[网络协议]WLAN无线局域网IEEE802.11协议一

1、 无线网络简介

1.1、无线网络的历史

在1971年时，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络。这被称作ALOHNET的网络，这是最早期的无线局域网络 (WLAN)。1990年，IEEE正式启用了802.11项目。2003年开始，无线网络市场开始迅速增长，wifi、蓝牙技术在市场上的应用越来越广。

1.2、无线网络的分类

根据网络覆盖范围的不同，可以将无线网络划分为无线广域网(WWAN：Wireless Wide Area Network)、无线局域网(WLAN：Wireless Local Area Network)、无线城域网(WMAN：Wireless Metropolitan Area Network)和无线个人局域网(WPAN：Wireless Personal Area Network)。

无线个人局域网(WPAN：Wireless Personal Area Network) 是一种采用无线连接的个人局域网。它被用在诸如电话、计算机、附属设备以及小范围（个人局域网的工作范围一般是在10米以内）内的数字助理设备之间的通讯。除了基于蓝牙技术的802.15之外，IEEE还推荐了其他两个类型：低频率的802.15.4（TG4，也被称为ZigBee）和高频率的802.15.3（TG3，也被称为超波段或UWB）

特点：用于实现同一地点终端与终端间的连接，价格便宜、体积小、易操作和功耗低。
工作在2.4GHZ频段。

无线局域网(WLAN：Wireless Local Area Network) 指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。基于IEEE802.11标准的无线局域网允许在局域网络环境中使用可以不必授权的ISM频段中的2.4GHz或5GHz射频波段进行无线连接。
特点：支持多用户，灵活性和移动性。
应用范围：企业、医院、商店、工厂和学校。

无线城域网(WMAN：Wireless Metropolitan Area Network) 主要用于骨干连接和用户覆盖。以IEEE 802. 16 系列标准为代表的宽带WMAN 主要用于本地多点连接。市场上也把无线城域网技术称为“wimax技术”。信息产业部将3. 5 GHz (3400～3430MHz、3500 ～ 3530 MHz) 、5. 8 GHz ( 5725 ～ 5850MHz) 两个频带规划为城域网无线接入专用频带。

无线广域网(WWAN：Wireless Wide Area Network) WWAN是采用无线网络把物理距离极为分散的局域网（LAN）连接起来的通信方式，主要是运营商用于无线覆盖。所采用标准IEEE802.20。

1.3、无线网络采用的传输技术

1.3.1、IrDA红外连接技术

是一种利用红外线进行通信的点对点通信的技术。传输速率可达16M，作用距离几十米。中间不能有阻挡物。最常见设备红外遥控器、遥控钥匙。

1.3.2、Blue Tooth蓝牙技术

短距离的无线电连接技术。工作于2.45GHz频段上，使用IEEE 802.15.1协议，作用距离范围是10cm-10m，最高速度可达723.1kb/s。蓝牙设备连接必须在一定范围内进行配对。这种配对搜索被称之为短程临时网络模式，也被称之为微微。

1.3.3、Home RF家庭射频

是无绳电话技术（数字式增强型无绳电话或者简称DECT：DigitalEnhanced Cordless Telephone）和无线局域网（WLAN）技术相互融合发展的产物。支持语音和数据的接入点。是IEEE802.11与DECT（数字无绳电话标准）的结合，工作在2.4GHz频段，100m内提供的最大接入速率为2M。

传输高速数据分组则采用CSMA/CA技术；无线电干扰影响小；支持流媒体。有线电视系统就是采用射频传输方式的。

1.3.4、WiFi

“Wi-Fi”作为801.11无线网络的代名词，使用无线电波来连网。实际上通过有线数据信号转换为无线数据信号，提供支持无线上线设备进行数据传输。

1.3.5、LTE、TD-LTE、LTE FDD、5G

LTE（Long Term Evolution，长期演进)标准于2008年12月确立。在高速数据通信提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率，频率范围：
700MHz-2.7GHz，即对应特高频（UHF），对应电磁波的波长为分米波：1m~10cm。对应2G/3G频段。

4G指第四代移动通信技术，主要应用于移动网络数据传输。LTE根据双工方式不同，分为LTE-TDD和LTE-FDD两种制式。

LTE-TDD：TDD是时分双工的缩写。，代表分双工，上下行在同一频段上按照分配交叉进行。TDD是时分双工的缩写。下行采用OFDMA，而上行根据链路特点采用单载波DFT - SOFDM作为多址方式。

国内使用频段4个：2010～2025MHz，1880～1920MHz2300～2400MHz，2496～2690MHz。

峰值速率-20 MHz带宽内下行峰值速率为100Mbps，上行峰值速率为50Mbps;

目前是中国移动使用。

LTE-FDD：FDD是频分双工的缩写。上下行分处不同频段同时进行。 FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。缺点：频谱利用率将大大降低。比TD-LTE研发更早，技术更成熟，终端更丰富。FDD 4G市场占有率95%， TD 4G市场占有率5%。

峰值速率-20 MHz带宽内下行峰值速率为150Mbps，上行峰值速率为50Mbps;
国内使用频段4个：800MHz，900MHz，2100MHz。
目前是中国电信、中国联通使用。

5G指第五代移动通信技术，5G国际技术标准重点满足灵活多样的物联网需要。高频传输技术是5G网络通信技术的核心技术。
2013年2月，欧盟宣布将拨款5000万欧元，加快5G移动技术的发展，计划到2020年推出成熟的标准。深圳从2017年10月开通首个5G试验站点。

峰值速率需要达到10-20Gbit/s，以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。

5G的频率范围，分为两种：一种是6GHz以下，6GHz以下的频段统称为Sub6GHz，450MHz-6000MHz频率。6GHz以上24250MHz-52600MHz频率范围是FR2，也就是常说的毫米波，国内5G网络的频段主要是，中国电信获得了3400MHz-3500MHz的频段，频段号为n78，中国联通获得了3500MHz-3600MHz的频段，频段号也是n78。中国移动获得了2515MHz-2675MHz和4800MHz-4900MHz两个5G频段，频段号分别为n41和n79。

2、WLAN无线局域网技术

WLAN起步于1997年。当年的6月，第一个无线局域网标准IEEE802. 11正式颁布实施，为无线局域网技术提供了统一标准，但当时的传输速率只有1~2 Mbit/s。“Wi-Fi”作为801.11无线网络的代名词。

2.1、wifi的发展

注：bps比特率，指单位时间内传送的比特（bit）数。单位是比特/秒(b/s)。

技术的发展，带宽越来越高，从2Mbps到11Gbps；覆盖范围越来越广，从802.11a/g的100m到802.11n的500-1000m。从单纯的Fat AP模式转为集中控制的AC-Fit AP模式。

wifi的好处是不用再到处拉线、接线，体现出移动性、灵活性、扩展性、经济性的特点。应用场景：家庭、商店、工厂、企业、大型设施如体育馆、展馆等。

2.1、IEEE 802.11协议族

2.1.1、无线管理机构：

中国国家无线电监测中心 (State Radio Monitoring Center, SRMC)
为目前中国大陆唯一获得授权可测试及认证无线电型号核准规定的机构。目前，中国已针对不同类别的无线电发射设备订定特殊的频率范围，且并非所有频率皆得以在中国合法使用。

FCC联邦通信委员会
1934年建立的美国政府的一个独立机构。FCC通过控制无线电广播、电视、电信、卫星和电缆来协调国内和国际的通信。许多无线电应用产品、通讯产品和数字产品要进入美国市场，都要求FCC的认可—FCC认证。

一般来说，FCC与其他国家的监管机构负责管理两类无线通信：需要牌照与无需牌照。二者的区别在于，用户可以免费使用无需牌照的频段进行通信，即安装无线系统之前不需要进行申请牌照的程序。监管机构通常从以下5个方面管理需要牌照和不需要牌照的通信：

• 频率
• 带宽
• 主动辐射器（Intentional Radiator，IR）的最大输出功率
• 最大EIRP（EquivalentIsotropically Radiated Power，等效全向辐射功率）
• 用途（室内和/或室外）

ETSI 欧洲电信标准化协会
是由欧共体委员会1988年批准建立的一个非赢利性的电信标准化组织，总部设在法国南部的尼斯。ETSI的标准化领域主要是电信业，并涉及与其他组织合作的信息及广播技术领域。ETSI作为一个被CEN（欧洲标准化协会）和CEPT（欧洲邮电主管部门会议）认可的电信标准协会，其制定的推荐性标准常被欧共体作为欧洲法规的技术基础而采用并被要求执行。

IEEE电子电气工程师协会
被国际标准化组织授权为可以制定标准的组织，设有专门的标准工作委员会，有30000义务工作者参与标准的研究和制定工作，每年制定和修订800多个技术标准。IEEE的标准制定内容有：电气与电子设备、试验方法、原器件、符号、定义以及测试方法等。

其中比较出名的是IEEE 802委员会，它成立于1980年2月，它的任务是制定局域网的国际标准。
IEEE负责制定网络设备兼容于共存的标准，IEEE标准必须遵循FCC等通信监管机构的规定。

Wi-Fi联盟
1999年，几位Wi-Fi行业领袖携手创建了一个全球性非营利性组织，旨在推动为高速无线局域网采纳一个全世界通用的标准。组织名称是 Wi-Fi 联盟。

• 一个由300多家会员公司组成的不断壮大的非营利国际组织，目前在6个国家拥有10个独立权威测试实验室。

• 与整个产业链保持良好的合作关系，会员覆盖了生产商、标准化机构、监管单位、服务提供商及运营商等。

• Wi-Fi CERTIFIED 认证实现WLAN技术互操作性，提供最佳用户体验；

• 由于 Wi-Fi网络的持续扩张是基于众多的企业、家庭以及现在为人们提供随时随地无线上网地点的公共 hotspot，因此，兼容性至关重要。Wi-Fi 联盟制定全球通用的规范，并通过对无线设备的严格测试和 Wi-Fi 认证加以遵循。

IETF国际互联网工程任务组
是一个公开性质的大型民间国际团体，汇集了与互联网架构和互联网顺利运作相关的网络设计者、运营者、投资人和研究人员。

成立于1985年底，是全球互联网最具权威的技术标准化组织，主要任务是负责互联网相关技术规范的研发和制定，当前绝大多数国际互联网技术标准出自IETF。

作为标准的RFC又分为几种：

• 第一种是提议性的，就是说建议采用这个作为一个方案而列出。
• 另外一种就是完全被认可的标准，这种是大家都在用，而且是不应该改变的。
• 还有一种就是现在的最佳实践法，它相当于一种介绍。

2.1.2、无线射频基础

射频电波是频率介于3赫兹和约300G赫兹之间的电磁波。

• 极低频 ELF (3Hz–30Hz) 极长波 100,000千米– 10,000千米 潜艇通讯或直接转换成声音。
• 超低频 SLF (30Hz–300Hz) 超长波 10,000千米– 1,000千米 直接转换成声音或交流输电系统（50-60赫兹)。
• 特低频 ULF (300Hz–3KHz) 特长波 1,000千米– 100千米 矿场通讯或直接转换成声音。
• 甚低频 VLF (3KHz–30KHz) 甚长波 100千米– 10千米 直接转换成声音、超声、地球物理学研究。
• 低频 LF (30KHz–300KHz) 长波 10千米– 1千米 国际广播。
• 中频 MF (300KHz–3MHz) 中波 1千米– 100米 调幅(AM)广播、海事及航空通讯。
• 高频 HF (3MHz–30MHz) 短波 100米– 10米 短波、民用电台。
• 甚高频 VHF (30MHz–300MHz) 米波 10米– 1米 调频(FM)广播、电视广播、航空通讯。
• 特高频 UHF (300MHz–3GHz) 分米波 1米– 100毫米 电视广播、无线电话通讯、无线网络、微波炉。
• 超高频 SHF (3GHz–30GHz) 厘米波 100毫米– 10毫米 无线网络、雷达、人造卫星接收。
• 极高频 EHF (30GHz–300GHz) 毫米波 10毫米– 1毫米 射电天文学、遥感、人体扫描安检仪。
  300GHz以上 - 红外线、可见光、紫外线、射线等。