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WIFI技术原理以及应用

摘要

随着网络的普及，越来越多的人享受到了网络给人们生活带来的方便。

但是上网地点的固定，上网工具不方便携带等问题，使人们对无线网络更加的渴望。

而Wi-Fi技术的诞生，正好满足了人们的渴望，也使得Wi-Fi技术越来越受到人们的关注。

所谓“Wi-Fi”其实就是WirelessFidelity的缩写，意思就是无限局域网。

它遵循IEEE所制定的802.11x系列标准，所以一般所谓的802.11x系列标准都属于Wi-Fi。

根据802.11x标准的不同，Wi-Fi的工作频段也有2.4G/HZ和5G/HZ的差别。

但是Wi-Fi却能够实现随时随地上网需求，也能提供较高速的宽带接入。

当然，Wi-Fi技术也存在着诸如兼容性，安全性等方面的问题，不过它也凭借着自身的优势，占据着主流无线传输的地位。

本文首先对Wi-Fi的技术背景和发展情况做了简单的叙述，然后着重研究了Wi-Fi技术的原理，其中包括了Wi-Fi的性能指标，实现Wi-Fi的关键技术，Wi-Fi协议，其次讨论了Wi-Fi的网络的构成，和传输方式，最后对Wi-Fi的应用做了一些介绍，并对Wi-Fi技术未来的发展做出了假设和展望。

关键词：

Wi-Fi；IEEE802.11；直序扩频技术;跳频技术

Abstract

Forthepopularityofthenetwork,moreandmorepeoplehavefeltitsconvenience.However,therestrictedareaofthenetandtheinconvenienceofthetool’stakingmakepeoplestronglyeagerforWi-Fi.Wifi’sproducingwhichsatisfiedpeople’sdesirehasmadeitmoreattractive.,

Wifiistheabbreviationofwirelessfidelity.Itobeysthestandard802.11XIEEE.Thatistosay,standard802.11Xbelongstowifi.Accordingtothedifferentstandard802.11X,wifihasoperationbandin2.4G/HZand5G/HZ.EventhoughtherearealsosomeproblemslikeCompatibilityandnetworksecurityofwifi,italsooccupiedthemainstreamwirelesstransmissionwithitsadvantages.

Thisarticlefirstlybrieflyintroducesthebackgroundandthedevelopmentofwifi,focusingonthetechnologyprincipleswhichincludeitsperformanceindex,thekeytechnologiesofitsrealizationandthewifiprotocols.Thenitdiscussesthewifi’snetworkinganditstransmission.Finally,itpresentstheapplicationofwifiandmakethehypothesisandtheoutlookofwifi’sdevelopment.

Keywords:

Wi-Fi;IEEE802.11;Direct-sequenceTechnique;FHSS

绪论

随着技术的发展，各种传输方式不断的更新，Wi-Fi所谓一种可移动的高速传输方式，受到了世界各国的广泛关注。

目前我们上网主要采用的是有线接入的方式，正因为这样的接入方式，导致了我们享受网络咨询的同时，受到了上网地点的限制，从而使网络咨询的快速传达大打折扣。

而Wi-Fi技术，就解决了这一难题。

不仅如此，Wi-Fi作为一种更加方便的接入方式，在同样身为无线接入方式的3G技术，Wi-MAX等技术中也有着自己的优势。

3G传输速率只有2M，而且还只限于话音跟数据业务，而Wi-MAX的构建更加的复杂，Wi-Fi与之相比，有着更快的传输速率，更丰富的业务和更简单的构建方法，所以Wi-Fi必将在未来很长一段时间内占据这无线接入方式的主流地位。

我国目前也在大力发展Wi-Fi技术，无线网络覆盖的热点也越来越多，相信Wi-Fi这个方便快捷的无线接入技术，必将有美好的前景。

1Wi-Fi概述

1.1Wi-Fi技术背景与发展

1.1.1Wi-Fi概念

所谓“Wi-Fi”其实就是WirelessFidelity的缩写，意思就是无限局域网。

由于作为Wi-Fi产品的标准是遵循IEEE所制定的802.11x系列标准，所以一般所谓的802.11x系列标准都属于Wi-Fi。

而目前最流行的标准就是802.11b，也就是无线的标准协议。

该标准从802.11的2MB基础带宽增加到11MB，达到局域网水平，而且802.11g还可以兼容802.11b，因此成为市场新贵。

1.1.2Wi-Fi技术的背景

Wi-Fi技术从提出到现在已经在电信业和IT业引起了广泛的关注和应用。

英特尔花费了近20亿美元开发、推广自带无线网络模块的迅弛笔记本处理器,由此可见Wi-Fi将在近几年内得到极大的发展,而且还预示着这是一个不可逆转的方向。

目前,许多的固定、移动电话运营商都已杀入这块市场。

国际上已经有许多的移动运营商们争先恐后地向用户提供付费Wi-Fi服务。

斯普林特（Sprint）已向从事Wi-Fi技术的公司BoingoWireless进行投资,并宣布将与WyndhamInternational酒店合作,部署Wi-Fi热点。

凌志达通讯有限公司（NextelCommunicationsInc）正与摩托罗拉公司（MotorolaInc）合作开发Wi-Fi手机,并向一家为企业部署用于Wi-Fi和手机移动通信网络的公司RadioFrameNetworksInc提供支持。

2003年3月17日,美国最大的移动运营商Verizon无线宣布将在机场、酒店等室内热点地区提供Wi-Fi无线接入服务。

同时AT&T无线、T-Mobile美国公司也在积极进行Wi-Fi接入铺设。

Nextel公司则选择面向大企业客户,主要基于该公司手机用户基础上开展Wi-Fi业务。

各大公司的介入，表明了Wi-Fi技术的无限前景。

而事实证明Wi-Fi技术在全球的商用范围很广,用户数量巨大,有较广泛的应用,除了运营商经营以外,包括政府、企业和个人在内,在公共场合、企业内部、家庭都有应用。

到2006年底,全球Wi-Fi的芯片出货总量达到了5亿块,在全球100多个国家有超过6万个热点。

因此,Wi-Fi的用户基础良好,仅次于3G技术。

由此可见,Wi-Fi作为传统以太网的无线延伸有可能实现人们一直追求的“无处不在的移动宽带时代”,随着厂家的大力推广、技术的不断改进,必将成为无线通信的另一种选择,也必然掀起无线通信领域的大变革。

但要真正实现电信级Wi-Fi网络的部署和应用,对于国内的运营商而言,既存在着挑战又存在着机遇。

国内运营商也应该把握该技术所带来的机会,从而在无线通信领域拓展出更广阔的利润空间。

1.2Wi-Fi技术的发展与特点

1.2.1Wi-Fi技术的发展

Wi-Fi产品的标准是遵循IEEE——美国电工电子技术协会所制定的802.11系列标准，它是美国电机电子工程师协会为解决无线网络设备互连，于1997年6月制定发布的无线局域网标准。

所以一般所谓的802.11X系列标准都属于Wi-Fi。

IEEE802.11主要用于解决办公室局域网和校园中用户与用户终端的无线连接，其业务主要局限于数据访问，速率最高只能达到2Mbps。

由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE又相继推出了802.11b，802.11a和802.11g3个新标准，下面分别进行简要的介绍。

IEEE802.11标准的制定推动了无线网络的发展，但由于传输速率只有1~2Mbps，该标准未能得到广泛的发展与应用。

1999年，IEEE通过了新的IEEE802.11a和IEEE802.11b标准。

IEEE802.11b定义了使用直接序列扩频调制技术，在2.4GHz频带实现速率为11Mbps的无线传输。

由于DSSS技术的实现比OFDM容易，IEEE802.11b标准的发展比IEEE802.11a快得多，在1999年年末首先出现了支持IEEE802.11b标准的产品，随后得到广泛商用，并通过互通性测试。

IEEE802.11b已成为当今WLAN的主流标准。

随着用户需求的增加，又诞生了IEEE802.11a标准，该标准工作在5GHz频段，最大速率可达54Mbps。

采用OFDM调制技术的IEEE802.11a标准与IEEE802.11b相比，具有两个明显的优点：

第一，提高了每个信道的最大传输速率（11~54Mbps）第二，增加了非重叠的信道数。

因此，采用IEEE802.11a标准的WLAN可以同时支持多个相互不干扰的高速WLAN用户。

不过这些优点是以兼容性和传输距离为代价。

IEEE802.11a和IEEE802.11b工作在不同的频段，俩个标准的产品不能兼容。

由于传输距离的减小，要覆盖相同的范围，就需要更多的IEEE802.11a接入点。

2002年年初，首次出现了支持IEEE802.11a标准的产品。

2001年1月，IEEE802.11g标准以草案的形式面世，在2003年5月以成为正式标准。

IEEE802.11g标准既能提供与IEEE802.11a相同的传输速率，又能与已有的IEEE802.11b设备后向兼容。

IEEE802.11g也工作在ISM2.4GHz频段，在速率不大于11Mbps时，仍采用DSSS调制技术；当传输速率高于11Mbps时，则采用传输效率更高的OFDM调制技术。

与IEEE802.11a相比，IEEE802.11g的优点是以性能的降低为代价的。

虽然OFDM调制技术能达到更高的速率，但2.4GHz频带的可用带宽是固定的，IEEE802.11g只能使用2.4Hz频段的3个信道，而IEEE802.11a在5GHz频带室内∕室外可用的信道各有8个。

由于IEEE802.11a的可用信道数比IEEE802.11g多，在相同传输速率下，频道重叠少，干扰就小。

所以，IEEE802.11a与IEEE802.11g相比，具有较强的抗干扰能力。

1.2.2现有Wi-Fi技术特点

Wi-Fi标准在设定时就有自身所带的一些优点和缺点。

其主要问题是:

第一,在Wi-Fi标准中,802.11b是目前最广泛使用的标准,目前的产品中,支持此标准的产品比支持802.11a和802.11g的产品便宜,但也是Wi-Fi标准中带宽最低、传输距离最短的一个标准。

第二,802.11a比802.11b具有更大的吞吐量,可同时使用多个频道以加速传输速率,电波不易受干扰,传输速率也很快达54Mbps,但由于它的工作频率在5GHz,与802.11b和802.11g不兼容（此二者工作于2.4GHz）,所以它是目前使用较少的一个Wi-Fi标准。

第三,802.11g的传输速率（理论上达54Mbps）比802.11b（理论上为11Mbps）要高,并且可与之兼容,但是它却比802.11b更容易受外界干扰,如无绳电话、微波炉及其它在2.4GHz频段上的设备。

最后就是在安全性上的问题，一般的无线设备在传播信息时所使用的无线信号可被其他人侦听到,并且目前常用的802.11b和802.11g工作在免费的通用频段之内,所以Wi-Fi无线设备在设计的过程中必须要考虑到安全保密的内容。

目前所生产的无线设备中大多数采用的是40/128位的WEP,部分产品支持VPN技术,在安全性方面已达到了一定的水平,但随着技术的发展,安全性方面还有待改进。

2Wi-Fi技术的原理

Wi-Fi技术是目前最主流的无线网络标准，虽然标准在很久以前就已经制定了，但是由于技术不成熟所导致的传输速度慢（遗失数据严重），使得市场接受程度偏低。

不过自从英特尔公司向市场推出名为迅驰（Centrino）的无线整合技术后，整个无线网络市场又被重新挖掘出来。

Wi-Fi正逐渐走向成熟，下面就来介绍下这种逐渐被社会认可的技术的系统原理。

2.1Wi-Fi技术性能指标和关键技术

2.1.1Wi-Fi的性能指标

表2-1性能指标比较[2]

标准

IEEE802.11b

IEEE802.11g

IEEE802.11a

工作频段∕GHz

2.4

2.4，5

5

数据速率

1，2，5.5，11

1,2,5.5,11,6,12,

24;9,18,36,48,54

6,12,24，9,18,

36,48,54

覆盖范围

150-300

50-150

30

现在无线网通信协议主要采用的标准是IEEE802.11b、IEEE802.11a和IEEE802.11g。

表2-1是它们三者的比较

在无线局域网市场中,802.11a产品在国外使用广泛,在国内802.11b是无线局域网的主流标准,802.11g由于速率高及与802.11a和802.1lb的兼容性受到

了青睐。

从发展来看,今后应采用双频三模（802.11a∕b∕g）的产品。

双频三模无线产品不但可工作在与802.1la相同的5GHz频段,还可与工作在2.4GHz的802.11b和802.1g产品全面兼容,支持整个802.11a,b,g标准、完整互通性单一平台,实现无线标准的互联与兼容。

2.1.2Wi-Fi的关键技术

正如传闻所言，Wi-Fi所遵循的802.11标准是以前军方所使用的无线电通信技术。

而且，至今还是美军军方通信器材对抗电子干扰的重要通信技术。

因为，Wi-Fi中所采用的SS（SpreadSpectrum，展频）技术具有非常优良的抗干扰能力，并且当需要反跟踪、反窃听是同时具有很出色的效果，所以不需要担心Wi-Fi技术不能提供稳定的网络服务。

而常用的展频技术有如下4种：

DD-SS直序展频，FH-SS调频展频，TH-SS跳时展频，C-SS连续波调频。

在上面常用的技术中，前两种展频技术很常见，也就是DS-SS和FH-SS。

后两种则是根据前面的技术加以变化，也就是TH-SS和C-SS通常不会单独使用，而且整合到其他的展频技术上，组成信号更隐密、功率更低、传输更为精确的混合展频技术。

综合来看展频技术有以下方面的优势：

反窃听，抗干扰，有限度的保密[3]。

（1）直序扩频技术

图2-1DSSS的展频过程

直序扩频技术，是指把原来功率较高，而且带宽较窄的原始功率频谱分散在很宽广的带宽上，使得在整个发射信号利用很少的能量即可传送出去。

在传输过程中把单一个0或1的二进制数据使用多个chips（片段）进行传输，然后再接收方进行统计chips的数量来增加抵抗噪声干扰。

例如要传送一个1的二进制数据到远程，那么DS-SS会把这个1扩展成三个1，也就是111进行传送。

那么即使是在传送中因为干扰，使得原来的三个1成为011、101、110、111信号，但还是能统计1出现的次数来确认该数据为1.通过这种发送多个相同的chips的方式，就比较容易减少噪声对数据的干扰，提高接收方所得到数据的正确性。

另外，由于所发送的展频信号会大幅降低传送时的能量，所以在军事用途上会利用该技术把信号隐藏在BackGroundNoise（背景噪音）中，渐少敌人监听到我方通信的信号以及频道。

这就是展频技术所隐藏信号的反监听功能了。

（2）跳频技术

跳频技术（Frequency-HoppingSpreadSpectrum，FH-SS）技术，是指把整个带宽分割成不少于75个频道，每个不同的频道都可以单独的传送数据。

当传送数据时，根据收发双方预定的协议，在一个频道传送一定时间后，就同步“跳”到另一个频道上继续通信。

FHSS系统通常在若干不同频段之间跳转来避免相同频段内其他传输信号的干扰。

在每次跳频时，FHSS信号表现为一个窄带信号。

若在传输过程中，不断的把频道跳转到协议好的频道上，在军事用途上就可以用来作为电子反跟踪的主要技术。

即使敌方能从某个频道上监听到信号，但因为我方会不断跳转其他频道上通信，所以敌方就很难追踪到我方下一个要跳转的频道，达到反跟踪的目的。

如果把前面介绍的DS-SS以及FS-SS整合起来一起使用的话，将会成为hybridFH∕DS-SS。

这样，整个展频技术就能把原来信号展频为能量很低、不断跳频的信号。

使得信号抗干扰能力更强、敌方更难发现，即使地方在某个频道上监听到信号，但不断地跳转频道，使敌方不能获得完整的信号内容，完成利用展频技术隐密通信的任务。

FHSS系统所面临的一个主要挑战便是数据传输速率。

就目前情形而言，FHSS系统使用1MHz窄带载波进行传输，数据率可以达到2Mbit∕s，不过对于FHSS系统来说，要超越10Mbit∕s的传输速率并不容易，从而限制了它在网络中的使用。

（3）OFDM技术

它是一种无线环境下的高速多载波传输技术。

其主要思想是：

在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输，从而能有效的抑制无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰（ISI）.这样就减少了借手机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀的方式消除ISI的不利影响。

OFDM技术有非常广阔的发展前景，已成为第四代移动通信的核心技术。

IEEE802.11a，g标准为了支持高速数据传出都采用了OFDM调制技术。

目前,OFDM结合时空编码、分集、干扰（包括符号间干扰ISI）和邻道干扰（ICI）抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了物理层的可靠性；如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配和动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。

2.2Wi-Fi的协议及MAC层关键技术

2.2.1CSMA∕CA协议

（1）CSMA/CA的原理

总线型局域网在MAC层得标准协议是CSMA/CD，但是由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.11定义了一种新的协议，就是CSM/MA。

它一方面经行载波真挺，以查看介质是否空闲；另一方面通过随机的时间等待，使得信号冲突发生的概率减到最小，比避免冲突。

当侦听到介质空闲时，优先发送。

不仅如此，为了系统更加稳固，802.11还提供了带确认（ACK）的CSMA/CA。

一旦遭受其他噪声干扰或者在侦听失败时，就有可能发生信号冲突，儿这种工作于MAC层得ACK此时能够提供快速的恢复能力[7]。

（2）CSMA∕CA协议的问题

从理论上来讲，MAC层的CSMA∕CA协议完全能够满足局域网级的多用户信道竞争问题，但是，对于无限环境而言，它不像有线广播媒体那样好控制，来自其他LAN中的用户传输会干扰CSMA∕CA的操作，而且，在无线环境中，因为发射设备的功率通常要比接收设备的功率强得多，检测冲突是困难的，因此，不可能终止互相冲突的传输，在这种环境下，设计一个能够帮助避免冲突的系统更为有意义；无线局域网存在隐藏站点的问题；大多数无线电都是半双工的，他们不能在同一频率上发送并同时监听突发噪声，因此，IEEE802.11采用了CSMA∕CA技术，CA表示冲突避免，这种协议实际上是在发送数据帧前需对信道进行预约。

2.2.2BTMA协议

BTMA（忙音多路访问）协议就是为解决暴露终端的问题而设计的。

BTMA把可用的频带划分成数据（报文）通道和忙音通道。

当一个设备在接收信息时，它吧特别的数据即一个“音”放到忙音通道上，其它要给该接收站发送数据的设备在它的忙音通道上听到忙音，知道不要发送数据。

使用BTMA，在上面的例子中，在B向A发送的同时，C就可以向D发送（假定C已感知B和D不在同一个无线范围内），因为C没有在D的忙音通道上接收到其它站的发送而引起的忙音。

另外，使用BTMA，如果C在向B发送，A也可以知道而不向B发送，因为A可以知道而不向B发送，因为A可以在B的忙音通道上接收到由于C的发送而引起的忙音。

在暴露终端的情况下，在一个无线覆盖区域中的一个设备检测不到在邻接覆盖区域中的忙音通道上的忙音。

2.2.3MAC层IEEE802.11e协议

在802.11e中，每一个无线节点成为QSTA，它可以通过EDCA和HCCA两种方式访问信道。

其中EDCA机制和802.11DCF想死，只是针对不同优先级的访问类别有不同的帧间隔和竞争窗口。

而在HCCA机制中，一个控制节点可以优先访问信道，并调度其他QSTA可以获得一段TXOP发送多个数据包。

相较于802.11DCF/PCF，802.11EDCA/HCCA主要做了一下几个方面的扩充：

第一，属于不同优先级的站点在经行二进制回退争抢信道时，需要等待不同的任意帧间隔。

与802.11DCF等待相同的DIFS时间不同，在EDCA中，属于优先级的站点需要等待AIFS；第二，属于不同优先级的站点在经行二进制回退争抢信道时，所用的最大竞争窗口和最小竞争窗口范围不同。

优先级越高，最大竞争窗口的数值越小。

因此高优先级的站点其计数器的取值较小，可以更早的递减到0；第三，引入了虚拟竞争，在同一个站点内部，802.11e把所有数据包分成8类，映射到4个接入等级，每一个接入等级都对应站点内部的一个队列，当高优先级的队列和低优先级的队列计数器同时到0时，站点内部的调度器会判断高优先级成功发送，而低优先级队列则进行二进制回退，再次争抢信道；第四，引入了TXOP，在820.11e的HCCA机制中，一个控制节点可以优先访问信道，并调度其他QSTA对信道访问。

综上，802.11e通过为具有不同优先级的QSTA，从而实现了统计意义上的区分服务。

2.3Wi-Fi技术的结构

2.3.1Wi-Fi技术的网络结构

（1）参考模型

无线局域网由端站（STA）、接入点（AP）、接入控制器（AC）、AAA服务器以及网元管理单元组成，其网络参考模型如图2-2所示。

AAA服务器是提供AAA服务的实体，在参考模型中，AAA服务器支持RADIUS协议。

Portal服务器适用于门户网站推送的实体，在Web认证是辅助功能完成认证功能。

图2-2无线局域网网络参考模型

（2）接口定义

在该网络模型中，定义了如下接口。

WA接口：

STA和接入点之间的接口，即空中接口。

WB接口：

接入点和接入控制器之间该接口为逻辑接口，可以不对应具体的物理接口。

WT接口：

STA和用户终端的接口；该接口为逻辑接口，可以不对应具体的物理接口。

WU接口：

公共无线局域网（PWLAN）与Internet之间的接口。

WS接口：

AC与AAA服务器之间的接口；该接口为逻辑接口，可以不对应具体的物理接口。

WP接口：

AC与Portal服务器之间的接口；该接口为逻辑接口，可以不对应具体的物理接口。

WM接口：

公众无线局域网网元管理单元之间的接口，该接口为逻辑接口。

（3）网络单元功能

在该无线局域网网络参考模型中，各个网络单元的功能如下所述。

端站（STA）是无线网络中的终端，可以通过不同接口接入计算机终端，也可以是非计算机终端上的嵌入式设备；STA通过无线链路接入AP，STA和AP之间的接口为空中接口。

接入点（AP）通过无线链路和STA