能用鼠标 作为输入设备，而只能用普通的 12 键的电话拨号盘和特殊的功能键来实现信息的浏览。用户通过上移键和下移键而不是鼠标在各个卡之间来回进行导航。为了保持与标准浏览器的一 致，微浏览器还提 供了各种导航功能如Back、Home、书签等。微浏览器允许具有较大屏幕和更多特性的设备自动显示更多的内容，就像传统的浏览器当浏览窗口扩大时能显示 更多的信息一样。 5．轻量级协议栈 WAP 协议栈将无线手机访问因特网的带宽需求降到最低，保证了各种无线网络都可以使 用 WAP 规范。通过使用 WAP 协议栈可以节省大量的无线带宽。要完成同样一个访问操作， 使用 WAP 协议栈涉及到的包数量不到使用全标准的 HTTP/TCP／IP 协议栈的一半，这对于带 宽严重受限的无线网络来讲无疑是十分有益的。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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