WLAN网络基本原理和网络优化指导Word格式文档下载.docx
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CCK/OFDM
物理发送速率
1,2
1,2,5.5,11
6,9,12,18,24，36，48，54
理论吞吐量
1.7Mbps
7.1Mbps
30.9Mbps
理论上的IP吞吐量
1.6Mbps
5.9Mbps
24.4Mbps
24.4Mbps
兼容性
N/A
与11g产品可互通
与11b/g不能互通
与11b产品可互通
802.11g的物理帧结构分为前导信号（Preamble）、信头Header和数据块Payload。
Preamble主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其它移动台以避免冲突，同时传送同步信号及帧间隔信息。
Preamble完成后，接收方才开始接收数据。
Header在Preamble之后用来传输一些重要的数据，比如负载长度、传输速率、服务等信息。
由于数据速率及要传送字节的数量不同，Payload的包长变化很大。
802.11g采用了OFDM等关键技术来保障其优越的性能，分别对Preamble，Header，Payload进行调制，这种帧结构称为OFDM/OFDM（帧头和数据块部分都用OFDM调制）方式。
另外，802.11g标准规定了可选项与必选项，为了保障与802.11b兼容，802.11g也可采用CCK/OFDM（帧头采用CCK调制，数据块采用OFDM调制）的调制方式。
因此，数据块采用OFDM调制为必选项，保障传输速率达到54Mbit/s。
采用CCK调制作为可选项保障后向兼容性。
（1）OFDM/OFDM
该模式最主要的特点就是帧头和数据块都采用OFDM调制技术，它的最高传输速率可达54Mbit/s。
可以和802.11b共存，不过它需使用RTS/CTS协议来解决冲突问题。
在实际的802.11g的设备参数中都会有一个类似“RTS门限”参数（不同厂家名字略有不同），当要传送的数据包大于这个门限值的时候，RTS-CTS机制才能被激活，这样就能向下兼容802.11b模式，否则RTS-CTS不被激活，在OFDM/OFDM模式下就无法兼容802.11b模式。
（2）CCK/OFDM
它是一种混合调制方式，是802.11g的可选项，802.11g采用CCK/OFDM技术来保障与802.11b共存。
其Header和Preamble用CCK调制方式传输，OFDM技术传送数据块负载。
由于OFDM技术和CCK技术是分离的，因此在Preamble和Payload之间要有CCK和OFDM的转换。
802.11b不能解调OFDM格式的数据，所以难免会发生数据传输冲突，802.11g使用CCK技术传输Header和Preamble就可以和802.11b兼容，使其可以接收802.11g的Header从而避免冲突。
这样保障了与802.11bWi-Fi设备的后向兼容性，但由于Preamble和Header使用CCK调制，增大了开销，传输速率比OFDM/OFDM方式有所下降。
2、WLAN工作频段划分
WLAN的工作频段划分为14个频段，但是对于不同的国家，其开放的数量不同，中国和欧洲一样开放13个信道，如下表所示：
Channel
中心频率
USA
EUROPE（China）
Japan
1
2.412
ok
2
2.417
2,422
4
2.427
5
2.432
6
2.437
7
2.442
8
2.447
9
2.452
10
2.457
11
2.462
2.467
13
2.472
14
2.484
由于每个信道中心频率相差5Mhz，而每个信道的带宽是22Mhz，因此从信道1到信道5都存在重叠部分，这就意味着假如有两个无线设备同时工作，且工作信道分别为1和3，那么他们发出的信号就会互相干扰。
为了最大程度地利用频谱资源，我们可以使用1、6、11；
2、7、12；
3、8、13；
4、9、14这四组互不干扰的信道来进行无线覆盖。
由于美国等国只开放了11个信道，因此为了保障WLAN设备的世界通用性，一般情况下我们都使用1、6、11三个信道。
3、WLAN网络组成的基本元素及组网结构
组成一个WLAN的网络，这其中包含各种基本元素，比如SSID、STA、BSS、ESS、AP、Adhoc等等。
SSID：
ServicesetID服务集识别码，标识一种无线服务，它不是一个物理网络，它只是一种逻辑上的划分，不同的SSID有着不同的接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等。
比如在移动区公司大楼10楼，打开笔记本，无线网卡自动扫描就会发现有两个无线网络SSID：
CMCC和QU-RL。
其中一个CMCC是中国移动的一个通用的WLAN服务集标识，另外一个QU-RL的网络就是公司人力资源部专用的SSID，要接入其中一个网络，只需要双击其中一个SSID即可进行连接。
STA：
工作站，也就是任何的无线终端设备。
AP：
AccessPoint，接入点。
它就像一个普通的STA一样完成数据的收发，但是它同时还负责为BSS内部的所有STA向网络侧转发数据报文。
其功能类似于GSM网络中的CELL。
BSS：
BasicServiceSet的缩写，能互相进行无线通信的（或者说使用相同SSID的）一个单一访问点AP和若干802.11无线终端STA可以组成一个BSS，一般一个基本的BSS里面要包含有一个AP，如果完全是STA，没有AP的话，我们称该BSS为IBSS。
ESS：
ExtendedServiceSet，使用相同身份识别码（SSID）的多个访问点（AP）以及一个无线设备群组，组成一个扩展服务组（ExtendedServiceSet，ESS）。
同一ESS内的不同访问点可以使用不同的信道。
除了这些网络元素外，WLAN网络核心侧还包括AC（AccessController），BRAS等。
AC：
（AccessController）在瘦AP+AC的组网模式中，AC通过无线接口方式，连接和对AP实现集中化管理（如帐户管理，地址分配，安全管理过滤IP、MAC、协议，WEP加密，日志），组成WLAN核心层，同时与外网互联。
并且加强对资源服务的分配。
BRAS：
BroadbandRemoteAccessServer，宽带接入服务器（BRAS）主要完成两方面功能：
一是网络承载功能，负责终结用户的PPPoE（Point-to-PointPotocolOverEthernet,是一种以太网上传送PPP会话的方式）连接、汇聚用户的流量功能；
二是控制实现功能：
与认证系统、计费系统和客户管理系统及服务策略控制系统相配合实现用户接入的认证、计费和管理功能。
4、无线终端接入WLAN网络流程及事件控制
GSM和WLAN在许多流程方面的控制都不大相同，相对GSM来说，WLAN无线侧的流程和控制相对GSM来说要简单得多，而且很多的控制都来自于终端发起，终端的主动性、决定性要远远强过GSM。
下图是对一些事件的简单对比：
GSM
WLAN
信道占用方式
独享
共享竞争
发现过程
用户发现网络，网络需要对用户的身份进行鉴权，成功后才允许驻留，否则只能做紧急呼叫
分为主动/被动发现
AP的选择和驻留
用户首先会对上次存储驻留过的信道进行扫描（没有合适的再进行全部的无线信道扫描），通过C1算法找到一个信号最好的小区进行驻留
终端会首先搜索扫描周围所有的AP，然后对信号最好的进行排序，最后选择一个场强最好的AP接入。
切换、重选和漫游
GSM切换是用户在移动通话过程中向网络发送测量报告，然后由系统决定是否该发起切换；
而重选则是由手机在空闲模式下对周围的网络进行扫描（通过预设的BA表）而重新选择服务小区的过程，重选由用户根据系统统一的C2算法来决定并发起
终端具有决定性，是否漫游是由终端来判断、决定并发起，网络只是配合完成该过程。
具体的漫游算法也预设在终端里面，不同厂家的终端有不同的漫游算法
信道自动调整
一般是由人工手动修改频点（跳频是自动的）
AP可以通过自适应调整修改信道
重传和掉线
网络信号强度、质量差到一定程度，满足一定条件后就会发生，也就是说网优人员可以通过设置这样的参数门限来修改掉线的难度
终端会一直在线，除非网络将其踢掉或者终端自己主动断开，否则终端会一直在线，直到信号差到无法被解析出来
功率控制
在GSM网络中，基站可以对MS进行动态功率控制，同时也可以对基站本身进行动态功率控制，对MS的功率控制可以减少手机耗电量，延长手机的待机时间，对基站做功率控制可以减少该基站对周围无线空间的干扰。
一般基站会根据计算出的路径损耗和手机目前的发射功率来定期动态调整手机发射功率和基站发射功率。
静态：
可以通过手动调整其中的“输出功率”来调整AP输出功率。
动态：
可以通过选择“自动功率调整”参数来实行AP自己的动态功率调整，其方法和GSM差不多，由AP根据连接在其上的无线终端的信号强度自动调整自己的输出功率了，避免对其他AP的干扰，同时指示终端也进行功率调整。
无线信道使用管理机制
GSM采用FDMA/TDMA多址技术，在将频段划分为不同的信道频点的基础上，再将每一个频点进行时间分割，一个时隙一个信道，每个接入的用户独享信道。
信道的分配由系统根据资源的剩余情况来进行分配。
所有用户共享一个信道，不再进行时间分割，不存在时隙，每个终端每次传送数据都必须通过竞争使用信道，这样各个终端之间就不可避免会产生碰撞，因此WLAN采用CSMA/CA载波侦听多路访问/冲突避免机制来解决碰撞问题。
下面详述各个流程的原理。
（1）发现流程
对于一个终端来说，来到一个区域，首先是搜索该地区的无线WLAN网络，这个过程就是发现过程。
WLAN的发现过程分为主动发现和被动发现两种情况。
被动发现：
网络会按照一定的周期发送Beacon帧（也叫信标），终端在该区域会监听该区域的所有Beacon帧。
终端通过侦听发现这个区域的所有暴露的AP（有些AP不发Beacon帧是侦听不到的），该Beacon帧包含的信息内容有Beacon的发送间隔，该AP的物理地址，AP所使用的信道，认证方式，加密算法，所有的SSID，所支持的速率模式等。
主动发现：
终端会发送Proberequest请求帧，AP收到Proberequest消息后会回送一个Proberesponse消息，这个Proberesponse帧结构和Beacon结构一样。
这种主动发现模式会发现不发Beacon帧的隐藏AP，因为所有的AP都要对Proberequest进行响应。
（2）AP的选择和驻留
在GSM网络中，用户首先会对上次存储驻留过的信道进行扫描（没有合适的再进行全部的无线信道扫描），通过C1算法找到一个信号最好的小区进行驻留。
而网络同样对用户的接入也有要求，比如用户身份是否允许驻留，用户的最低场强是否满足网络的要求（ACCMIN参数控制）等等。
那么在WLAN里面终端又是如何选择AP进行连接的呢？
对于WLAN来说，选择过程相对简单多了，用户接入WLAN网络如果出现多个AP选择，那必须是这些AP都有相同的SSID供终端接入。
一般情况下终端会首先搜索周围所有的AP，然后对信号最好的进行排序，最后选择一个场强最好的AP接入。
和GSM网络不同，WLAN对终端的无线接入选择没有要求，其一，WLAN对终端的要求不像GSM网络一样有一个最低接入场强要求（ACCMIN），无论信号多差，只要终端的信号能够被网络所解析出来，网络就会允许终端驻留；
（3）认证和关联
终端在发现AP后就会选择一个AP发起认证请求，这个过程比较简单，如上图所示，802.11协议规定了两种认证方式，一种是开放式认证，另一种是握手认证：
开放式认证：
不需要认证，没有任何安全防护能力。
通过其他方式来保证用户接入网络的安全性，例如Addressfilter、用户报文中的SSID。
握手认证：
采用WEP加密算法Attacker可以通过监听AP发送的明文Challengetext和STA回复的密文Challengetext计算出WEPKEY。
STA和AP均可通过Deauthentication来终结认证关系。
关联、重关联和去关联
STA通过Association和一个AP建立关联，后续的数据报文的收发只能和建立Association关系的AP进行。
重关联：
STA在从一个老的AP移动到新AP时通过Reassociation和新AP建立关联。
Reassociation前必须经历Authentication过程。
漫游都要进行重关联的过程。
去关联：
STA和AP均可通过Deassociation和AP解除关联关系。
除了终端自己发起要求解除关联外，作为AP，一般情况下是没有理由要求正常关联成功的STA解除关联的，除非是在wpa-psk/wpa2-psk加密的时候如果密钥错误将解除关联。
（4）切换、重选和终端漫游
在2G网络中，终端在移动通话过程中会出现切换。
在切换过程中，终端将测量报告发给系统侧，其余的就交给系统侧来完成。
系统会根据信号强度、质量以及设定的条件进行判断是否该切换，怎么切换，切换到哪里等等。
而重选则是用户在空闲模式下重新选择服务小区的过程，在空闲模式下终端对周围的网络进行扫描（通过预设的BA表），然后根据系统统一的C2算法来决定是否该进行重选、重选到哪里等等。
在WLAN网络中，漫游现象就相当于2G网络中的切换。
但是在WLAN网络中，该过程相对简单。
整个漫游过程完全由终端自己决定，是否漫游、怎么漫游、什么情况下漫游、漫游依据是什么，这些全部通过终端来决定，WLAN系统侧只负责响应终端的漫游请求，并配合完成这个过程。
漫游完成后，终端的业务保持不变，IP地址保持不变。
在WLAN中，终端会周期性扫描（扫描周期终端自己确定）周围AP的场强信息和数据包的错误率，当发现另外的AP提供的场强信号要比服务AP的场强信号高出一定的门限值的时候，终端就会发起漫游，不过发起漫游要具备的条件就是两个AP覆盖的区域要有重叠部分，否则就只能断关联后再重新关联。
（5）信道自适应调整
在GSM网络中，更换频点一般只能通过手动进行修改。
在WLAN网络中，当AP使用信道自动选择时，AP每隔一段时间就会扫描周围空间信道的使用情况，然后自动调节到相对干净的信道上去，以此来达到减小干扰的目的。
终端在做频率自动调整的时候，会首先下发通知给关联在其上的终端，要求其下线并告知其原因。
然后断开终端的所有连接，业务会丢失一个左右的ping包，业务有短暂的中断。
（由于该切换过程很短，通常不超过1s，所以在实际使用中终端上不会显示中断信息）。
STA会根据下线的信息进行重新关联，在关联的时候STA会自动以SSID为索引去关联新的AP。
（STA平时都会维护一张表，这张表上有每一个信道都有哪些AP在线的信息，而且定期更新。
）
对终端来说，当AP信道变化后，终端就会随之更新。
（6）关于重传与掉线事件
终端发送数据帧后收不到网络侧的ACK消息，超过终端的预设时间就会重传（这个时间终端自定），一般的无线网卡都是可以设置重传次数的，如果到最大重传次数都没有传送成功，那么报文将被丢弃。
重传不成功一般不会导致终端离线。
离线是由管理报文决定的，只有STA主动离线或者AP发送了Deauthentication请求才会导致终端离线，否则终端会一直在线，直到收不到消息或者无法解析出来。
（7）关于功率控制
在GSM网络中，基站可以对MS进行动态功率控制，同时也可以对基站本身进行动态功率控制。
对MS的功率控制可以减少耗电量，延长手机的待机时间，对基站做功率控制可以减少基站对周围无线空间的干扰。
一般基站会根据计算出的路径损耗和手机目前的发射功率来动态地调整手机发射功率和基站发射功率。
在WLAN中，虽然802.11协议并不支持功控，但是目前有些厂家在这方面也做了比较简单的功率控制，根据网络优化的需求，优化人员可以通过手动调整其中的参数“输出功率”来调整AP输出功率，另外也可以通过选择“自动功率调整”来实行AP的动态功率调整，其方法是由AP根据连接在其上的无线终端的信号强度自动调整自己的输出功率，这样可以减少对其他AP的干扰，由于AP的发射功率对所有帧都是一样的，因此Beacon帧的功率也是会相应变化调整的。
（8）流程控制和事件控制的部分无线参数解析
无线模式：
例如802.11g模式
广播无线网络名：
否，即为不广播，隐藏AP
CTS模式：
打开/关闭，关闭即为不发送采用CCK调制的CTS消息，802.11b模式的终端将无法识别消息，所以802.11g不向下兼容802.11b模式。
信标间隔：
就是Beacon帧的发送周期，一般是可以调整的，默认大多是100ms。
前导帧类型：
就是Preamble帧的类型，这个不是用户数据信息，越短越好，因此设置为“短”比较好。
启用频率自动调节：
启用后，AP会周期性扫描周围的信道使用情况，并自动调节到一个相对干净的信道上去。
频率自动调节间隔：
就是AP进行自动调节信道的周期。
最低信号标准：
AP在做信道重新选择的时候，会检测周围AP的场强和所使用信道情况，如果接收到的AP的场强低于最低信号标准，则该AP就忽略检测该设备。
RTS阀值：
如果发送的帧长度超过这个阀值，将激活RTS-CTS机制。
自动功率调节：
无线接入点根据连接在其上的、或试图与其连接的无线终端的信号强度来自动调整自己的输出功率，在保证所有的STA都可以和无线接入点正常通信的同时，将无线接入点的发射功率降到最低，最大限度地避免对邻近设备产生干扰。
分片长度：
用于对较大的数据帧进行分包，在有干扰的环境中，把大的包拆成小的包，能降低出错率，提高传输质量。
DTIM时间间隔：
用于通知客户端下一个广播或者多播的窗口。
当AP缓冲了发送到客户端的信息，它发送DTIM和DTIM间隔，唤醒客户端接收这些信息。
支持WMM：
提供不同优先级别的无线多媒体服务，对那些时延比较敏感的比如视频，音频服务将会优先发送。
5、无线空口管理及信道冲突解决机制
在2G网络中，无线频谱资源被划分成多个频道，这叫频分多址FDMA，而每一个频道又从时域上划分成8个时隙，相当于8个时间片，也就是时分多址TDMA，每个时间片（时隙）就是一个信道，每个用户在通话的时候单独占有一个信道，每一路话音业务就是通过分时地轮流占用不同的时隙来传送自己的话音流，从而完成通信。
而每个用户占用这个“时间片”的方式是独占。
但是在WLAN里面却不是这样的，每个WLAN接入点AP（相当于2G里面的CELL）只有一个频道，这个频道并不从时间上进行分割，因此只有一个信道。
在WLAN中，终端对信道的占用是通过竞争来获取一定时间的信道使用权的，当某个用户有数据业务传输的时候会通过竞争暂时地占用信道，当没有数据传输的时候就释放信道给别的用户传输，这样信道就得到充分利用。
理论上可以说WLAN永远不会出现信道资源不够用的情况，而且该占用方式还能充分地利用信道。
然而，该占用方式却有一个很大的问题，那就是碰撞问题。
在802.11协议里面，解决WLAN信道共享避免碰撞的方式叫做载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA机制。
（1）载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA原理
用户终端关联上网络后，终端开始监听信道，发现空闲后，并不立即发送数据，而是等待IFS（帧间隔）时间过去，等待时间片满了后，若发现信道继续空闲，则立即占用信道并开始向网络发送RTS，等待网络回复CTS响应，该消息同时也会向网络中的其他终端进行通告以避免冲突。
若监听发现信道忙，则等待当前传输结束+IFS时间，然后进入竞争排队阶段，进入竞争阶段的用户按照先后顺序各自获得一个随机后退时间backoff，然后开始计数，计数时间结束，如果此时信道继续空闲则终端传输数据。
如果忙则转入下一个竞争阶段，为了保持公平，在下一个竞争阶段的时候，其后退计时器不再重新随机取数，而是在上次没有后退完的时间上接着继续后退。
整个流程如下图所示：
在此机制下，用户数据块产生碰撞的几率大大缩小，万一偶然出现了多个终端碰撞，此时这些信息都被丢弃，网络不会返回ACK消息，终端在一定时长（终端内部设置）内收不到ACK就知道需要重新发送这个帧。
（2）退避时间Backoff
数据块产生碰撞几率的大小，终端竞争排队等待时间是否公平，还有在业务忙闲时候退避时间的灵活选择，都是退避时间公式计算要考虑的问题。
退避时间按下面的方法选择，作为递减退避计数器的初始值。
退避时间=INT[CW×
Random（）]×
SlotTime
CW（竞争窗）：
在MIB中CWmin～Cwmax中的一个整数；
Random（）：
0～1之间的伪随机数；
SlotTime：
MIB中的时隙值。
关于竞争窗CW参数的选择，初始值为CWmin，如果发送MPDU不成功，则逐步增加CW的值，直到CWmax，呈指数增加，以适应高负载的情况。
具体过程如下：
1）．检测到媒体空闲时，退避计时器递减计时；
2）．检测到媒体忙时，退避计时器停止计时，直到检测到媒体空闲时间大于IFS后重新递减计时。
3）．退避计时器减少到0时，媒体仍为空，则该终端就占用媒体。
4）．退避时间值最小的终端在竞争中获胜，取得对媒体的访问权；
失败的终端会保持在退避状态，直到下一个竞争来临。
5）．保持在退避状态下的终端，比第一次进入的新终端具有更短的退避时间，易于接入媒体（具有公平性）。
（3）关于SIFS/PIFS/DIFS几个参数的说明
在CSMA/CA机制中，并不是所有的帧间隔IFS都是一样长的，对不同类型的帧间隔，其等待时间也不同，从而体现出不同的帧类型在抢占信道传输上有着不同的优先级。
一般帧分为三个类型：
数据帧：
用户的数据报文，普通帧。
控制帧：
协助发送数据帧的控制报文，例如RTS、CTS、ACK等。
管理帧：
负责AP
升级会员 