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无线局域网（WLAN）是支撑移动互联网发展的关键技术之一。无线局域网以微波、激光与红外线等无线信道作为传输介质，取代了传统局域网中的同轴电缆、双绞线与光纤，实现无线局域网的物理层与介质访问控制（MAC）子层的功能。
1997年，IEEE公布了IEEE 802.11无线局域网标准。由于标准对技术细节不可能规定得非常周全，因此不同厂商设计和生产的无线局域网产品一定会出现不兼容的问题。针对这个问题，1999年8月，350家相关企业（如Cisco、Intel与Apple等）组成了Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance，WFA），致力于推广IEEE 802.11标准。其中，术语“Wi-Fi”或“WiFi”（Wireless Fidelity）有“无线兼容性认证”的含义。
WFA是一个非营利的组织，它授权在8个国家建立了14个独立的测试实验室，针对不同厂商生产的遵循IEEE 802.11标准的无线局域网设备，以及采用802.11接口的笔记本计算机、Pad、智能手机、照相机、电视机、RFID读写器进行互操作性测试，以解决不同厂商设备之间的兼容性问题。凡是测试通过的网络设备都准许打上“Wi-Fi CERTIFIED”标记。尽管“Wi-Fi”是厂商联盟推广IEEE 802.11标准时使用的标记，但是人们已习惯将“Wi-Fi”作为IEEE 802.11无线局域网的代名词。同时，将接入点（Access Point，AP）称为无线基站（base station）或无线热点（hot spot），将多个无线热点覆盖的区域称为热区（hot zone）。
接入无线局域网的节点一般称为无线主机（wireless host）。无线主机可以是移动的，也可以是固定的；可以是台式计算机、笔记本计算机，也可以是智能手机、家用电器、可穿戴计算设备、智能机器人或物联网终端等。目前，无论在大学校园、宾馆、餐厅、机场、车站、体育场、购物中心，还是在火车、公交车上，随处可见“Wi-Fi”或“Wi-Fi Free”图标（如图2-1所示）。
图2-1 各种Wi-Fi标识
人们自然会提出一个问题：既然已有3G/4G/5G移动通信网，为什么还要研发无线局域网？
解释这个问题，需要理解下面两点：
1）为了维护无线通信的有序性，防止不同通信系统之间相互干扰，世界各国都要求无线电频段使用者向政府管理部门提出申请，获得批准后才可以使用特定的频段。
同时，国际电信联盟无线通信局（ITU-R）要求世界各国专门划出免予申请的工业、科学与医药的ISM频段（Industrial Scientific Medical Band），即专门将某些频段开放给工业、科学和医学机构使用。原则上，使用这些频段的用户不需要事先申请许可证，也不需要缴纳费用，只需要遵守一定的发射功率限制（一般低于1W），并且不能对其他频段造成干扰。
ISM频段在世界各国的规定并不统一。例如，美国支持使用3个ISM频段（902～928MHz、2.4～2.484GHz及5.725～5.85GHz），而欧洲将902～928MHz的部分子频段分配给GSM通信。目前，2.4GHz是世界各国共同认可的ISM频段。因此，无线局域网（IEEE 802.11b/IEEE 802.11g）、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在2.4GHz频段。
表2-1给出了ITU-R指定的ISM频段。
表2-1 ISM频段分配
（续）
2）蜂窝移动通信不使用ISM频段。电信运营商为了获得移动通信网服务资质，需要向无线电管理委员会申请有偿使用无线频谱并为此花费大笔资金，因此移动通信网不可能提供免费的服务，必然要采用收费的商业运营模式。而Wi-Fi恰恰选用了免于申请和付费的ISM频段，因此它成为广大网民以移动方式免费接入互联网的基础设施。
目前，已出现了一批无线互联网接入服务提供商（WISP），它们通过无线局域网方式接入互联网，为用户提供服务。在很多农村的网络基础设施建设中，采用“光缆到村、无线到户”的方式，通过Wi-Fi为农民提供方便、快捷、低费用的宽带入户方式，从而有效地推进了农村与边远地区的信息化建设。
根据计算机网络体系结构与层次结构模型分析，图2-2给出了基于Wi-Fi的移动互联网层次结构。
理解基于Wi-Fi的移动互联网层次结构与工作原理时，需要注意以下几个问题：
1）移动互联网的传输网由无线接入网与核心交换网组成。从图2-2可以看出，无线接入网由Wi-Fi接入点（AP）与用户接入设备组成。无线接入网一端连接用户接入设备，另一端连接核心交换网。由于核心交换网采用IP，又称为IP传输网，因此通常将无线接入网与IP传输网统称为移动IP网（如图2-3所示）。
2）Ethernet交换机在无线接入网与核心交换网之间充当网桥。用户接入设备通过无线网卡与无线信道接入到AP；AP通过RJ-45接口与双绞线连接Ethernet交换机，Ethernet交换机与路由器A连接；路由器A接入IP传输网。接入端设备的无线网卡与AP连接端的无线网卡采用IEEE 802.11通信；AP的另一端通过Ethernet网卡与一个端口采用IEEE 802.3通信。因此，AP实际上起到了网桥的功能，实现了IEEE 802.11与IEEE 802.3的转换。
图2-2 基于Wi-Fi的移动互联网层次结构
图2-3 移动IP网的基本概念
3）在这样的网络结构中，用户接入设备利用传输层协议TCP或UDP实现应用层软件进程通信功能，访问互联网的各种网络应用。
4）无论有多少个无线接入网接入核心交换网，也不管核心交换网内部拓扑结构多么复杂，只要保证直接连接的相邻设备（例如用户接入设备、无线AP、Ethernet交换机及路由器设备）的物理层与MAC层协议相同，用户接入设备就可以通过移动IP网实现对互联网的访问。
1.IEEE 802.11标准
1997年6月，IEEE公布了第一个无线局域网标准（IEEE 802.11—1997），之后出现的其他无线局域网标准都基于这个标准修订。IEEE 802.11标准定义了使用ISM的2.4GHz频段、最大传输速率为2Mbit/s的无线局域网物理层与介质访问控制层协议。
2.IEEE 802.11a/b/g标准
IEEE 802.11标准颁布后，IEEE陆续成立了新的任务组，对IEEE 802.11标准进行补充和扩展。1999年发布了IEEE 802.11a标准，它采用5GHz频段，最大传输速率为54Mbit/s。后来，研制出了IEEE 802.11b标准，它采用2.4GHz频段，最大传输速率为11Mbit/s。由于IEEE 802.11a产品造价比IEEE 802.11b高很多，同时IEEE 802.11a与IEEE 802.11b产品不兼容，因此2003年IEEE发布了IEEE 802.11g标准。IEEE 802.11g标准采用与IEEE 802.11b相同的2.4GHz频段，最大传输速率提高到54Mbit/s。当用户从IEEE 802.11b过渡到IEEE 802.11g时，只需要购买IEEE 802.11g AP，原有的IEEE 802.11b无线网卡仍可使用。由于IEEE 802.11g与IEEE 802.11b兼容，又能够提供与IEEE 802.11a相同的速率，并且产品造价比IEEE 802.11a低，导致IEEE 802.11a的产品逐渐淡出市场。
3.IEEE 802.11n标准
尽管从IEEE 802.11b标准过渡到IEEE 802.11g标准已经是Wi-Fi带宽的一次“升级”，但是Wi-Fi仍然需要解决带宽不够、覆盖范围小、漫游不便、网管不强、安全性不好等问题。2009年发布的IEEE 802.11n标准对于Wi-Fi来说可谓一次“换代”。
IEEE 802.11n标准具有以下特点：
1）IEEE 802.11n标准工作在2.4GHz与5GHz两个频段，最大传输速率可达到600Mbit/s。
2）IEEE 802.11n标准采用智能天线技术，通过多组独立的天线组成天线阵列，可以动态调整天线的方向图，达到减少噪声干扰、提高无线信号的稳定性、扩大覆盖范围的目的。一个IEEE 802.11n接入点的覆盖范围可达几平方千米。
3）IEEE 802.11n标准采用软件无线电技术，解决不同的工作频段和信号调制方式带来的不兼容问题。IEEE 802.11n标准不但与IEEE 802.11a/b/g标准兼容，而且与无线城域网IEEE 802.16标准兼容。
由于IEEE 802.11n标准具有以上特点，因此它已成为“无线城市”建设中的首选技术，并且广泛应用到家庭与办公室环境中。
4.千兆Wi-Fi标准（IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ad、IEEE 802.11af、IEEE 802.11ax与IEEE 802.11ah）
随着IEEE 802.11n标准的应用，无线局域网的用户规模不断扩大，接入的无线终端设备的计算能力、显示功能不断提升，用户对流媒体、网络视频应用的需求越来越高。尽管IEEE 802.11n标准可以实现600Mbit/s的传输速率，但是IEEE 802.11工作组想实现的是“千兆Wi-Fi”。最初出现的“千兆Wi-Fi”标准是IEEE 802.11ac与IEEE 802.11ad，此后陆续推出IEEE 802.11af、IEEE 802.11ax与IEEE 802.11ah标准。
（1）IEEE 802.11ac标准
IEEE 802.11ac标准的工作频段为5GHz，最大传输速率为3.2Gbit/s，室内传输距离为30m。IEEE 802.11ac标准的应用推动了家庭视频产品的发展，它支持用无线方式将高清视频从一个移动终端传送到一台电视机，也可以同时支持多台电视机播放高清视频。
（2）IEEE 802.11ad标准
家庭多媒体高清视频应用要求的传输速率很高，但是传输距离一般不太远，例如要在很短时间内将一个数据量巨大的4K电影视频文件从Pad等移动终端设备传送到电视机。在这类应用中，数据传输速率越大，用户体验越好，于是IEEE 802.11ad标准应运而生。为了避开拥挤的2.4GHz与5GHz频段，IEEE 802.11ad标准选择60GHz频段，最大传输速率可达7Gbit/s。60GHz无线信号的穿透能力差，信号在空间衰减大，因此IEEE 802.11ad标准的室内传输距离为5m。IEEE 802.11ad标准适用于室内多个设备之间大文件的高速无线传输。
（3）IEEE 802.11af
2014年通过的IEEE 802.11af标准又称为“超级Wi-Fi”或“White-Fi”。IEEE 802.11af标准的工作频率是470～710MHz。由于该频段在1GHz以下，因此可以扩展信号覆盖范围，有利于在地广人稀的农村和边远地区提供高速数据传输服务。当信道带宽为8MHz时，最大传输速率为36.5Mbit/s；在信道带宽为6～7MHz时，最大传输速率为26.7Mbit/s。IEEE 802.11af标准采用认知无线电、地理遥控与信道捆绑等技术。利用认知无线电技术，可以避免干扰相邻电视信号的传输。利用地理遥控技术，可通过地理数据库提前知道该地区的信道频率分布，主动避免干扰相邻信道。利用信道捆绑技术，最多可将4个带宽为6～8MHz的信道捆绑起来，以便提供更大的传输速率。
（4）IEEE 802.11ax
有一种看法认为，IEEE 802.11ax标准是IEEE 802.11ac标准的拓展。IEEE 802.11ax针对的是球赛现场、机场、车站、列车等应用场景。这类应用场景的特点是：异构设备多、用户密集、室内外混合。IEEE 802.11ax标准力求在拥挤的无线环境中为更多用户提供一致和可靠的数据吞吐量，因此也被称为高效能无线局域网（High Efficiency WLAN，HEW）。2014年启动IEEE 802.11ax标准研究时设定的目标是：
· 兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac标准。
· 在用户密集的环境中将平均吞吐率提高4倍。
· 更好地进行电源管理，延长电池的使用寿命。
· 与其他授权频段（如移动通信网LET）共存。
· 适用于室内与室外混合的环境。
IEEE 802.11ax标准的工作频段为2.4GHz与5GHz，最大传输速率可达到9.6Gbit/s。为了实现设计指标，研究人员需要在空间重利用、频谱共享、增强CSMA/CA机制、信号调制方式、多天线技术等方面加以改进。
（5）IEEE 802.11ah
为了提升Wi-Fi信号的绕射能力，扩大覆盖范围，常规的方法是选用2.4GHz、5GHz频段，2016年发布的IEEE 802.11ah标准的工作频率在1GHz以下，以便适应传感器和智能抄表等应用场景。IEEE 802.11ah标准的物理层是IEEE 802.11ac标准的降频版本，定义的信道带宽包括2MHz、4MHz、8MHz与16MHz。它还定义了1MHz信道带宽，用于更远距离的无线传输。
1GHz频谱中的可用频段因国家而异。IEEE 802.11ah标准的物理层设计分为两类：第1类是高于2MHz的信道带宽，第2类是1MHz的信道带宽。高于2MHz的模式包括4MHz、8MHz与16MHz。IEEE 802.11ac标准物理层时钟的1/10等于IEEE 802.11ah标准的速率。由于IEEE 802.11ah标准最多可支持8条空间流，因此它能够支持更多的用户终端接入，提高了无线局域网的吞吐量。
千兆Wi-Fi标准一直处于快速发展中，更多的研究进展信息可以从无线千兆联盟（Wi-Gig）的网站（http://wirelessgigabitalliance.org）上获取。
表2-2给出了几个主要的IEEE 802.11标准（或草案），包括标准名称、工作频段、支持的最大传输速率、公布时间等数据。
表2-2 主要的IEEE 802.11标准
另外，IEEE还成立了多个工作组，对IEEE 802.11标准的服务质量、互联与安全性方面的工作进行补充和完善，推出了包括IEEE 802.11c～IEEE 802.11x标准的多个Wi-Fi协议标准与草案。
在无线通信中，描述无线信号的参数主要是频率与信号强度。接入无线网络的主机要正常工作必须满足两个基本条件：一个是接收的发射信号频率在接收机的接收频率范围内；另一个是接收的无线信号强度大于接收机的接收灵敏度。例如，主机B与C的接收机频段为2.45～2.48GHz，主机A发送的信号频率为2.465GHz，处于主机B与C接收信号频段内，满足第一个基本条件。主机B与C的灵敏度为-60dBm，如果主机B接收的无线信号强度为-50dBm，则大于接收机的灵敏度；主机C接收的无线信号强度为-70dBm，小于主机C的灵敏度。那么，主机B能接收主机A发送的无线信号，而主机C不能接收主机A发送的无线信号。这时，我们可以说：主机B处于主机A的无线信号覆盖范围内，而主机C不在主机A的无线信号覆盖范围内。
这里所说的信号强度是指信号功率。信号功率的单位是瓦（W）或毫瓦（mW）。在IEEE 802.11标准的讨论中，通常使用的是信号功率的相对值，即dBm。dBm是指信号功率相对于1mW的dB值。计算公式为：dBm=10×lg（ P mW ），其中 P mW 是信号以mW为单位的功率值。表2-3给出了dBm与 P mW 的对照表。
从表2-3中可以看出，1mW是一个参考点，0dBm表示信号强度为1mW。如果测量值是+dBm，表示信号强度大于1mW；如果测量值是-dBm，表示信号强度小于1mW。大部分IEEE 802.11接入点的无线信号发射功率都在100mW之内，可以表示为+20dBm；无线网卡接收到的信号功率一般只有0.0001mW，可以表示为-40dBm。由于距离增加与其他因素引起信号强度衰减，接收信号功率仅为0.0000000001mW，即-100dBm是一种很常见的情况，显然，用-100dBm表示是一种简洁且不容易出错的方法。在IEEE 802.11网络的现场勘测中，使用的信号强度测量仪器以dBm为单位来测量不同地理位置的无线信号强度。
表2-3 dBm与 P mW 的对照表
我们研究IEEE 802.11网络层标准时会发现一种情况，即每种IEEE 802.11标准都规定了多个传输速率，例如IEEE 802.11b标准规定了4种传输速率（11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s与1Mbit/s）。无线网络的实际传输速率与AP的覆盖范围紧密相关。当无线主机在移动过程中与AP的距离不断增大时，无线主机接收的AP发送的无线信号强度不断减小，传输速率也随之降低。不同的IEEE 802.11标准中都给出了单个AP的覆盖范围与传输速率的关系，以便网络工程师在设计无线网络时参考。表2-4给出了IEEE 802.11b标准的单个AP的覆盖范围与传输速率的关系。表中的“接收灵敏度”可以理解为AP发射的信号在对应距离的信号强度，并且室内与室外是不一样的。
表2-4 AP的覆盖范围与传输速率的关系
从表2-4中可以看出：在室外环境中，无线主机与AP之间的距离达到250m时，接收的信号强度为-79dBm，可用的传输速率为11Mbit/s；距离达到277m时，信号强度减小到-83dBm，传输速率减小到5.5Mbit/s；距离达到287m时，信号强度减小到-84dBm，传输速率减小到2Mbit/s；距离达到290m时，信号强度减小到-87dBm，传输速率减小到1Mbit/s。图2-4给出了AP的覆盖范围与传输速率的关系。
图2-4 AP的覆盖范围与传输速率的关系
这样，符合IEEE 802.11b标准要求的AP允许主机的无线网卡建立关联，或主机在AP覆盖范围内移动的过程中，需要根据实际情况来协商选择合适的传输速率，以便保证无线数据传输的正常进行，这个过程称为动态速率调整（Dynamic Rate Switching，DRS）。
理解动态速率调整机制时，需要注意以下几个问题：
1）DRS是移动主机中的无线网卡发送数据的速率随着接收到发送端AP的信号质量下降而下调的一种反馈控制机制。设计DRS的目标是通过协调传输距离与数据传输速率的矛盾来保证无线主机与无线AP之间的数据帧传输质量。但是，IEEE 802.11协议并没有对DRS算法做具体的规定，而是由无线网络设备生产厂商自行定义。多数无线网络厂商的DRS机制是根据主机无线网卡接收信号的强度、信噪比与帧传输错误率来决定数据速率的调整策略。
2）单个AP能接入的用户数有限制。例如，IEEE 802.11标准限制每个AP最多可以接入的用户终端为2016个。但是，“接入”与“关联”的概念是不同的。接入数量是AP能够识别的用户终端数量。实际上，每个AP可以建立关联的用户数远小于标准允许接入的终端数量。可建立关联并提供支持服务的用户数受每个AP最大连续吞吐量的限制。例如，IEEE 802.11b标准的标称速率为11Mbit/s，理论估算的每个AP最大连续吞吐量可达6Mbit/s。如果为每个用户终端提供1Mbit/s的传输速率，那么每个AP最多可服务6个用户终端。但是，由于网络流量具有突发性，一般估算时采用2:1到3:1的比例是合适的，因此单个AP最多能够服务12～18个用户。
3）以不同传输速率发送相同长度的数据帧，占用信道的时间是不同的。例如，发送一个长度为1500B的数据帧，采用11Mbit/s速率需占用信道约300ms，而采用1Mbit/s可能需要占用信道3300ms。如果一个无线局域网中的多数无线主机采用低速率，那么采用高速率的无线主机的等待时间必然长，就会大大降低无线网络的带宽利用率。这是在设计Wi-Fi网络与DRS机制时需要注意的问题。
1.2.4GHz频段的信道划分与复用
（1）2.4GHz频段的信道划分
了解IEEE 802.11物理层标准的特点之前，需要了解IEEE 802.11标准对频道划分的基本方法。图2-5给出了IEEE 802.11标准将2.4GHz频段划分为14个独立信道的频率分配情况。
图2-5 IEEE 802.11标准对2.4GHz频段的划分
计算信道的中心频率与频率范围（每个信道带宽为22MHz，相邻两个信道之间的频率间隔为5MHz）。
信道1：中心频率
，频道的频率范围是2.401～2.423GHz。
信道2：中心频率
，频道的频率范围是2.406～2.428GHz。
信道3：中心频率
，频道的频率范围是2.411～2.433GHz。
信道4：中心频率
，频道的频率范围是2.416～2.438GHz。
信道5：中心频率
，频道的频率范围是2.421～2.443GHz。
信道6：中心频率
，频道的频率范围是2.426～2.448GHz。
信道7～信道13以此类推。
信道14：中心频率
，频道的频率范围是2.466～2.488GHz。
分析：
信道1的频率范围是2.401～2.423GHz，信道2的频率范围是2.406～2.428GHz，两者有重叠的部分，如果同时选用信道1与信道2就会产生干扰。
结论：
从信道1到信道14，相邻信道之间的频率都有重叠部分，都存在干扰问题。
（2）2.4GHz频段的信道复用
为了降低相邻信道由于频率重叠造成的信号干扰，IEEE选择信道的原则是要相隔5个信道。按照这个原则，从以上14个信道中选出3个信道，只能是图中用粗线表示的信道1、信道6与信道11。
· 信道1：中心频率
，频道的频率范围是2.401～2.423GHz。
· 信道6：中心频率
，频道的频率范围是2.426～2.448GHz。
· 信道11：中心频率
，频道的频率范围是2.451～2.473GHz。
采用信道1、6、11发送数据信号，相邻信道之间的信号干扰可以降到最低。美国、加拿大和大多数无线网络制造商采用了信道1、6、11。
信道14也可以提供一个非重叠信道，但是大部分国家不使用。当然，有些国家使用信道1、6、12，还有些国家使用信道1、6、13。
图2-6给出了利用2.4GHz频段的3个信道（信道1、6与11）进行复用的蜂窝结构。Wi-Fi的信道复用也称为多信道结构。Wi-Fi信道复用结构与蜂窝移动通信网类似。
图2-6 2.4GHz信道复用规划方法
2.5GHz频段的信道划分与复用
（1）5GHz频段的信道划分
IEEE 802.11在5GHz无须许可的国家信息基础设施（Unlicensed National Information Infrastructure，UNII）频段中定义了23个可用信道。其中，IEEE 802.11a定义了3个5GHz频段用于数据传输，分别为UNII-1（低）、UNII-2（中）与UNII-3（高），每个频段包括4个信道；IEEE 802.11h增加了1个5GHz频段，称为UNII-2e扩展频段，包括11个信道。
· UNII-1属于UNII低频段，频率范围是5.15～5.25GHz，宽度为100MHz。UNII-1频段一般用于室内通信，最大输出功率为40mW。
· UNII-2属于UNII中频段，频率范围是5.25～5.35GHz，宽度为100MHz。UNII-2频段一般用于室内或室外通信，最大输出功率为200mW。
· UNII-2e属于UNII中频段，频率范围是5.47～5.725GHz，宽度为255MHz。UNII-2e频段一般用于室内或室外通信，最大输出功率为200mW。
· UNII-3属于UNII高频段，频率范围是5.725～5.825GHz，宽度为100MHz。UNII-3频段一般用于室外点对点的桥接，美国等国家也允许将其用于室内通信，最大输出功率为800mW。
表2-5给出了IEEE 802.11a标准规划的信道编号与使用频率。早期的网卡不支持信道149以上的高频率。当出现这种情况时，不是换掉网卡，而是只用信道36、40、44、48、52、56、60、64这8个信道。
表2-5 IEEE 802.11a标准规划的信道编号与使用频率
（2）5GHz频段的信道复用
无论是2.4GHz的3个信道，还是5GHz的8个或12个信道，对于二维空间的Wi-Fi信道复用规划来说已经够用。
图2-7给出了在IEEE 802.11无线网状网（Mesh网）中实现信道复用的例子。其中2.4GHz的3个信道用于无线主机接入AP，5个5GHz信道用于网状结构中AP之间通信。图中信道1表示2.4GHz的信道1（2.412GHz），C48表示5GHz频段中的信道48（5.240GHz）。无线网状网中的AP称为Mesh AP。
图2-7 无线网状网中的信道复用例子
由于IEEE 802.11协议种类多、涉及的问题比较复杂，在实现技术上给无线局域网设备制造商与软件开发商留有很大的灵活性，因此不同厂商提供的Wi-Fi硬件与软件在性能、使用方法上差异较大。本节主要讨论了IEEE 802.11协议设计的基本思路与具备的基本功能，希望为读者进一步学习打下基础。