基本介紹
- 中文名：802.11無線網路標準
- 外文名：EEE 802.11
- 頒布時間：1997
- 頒發組織：電氣電子工程協會（IEEE）
技術發展,1997年版,1999版,技術前景,協定指標,新標準,特點,802.11n,標準爭論,技術解析,編輯觀點,開源項目,
技術發展
1997年版
1997年版IEEE802.11無線網路標準規定了三種物理層介質性能。其中兩種物理層介質工作在2400--2483.5 MHz無線射頻頻段（根據各國當地法規規定），另一種光波段作為其物理層，也就是利用紅外線光波傳輸數據流。而直序列擴頻技術（DSSS）則可提供1Mb/S及2Mb/S工作速率，而跳頻擴頻（FHSS）技術及紅外線技術的無線網路則可提供1Mb/S傳輸速率（2Mb/S作為可選速率，未作必須要求），受包括這一因素在內的多種因素影響，多數FHSS技術廠家僅能提供1Mb/S的產品，而符合IEEE802.11無線網路標準並使用DSSS直序列擴頻技術廠家的產品則全部可以提供2Mb/S的速率，因此DSSS技術在無線網路產品中得到了廣泛套用。
1.1.1．介質接入控制層功能
無線網路（WLAN）可以無縫連線標準的乙太網絡。標準的無線網路使用的是（CSMA/CA）介質控制信息而有線網路則使用載體監聽訪問/衝突檢測（CSMA/CD），使用兩種不同的方法均是為了避免通信信號衝突。
1.1.2．漫遊功能
IEEE802.11無線網路標準允許無線網路用戶可以在不同的無線網橋網段中使用相同的信道，或在不同的信道之間互相漫遊，如Lucent的WavePOINT II無線網橋每隔100 ms發射一個烽火信號，烽火信號包括同步時鐘、網路傳輸拓撲結構圖、傳輸速度指示及其他參數值，漫遊用戶利用該烽火信號來衡量網路信道信號質量，如果質量不好，該用戶會自動試圖連線到其他新的網路接入點。
1.1.3．自動速率選擇功能
IEEE802.11無線網路標準能使移動用戶(Mobile Client)設定在自動速率選擇(ARS)模式下，ARS功能會根據信號的質量及與網橋接入點的距離自動為每個傳輸路徑選擇最佳的傳輸速率，該功能還可以根據用戶的不同套用環境設定成不同的固定套用速率。
1.1.4．電源消耗管理功能
IEEE802.11還定義了MAC層的信令方式，通過電源管理軟體的控制，使得移動用戶能具有最長的電池壽命。電源管理會在無數據傳輸時使網路處於休眠（低電源或斷電）狀態，這樣就可能會丟失數據包。為解決這一問題，IEEE802.11規定了AP接入點應具有緩衝區去儲存信息，處於休眠的移動用戶會定期醒來恢復該信息。
1.1.5．保密功能
1999版
該版本於1999年8月頒布。除原IEEE802.11的內容之外，增加了基於SNMP協定的管理信息庫（MIB），以取代原OSI協定的管理信息庫。另外還增加了高速網路內容：
1.2.1．IEEE802.11a
1.2.2．IEEE802.11b
工作於2.4GHz頻點，採用補償碼鍵控CCK調製技術。當工作站之間的距離過長或干擾過大，信噪比低於某個門限值時，其傳輸速率可從11Mb/s自動降至5.5Mb/s，或者再降至直序列擴頻技術的2Mb/s及1Mb/s速率。
技術前景
建設符合IEEE802.11標準的無線網路，不僅可以滿足需要，而且日後網路還可以平滑升級，可以有效地保護投資。IEEE802.11 工作小組已成立了新的研究小組，對大信息流量及多工作組同時工作、流量控制及更安全的保密編碼、安全認證等技術問題進行研究，隨著無線網路成本的不斷下調、配套技術的不斷完善、覆蓋範圍的不斷增大，無線網路的套用將會成為未來網路的技術主流。
協定指標
2.1.1．CSMA/CA協定
我們知道匯流排型區域網路在MAC層的標準協定是CSMA/CD，即載波偵聽多路存取/衝突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。但由於無線產品的適配器不易檢測信道是否存在衝突，因此802.11全新定義了一種新的協定，即載波偵聽多路存取/衝突避免CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，載波偵聽--查看介質是否空閒；另一方面，衝突避免--通過隨機的時間等待，使信號衝突發生的機率減到最小，當介質被偵聽到空閒時，優先傳送。不僅如此，為了系統更加穩固，IEEE802.11還提供了帶確認幀ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪聲干擾，或者由於偵聽失敗時，信號衝突就有可能發生，而這種工作於MAC層的ACK此時能夠提供快速的恢復能力。
2.1.2．RTS/CTS協定
RTS/CTS協定即請求傳送/允許傳送協定，相當於一種握手協定，主要用來解決“隱藏終端”問題。“隱藏終端”（Hidden Stations）是指，基站A向基站B傳送信息，基站C未偵測到A也向B傳送，故A和C同時將信號傳送至B，引起信號衝突，最終導致傳送至B的信號都丟失了。“隱藏終端”多發生在大型單元中（一般在室外環境），這將帶來效率損失，並且需要錯誤恢復機制。當需要傳送大容量檔案時，尤其需要杜絕“隱藏終端”現象的發生。WaveLAN802.11提供了如下解決方案。在參數配置中，若使用RTS/CTS協定，同時設定傳送上限位元組數--一旦待傳送的數據大於此上限值時，即啟動RTS/CTS握手協定：首先，A向B傳送RTS信號，表明A要向B傳送若干數據，B收到RTS後，向所有基站發出CTS信號，表明已準備就緒，A可以傳送，其餘基站暫時“按兵不動”，然後，A向B傳送數據，最後，B接收完數據後，即向所有基站廣播ACK確認幀，這樣，所有基站又重新可以平等偵聽、競爭信道了。
2.1.3．信道重整
當傳送幀受到嚴重干擾時，必定要重傳。因此若一個信包越大時，所需重傳的耗費（時間、控制信號、恢復機制）也就越大；這時，若減小幀尺寸--把大信息包分割為若干小信包，即使重傳，也只是重傳一個小信包，耗費相對小得多。這樣就能大大提高WirelessLAN產品在噪聲干擾地區的抗干擾能力。當然，作為一個可選項，用戶若在一個“乾淨”地區，也可以關閉這項功能。
2.1.4．多信道漫遊
人類是無限追求自由的，隨著移動計算設備的日益普及，我們希望出現一種真正無所羈絆的網路接入設備。WaveLAN802.11就是這樣的一種設備。傳輸頻帶是在接入設備AP（Access Point）上設定的，而基站不須設定固定頻帶，並且基站具有自動識別功能，基站動態調頻到AP設定的頻帶，這個過程稱之為掃描（Scan）。IEEE802.11定義了兩種模式：被動掃描和主動掃描。被動掃描是指，基站偵聽AP發出的指示信號，並切換到給定的頻帶；主動掃描是指，基站提出一個探視請求，接入點AP回送一個包含頻帶信息的回響，基站就切換到給定的頻帶。WaveLAN802.11採用的是主動掃描，並且能結合天線接收靈敏度，以信號最佳的信道確定為當前傳輸信道。這樣，當原來位於接入點AP（A）覆蓋範圍內的基站漫遊到接入點AP（B）時，基站能自適應，重新以AP（B）為當前接入點。
2.1.5．可靠的安全性能
WaveLAN本身的發射功率很小，小於35mV，而且還被擴展到22MHz頻寬。一方面，平均能量很低（15dBm），另一方面，不存在頻率單一的載波，因此很難被掃描跟蹤，這也是此項技術一直用於軍事上的原因。這些是物理上的安全機制，在軟體上，還採用了域名控制、訪問許可權控制和協定過濾等多重安全機制；並且在有線同等保密（WEP）方面，對於特殊用戶，可選以下附屬檔案：基於RC4加密（1988RSA運算法則）和密碼（40位加密鑰匙）。
新標準
由Airgo、Bermai、Broadcom (博科通訊)、Conexant (科勝訊)、STMicroelectronics (意法半導體)及Texas Instruments (德州儀器)等業界大廠組成的WWiSE聯盟日前宣布將把一份完整的共同建議案提交給IEEE 802.11 Task Group N (TGn)，其目標是發展新一代Wi-Fi標準，並使它擁有100 Mbps以上的持續數據產出能力，MIMO-OFDM將是這種新技術的基礎。IEEE 802.11n將成為無線網路市場上特別重要的標準，因為它會運用和擴大這些功能，使其支持目前正在享受Wi-Fi連線技術優點的眾多使用者。
WWiSE代表全球頻譜效率，它是提交給Task Group N所有建議案的重要元素，就這方面而言，WWiSE建議案的發展是以全球部署能力和向後兼容於所有其它Wi-Fi標準為主要的宗旨和強制要求，其它考量還包括數據速率必須符合重要區域市場的全球電信法規要求，例如日本。這個建議案還包含由WWiSE廠商提供的免權利金授權選項，主要目標是協助推動802.11n技術在世界各地的部署套用。
WWiSE建議案是以獲得全球採用的20 MHz通道格式為基礎，世界各地已有超過數千萬部Wi-Fi裝置正在使用此格式，這種方法不但確保現有Wi-Fi產品獲得支持，還可以改善Wi-Fi網路在指定頻帶內的工作效能。除此之外，聯盟廠商也代表了組成Wi-Fi市場的半導體供應和消費領域重要交集，這將在發展廠商和最終產品製造商之間建立起堅強的合作關係。
特點
就技術層面而言，WWiSE建議案標示著802.11實作功能的重大進步，主要特點包括：
"強制使用已經核准、現已存在且全球適用的20MHz Wi-Fi通道寬度，確保它在任何電信法規要求下都能立即使用和部署。
"更強的MIMO-OFDM技術，它是在2×2組態配置和一個20 MHz通道的最低要求下達到135 Mbps最大數據速率、進而降低實作成本的關鍵。這種技術還能大幅改善簡單的天線延伸或信道匯整技術。
"利用4×4 MIMO架構和40 MHz通道寬度(只要主管單位允許)實現的540 Mbps最高數據速率，它能替未來的裝置和套用提供持續發展的藍圖。
"強制模式提供與5 GHz和2.4 GHz頻帶內現有Wi-Fi裝置的向後兼容性與互用性，確保已安裝的設備仍能獲得強大支持。
"先進的FEC編碼功能幫助實現最大覆蓋率和在線上距離，它適用於所有的MIMO組態和通道頻寬。
802.11n
2.3.1、802.11n來龍去脈
在當今各種無線區域網路技術交織的戰國時代，WLAN、藍牙、HomeRF、UWB等競相綻放，但IEEE802.11系列的WLAN是套用最廣泛的。自從1997年IEEE802.11標準實施以來，先後有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e、802.11f、802.11h、802.11i、802.11j等標準制定或者醞釀，但是WLAN依然面對著“四不一沒有”的問題，即頻寬不足、漫遊不方便、網管不強大、系統不安全和沒有殺手級的套用等。就像當今VoIP套用中一個全新的領域VoWLAN那樣，雖被業內人士看作是WLAN最有希望的殺手級套用，卻因為這四個“不”，很難進一步發展。
2.3.1、500Mbps的美妙前景
在傳輸速率方面，802.11n可以將WLAN的傳輸速率由802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到108Mbps，甚至高達500Mbps。這得益於將MIMO(多入多出)與OFDM(正交頻分復用)技術相結合而套用的MIMO OFDM技術，這個技術不但提高了無線傳輸質量，也使傳輸速率得到極大提升。
套用前景：802.11n將使WLAN傳輸速率達到傳輸速率的10倍，而且可以支持高質量的語音、視頻傳輸，這意味著人們可以在寫字樓中用Wi-Fi手機來撥打IP電話和可視電話。
在覆蓋範圍方面，802.11n採用智慧型天線技術，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可以動態調整波束，保證讓WLAN用戶接收到穩定的信號，並可以減少其它信號的干擾。因此其覆蓋範圍可以擴大到好幾平方公里，使WLAN移動性極大提高。
標準爭論
讓人遺憾的是，802.11n現處於一種“標準滯後、產品早產”的尷尬境地。802.11n標準還沒有得到IEEE的正式批准，但採用MIMO OFDM技術的廠商已經很多，包括Airgo、Bermai、Broadcom以及傑爾系統、Atheros、思科、Intel等等，產品包括無線網卡、無線路由器等，而且已經大量在PC、筆記本電腦中套用。
主導802.11n標準的技術陣營有兩個，即WWiSE(World Wide Spectrum Efficiency)聯盟和TGn Sync聯盟。這兩個陣營都希望在下一代無線區域網路標準之爭中處於優先地位，不過兩大陣營的技術構架已經越來越相似，例如都是採用MIMO OFDM技術，而且有訊息稱，他們已經決定不計前嫌，共同向美國電氣電子工程師學會(IEEE)遞交了802.11n的無線技術版本。
在這激烈的競爭中，我們卻看不到中國的身影，讓我們不得不感到有些遺憾。這也是我們沒有核心技術的後果。標準之爭最終還是利益之爭，中國企業很難在WLAN核心技術方面取得巨大效益，這是很值得人們深思的。
技術解析
以前的無線傳輸技術，發展瓶頸就在覆蓋範圍和傳輸速率上。如果覆蓋範圍廣，那傳輸的速度肯定會變慢；如果傳輸速度上去了，那么覆蓋範圍肯定要縮小。那么802.11n到底是如何去解決這些問題、如何去突破這個制約無線技術的瓶頸的呢？它包含了哪些具體的新技術呢？我們在這裡將一一的去分析。
2.5.1、OFDM技術
OFDM技術是MCM（Multi -Carrier Modulation，多載波調製）的一種。其核心是將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調製和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號頻寬小於信道的相關頻寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾，如圖1所示。另外，由於在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，於是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。
OFDM技術解析圖
還有，OFDM技術通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率，很好地解決了無線數據業務的非對稱性傳輸問題。同時，OFDM系統還在某種程度上抑制了由於窄帶干擾帶來的影響。
儘管同單載波系統相比，OFDM還存在一些缺點，例如易受頻率偏差的影響，存在較高的峰值平均功率比（PAR），但通過結合時空編碼、分集、干擾（包括符號間干擾ISI和鄰道干擾ICI）抑制以及智慧型天線技術，可以最大程度地提高物理層的可靠性。如再結合自適應調製、自適應編碼以及動態子載波分配、動態比特分配算法等技術，可以使其性能進一步最佳化。
2.5.2、MIMO技術
MIMO技術解析圖
特別是，這N個子流同時傳送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而並未增加頻寬。若各發射、接收天線間的通道回響獨立，則MIMO系統可以創造多個並行空間信道。MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行最佳化，從而可實現高的通信容量和頻譜利用率，這是一種近於最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。
2.5.3、MIMO OFDM技術
MIMO OFDM技術是通過在OFDM傳輸系統中採用陣列天線實現空間分集，提高了信號質量，是聯合OFDM和MIMO而得到的一種新技術。它利用了時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加，系統原理如圖3所示。MIMO OFDM主要包括以下關鍵設計： 傳送分集、空間復用、接收分集、干擾消除、軟解碼、信道估計、同步、自適應調製和編碼等技術，其中的技術細節在此不再冗述。
MIMO OFDM技術解析圖
2.5.4、MAC層最佳化技術
從網路邏輯結構上來看，802.11隻定義了物理層及介質訪問控制（MAC）子層。MAC層提供對共享無線介質的競爭使用和無競爭使用，具有無線介質訪問、網路連線、數據驗證和保密等功能。802.11n標準小組為了提升整個網路的吞吐量，對MAC層協定也進行了最佳化，改變數據幀結構，增加了淨負載所占的比重，減少管理檢錯所占的位元組數，大大提升了網路的吞吐量。
2.5.5、智慧型天線技術
智慧型天線是一個由多組獨立天線組成的天線陣列系統，該陣列的輸出與收發信機的多個輸入相結合，可提供一個綜合的時空信號。與單個天線不同的是，天線陣列系統能夠動態地調整波束的方向，以使每個用戶都獲得最大的主瓣，並減小了旁瓣干擾。這樣不僅改善了SINR（Signal-to- Interference and Noise Ratio，信號干擾和噪聲比），還提高了系統的容量，擴大了小區的最大覆蓋範圍，減小了移動台的發射功率。智慧型天線的基本結構如圖4所示。
智慧型天線技術解析圖
智慧型天線技術保障了能夠以不低於108Mbps的傳輸速率進行通信，同時可以作為蜂窩移動通信的寬頻接入部分，與無線廣域網更緊密地結合。一方面，802.11n可以為用戶提供高數據率的通信服務（比如視頻點播VOD、線上看HDTV）；另一方面，無線廣域網為用戶提供了更好的移動性。
2.5.6、軟體無線電技術解決移動難題
軟體無線電是指研製出一個完全可程式的硬體平台，所有的套用都通過在該平台上的軟體編程實現。換言之，不同系統的基站和移動終端都可以由建立在相同硬體基礎上的不同軟體實現。該技術將能保證各種移動台、各種移動通信設備之間的無縫集成，並大大降低了建設成本。
（1）在同一硬體平台上兼容不同的系統
（2）具有自動漫遊能力，能在不同系統之間進行智慧型切換
（3）可以下載公用軟體並進行自身的升級
（4）支持語音、數據、圖像和傳真等多種業務，並能根據業務流量，信道質量等情況，自動選擇合適的傳輸信道
（5）自動選擇通信模式，採用合適的通信協定和信號格式實現遠端通信。
作為一個新標準，與以前的802.11協定相比，IEEE802.11n無線區域網路有兩方面的優勢。一是短期的優勢，有較高的傳輸速率，數據傳輸速率達100Mbps以上，使無線區域網路平滑地和有線網路結合，全面提升了網路吞吐量；二是長期的優勢，今後無線區域網路的產品可以使用雙頻方式，即在 2.4GHz和5.8GHz兩個頻段，基於MIMO+OFDM調製技術，提高數據傳輸速率。同時，802.11n的傳輸距離更遠，容易與無線廣域網融合。
編輯觀點
802.11n肯定能夠給WLAN帶來真正的殺手級套用，想想在辦公室我們可以不再使用手機、不再使用桌面電話，而是使用Wi-Fi手機，也可以使筆記本電腦不必中斷網路連線而在各個辦公室、會議室中移動辦公。在家庭中，我們可以享受到各種寬頻的無線套用，從IPTV到可視電話都可以通過WLAN實現，更重要的是各種智慧型家電都可以通過WLAN實現連線，與通信系統相連可以實現更加智慧型的控制。
802.11n像迷霧中的燈塔，已經離我們越來越近了。
開源項目
使用開源軟體無線電GNU Radio, BBN Technologies Internetwork Research BBN -BBN Technologies Internetwork Research ADROIT Project在DARPA 的贊助下編寫802.11 代碼。GNU Radio 是免費的軟體開發工具套件。它提供信號運行和處理模組，用它可以在易製作的低成本的射頻（RF）硬體和通用微處理器上實現軟體定義無線電。這套套件廣泛用於業餘愛好者，學術機構和商業機構用來研究和構建無線通信系統。GNU Radio 的套用主要是用Python 程式語言來編寫的。但是其核心信號處理模組是C++在帶浮點運算的微處理器上構建的。因此，開發者能夠簡單快速的構建一個實時、高容量的無線通信系統。儘管其主要功用不是仿真器，GNU Radio 在沒有射頻RF 硬體部件的境況下支持對預先存儲和（信號發生器）生成的數據進行信號處理的算法的研究。
