IEEE 802.11
是現今無線區域網路通用的標準,它是由國際電機電子工程學會(IEEE)所定義的無線網路通訊的標準。 雖然有人將Wi-Fi與802.11混為一談,但兩者並不一樣。
自第二次世界大戰,無線通訊因在軍事上應用的成果而受到重視,無線通訊一直發展,但缺乏廣泛的通訊標準。於是,IEEE在1997年為無線區域網路制定了第一個版本標準──IEEE 802.11。其中定義了媒體存取控制層(MAC層)和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種展頻作調頻方式和一種紅外傳輸的方式[1],總資料傳輸速率設計為2Mbit/s。兩個裝置之間的通訊可以裝置到裝置(ad hoc)的方式進行,也可以在基站(Base Station, BS)或者存取點(Access Point,AP)的協調下進行。為了在不同的通訊環境下取得良好的通訊質量,採用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)硬體溝通方式。
1999年加上了兩個補充版本:802.11a定義了一個在5GHz ISM頻段上的資料傳輸速率可達54Mbit/s的物理層,802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但資料傳輸速率高達11Mbit/s的物理層。 2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數國家通用,因此802.11b得到了最為廣泛的應用。蘋果公司把自己開發的802.11標準起名叫AirPort。1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟,致力解決符合802.11標準的產品的生產和裝置相容性問題。
802.11標準和補充。
IEEE 802.11a是802.11原始標準的一個修訂標準,於1999年獲得批准。802.11a標準採用了與原始標準相同的核心協議,工作頻率為5GHz,使用52個正交頻分多路復用副載波,最大原始資料傳輸率為54Mb/s,這達到了現實網路中等吞吐量(20Mb/s)的要求。如果需要的話,資料率可降為48,36,24,18,12,9或者6Mb/s。802.11a擁有12條不相互重疊的頻道,8條用於室內,4條用於點對點傳輸。它不能與IEEE 802.11b進行互操作,除非使用了對兩種標準都採用的裝置。
由於2.4GHz頻帶已經被到處使用,採用5GHz的頻帶讓802.11a具有更少衝突的優點。然而,高載波頻率也帶來了負面效果。802.11a幾乎被限制在直線範圍內使用,這導致必須使用更多的接入點;同樣還意味著802.11a不能傳播得像802.11b那麼遠,因為它更容易被吸收。
儘管2003年的世界無線電通訊會議讓802.11a在全球的應用變得更容易,不同的國家還是有不同的規定支援。美國和日本已經出現了相關規定對802.11a進行了認可,但是在其它地區,如歐盟,管理機構卻考慮使用歐洲的HIPERLAN標準,而且在2002年中期禁止在歐洲使用802.11a。在美國,2003年中期聯邦通訊委員會的決定可能會為802.11a提供更多的頻譜。
在52個OFDM副載波中,48個用於傳輸資料,4個是引示副載波(pilot carrier),每一個頻寬為0.3125MHz(20MHz/64),可以是二相移相鍵控(BPSK),四相移相鍵控(QPSK),16-QAM或者64-QAM。總頻寬為20MHz,佔用頻寬為16.6MHz。符號時間為4毫秒,保護間隔0.8毫秒。實際產生和解碼正交分量的過程都是在基帶中由DSP完成,然後由發射器將頻率提升到5GHz。每一個副載波都需要用複數來表示。時域訊號透過逆向快速傅立葉變換產生。接收器將訊號降頻至20MHz,重新採樣並透過快速傅立葉變換來重新獲得原始係數。使用OFDM的好處包括減少接收時的多路效應,增加了頻譜效率。
自第二次世界大戰,無線通訊因在軍事上應用的成果而受到重視,無線通訊一直發展,但缺乏廣泛的通訊標準。於是,IEEE在1997年為無線區域網路制定了第一個版本標準──IEEE 802.11。其中定義了媒體存取控制層(MAC層)和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種展頻作調頻方式和一種紅外傳輸的方式[1],總資料傳輸速率設計為2Mbit/s。兩個裝置之間的通訊可以裝置到裝置(ad hoc)的方式進行,也可以在基站(Base Station, BS)或者存取點(Access Point,AP)的協調下進行。為了在不同的通訊環境下取得良好的通訊質量,採用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)硬體溝通方式。
1999年加上了兩個補充版本:802.11a定義了一個在5GHz ISM頻段上的資料傳輸速率可達54Mbit/s的物理層,802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但資料傳輸速率高達11Mbit/s的物理層。 2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數國家通用,因此802.11b得到了最為廣泛的應用。蘋果公司把自己開發的802.11標準起名叫AirPort。1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟,致力解決符合802.11標準的產品的生產和裝置相容性問題。
802.11標準和補充。
IEEE 802.11a是802.11原始標準的一個修訂標準,於1999年獲得批准。802.11a標準採用了與原始標準相同的核心協議,工作頻率為5GHz,使用52個正交頻分多路復用副載波,最大原始資料傳輸率為54Mb/s,這達到了現實網路中等吞吐量(20Mb/s)的要求。如果需要的話,資料率可降為48,36,24,18,12,9或者6Mb/s。802.11a擁有12條不相互重疊的頻道,8條用於室內,4條用於點對點傳輸。它不能與IEEE 802.11b進行互操作,除非使用了對兩種標準都採用的裝置。
由於2.4GHz頻帶已經被到處使用,採用5GHz的頻帶讓802.11a具有更少衝突的優點。然而,高載波頻率也帶來了負面效果。802.11a幾乎被限制在直線範圍內使用,這導致必須使用更多的接入點;同樣還意味著802.11a不能傳播得像802.11b那麼遠,因為它更容易被吸收。
儘管2003年的世界無線電通訊會議讓802.11a在全球的應用變得更容易,不同的國家還是有不同的規定支援。美國和日本已經出現了相關規定對802.11a進行了認可,但是在其它地區,如歐盟,管理機構卻考慮使用歐洲的HIPERLAN標準,而且在2002年中期禁止在歐洲使用802.11a。在美國,2003年中期聯邦通訊委員會的決定可能會為802.11a提供更多的頻譜。
在52個OFDM副載波中,48個用於傳輸資料,4個是引示副載波(pilot carrier),每一個頻寬為0.3125MHz(20MHz/64),可以是二相移相鍵控(BPSK),四相移相鍵控(QPSK),16-QAM或者64-QAM。總頻寬為20MHz,佔用頻寬為16.6MHz。符號時間為4毫秒,保護間隔0.8毫秒。實際產生和解碼正交分量的過程都是在基帶中由DSP完成,然後由發射器將頻率提升到5GHz。每一個副載波都需要用複數來表示。時域訊號透過逆向快速傅立葉變換產生。接收器將訊號降頻至20MHz,重新採樣並透過快速傅立葉變換來重新獲得原始係數。使用OFDM的好處包括減少接收時的多路效應,增加了頻譜效率。
802.11a
產品於2001年開始銷售,比802.11b的產品還要晚,這是因為產品中5GHz的元件研製成功太慢。由於802.11b已經被廣泛採用了,802.11a沒有被廣泛的採用。再加上802.11a的一些弱點,和一些地方的規定限制,使得它的使用範圍更窄了。802.11a裝置廠商為了應對這樣的市場匱乏,對技術進行了改進(現在的802.11a技術已經與802.11b在很多特性上都很相近了),並開發了可以使用不止一種802.11標準的技術。現在已經有了可以同時支援802.11a和b,或者a、b、g都支援的三頻,以及a、b、g、n都支援的四頻的無線網卡,它們可以自動根據情況選擇標準。同樣,也出現了行動介面卡和接入裝置能同時支援所有的這些標準。
IEEE 802.11b
是無線區域網路的一個標準。其載波的頻率為2.4GHz,可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重傳送速度。[2]它有時也被錯誤地標為Wi-Fi。實際上Wi-Fi是Wi-Fi聯盟的一個商標,該商標僅保障使用該商標的商品互相之間可以合作,與標準本身實際上沒有關聯。[來源請求]在2.4-GHz的ISM頻段共有11個頻寬為22MHz的頻道可供使用,它是11個相互重疊的頻段。IEEE 802.11b的後繼標準是IEEE 802.11g,其傳送速度為54Mbit/s。
IEEE 802.11g
在2003年7月被通過。其載波的頻率為2.4GHz(跟802.11b相同),共14個頻段,原始傳送速度為54Mbit/s,淨傳輸速度約為24.7Mbit/s(跟802.11a相同)。802.11g的裝置向下與802.11b相容。其後有些無線路由器廠商因應市場需要而在IEEE 802.11g的標準上另行開發新標準,並將理論傳輸速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。
IEEE 802.11i
是IEEE為了彌補802.11脆弱的安全加密功能(WEP,Wired Equivalent Privacy)而制定的修正案,於2004年7月完成。其中定義了基於AES的全新加密協議CCMP(CTR with CBC-MAC Protocol)。
無線網路中的安全問題從暴露到最終解決經歷了相當的時間,而各大廠通訊晶片商顯然無法接受在這期間什麼都不出售,所以迫不及待的Wi-Fi廠商採用802.11i的草案3為藍圖設計了一系列通訊裝置,隨後稱之為支援WPA(Wi-Fi Protected Access)的,這個協定包含了向前相容RC4的加密協議TKIP(Temporal Key Integrity Protocol),它沿用了WEP所使用的硬體並修正了一些缺失,但可惜仍然不是毫無安全弱點的;之後稱將支援802.11i最終版協議的通訊裝置稱為支援WPA2(Wi-Fi Protected Access 2)的。
無線網路中的安全問題從暴露到最終解決經歷了相當的時間,而各大廠通訊晶片商顯然無法接受在這期間什麼都不出售,所以迫不及待的Wi-Fi廠商採用802.11i的草案3為藍圖設計了一系列通訊裝置,隨後稱之為支援WPA(Wi-Fi Protected Access)的,這個協定包含了向前相容RC4的加密協議TKIP(Temporal Key Integrity Protocol),它沿用了WEP所使用的硬體並修正了一些缺失,但可惜仍然不是毫無安全弱點的;之後稱將支援802.11i最終版協議的通訊裝置稱為支援WPA2(Wi-Fi Protected Access 2)的。
IEEE 802.11n
是2004年1月時IEEE宣布組成一個新的單位來發展的新的802.11標準,於2009年9月正式批准。傳輸速度理論值為300Mbit/s,因此需要在物理層產生更高速度的傳輸率。此項新標準應該要比802.11b快上50倍,而比802.11g快上10倍左右。802.11n也將會比目前的無線網路傳送到更遠的距離。
802.11n增加了對於MIMO的標準,使用多個發射和接收天線來允許更高的資料傳輸率,並使用了Alamouti coding coding schemes來增加傳輸範圍。 802.11n支援在標準頻寬(20MHz)上的速率包括有 (單位Mbit/s):7.2, 14.4, 21.7, 28.9, 43.3, 57.8, 65, 72.2 (短保護間隔,單資料流)。使用4*MIMO時速度最高為300Mbit/s。 802.11n也支援雙倍頻寬(40MHz),當使用40MHz頻寬和4*MIMO時,速度最高可達600Mbit/s。
802.11n增加了對於MIMO的標準,使用多個發射和接收天線來允許更高的資料傳輸率,並使用了Alamouti coding coding schemes來增加傳輸範圍。 802.11n支援在標準頻寬(20MHz)上的速率包括有 (單位Mbit/s):7.2, 14.4, 21.7, 28.9, 43.3, 57.8, 65, 72.2 (短保護間隔,單資料流)。使用4*MIMO時速度最高為300Mbit/s。 802.11n也支援雙倍頻寬(40MHz),當使用40MHz頻寬和4*MIMO時,速度最高可達600Mbit/s。
網路的類型
802.11網路最基本的組件我們稱之為基本服務集(Basic Service Set,BSS),由多個互相通信的工作站所組成。 BSS分為兩種基本的模式:
- 獨立型網路(Ad hoc mode)
- 基礎結構型網路(Infrastructure mode),如圖所示。
獨立型網路:IBSS
上圖所示中,左邊為Independent BSS,IBSS,有時我們也稱之為BSS(Ad-hoc BSS)。
這種情況中,無線網路是直接由工作站所組成的一種臨時性的網路,它們之間的距離必須在可以直接通訊的範圍內。
基礎結構型網路:BSS
上圖所示中,右邊為基礎結構型基本服務集,Infrastructure BSS
在這種網路中,AP負責基礎結構型網路的所有通信,包括同一個服務區域內所有移動節點間的通訊。
雖然這種方式比IBSS直接傳送消耗較多的資源,但是卻有兩個主要的優點:
擴展服務區域:ESS
BSS可以為辦公室或者家庭提供小範圍的服務,無法服務更大的區域。在802.11網路中允許將幾個BSS串聯為擴展服務集(Extended Service Set,ESS),所有位於同一個ESS的接入點將使用相同的服務組標識符(Service Set Identifier,SSID)
上圖所示中,左邊為Independent BSS,IBSS,有時我們也稱之為BSS(Ad-hoc BSS)。
這種情況中,無線網路是直接由工作站所組成的一種臨時性的網路,它們之間的距離必須在可以直接通訊的範圍內。
基礎結構型網路:BSS
上圖所示中,右邊為基礎結構型基本服務集,Infrastructure BSS
在這種網路中,AP負責基礎結構型網路的所有通信,包括同一個服務區域內所有移動節點間的通訊。
雖然這種方式比IBSS直接傳送消耗較多的資源,但是卻有兩個主要的優點:
- 基礎結構型基本服務集被界定在接入點的傳輸範圍內,與IBSS相比雖然消耗了一些頻寬,但是卻降低了physical layer的複雜程度,因為IBSS中的每個工作站都要維護和其他工作站的adjacency關係。
- AP在Infrastructure BSS架構裡的作用是協助工作站節省電力。AP可以協助不發送封包的工作站暫時性的關閉無線收發器並cache以保證電力的最小消耗。那麼,如果要使用基礎結構型的網路時,工作站必須要與接入點進行關聯(Associate),每個工作站在同一時間內只能與一個AP進行關聯。
擴展服務區域:ESS
BSS可以為辦公室或者家庭提供小範圍的服務,無法服務更大的區域。在802.11網路中允許將幾個BSS串聯為擴展服務集(Extended Service Set,ESS),所有位於同一個ESS的接入點將使用相同的服務組標識符(Service Set Identifier,SSID)
隸屬於同一個ESS的工作站可以互相通信,即使這些工作站處於不同的BSS或是在這些BSS內移動。在ESS中,AP作為bridge的角色,提供Link-layer的連接。