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无线局域网技术与标准发展趋势

泰尔网 2014-06-09 14:06:20  来源 [电信网技术] 作者 罗振东

摘要

  无线局域网是当前全球最普及的宽带无线接入技术,拥有巨大的用户群和市场规模。掌握无线局域网技术与标准发展趋势对该领域的技术研发与产业化具有重要指导意义。本文将对无线局域网主流技术标准进行全面分析,归纳无线局域网技术与标准的主要发展趋势。

 

1  无线局域网概述

无线局域网(WLAN)是指采用无线通信技术进行数据连接的局域网技术,以承载高速数据业务为主,中短距离覆盖范围,支持固定、游牧和低速移动接入。当前国际主流的WLAN技术是Wi-FiWireless Fidelity)联盟推广的Wi-Fi技术,核心技术采用了美国电子电气工程师协会(IEEE)制定的802.11系列标准。

经过十余年的持续快速发展,WLAN已成为当今全球最普及的宽带无线接入技术,拥有巨大的用户群和市场规模。WLAN功能被广泛嵌入至笔记本电脑、手机、平板电脑等各种电子通信产品中,为人们提供便捷的宽带无线数据服务。电信运营商也将WLAN视为电信网的重要补充,大规模建设WLAN热点,并将二者相结合提供公众服务。

为了满足高速增长的市场需求,WLAN技术与标准也在不断发展与完善,深度与广度不断加强。IEEE已发布(或正在制定)的802.11标准达到20余项,涉及物理层增强、服务质量(QoS)、业务支撑、安全机制、组网方式、网管、频谱使用、网络融合等多方面技术内容,初步构建了一套WLAN技术标准体系。

2  无线局域网技术与标准发展趋势

随着新的市场需求和创新技术不断涌现,WLAN技术与标准不断快速发展,并呈现如下主要发展趋势。

2.1  传输速率迅速提高

随着802.11b802.11a802.11g802.11n物理层标准的陆续发布实施,WLAN数据传输能力快速提升,已从早期802.11b11Mbit/s提升至当前802.11n600Mbit/s。当前,IEEE正在制定新一代WLAN物理层标准802.11ac802.11ad,最高传输速率将超过1Gbit/s(见图1

      1  IEEE 802.11物理层标准演进路线

 

2.1.1  WLAN传输速率已提升至600Mbit/s

1802.11b802.11a

1999年,IEEE同时发布了802.11b802.11a两项物理层标准。其中,802.11b工作在2.4GHz的工业、科学和医疗(ISM)频段,采用直接序列扩频(DSSS)技术作为主要传输技术,传输速率可达11 Mbit/s802.11a采用OFDM作为主要传输技术,最高传输速率达到54Mbit/s802.11a工作在5GHz频段,该频段可用频率资源非常丰富,一定程度上可以缓解频率资源紧张的问题,但5GHz频段无线信号传播特性较差,使得802.11a覆盖范围明显小于802.11b

2802.11g

为了提高2.4GHz频段的频谱使用效率,IEEE2003年发布了2.4GHz频段物理层增强标准802.11g。该标准采用OFDMDSSS技术两种传输技术,能够支持高达54Mbit/s传输速率,并能够与802.11b标准后向兼容。802.11g较好地解决了802.11b的传输速率问题,同时又保证了较大的覆盖范围,并且在技术上与802.11b保持兼容,迅速取代了802.11b

3802.11n

上世纪末至本世纪初,多入多出(MIMO)技术的研究取得重大突破,逐步从理论走向实际。2002年,IEEE启动了基于MIMO技术的物理层增强技术标准802.11n的研制工作。经过长达7年的反复讨论,IEEE2009正式发布了802.11n标准。该标准采用了MIMO-OFDM作为主要传输技术,最大支持44收的天线配置,支持20MHz40MHz信道带宽,支持低密度奇偶校验(LDPC)码,最高传输速率可达600Mbit/s,并且802.11n支持2.4GHz5GHz双频段,频谱适应性更强。802.11n推出后迅速得到消费者青睐,已成为当前市场的主流。

2.1.2  新一代WLAN传输速率将超1Gbit/s

随着无线高清视频传输等高带宽业务的快速增长,现有WLAN传输能力难以满足未来发展需求。为此,IEEE启动了具有更高吞吐量的新一代WLAN物理层标准802.11ac802.11ad,传输速率将超过1Gbit/s

1802.11ac

802.11ac标准项目于200811月启动,预计将在2013年底完成标准制定。802.11ac立项时的基本要求是工作频段为5GHz频段,与工作在相同频段的802.11a/n后向兼容,MAC层吞吐量可达到1Gbit/s以上。目前,802.11ac已形成标准草案2.0版本。

根据当前的标准进展,802.11ac将采用MIMO-OFDM作为主要传输技术,支持最大88收的MIMO天线配置,支持空间复用、STBC、下行MU-MIMO和发射波束赋形;采用增强调制编码方案,最高支持256QAM;在原有20MHz40MHz信道基础上,支持80MHz160MHz信道带宽;采用兼容802.11a/n/ac的混合格式前导码,与工作在5GHz频段的802.11a/n后向兼容。802.11ac理论传输速率可达6.93Gbit/s,大大高于立项要求。

2802.11ad

全球主要国家在60GHz附近均有数GHz免许可频段,中国频段为5964GHz,欧洲为5766GHz,北美和韩国为5764GHz,日本为5966GHzIEEE2009年初启动802.11ad标准化工作,开始制定60GHz频段的新一代WLAN标准,主要面向极高速短距离应用。目前,802.11ad已形成标准草案5.0版本,预计将于2012年底完成标准制定工作。

根据当前的标准进展,802.11ad将采用单载波、OFDM和波束赋形作为主要传输技术,支持高达2.16GHz的信道带宽,采用旋转调制、差分调制、扩展QPSK等增强调制技术和高性能LDPC码,引入新的组网方式——个人基本服务集(BIT/SS),采用增强的安全协议和功率管理技术,支持在2.4GHz5GHz60GHz频带之间的快速会话转移,以及与其他60GHz系统的共存。802.11ad理论传输速率可达6.76 Gbit/s,可靠通信距离可达10m以上。

2.2  服务质量不断改善

为了改善无线局域网的服务质量,IEEE制定了802.11e802.11r802.11ae,用以改进QoS保证机制、支持语音等实时业务切换、实现管理帧优先级控制。此外,IEEE还正在制定802.11ai,以提高WLAN初始链路建立的速度。

1802.11e

2005年,IEEE发布了QoS增强标准802.11e,该标准定义了802.11的服务质量增强特性,并且定义了新的混合协调功能(HCF)接入机制,HCF提供了增强分布式协调接入(EDCA)和混合控制信道接入(HCCA),分别扩展了DCFPCF的功能,使得802.11系统能够更好地QoS保证和优先级控制。

2802.11r

传统的WLAN终端从一个AP迁移到另一个AP通常需要100ms左右的时间重新建立关联,而且还需要花几秒钟的时间重新建立身份验证,无法支持语音等实时业务的切换。2008年,IEEE发布快速基本服务集切换标准802.11r,该标准能够保证WLAN终端在两个接入点之间的切换时间少于50ms,提高了无线局域网对语音等实时业务的支持能力。

3802.11ae

20124月,IEEE正式发布了WLAN管理帧优先级控制802.11ae802.11ae通过对802.11管理帧进行分类和优先级控制,进一步完善WLANQoS保障机制,改善无线局域网整体性能。

4802.11ai

802.11ai标准项目于2010年底启动,主要目的是在不降低安全性的前提下减少802.11系统初始链路建立时间,并支持大量用户同时接入扩展服务集(ESS)。目前,802.11ai已进入到技术方案征集阶段,增强技术将主要集中在AP或网络发现、安全认证、高层配置等方面。

2.3  业务支撑能力快速提升

随着物联网、移动互联网业务的快速发展,IEEE也不断提升业务支撑能力,制定相关标准更好地支持智能电网、智能交通、无线音视频传输等新业务。

1802.11p

针对智能交通系统(ITS)中的无线通信需求,IEEE2010年发布了车联网标准802.11p。该标准主要针对MAC层协议进行修改,定义了V2V(车辆之间)和V2I(车辆与基础设施之间)两种通信方式,在延时和移动性等方面进行了增强,以满足ITS的特殊需求。IEEE 802.11pIEEE 1609系列标准(高层协议)共同构成IEEE WAVE(车载环境无线接入)系列标准。

2802.11aa

针对日益增长的无线音频和视频业务需求,IEEE2008年启动802.11aa标准项目,该标准的制定工作已基本完成,将于近期正式发布。802.11aa在现有802.11标准基础之上对MAC层协议进行改进,使WLAN系统能够支持更稳定的无线音视频流传输,并能够支持相应的802.1AVB 标准。

3802.11ah

世界主要国家在1GHz以下都有一定数量的免许可频段,这些频段有良好的传播特性,特别适合开展物联网、蜂窝网分流等应用。2010年下半年,IEEE启动802.11ah标准项目,旨在利用1GHz以下免许可频段支持物联网、蜂窝网分流等应用。该标准预计将于2014年完成。802.11ah目前处于关键技术征集阶段。

根据当前的标准工作进展,802.11ah基本应用场景将包括传感器与智能抄表、数据回传、Wi-Fi覆盖扩展(含蜂窝网分流)等,将采用MIMO-OFDM作为主要传输技术,在不低于100kbit/s传输速率时达到1km覆盖范围,最大传输速率可达20Mbit/s,最多可支持6000个用户,支持终端长时间电池供电工作,保持802.11用户体验,并能够与802.15.4802.15.4g共存。

2.4  安全机制不断改进

802.11最早采用的WEP加密协议存在较大安全隐患。为此,IEEE制定了安全增强标准802.11iWi-Fi联盟基于802.11i先后定义了WPAWPA2两个版本的安全协议,WLAN安全性逐步增强。此后,IEEE又制定了802.11w,加强对管理帧的安全保护。

1WEP

WEPWired Equivalent Privacy(有线等效保密)协议的简称,是802.11标准的一部分,用于防止非法窃听或侵入无线网络,实现与有线局域网类似的安全保障。WEP只能进行APSTA的单向共享密钥鉴别,而且使用简单的64 RC4静态加密算法,很容易被黑客攻破,不能保证使用者的信息安全。目前,WEP已被基于802.11i标准的WPAWPA2所取代,但由于大多数WLAN设备仍支持WEP,实际中仍有许多用户还在使用WEP协议。

2802.11i

802.11i主要定义了TKIPCCMP增强加密机制,并采用了IEEE 802.1xEAP(扩展认证协议)的认证机制。TKIPWEP的直接升级,将固定密钥改为动态密钥,并采用128RC4加密算法。CCMP采用了更先进的AES加密算法和CCM操作模式,大大提高了安全性。在802.11i发布之前,Wi-Fi联盟基于802.1xTKIP提出了一套过渡性的安全协议WPA,该协议只需对原有WEP设备进行软件升级,但安全性提升有限。后来,Wi-Fi联盟又基于完整的802.11i标准推出了WPA2安全协议,使Wi-Fi安全性有了较大提升,但WPA2对硬件有较高要求。

3802.11w

早期的802.11系统未对管理帧进行有效保护,存在一定的安全隐患。2009年,IEEE发布了802.11w,该标准提供了有效的MAC层机制,加强对802.11管理帧的保护,从而进一步增强了802.11系统的安全性。

2.5  组网能力快速提升

基本服务集(BSS)是 WLAN基本组网方式,只适合组建小规模网络。为了解决WLAN大规模组网问题,IEEE提出了扩展服务集(ESS)和802.11s(无线网状物,Mesh)的增强方案。此外,为了支持终端之间的直接连接,Wi-Fi联盟和IEEE分别制定了Wi-Fi Direct802.11z两项标准。

1ESS

802.11扩展服务集(ESS)使用若干个接入点(AP)来扩展网络的覆盖范围。AP之间通过分布式系统连接在一起,每个AP和终端构成BSS,通过分布式系统连接在一起的若干个BSS共同构成具有更大覆盖范围的ESS。分布式系统一般使用有线网络,也可采用无线进行连接。

2802.11s

为了实现更灵活的大规模组网,IEEE制定了无线网状物(Mesh)标准802.11s802.11s根据Mesh网的特点,对802.11的接入机制、QoS保证和安全特性进行了增强,并提供了Mesh拓扑发现和形成、路径选择、拥塞控制等新功能,实现了WLAN的多跳互联。

3Wi-Fi Direct

Wi-Fi Direct利用软AP技术在多个终端中实现AP-终端网方式,其中1台终端作为AP为其他终端提供网络服务,从而实现终端之间的直接连接。Wi-Fi Direct不需要修改硬件,并与已有Wi-Fi设备兼容,目前已在新上市的智能手机和平板电脑中大量采用。

4802.11z

802.11z主要目的是通过终端直连技术改善WLAN用户体验。当终端通过AP进行通信时,终端之间可以通过协商,自动将AP旁路、建立直接连接,从而提高吞吐量,降低时延,避免干扰和节省功率。终端直连的工作频率可与AP的工作频率不同。802.11z只是针对终端的改进,不涉及AP

2.6  网管能力逐步增强

为了改善WLAN的整体工作效率,IEEE制定了802.11k802.11v,以改善WLAN的无线资源管理和无线网络管理。

1802.11k

早期的802.11标准无法让WLAN系统访问终端的无线资源,这一缺陷限制了WLAN的无线资源管理能力。为此,IEEE2008年发布了802.11k标准,该标准提供丰富无线资源管理功能(如漫游决策、RF信道信息、信道负载、隐藏节点、客户端统计、信标、直方图和传输功率控制等),改进了对AP和终端的操作和环境数据的检测,提高了WLAN系统对无线资源的管理和利用。

2802.11v

802.11v标准在802.11k定义的测量方法基础上,采用类似于蜂窝网的管理机制,为802.11物理层和MAC层的提供无线网络管理增强,更好地管理工作在中心式或分布式无线网络中的802.11设备,改善WLAN的无线网络管理,提高吞吐量、可靠性和服务质量,并降低WLAN设备的耗电量。802.11v能够让WLAN更好地满足运营商的需求。

2.7  积极拓展新可用频段

除了2.4GHz5GHz等已有频段以外,IEEE也在积极探索其他新频段,并制定相应的技术标准。2003年,IEEE针对欧洲5GHz频谱管理要求而制定了标准802.11h,解决802.11与卫星和雷达系统的干扰共存问题。2008年,IEEE针对美国3.653.7GHz频段需求制定了相应技术标准802.11y,支持Wi-Fi设备采用高功率发射,覆盖范围可达5km。针对60GHz免许可频段,IEEE启动了802.11ad的制定,针对极高速短距离应用。针对1GHz以下免许可频段,IEEE正在研制802.11ah,以支持物联网、蜂窝网分流等相关应用。

IEEE也在积极探索认知无线电等新型频谱使用方式。2010年初,IEEE启动了802.11af标准项目,制定工作于电视白空间(TVWS)频段的WLAN技术标准。由于TVWS频段具有良好的传播特性,802.11af可以有更大的覆盖范围和更低的发射功率,但也需要采用有效措施,避免对广播电视业务产生干扰。目前,802.11af已形成标准草案1.0版本,其中采用了FCC建议的数据库管理方式,以避免对广电业务的干扰。

2.8  与外部网络走向融合

为了增强802.11系统与蜂窝网等外部网络之间的互联互通,IEEE启动了802.11u标准的制定工作,使用户能够方便地通过WLAN接入到外部网络,获得所需要的数据服务,也便于将WLAN与运营商网络整合,提供融合业务。802.11u标准已于2011年发布,其中定义了注册授权、网络选择、应急业务支持、应急情况提醒、用户流量分割等与外部网络融合的新功能。基于802.11u标准,Wi-Fi联盟与无线宽带联盟(WBA)提出了Hotspot 2.0和下一代热点(NGH)技术,以实现蜂窝网与Wi-Fi网络之间的无缝流量切换和跨网漫游。

3  结束语

    本文对已发布和正在制定的WLAN技术标准进行了全面分析,归纳了WLAN在传输能力、QoS、业务、安全、组网、网管、频谱、网络融合等方面技术与标准的主要发展趋势,相关企业和科研机构可以根据这些发展趋势,及时开展相应的技术研发、标准化和产业化工作,从而在激烈的市场竞争中赢得主动。


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