无线局域网

不使用任何导线或传输电缆连接的局域网，WLAN

无线局域网

无线局域网（英语：Wireless Local Area Network，缩写 WLAN ）是一种不依赖有线连接、利用射频技术进行数据传输的局域网。[2]相比于有线局域网，WLAN无需物理布线，更加灵活。[3]典型部署场景如家庭、学校、校园或企业办公楼等。无线局域网技术的不断发展和普及，极大地改善了移动设备的联网体验，促进了信息的传递与分享。[4]无线局域网协议有多种，其中最主流的是IEEE802.11系列标准。使用IEEE 802.11标准的局域网又称为Wi-Fi（Wireless-Fidelity），即“无线保真度”。[5]Wi-Fi 网络是 WLAN 的一种[6]，也是最广泛使用的 WLAN 类型[7]。

无线局域网（英语：Wireless Local Area Network，缩写 WLAN ）是一种不依赖有线连接、利用射频技术进行数据传输的局域网。[3]相比于有线局域网，WLAN无需物理布线，更加灵活。[4]典型部署场景如家庭、学校、校园或企业办公楼等。无线局域网技术的不断发展和普及，极大地改善了移动设备的联网体验，促进了信息的传递与分享。[5]

无线局域网协议有多种，其中最主流的是IEEE802.11系列标准。使用IEEE 802.11标准的局域网又称为Wi-Fi（Wireless-Fidelity），即“无线保真度”。[6]Wi-Fi 网络是 WLAN 的一种[7]，也是最广泛使用的 WLAN 类型[8]。

发展历史

第一个使用无线通信的数据网络诞生于 1971 年，当时夏威夷大学的一个研究项目将网络技术与无线电通信结合起来，命名为 ALOHA 网络。该系统在数十公里范围内的岛屿上使用了固定发射机，无需使用电话线即可与欧胡岛（Oahu Island）的中央计算机进行通信。该网络使用随机访问协议，允许计算机在有信息要发送时立即通过共享通道传输数据包。[9]

ALOHA 网络终端部署示意图
ALOHA 网络终端部署示意图
用户正在操作 ALOHA 网络器机器。来源：夏威夷大学马诺阿分校
用户正在操作 ALOHA 网络器机器。来源：夏威夷大学马诺阿分校

笔记本电脑的出现促进了各种无线局域网的发展，但起初这些局域网相互不兼容，于是 IEEE 委员会开始起草无线局域网标准。[2]美国联邦通信委员会 1985 年决定开放 ISM 频段供未经许可的使用，[10]因此在 1997 年，IEEE（电气和电子工程师协会）发布了第一个无线局域网标准，即 IEEE 802.11。主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，总数据传输速率设计为 2Mbps。[1]但由于第一批 WLAN 卡非常昂贵，该技术在最初几年未能真正建立起来。对于无线局域网技术的使用，基本仅限于实在无法使用有线连接的情况下才会考虑。[11][12]

初代 802.11 标准规定的数据速率是通过 IR（红外线）信号或通过 DSSS（跳频或直序扩频）无线电信号进行传送的，受限于较低的速度和有限的应用范围。因此，1999 年 7 月，[13]DSSS 版本的传统 802.11 迅速得到 802.11b 修订版补充，它与传统 802.11 一样，工作在 2.4GHz 频段下。修订版把信息速率提高到 11 Mbps。在 802.11b 发布之后，802.11 网络才得到了广泛采用。[14]

与 802.11b 同期发布的 802.11a 提供高达 54Mbps 的数据传输速度，但是由于其在 5 GHz下运行，以当时的技术，IEEE 802.11a 成本更高，实施起来也更困难，因此应用范围较小。[15]

发布于 2003 年[16]的 IEEE 802.11g 是继 802.11a 和 802.11b 之后的主要 Wi-Fi 标准之一，它可以在 2.4GHz 频段下实现54 Mbps 的传输速度，芯片成本较低，速度较高，因此成为占主导地位的无线技术。尽管 5 GHz 拥塞程度较低且带宽更大，可为WLAN 提供更好的性能，但 5 GHz 芯片的额外成本仍然是一个主要因素。[17]

随着时间的推移和成本的下降，越来越多的设备开始使用 802.11a 标准。2006 年初，业界就 802.11n WLAN 系统的功能达成了实质性协议，这为许多芯片制造商提供了足够的信息来开展开发工作。[18]2009 年 10 月 802.11n 正式发布，[19]取代了“a”版本。事实上，802.11n 是该标准的双频版本，在 2.4 GHz 和 5 GHz 上运行，提供高达 600 Mbps 的数据传输速度。[18]

为了改进 802.11n 标准，IEEE 在 2008 年至 2013 年期间开发了 IEEE 802.11ac，于2013年12月正式发布。[20]802.11ac 无线标准仅使用 5 GHz 频段，最大理论连接速度高达 7 Gbps。[21]

2019 年 IEEE 发布了 802.11ax 标准，IEEE 802.11ax 被视为 802.11ac 的后继者，采用 802.11ax 标准的路由器可以广播四个 MIMO 空间流，为每个流提供四倍的最大理论带宽。 假设单个 802.11ax 流的速率为 3.5 Gbps，即可以得到 14 Gbps 的最大理论带宽。[22][23]

IEEE 在 2021 年 3 月发布了 802.11be 的初始草案，最终版本预计于 2024 年初发布，最大数据吞吐量可达 46Gbps，IEEE 802.11be 标准支持多链路技术，使其能够减少 WLAN 拥塞并提高网络的整体性能。[24]

站（STA）

站由连接到 WLAN 的设备组成。每个站都有一个无线网络接口控制器。它们可以是无线接入点，也可以是无线终端，每个都用唯一的网络地址进行标识。[25]

站、接入点、分布系统示意图
站、接入点、分布系统示意图

无线接入点

无线接入点（WAP）允许支持无线功能的设备和有线网络通过无线标准进行连接。[26]接入点通过有线连接到路由器、交换机或集线器，将有线网络数据转换成无线信号，并将无线信号投射到指定区域。[27]

无线终端

无线终端设备包括笔记本电脑、智能手机、平板电脑等，通过搭载无线网卡或Wi-Fi模块连接到无线局域网，实现数据交换和资源共享。[28]虽然无线设备可以在无线局域网覆盖范围内自由移动，但其连接稳定性可能受到距离和干扰的影响。[29]

基本服务集（Basic Service Set，BSS）

基本服务集是一组接入同一 WAP 的无线设备，基本服务集标识符（BSSID）是接入点的物理 MAC 地址，每个 BSS 使用 BSSID 作为唯一标识，此信息包含在数据包中。由于网络范围较小，它主要用于小型办公室或家庭。 [30][31]服务集标识符（SSID）也称为网络名称，是用于标识接入点的唯一字符串。当多个接入点共享相同的 SSID 时，它们形成扩展服务集（ESS），共享网络名称称为扩展服务集标识符（ESSSID），每个 WAP 都会向其用户广播相同的 SSID。[31]

BSS、SSID示意图
BSS、SSID示意图
ESS示意图
ESS示意图

无线分布系统（WDS）

无线分布系统是一种在无线局域网中互连接入点的方法，IEEE 802.11标准将无线分布系统定义为用于连接接入点的基础设施。WDS可以将两个或多个无线接入点连接在一起，以扩展无线网络的范围，而无需使用传统有线连接。WDS 可以在接入点之间提供两种不同的无线连接模式：无线桥接和无线中继。[32]

无线桥接

无线桥接使用无线信号将两个现有网络连接到一个更大的网络中，无线桥接具有相互通信的接入点，但不允许来自无线终端的访问。[33]

无线中继

无线中继有助于扩展给定的无线网络范围，允许接入点相互通信。本质是获取现有无线接入点的信号并重新广播，以创建第二个网络。[33]

传输介质

无线局域网使用红外线或者无线电波作为传输介质，红外线局域网采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，由于它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电管理部门的限制。但在实际应用中，由于红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大。

相比来说，由于无线电波的覆盖范围大，应用广泛，因此更多的无线局域网采用无线电波作为传输介质。其具有很强的抗干扰抗噪声能力、抗衰落能力。[34]

IEEE 802.11 标准

主要的 IEEE 802.11 标准[35][22][23]标准发布年份理论最大速度频段备注802.111997年2 Mbps2.4 GHz很快就过时并被 802.11b 取代802.11a1999 年54 Mbps5 GHz802.11 系列中的第一个 Wi-FI 标准802.11b1999 年11 Mbps2.4 GHz\802.11f2003 年\\IEEE 802.11f 描述了 IEEE 802.11 的可选扩展，以实现多供应商系统之间的无线接入点通信。曾一度处于试用阶段，但并未得到整个行业的认可， 2006 年被撤销[36]802.11h2003 年\\规范定义了 Wi-Fi 所需的功率控制[37]802.11g2003 年54 Mbps2.4 GHz\802.11i2004 年\\用于促进无线局域网端到端的安全通信标准，也称为 WPA2[38][39]802.11j2004 年\\规定了无线局域网 IEEE Std 802.11 的扩展，提供了在日本 4.9 GHz 和 5 GHz 频段运行的机制[40]802.11e2005 年\\是 802.11q 和 802.11b WLAN 规范的增强。提供优先考虑视频传输、数据和语音的 QoS 功能[41]802.11k2008 年\\扩展了无线局域网的无线电资源测量 (RRM) 机制。它提供了一些有关优化 WLAN 性能的建议[42]802.11n2009 年600 Mbps2.4 / 5 GHz\802.11s2011 年\\描述了 IEEE 802.11 站的协议，以形成支持广播/组播和单播数据传输的自配置多跳网络[43]802.11u2011 年\\指定了 IEEE 802.11 媒体访问控制 (MAC) 的增强功能，支持无线局域网 (WLAN) 与外部网络的互通[44]802.11ad2012 年7 Gbps60 GHz定义了对 IEEE 802.11 物理层 (PHY) 和 IEEE 802.11 介质访问控制层 (MAC) 的修改，以实现在 60 GHz 左右的频率下运行并能够实现非常高的吞吐量[45]802.11ac2013 年7 Gbps5 GHz\802.11af2014 年\\定义了 IEEE 802.11 物理层 (PHY) 和媒体访问控制 (MAC) 子层的增强功能，以支持电视频段空白空间中的操作[46]802.11ah2016 年\\利用低于 1 GHz 的免许可 ISM 频段[47]802.11ax2019 年14 Gbps2.4 / 5 / 6 GHz\802.11be2024 年\2.4 / 5 / 6 GHz旨在提供比 802.11ac 显着的改进，特别是在密集区域部署 WLAN 方面，以及频谱效率和用户访问以及许多其他功能方面的改进

无线局域网类型

WLAN 根据 IEEE 802.11 标准，以两种基本模式运行：基础设施模式和自组织模式。[48]

基础设施模式（Infrastructure Mode）

移动设备或客户端连接到接入点，而接入点又通过网桥连接到局域网或互联网，客户端通过接入点传输数据到其他客户端，这种模式被称为基础设施模式。在基础设施模式下，WLAN网络由站点以及一个或多个接入点组成。设备接入点就像蜂窝系统中使用的基站，所有站之间的通信都需要通过接入点。[49]

基础设施模式示意图
基础设施模式示意图

Ad Hoc 模式（Ad-Hoc Mode）

在 Ad Hoc 模式下，WLAN 无线网络仅由站组成，网络中不会有任何接入点。无线终端彼此直接通信。它也称为独立基本服务集（IBSS）或点对点模式。Ad Hoc 模式适合在办公室、酒店或有线基础设施不可用的地方进行快速无线连接设置。[49]

Ad Hoc 模式示意图
Ad Hoc 模式示意图

应用领域

网络信息系统：如电子邮件、文件传输和终端仿真等。

难以布线的环境：如老建筑、布线昂贵的露天环境、城市建筑群、学校和工厂等。

经常变化的环境：如零售、野外勘测、军事作业等。

接入移动设备的网络：如笔记本电脑、手机、物联网设备等。WLAN 的一项特殊优势是网络中设备的移动性，在布置较大型的多移动设备的无线局域网时，采用“漫游”技术可以自动将其无线连接切换到无线信号最好的接入点。[39]

移动设备在WLAN网络中自动漫游
移动设备在WLAN网络中自动漫游

办公室和家庭网络：如家庭、小型办公室以及其他需要小型局域网操作的用户。[50]

参考资料 50

  1. 无线局域网标准802.11x总览 — 中国教育和科研计算机网
  2. http://idl.hbdlib.cn/book/00000000000000/pdfbook/018/017/156277.pdf
  3. 中国电信科普WiFi与WLAN的区别 — 搜狐网
  4. The Wireless LANs Page — cse.wustl.edu
  5. 参考 5
  7. What Is a Wireless LAN? — cisco
  8. 什麼是 WLAN？ — HPE Aruba Networking
  9. The ALOHA Protocol — wirelesscommunication
  10. IEEE 802.11 — techopedia
  11. The first wireless LAN /WLAN — teldat
  12. Wireless Local Area Network — techopedia
  13. Understanding IEEE 802.11b Wi-Fi — electronics-notes
  14. https://download.tek.com/document/37C-29447-0.pdf
  15. IEEE 802.11a Wi-Fi Standard — electronics-notes
  16. 802.11g-2003 - IEEE Standard for Information technology-- Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-- Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band | IEEE Standard | IEEE Xplore — IEEE
  17. 802.11g specifications — electronics-notes
  18. IEEE 802.11n WLAN Standard — electronics-notes
  19. What is 802.11n? — techtarget
  20. The 802.11ac WiFi Standard Explained — signalboosters
  21. What you need to know about Wi-Fi 5 (IEEE 802.11ac) — keenetic
  22. Why You Should Care About IEEE 802.11ax — business
  23. 802.11ac:The Fifth Generation of Wi-Fi — cisco
  24. Understanding IEEE 802.11be Wi-Fi 7 — electronics-notes
  25. What Is a Wireless LAN? — cisco
  26. 无线接入点是什么? — cisco
  27. What is an Access Point? — linksys
  28. 解析WLAN无线局域网规划与应用 — 中国教育和科研计算机网
  29. 如何识别并减少无线信号干扰 — 戴尔官方网站
  30. IntroductionofBasicServiceSet(BSS) — geeksforgeeks
  31. Wireless LAN: WAP, BSS, BSSID, SSID, ESS, & ESSID — medium
  32. wireless distribution system (WDS) — techtarget
  33. what a wireless distribution system is — antaira
  34. 无线局域网的应用与安全 — 电子政务网
  35. WiFi Standards: IEEE 802.11 — electronics-notes
  36. IEEE 802.11F-2003 — ieee
  37. IEEE 802.11h-2003 — ieee
  38. IEEE 802.11i-2004 — ieee
  39. High-performance wireless networks offer increased flexibility and mobility — phoenixcontact
  40. IEEE 802.11j-2004 — ieee
  41. IEEE 802.11e-2005 — ieee
  42. IEEE 802.11k-2008 — ieee
  43. IEEE 802.11s-2011 — ieee
  44. IEEE 802.11u-2011 — ieee
  45. IEEE 802.11ad-2012 — ieee
  46. IEEE 802.11af-2013 — ieee
  47. IEEE 802.11ah-2016 — ieee
  48. What are wireless LANs? — tutorialspoint
  49. Understanding Infrastructure Mode in Wireless Networking — lifewire
  50. 参考 50
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