下一代高速無線局域網標準IEEE802.11n

2019-11-05 02:33:33

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　　1.IEEE802.11n概述
　　
　　IEEE已經成立802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網標準802.11n。802.11n工作小組是由高吞吐量研究小組發展而來的，由802.11g工作小組主席Matthew B. Shoemaker擔任主席一職。該工作小組計劃在2003年9月召開首次會議。
　　
　　802.11n計劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達320Mbps，成為802.11b、802.11a、802.11g之后的另一場重頭戲。和以往地802.11標準不同，802.11n協議為雙頻工作模式（包含2.4GHz和5GHz兩個工作頻段）。這樣11n保障了與以往的802.11a b, g標準兼容。
　　
　　一些4G及3.5G的要害技術，如OFDM技術、MIMO技術、智能天線，和軟件無線電等,開始應用到無線局域網中，提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM調制技術，提高了傳輸速率，增加了網絡吞吐量。802.11n計劃采用MIMO與OFDM相結合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術及傳輸技術，使得無線局域網的傳輸距離大大增加，可以達到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速率）。IEEE802.11n標準全面改進了802.11標準，不僅涉及物理層標準，同時也采用新的高性能無線傳輸技術提升MAC層的性能，優化數據幀結構，提高網絡的吞吐量性能。
　　
　　2．各版本的比較
　　
　　如表1所示，802.11標準有好幾個版本。在頻段利用上，工業的、科學的和醫療的（ISM）頻段總是首先要考慮的，802.11，802.11b及新興的802.11g標準都共享2.4-GHz頻段。然而，因為使用ISM頻段是不需要商業執照的，因此用戶很輕易會受到來自于救護車，警車，出租車及其他工作在此頻段的辦公設備的干擾。
　　
　　出于對傳輸速率的考慮，人們不得不為WLANs規劃更寬且密集度更小的頻段。以IEEE802.11a為例，它使用5.0-GHz頻段，但因為其它版本都工作在2.4-GHz頻段，所以后向兼容成了一個問題。
　　
　　一個可能的解決方案就是使用雙頻段LAN網卡，它對802.11a和802.11b是兼容的，但是沒有被廣泛采用。目前最新的標準IEEE802.11g，采用的頻段是2.4-GHz，它在一定程度上兼容802.11b，同時能提供很高的比特率，只是采用的傳輸方式不同。包括蘋果公司在內的許多廠商已經能夠提供基于802.11g的系統。
　　
　　頻譜的選擇對功率需求也有很大的影響。例如，為了覆蓋同樣的熱點（hotspot），802.11a的信號就要比2.4-GHz頻段上的信號有更強的功率；使用相同的功率，802.11a則需要更多的接入點，這對運營商來說是不經濟的。雖然在物理層做的許多改進（更高效的編碼、更好的天線設計和更節能的LAN協議）能夠減少功率需求，但這個減少量也是很有限的。
　　
　　在無線信道上，IEEE802.11標準傳送數據的方式包括跳頻擴頻（FHSS）、直接序列擴頻（DSSS）和紅外線。802.11b只支持DSSS，而802.11a使用正交頻分復用（OFDM）技術，一個信號源最多能利用52個載波向外傳送數據，速率達到54Mbps。
　　
　　除了802.11標準之外，還有其它WLANs的標準，如歐洲的Hiper-LAN2。雖然也是為相似的環境所設計，但這些標準在頻率、比特率、功率需求和覆蓋范圍等方面都有所不同。
　　
　　表1.IEEE802.11WLAN標準
　　
　　標準頻譜最大物理速率第三層數據速率傳輸方式與其它標準兼容主要缺點主要優點
　　
　　802.112.4GHz2Mbps1.2Mbps FHSS/DSSS 無速率有限信號覆蓋范圍較廣
　　
　　802.11a5.0GHz54Mbps32Mbps OFDM 無在所有802.11標準中信號覆蓋范圍最小在低密集度的頻譜內速率較高
　　
　　802.11b2.4GHz11Mbps6-7Mbps DSSS 802.11 對許多新興的應用來說速率太低廣泛使用，信號覆蓋范圍較廣
　　
　　802.11g2.4GHz54Mbps32Mbps OFDM 802.11/
　　
　　802.11b同一地區內WLANs的數量有限速率較高
　　
　　3．可能的體系結構
　　
　　運營商有兩種方式在熱點里配置WLANs。
　　
　　第一種WLAN-Internet結構有著很多接入點，不用通過手機或PCS（個人通信業務），它以光纖作為基礎骨架。就這種方式而言，整個WLANs通過一個中心點互聯，或者一組同區域內的WLANs直接與其他WLANs互聯。假如需要定位治理，那么定位精確度和接入點的覆蓋范圍是相關的。
　　
　　第二種方式，WLANs能夠實現與其它無線網絡的越區切換，且所有的網絡都與Internet互聯。這樣，對實時要求較高的移動商務就能在手機上得到應用。同樣地，基站能夠把廣播信號或多點傳送信號越區切換到基于衛星的網絡。信號的越區切換還能被應用在定位治理上，自911事件之后，定位治理的精確度要求更高了。
　　
　　配置WLANs可供選擇的方案
　　
　　(a)以光纖為基礎骨架連接到Internet的有著很多接入點的WLANs
　　
　　(b)支持越區切換到其它重疊無線網絡的WLANs
　　
　　4．國外的應用情況
　　
　　全世界現在已經有了幾千個熱點（Hotspot），接下去的幾年內這個數目將會有顯著的增加。在美國，許多熱點運營商（HSOs）已經在賓館，機場，餐廳，書店，學校，劇院等公眾聚集場所安裝了Wi-Fi接入點。TeleSeaWirelessServices公司甚至可以為航海者提供寬帶接入，只要他在距離美國海岸30英里之內。
　　
　　幾大無線運營商憑借他們覆蓋全美的網絡以及廣闊的用戶市場，希望能在WLAN商務領域里也能扮演支配者的角色。
　　
　　T-Mobile公司在美國為超過半數的熱點提供基于802.11b的接入，有千分之十的移動用戶通過它的WLANs接入到Internet。
　　
　　CometaNetworks公司——一個以AT&TWireless，IBM和Intel公司為背景的HSO近來公布了一個野心勃勃的計劃，在接下去的兩年內與iPass公司合作建設20000個熱點。與此同時，ToshibaAmerica Information Systems與Accenture合作，計劃在年底之前建設超過10000個WLANs。
　　
　　有很多城市為了提升商務和旅游環境，也已經提供或計劃提供公共寬帶服務。位于加州的長灘市，在市區提供免費的Wi-Fi接入。用戶可以通過非凡的入口進入系統，然后可以獲取商務娛樂咨訊，還可以對社區數據庫進行查詢。
　　
　　許多零售商為增加銷售額也開始在店里提供無線接入。例如，StarbUCks在它的一千多個咖啡廳里為顧客提供了T-MobileHotSpot服務。Borders在它的幾百個書店和咖啡廳里也提供了相似的服務。
　　
　　5．面臨的挑戰
　　
　　在大范圍普及WLANs之前，無線運營商和制造商必須處理與802.11有關的三個問題。分別是安全性能、缺乏多點傳送以及如何進行定位治理。只有這些問題得到解決，新興的應用才能變得普及。
　　
　　5.1對安全性的挑戰
　　
　　Wi-Fi聯盟正在著手于提供一項安全解決方案，即Wi-FiPRotected access（WPA，Wi-Fi保護存取協議）。另外，IEEE的i工作組將在年內或明年初完成對安全標準802.11i的修訂工作。WPA要害部分包括一個經IEEE認可的高級鑒定方案（802.11x）、臨時密鑰完整性協議（TKIP）和帶有CBCMAC協議的計數模式。
　　
　　TKIP將密鑰位數從40增加到128，并采用動態產生以及通過認證服務器來分配的多組密鑰取代了WEP（有線等效協議）的單一靜態的密鑰。TKIP使用一種密鑰層以及密鑰治理方法論，但去掉了其中入侵者可以通過其可猜測性來破解的部分。
　　
　　為了達到這個目的，TKIP采用了802.1X/EAP（可擴展身份驗證協議）的架構。而認證服務器在接受用戶的身份證實之后，又使用802.1X來為運算階段產生一組唯一的主鍵、又稱“配對”密鑰。TKIP將這組密鑰分配給客戶端以及AP、建立密鑰層以及治理系統、使用配對密鑰動態來產生唯一的數據加密密鑰，并以此加密所有用戶在無線傳輸階段所傳輸的數據封包。TKIP的密鑰層會把WEP的單一靜態密鑰換成約500兆組密鑰，并可用在指定的數據封包之內。
　　
　　信息完整性檢查（MIC）用來防止攻擊者攔截、篡改甚至重發數據封包。MIC提供了一個強壯的數學公式，其中接收端與傳送端必須各自計算并比較MIC值。假如不符，它便假設數據已遭竄改，而該封包也會被丟棄。
　　
　　為了大幅增加密鑰大小、可用的密鑰數目以及附加的完整性檢查機制，TKIP增加了在數據編碼方面的復雜性與困難度。TKIP大幅提升了無線加密的強壯性與復雜性，讓潛在入侵者極難入侵Wi-Fi網絡。
　　
　　另一個解決方案是使用帶有IP安全協議隧道的虛擬專用網。用該方法入網的安全性和連續性都較好，但是所有流量都必須由一個VPN網關來處理，所以它所能支持的用戶數量是有限的。
　　
　　5.2對多點傳送的支持
　　
　　許多新興的移動應用——包括移動商務，遠程教育及交互式游戲，都需要支持群通信。當用戶漫游到不同的地域、離開群或有新用戶加入到群里的時候，無線多點傳送是更新成員信息的最有效的方法。然而，如何在WLANs里確保可靠性、隱秘性、服務質量和低延遲的問題就凸現了出來。
　　
　　為支持面向群的移動服務，首先要求確定不同移動服務的多點傳送需求，而后修改網絡協議以便能在更高的層里支持多點傳送，并且根據協議的修改對開銷進行建模和評估。
　　
　　5.3對定位治理的支持
　　
　　一種吸引更多移動用戶到WLANs的途徑是提供基于本地的個人化的業務。比如給用戶提供四周餐廳的清單或電影播放時間表、緊急服務和跟蹤服務。
　　
　　為了增加定位精確度，運營商可以配置很多小型接入點，給WLANs增加傳感器和無線頻率鑒別標簽，還可以使用支持定位治理的其他網絡。
　　
　　6．總結
　　
　　盡管還存在著技術與經濟方面的困難，很多人認為WLANs的未來還是光明的。運營商要想做大WLANs市場，就必須努力迎合消費者的各種要求：包括使用起來要更方便、服務質量要更高、網絡治理工具要更多及價格要更實惠。
　　
　　此外，為了能在WLANs上支持更多的應用，諸如無線流媒體和視頻會

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