下一代高速无线局域网标准IEEE802.11n

1.IEEE802.11n概述

IEEE已经成立802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准802.11n。802.11n工作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的，由802.11g工作小组主席Matthew B. Shoemaker担任主席一职。该工作小组计划在2003年9月召开首次会议。

802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b、802.11a、802.11g之后的另一场重头戏。和以往地802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5GHz两个工作频段）。这样11n保障了与以往的802.11a b, g标准兼容。

一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线，和软件无线电等,开始应用到无线局域网中，提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。IEEE802.11n标准全面改进了802.11标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升MAC层的性能，优化数据帧结构，提高网络的吞吐量性能。

2．各版本的比较

802.11标准有好几个版本。在频段利用上，工业的、科学的和医疗的（ISM）频段总是首先要考虑的，802.11，802.11b及新兴的802.11g标准都共享2.4-GHz频段。然而，因为使用ISM频段是不需要商业执照的，因此用户很容易会受到来自于救护车，警车，出租车及其他工作在此频段的办公设备的干扰。

出于对传输速率的考虑，人们不得不为WLANs规划更宽且密集度更小的频段。以IEEE802.11a为例，它使用5.0-GHz频段，但因为其它版本都工作在2.4-GHz频段，所以后向兼容成了一个问题。

一个可能的解决方案就是使用双频段LAN网卡，它对802.11a和802.11b是兼容的，但是没有被广泛采用。目前最新的标准IEEE802.11g，采用的频段是2.4-GHz，它在一定程度上兼容802.11b，同时能提供很高的比特率，只是采用的传输方式不同。包括苹果公司在内的许多厂商已经能够提供基于802.11g的系统。

频谱的选择对功率需求也有很大的影响。例如，为了覆盖同样的热点（hotspot），802.11a的信号就要比2.4-GHz频段上的信号有更强的功率；使用相同的功率，802.11a则需要更多的接入点，这对运营商来说是不经济的。虽然在物理层做的许多改进（更高效的编码、更好的天线设计和更节能的LAN协议）能够减少功率需求，但这个减少量也是很有限的。

在无线信道上，IEEE802.11标准传送数据的方式包括跳频扩频（FHSS）、直接序列扩频（DSSS）和红外线。802.11b只支持DSSS，而802.11a使用正交频分复用（OFDM）技术，一个信号源最多能利用52个载波向外传送数据，速率达到54Mbps。

除了802.11标准之外，还有其它WLANs的标准，如欧洲的Hiper-LAN2。虽然也是为相似的环境所设计，但这些标准在频率、比特率、功率需求和覆盖范围等方面都有所不同。

.IEEE802.11WLAN标准

标准频谱最大物理速率第三层数据速率 传输方式 与其它标准兼容 主要缺点 主要优点

802.112.4GHz2Mbps1.2Mbps FHSS/DSSS 无 速率有限 信号覆盖范围较广

802.11a5.0GHz54Mbps32Mbps OFDM 无 在所有802.11标准中信号覆盖范围最小 在低密集度的频谱内速率较高

802.11b2.4GHz11Mbps6-7Mbps DSSS 802.11 对许多新兴的应用来说速率太低 广泛使用，信号覆盖范围较广

802.11g2.4GHz54Mbps32Mbps OFDM 802.11/

802.11b同一地区内WLANs的数量有限速率较高

3．可能的体系结构

运营商有两种方式在热点里配置WLANs。

第一种WLAN-Internet结构有着很多接入点，不用通过手机或PCS（个人通信业务），它以光纤作为基础骨架。就这种方式而言，整个WLANs通过一个中心点互联，或者一组同区域内的WLANs直接与其他WLANs互联。如果需要定位管理，那么定位精确度和接入点的覆盖范围是相关的。

第二种方式，WLANs能够实现与其它无线网络的越区切换，且所有的网络都与Internet互联。这样，对实时要求较高的移动商务就能在手机上得到应用。同样地，基站能够把广播信号或多点传送信号越区切换到基于卫星的网络。信号的越区切换还能被应用在定位管理上，自911事件之后，定位管理的精确度要求更高了。

配置WLANs可供选择的方案

(a)以光纤为基础骨架连接到Internet的有着很多接入点的WLANs

(b)支持越区切换到其它重叠无线网络的WLANs

4．国外的应用情况

全世界现在已经有了几千个热点（Hotspot），接下去的几年内这个数目将会有显著的增加。在美国，许多热点运营商（HSOs）已经在宾馆，机场，餐厅，书店，学校，剧院等公众聚集场所安装了Wi-Fi接入点。TeleSeaWirelessServices公司甚至可以为航海者提供宽带接入，只要他在距离美国海岸30英里之内。

几大无线运营商凭借他们覆盖全美的网络以及广阔的用户市场，希望能在WLAN商务领域里也能扮演支配者的角色。

　　T-Mobile公司在美国为超过半数的热点提供基于802.11b的接入，有千分之十的移动用户通过它的WLANs接入到Internet。

　　CometaNetworks公司——一个以AT&TWireless，IBM和Intel公司为背景的HSO近来宣布了一个野心勃勃的计划，在接下去的两年内与iPass公司合作建设20000个热点。与此同时，ToshibaAmerica Information Systems与Accenture合作，计划在年底之前建设超过10000个WLANs。

　　有很多城市为了提升商务和旅游环境，也已经提供或计划提供公共宽带服务。位于加州的长滩市，在市区提供免费的Wi-Fi接入。用户可以通过特殊的入口进入系统，然后可以获取商务娱乐咨讯，还可以对社区数据库进行查询。

　　许多零售商为增加销售额也开始在店里提供无线接入。例如，Starbucks在它的一千多个咖啡厅里为顾客提供了T-MobileHotSpot服务。Borders在它的几百个书店和咖啡厅里也提供了相似的服务。

　　5．面临的挑战

　　在大范围普及WLANs之前，无线运营商和制造商必须处理与802.11有关的三个问题。分别是安全性能、缺乏多点传送以及如何进行定位管理。只有这些问题得到解决，新兴的应用才能变得普及。

　　5.1对安全性的挑战

　　Wi-Fi联盟正在着手于提供一项安全解决方案，即Wi-FiProtectedAccess（WPA，Wi-Fi保护存取协议）。另外，IEEE的i工作组将在年内或明年初完成对安全标准802.11i的修订工作。WPA关键部分包括一个经IEEE认可的高级鉴定方案（802.11x）、临时密钥完整性协议（TKIP）和带有CBCMAC协议的计数模式。

　　TKIP将密钥位数从40增加到128，并采用动态产生以及通过认证服务器来分配的多组密钥取代了WEP（有线等效协议）的单一静态的密钥。TKIP使用一种密钥层以及密钥管理方法论，但去掉了其中入侵者可以通过其可预测性来破解的部分。

　　为了达到这个目的，TKIP采用了802.1X/EAP（可扩展身份验证协议）的架构。而认证服务器在接受用户的身份证明之后，又使用802.1X来为运算阶段产生一组唯一的主键、又称“配对”密钥。TKIP将这组密钥分配给客户端以及AP、建立密钥层以及管理系统、使用配对密钥动态来产生唯一的数据加密密钥，并以此加密所有用户在无线传输阶段所传输的数据封包。TKIP的密钥层会把WEP的单一静态密钥换成约500兆组密钥，并可用在指定的数据封包之内。

　　信息完整性检查（MIC）用来防止攻击者拦截、篡改甚至重发数据封包。MIC提供了一个强壮的数学公式，其中接收端与传送端必须各自计算并比较MIC值。如果不符，它便假设数据已遭窜改，而该封包也会被丢弃。

　　为了大幅增加密钥大小、可用的密钥数目以及附加的完整性检查机制，TKIP增加了在数据编码方面的复杂性与困难度。TKIP大幅提升了无线加密的强壮性与复杂性，让潜在入侵者极难入侵Wi-Fi网络。

　　另一个解决方案是使用带有IP安全协议隧道的虚拟专用网。用该方法入网的安全性和连续性都较好，但是所有流量都必须由一个VPN网关来处理，所以它所能支持的用户数量是有限的。

　　5.2对多点传送的支持

　　许多新兴的移动应用——包括移动商务，远程教育及交互式游戏，都需要支持群通信。当用户漫游到不同的地域、离开群或有新用户加入到群里的时候，无线多点传送是更新成员信息的最有效的方法。然而，如何在WLANs里确保可靠性、隐秘性、服务质量和低延迟的问题就凸现了出来。

　　为支持面向群的移动服务，首先要求确定不同移动服务的多点传送需求，而后修改网络协议以便能在更高的层里支持多点传送，并且根据协议的修改对开销进行建模和评估。

　　5.3对定位管理的支持

　　一种吸引更多移动用户到WLANs的途径是提供基于本地的个人化的业务。比如给用户提供附近餐厅的清单或电影播放时间表、紧急服务和跟踪服务。

　　为了增加定位精确度，运营商可以配置很多小型接入点，给WLANs增加传感器和无线频率鉴别标签，还可以使用支持定位管理的其他网络。

6．总结

　　尽管还存在着技术与经济方面的困难，很多人认为WLANs的未来还是光明的。运营商要想做大WLANs市场，就必须努力迎合消费者的各种要求：包括使用起来要更方便、服务质量要更高、网络管理工具要更多及价格要更实惠。