无线通信网络综述

　　第三章 无线通信网络综述

　　3.1 无线网络的概念。

　　无线网络与有线网采用的是相似的工作方式，将服务器、计算机、工作站、网络操作系统、访问点和无线适配器等用无线传输媒体连接起来建立的网络。

　　无线网络与有线网络的主要区别在于不同的信息传输介质，实际上，我们在面对面谈话时，也可以理解为"无线通信".在古代战争时，所使用的狼烟，就是利用电磁波（光）的直线传播的无线通信。

　　然而，真正意义上的无线通信，要从麦克斯韦（Maxwell）和赫兹（Hertz）对电磁波的研究，人们认识到了电磁波传输的概念以后。不久之后，特斯拉（Tesla）演示了通过电磁波传输信息的实验。事实上，这是最早的无线通信系统。在 1898 年，马可尼（Marconi）非常成功的宣传和演示了他的实验，从一个船上到英吉利海峡的怀特岛的无线通信。值得一提的是，尽管特斯拉（Tesla）是第一个成功的演示无线通信的人，但是由于马可尼（Marconi）有更好的公共关系和实验宣传，所以被人们广泛认为是无线通信的发明者，并在 1909 年获得诺贝尔物理学奖。

　　在随后的几年，无线广播（及后来的电视）在全世界普及起来。然而，我们通常不将无线广播和电视认为是无线通信。但从科学角度讲，将信息从一个地方通过电磁波传输到另外一个地方就可以认为是无线通信，无线广播和电视当然可以认为是无线通信[10].

　　3.2 无线传输方式。

　　传输媒体是指数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。传输媒体可以分为导向的和非导向的。这两种都是以电磁波形式进行传输的。对导向媒体来说，电磁波被引导沿某一固定媒体传输，比如同轴电缆、双绞线和光纤。大气和外层空间就是非导向媒体，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导电磁波的传输方向，这种传输方式称为无线传播。

　　无线传播媒体主要可以分为：地波通信、天波通信、微波直线通信、卫星微波通信、红外线传输、空间激光传输几种[11].

　　（1） 地波通信：沿着地球表面附近的空间传播的无线电波叫地波。在无线通信中，频率较低的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，具有一定的绕射能力，这种传播方式叫地波传输。

　　（2） 天波通信：天波是指将信号发射到地球上空的电离层，通过电离层发射回来实现传输的一种方式。天波通信系统配置简单，机动性较大，常用于电话、电报、传真和广播等业务。

　　（3） 微波直线通信：微波是一种电磁波，通信使用的范围通常为 3~30G Hz,因此一般称为厘米波，微波的频率越高，传输的距离就越短。微波通信是沿直线进行传播，并且不能穿透障碍物，因此微波通信主要依靠视距通信，超过视距以后需要中继转发。

　　（4） 卫星微波通信：卫星微波通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。卫星通信覆盖范围广，只要在卫星发射的电磁波所覆盖的范围内，任何两点之间都可以进行通信。

　　（5） 空间激光传输：空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间通信，激光的波长比微波明显短，具有很高的相干性和空间定向性，其特点为具有很大的通信容量、功耗低、体积小、重量轻、保密性较高。

　　3.3 无线网络的组成部分。

　　现在许多网络厂商生产的无线网络产品种类繁多。其中无线网络产品分为软件产品和硬件产品，软件产品是指计算机软件和网络协议，无线网络组网的硬件设备主要包括：无线网卡、无线网桥、无线路由器、无线接入器（无线 AP）、无线网关、无线交换机、无线调制解调器和无线天线。但并不是所有的无线网络的组网都需要所有这些设备，组网设备的选择需要根据实际组网的需求。如果组建一个对等式的小型无线网络，只需要无线网卡；当需要将网络规模扩大，或者需要将无线网络与局域网连接在一起时，就需要用无线交换机和无线 AP;当无线网络需要接入 Internet 时，才需要无线路由器。而无线天线主要是放大信号，以接收更远距离的无线信号，从而扩大无线网络的覆盖范围[12].

　　下面概括介绍下几种无线网络的硬件设备。

　　（1）无线网卡：

　　无线网卡是无线网络的终端设备，为了将工作站、服务器等设备通过无线网络联结起来，需要一块无线网卡。无线网卡提供了设备与网络之间的逻辑上和物理上的接口。一方面，无线网卡与内部 RAM 交换数据，另一方面，它以无线网络的速度和格式传送和接收数据。

　　（2）无线网桥：

　　一对无线网桥使两个物理上分离的局域网络段联结起来，在两个局域网络段之间建立一条稳定可靠的无线链路，使两个分离的局域网络段上的节点好像连接在一根电缆上一样。

　　（3）无线路由器：

　　无线路由器是带有无线覆盖功能的路由器，它主要应用于用户上网和无线覆盖，由工业级微机、有线网卡、无线网卡及相应软件构成，根据需要可有许多不同的配置，可以有多个无线接口和有线接口，用于进行网间（有线与无线）的路由选择与桥接，可以看作转发器，将地理位置上不同区域的多个有线和无线网络相连。

　　（4）无线接入器：

　　无线接入点 AP 一般也称为"无线访问节点",是无线网络的组网系统的核心设备，一般有多个以太网接口，如果原网络中计算机安装有双绞线网卡，可以安装多以太网接口无线 AP,将无线与有线网络相连。

　　（5）无线网关：

　　无线网关广义上是指一个网络连接到另一个网络的接口，具体是指集成有简单路由功能的无线 AP,无线网关可以完成路由器的功能，实现 AP 的功能。

　　（6）无线交换机：

　　交换机是一种电信号转发的网络设备，可以为接入交换机的任意两个网络节点提供专用的电信号通路。无线交换机，是进行无线局域网数据交换的终端网络设备，可以广泛用于家庭、企业，免去有线数据的布线，以及后期维护的麻烦。

　　（7）无线调制解调器：

　　调制解调器是一种计算机硬件，是为了将数据通信的数字信号，在具有有限带宽的模拟信道上进行传输，而这些模拟信号，又由另一终端的另一个调制解调器接收，编译为计算机能懂的数字信号，从而实现了计算机的数字通信。无线调制解调器的不同之处就是传输媒介为无线传输。

　　（8）无线天线：

　　天线是用来接收或者发射无线电波的设备和部件。在无线通信系统中，是不可或缺的组成部分，广播、雷达、通信、遥测、导航和遥控都需要无线天线来传递信息。

　　当计算机与无线 AP 或其他计算机的距离较远时，随着信号不断减弱，或传输的速率明显下降，或完全无法进行与 AP 或其他计算机之间通信时，就需要借助于无线天线对所接收或发送的信号进行增益。

　　3.4 无线网络的拓扑结构。

　　网络的拓扑结构主要是指网络连接的物理构造。在有线局域网中主要有总线型、环型和星型结构。而比较常用的无线网络拓扑结构，有基础结构集中式拓扑、分布对等式拓扑（Ad Hoc）、中继或桥接型网络拓扑，下面概括介绍下这三种常用的无线拓扑结构：

　　1）基础结构式拓扑。

　　基础结构式通常也称为基础结构中心辐射式，包括分布式系统媒体、AP 和端口实体。一个基础结构除了 DS 外，还包含一个或多个 AP 及多个端口，一个无线局域网中至少有一个 AP,此 AP 是中心控制站，该局域网中在该中心的控制下和其它站通信。可以是 WiMAX 基站、Wi-Fi 接入点、蓝牙设备或者 ZigBee 协调器，其作用类似于有线网络中的集线器。基础结构集中式拓扑的抗毁性比较差，如果 AP 遭到破坏，则通过此 AP 进行通信的无线局域网就会瘫痪。包含一个 AP 的单区基础结构。

　　2）分布对等式网络拓扑。

　　分布对等式网络拓扑（Ad Hoc），是一种独立的基本业务组（BSS），它至少有两个站，在可以直接通信范围内，任意站之间可以直接通信而无需 AP 转接。可用于网络重组，不需要固定基础结构就可以工作，一般分为两种：单跳对等拓扑和多跳Ad Hoc 网络拓扑。

　　3）中继或桥接型网络拓扑。

　　两个或多个网络或网段，可以通过无线中继器、无线网桥或路由器等无线网络设备互连起来。中间仅通过一级无线互连设备称为单跳网络。如果中间需要多级无线互连设备，则称为多跳网络。采用中继或桥接型网络拓扑也是一种扩大无线网络覆盖范围的有效方法.

　　3.5 无线网络的协议模型。

　　网络体系结构是计算机网络原理中非常重要的一个概念，计算机分为硬件和软件两部分，缺一不可。同样，计算机网络系统也是由网络软件和硬件两部分组成，计算机网络的体系结构就是从网络软件的角度研究计算机网络。网络协议是为计算机网络进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。由于计算机网络节点之间联系的复杂性，一般将网络协议分层管理，层次结构有以下几点[14]:

　　（1）结构中的每层都有明确的服务和接口标准。

　　（2）用户的应用程序为最高层。

　　（3）除最高层外，中间每层都向上一层提供服务，同时又是下一层的用户。

　　（4）把物理通信线路作为最低层，它使用从最高层传送来的参数，为提供服务的基础。

　　为了使不同的计算机能够互相通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织在 1978 年提出了"开放系统互联参考模型",即 OSI/RM 模型，它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层。

　　无线网络的协议模型也是基于分层体系结构的技术，但是对不同类型的无线网络所重点关注的协议层次不一样。无线网络按照范围可以分为无线局域网、个域网、城域网、以及广域网。这个分类是一个相对的概念，主要区别在于数据传输的范围不同，从而引起的网络设计和实现方法的区别。介于广域网和局域网之间的局部网络称为城域网，比局域网更小的局部网络则称为个域网。

　　IEEE802 又称为 LMSC（LAN/MAN Standards Committee, 局域网/城域网标准委员会），主要研究局域网和城域网的物理层和 MAC 层规范。LMSC 执行委员会主要包含工作组、研究组和技术顾问组。

　　目前，IEEE802 把无线网络标准主要分为 IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.16和 IEEE802.20 系列标准。IEEE802.11 系列研究的是无线局域网；IEEE802.15 系列研究的是无线个人区域网；IEEE802.16 系列研究的是宽带无线接入城域网；IEEE802.20系列标准研究的是移动宽带无线接入广域网，现在这些标准已经成为无线网络的主流标准。

　　IEEE802.11 系列规范主要从无线局域网的物理层和媒体访问控制层制订系列规范，物理层标准规定了无线传输信号的基础规范，如 IEEE802.11e、IEEE802.11f 和IEEE802.11i.IEEE802.11 已经从原来的 IEEE802.11、IEEE802.11a 和 IEEE802.11b发展到了 IEEE802.11z 等几十种标准。

　　IEEE802.11 无线局域网提供的基本服务群是由很多主机所组成的集合，可以是随意架构网络或基础架构网络。获得工业界普遍认可的第一个 IEEE.802.11 标准是IEEE.802.11b.为了解决来自不同厂商的产品能够成功的相互操作，1999 年成立了无线以太兼容性联盟，后来更名为 Wi-Fi 联盟。

　　IEEE802.15 系列标准是 IEEE 提出的取代有线连接的 APANS 技术标准，以蓝牙技术为基础。WPAN 设备价格便宜、体积小。易于操作和功耗低等优点适于个人操作空间，传输数据速率为 500~700kbps.

　　WPAN 用于无线媒体访问控制层和物理层规范，目前 IEEE802.15 系列标准有四个，分别为：IEEE802.15.1 即蓝牙无线个人区域网络标准，中等速率和近距离 WPAN的网络标准；IEEE802.15.2 标准，研究 IEEE802.15.1 和 IEEE802.11 的共存问题。

　　IEEE802.15.3 标准，研究高传输速率 WPAN 标准。IEEE802.15.4 研究的是低速 WPAN标准，即 ZigBee 技术标准。

　　IEEE802.16 宽带无线接入标准，又称为无线城域网标准，对工作在不同的无线接入系统空中接口、一致性和共存问题进行了规范，从 IEEE802.16 工作组成立以来，IEEE802.16 的系列标准已经发展为十几种了。

　　IEEE802.20 标准是移动宽带无线接入标准，主要应用于无线广域网，强调对高速移动性的支持。是采用无线网络将物理距离极为分散的局域网连接起来的通信方式。IEEE802.11 协议主要工作在 ISO 的物理层和数据链路层。

　　3.6 本设计采用的无线网络技术。

　　本论文所研究的是一厂区内分布在建筑的各个子系统，针对本项目的实际情况，采用基于 IEEE 802.11n 协议标准的无线局域网技术和相关设备。

　　IEEE802.11n 标准，是当前最新的无线局域网标准，理论最大速率可以达到 600Mbps,当前市场上常见的是支持 300 Mbps 的 IEEE 802.11n 的产品。IEEE 802.11n 标准的核心是 MIMO（Multiple Input Multiple Output,多输入多输出）和 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用）技术，更大的提高了系统的传输速率。