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無線局域網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)及技術(shù)架構(gòu)

來源：網(wǎng)絡(luò) 2021-12-20 22:48:57

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一個(gè)無線局域網(wǎng)可當(dāng)作有線局域網(wǎng)的擴(kuò)展來使用，也可以獨(dú)立作為有線局域網(wǎng)的替代設(shè)施，因此無線局域網(wǎng)提供了很強(qiáng)的組網(wǎng)靈活性。

無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)的成長(zhǎng)始于20世紀(jì)80年代中期，它是由美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）為工業(yè)、科研和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段的公共應(yīng)用提供授權(quán)而產(chǎn)生的。這項(xiàng)政策使各大公司和終端用戶不需要獲得FCC許可證，就可以應(yīng)用無線產(chǎn)品，從而促進(jìn)了WLAN技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

與有線局域網(wǎng)通過銅線或光纖等導(dǎo)體傳輸不同的是，無線局域網(wǎng)使用電磁頻譜來傳遞信息。同無線廣播和電視類似，無線局域網(wǎng)使用無線電波（Airwave）發(fā)送信息。傳輸可以通過使用無線微波或紅外線實(shí)現(xiàn)，但要求所使用的有效頻率且發(fā)送功率電平標(biāo)準(zhǔn)在政府機(jī)構(gòu)允許的范圍之內(nèi)。

WLAN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

WLAN是指以無線信道作傳輸媒介的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能，能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。

WLAN技術(shù)使網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)具有可移動(dòng)性，能快速、方便地解決有線方式不易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)信道的連通問題。WLAN利用電磁波在空氣中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無需線纜介質(zhì)。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，WLAN具有以下優(yōu)點(diǎn)：

◆安裝便捷：無線局域網(wǎng)的安裝工作簡(jiǎn)單，它無需施工許可證，不需要布線或開挖溝槽。它的安裝時(shí)間只是安裝有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的零頭。

◆覆蓋范圍廣：在有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安放位置受網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)位置的限制。而無線局域網(wǎng)的通信范圍，不受環(huán)境條件的限制，網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍大大拓寬，最大傳輸范圍可達(dá)到幾十公里。

◆經(jīng)濟(jì)節(jié)約：由于有線網(wǎng)絡(luò)缺少靈活性，這就要求網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者盡可能地考慮未來發(fā)展的需要，所以往往導(dǎo)致預(yù)設(shè)大量利用率較低的信息點(diǎn)。而一旦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展超出了設(shè)計(jì)規(guī)劃，又要花費(fèi)較多費(fèi)用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造。WLAN不受布線接點(diǎn)位置的限制，具有傳統(tǒng)局域網(wǎng)無法比擬的靈活性，可以避免或減少以上情況的發(fā)生。

◆易于擴(kuò)展：WLAN有多種配置方式，能夠根據(jù)需要靈活選擇。這樣，WLAN就能勝任從只有幾個(gè)用戶的小型網(wǎng)絡(luò)到上千用戶的大型網(wǎng)絡(luò)，并且能夠提供像“漫游”（Roaming）等有線網(wǎng)絡(luò)無法提供的特性。

◆傳輸速率高：WLAN的數(shù)據(jù)傳輸速率現(xiàn)在已經(jīng)能夠達(dá)到11Mbit/s，傳輸距離可遠(yuǎn)至20km以上。應(yīng)用到正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的WLAN，甚至可以達(dá)到54Mbit/s。

此外，無線局域網(wǎng)的抗干擾性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)保密性好。對(duì)于有線局域網(wǎng)中的諸多安全問題，在無線局域網(wǎng)中基本上可以避免。而且相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，無線局域網(wǎng)的組建、配置和維護(hù)較為容易，一般計(jì)算機(jī)工作人員都可以勝任網(wǎng)絡(luò)的管理工作。

由于WLAN具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展十分迅速。在最近幾年里，WLAN已經(jīng)在醫(yī)院、商店、工廠和學(xué)校等不適合網(wǎng)絡(luò)布線的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。

WLAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WLAN有兩種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即自組織網(wǎng)絡(luò)（也就是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，即人們常稱的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)）和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（InfrastructureNetwork）。

自組織型WLAN是一種對(duì)等模型的網(wǎng)絡(luò)，它的建立是為了滿足暫時(shí)需求的服務(wù)。自組織網(wǎng)絡(luò)是由一組有無線接口卡的無線終端，特別是移動(dòng)電腦組成。這些無線終端以相同的工作組名、擴(kuò)展服務(wù)集標(biāo)識(shí)號(hào)（ESSID）和密碼等對(duì)等的方式相互直連，在WLAN的覆蓋范圍之內(nèi)，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的通信，如圖1所示。

圖1 自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

組建自組織網(wǎng)絡(luò)不需要增添任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，僅需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及配置一種普通的協(xié)議。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不需要有中央控制器的協(xié)調(diào)。因此，自組織網(wǎng)絡(luò)使用非集中式的MAC協(xié)議，例如CSMA/CA。但由于該協(xié)議所有節(jié)點(diǎn)具有相同的功能性，因此實(shí)施復(fù)雜并且造價(jià)昂貴。

自組織WLAN另一個(gè)重要方面，在于它不能采用全連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。原因是對(duì)于兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)而言，某一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)暫時(shí)處于另一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸范圍以外，它接收不到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸信號(hào)，因此無法在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間直接建立通信。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型WLAN利用了高速的有線或無線骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在基站（BS）的協(xié)調(diào)下接入到無線信道，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基站的另一個(gè)作用是將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)連接起來。當(dāng)基站執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)時(shí)，它被稱為接入點(diǎn)（AP）?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)雖然也會(huì)使用非集中式MAC協(xié)議，如基于競(jìng)爭(zhēng)的802.11協(xié)議可以用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，但大多數(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都使用集中式MAC協(xié)議，如輪詢機(jī)制。由于大多數(shù)的協(xié)議過程都由接入點(diǎn)執(zhí)行，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只需要執(zhí)行一小部分的功能，所以其復(fù)雜性大大降低。

在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)路中，存在許多基站及基站覆蓋范圍下的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)形成的蜂窩小區(qū)?；驹谛^(qū)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋。在目前的實(shí)際應(yīng)用中，大部分無線WLAN都是基于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

一個(gè)用戶從一個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)，應(yīng)該被認(rèn)定為離開一個(gè)接入點(diǎn)，進(jìn)入另一個(gè)接入點(diǎn)，這種情形稱為“漫游”。漫游功能要求小區(qū)之間必須有合理的重疊，以便用戶不會(huì)中斷正在通信的鏈路連接。接入點(diǎn)之間也需要相互協(xié)調(diào)，以便用戶透明地從一個(gè)小區(qū)漫游到另一個(gè)小區(qū)。發(fā)生漫游時(shí)，必須執(zhí)行切換操作。切換既可以通過交換局，以集中的方式來控制，也可以通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)控制，也就是非集中式切換。

在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)一般都比較小。小區(qū)半徑的減小，意味著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳輸范圍的縮短，這樣可以減少功率損耗。并且，小的蜂窩小區(qū)可以采用頻率復(fù)用技術(shù)，從而提高系統(tǒng)頻譜利用率。目前，提高頻譜利用率的常用策略有：固定信道分配（FCA）、動(dòng)態(tài)信道分配（DCA）和功率控制（PC）等。

在使用FCA策略時(shí)，每個(gè)小區(qū)分配有固定的資源，但與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量無關(guān)。這種策略的問題在于，它沒有充分考慮移動(dòng)用戶的分布。在人口稀少的地區(qū)，同樣分配相同數(shù)量的帶寬資源給小區(qū)，但小區(qū)可能僅包含幾個(gè)或者是根本不包含任何移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，使資源被浪費(fèi)。因此，在這種情況下，頻譜的利用率并不是最優(yōu)的。

在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用DCA、PC技術(shù)，或者是集成DCA和PC的技術(shù)，可以提高整個(gè)蜂窩系統(tǒng)的容量，減少信道干擾，并減少發(fā)射功率。

DCA技術(shù)將所有可用的信道放置在一個(gè)公共信道池中，并根據(jù)小區(qū)當(dāng)前的負(fù)載，將這些信道動(dòng)態(tài)地分配給小區(qū)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向基站報(bào)告其干擾水平，基站以最小干擾方式實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用。

PC方案通過減小發(fā)送功率的方法，來減少系統(tǒng)中干擾，并減少移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的電池能量消耗。當(dāng)某一個(gè)小區(qū)內(nèi)受到的干擾增加時(shí)，PC方案通過增加發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功率，來提高接收信號(hào)的信噪比（SIR）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到的干擾減小時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過降低發(fā)送功率來節(jié)約能量。

除以上兩種應(yīng)用比較廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，還有另外一種正處于理論研究階段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即完全分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)要求，相關(guān)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成一定的功能，類似于分組無線網(wǎng)的概念。對(duì)每一節(jié)點(diǎn)而言，它可能只知道網(wǎng)絡(luò)的部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（也可通過安裝專門軟件獲取全部拓?fù)渲R(shí)），但它可與鄰近節(jié)點(diǎn)按某種方式共享對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，來完成分布路由算法，即路由網(wǎng)絡(luò)上的每一節(jié)點(diǎn)要互相協(xié)助，以便將數(shù)據(jù)傳送至目的節(jié)點(diǎn)。

分布式結(jié)構(gòu)抗損性能好，移動(dòng)能力強(qiáng)，可形成多跳網(wǎng)，適合較低速率的中小型網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于用戶節(jié)點(diǎn)而言，它的復(fù)雜性和成本較其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高，并存在多徑干擾和“遠(yuǎn)—近”效應(yīng)。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，其性能指標(biāo)下降較快。但分布式WLAN將在軍事領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。

縮略語注釋

WLAN：WirelessLocalAreaNetwork，無線局域網(wǎng)

FCC：FederalCommunicationsCommission，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)

OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用

ESSID：ExtendedServiceSetID，擴(kuò)展服務(wù)集標(biāo)識(shí)號(hào)

FCA：FixedChannelAllocation，固定信道分配

DCA：DynamicChannelAllocation，動(dòng)態(tài)信道分配

PC：PowerControl，功率控制

SIR：SignaltoInterferenceNoise Ratio，信噪比

關(guān)鍵詞： WLAN 無線局域網(wǎng)