Wi-Fi无线通信技术简介
摘要: 随着科学技术水平的逐步提高, 无线通信技术也在不断地更新,我们现在以更快的速度摆脱各种线路的束缚。而且伴随着互联网的迅速发展及普及，人们开始对互联网有了依赖性。随时随地上网的需求，产生了大量的WLAN 服务需求。Wi-Fi，这个通信时代最热门的无线技术，正好可以满足人们的这种需要。因而越来越受到业界的广泛关注, 显示出极大的应用前景。
关键词：无线通信技术，Wi-Fi
一. 引言
（一)现代无线通信技术及各技术对比
随着时代发展与进步, 无线通信技术也随之发生一定的改变, 这不仅适应了时代发展的需要, 同时也符合了人们日益增长的对通信服务的需要, 在信息化越来越普遍的时代, 人与人之间的沟通也趋向于通信化, 这在无形中提高了人们的生活质量。
其中无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。现在的无线通信技术包括蓝牙技术BLuetooth，IrDA技术，HomeRF技术，HiperLAN技术，无线保真技术Wi-Fi技术等，表1-1为各种无线通信技术的一个对比。
表1-1 频宽和最大传输速率比较
协议频宽最大传输宰
802.11a 5.8GHz54Mbit/s
802.11b 2.4GHz11Mbit/s
802.11g 2.4GH/5.8GHz22～54Mbit/s
HomeRF 2.4GHz10Mbit/s
HiperLAN25GHz54Mbit/s
IrDA 1.5MHz9.6kbit/s～4Mbit/s
Bluetooch 2.4GHz720kbit/s～1Mbit/s
802.16 2.66GHz2Mbit/s～155Mbit/s
Wi—Fi 2.4GHz11Mbit/s
（二）Wi-Fi技术发展
IEEE标准802.11，也就是被人们称之为Wi-Fi的技术，始于1997年，是IEEE 采用的标准系统。此标准已经演化了多年，现在已经到802.11n版本。
最先推出的Wi-Fi标准是802.11-1997。我们之前提到过，IEEE有时无法让广泛推广其标准，802.11-1997就是一个例子。这一原始标准没有获得广泛认可，
某种程度上要归咎于其缓慢的传输速度(1至2MB/s)。802.11-1997标准可以被下列三种技术替代：1. Infrared(红外传输)：流量达到1MB/s。2. FHSS (调频扩频技术)：流量为1至2MB/s。3. DSSS (直接序列扩频技术)：流量为1至2MB/s。
除此以外，价格昂贵也是该技术标准无法被大量采用的原因之一。1997年，用于802..11-1997的传输器和接收器都比较昂贵。直到1999年，该标准被更新至802.11a和802.11b版本，Wi-Fi技术才获得了广泛认可。尽管802.11a和802.11b 于1999年同时推出，但是，只有802.11b被广泛接受。
而后的802.11a在速度上有所改进。802.11-1997只能以2MB/s的速度传输，而802.11a能以54MB/s的速度进行传输。速度增快主要是因为它用5GHz频率取代了原来的2.4GHz频率。除了能增快速度，使用5GHz频率还有另一个好处：以前原先的设备很少使用该频率，所以它受到的干扰也少。不过，使用5GHz频率存在一个缺陷。该频率的波长较短，它覆盖的范围因此也缩短了，所以其信号不容易穿透障碍。通常，容易被吸收的短波就意味着难以穿透障碍物。
802.11b继承了DSSS技术，其操作频道为2.4GHz。2.4GHz频率的沿用既有优点又有缺点。优点是该频率未受管制，因此使用价格相对低廉。缺点是，许多设备都使用该频段，那么它受到干扰的几率比较大。802.11b中最大的改变是实现了数率传输的最大化——11MB/s。这一速度相对于传统以太网速度而言是极大进步。这一速度的提升意味着许多消费者都可以使用Wi-Fi，移动性网络的优势也得到彰显。而价格的降低也使802.11b技术得到广泛接受。
随着以太网速度的增快以及802.11标准的改进。2003年，IEEE批准了802.11g 标准。802.11g同样使用2.4GHz频率，但是它使用802.11a所使用的正交频分复用技术(OFDM)。该技术可让802.11g的传输速度达到54MB/s;毫无疑问，该标准以其价格和速度优势再次获得广泛认可。
最新的Wi-Fi标准是802.11n，该标准现已获认可。该标准中的的主要改进是多输入输出(MI/MO)技术，顾名思义，这项技术要求使用多个传输器和接收器;比如，如果用户拥有两个传输器和两个接收器，传输器会将信号一分为二，然后将两个分信号同时传出，而接收器会同时接收到两个分信号，然后再将信号合二为一，因此传输时间便减少了一半。我们将就此进行详细阐述。
802.11n中最大的创新是在Wi-Fi标准中引入多传入传出(MIMO)技术。以前的Wi-Fi天线配置只使用单一输入输出(SISO)技术。如MIMO的名称所言，该技术使用多个天线用于输入和输出。MIMO配置是多天线可选择的三种常规配置中的一种。这三种配置分别是：1.单输入多输出(SIMO)2.多输入单输出(MISO)3.多输入多输出(MIMO)。[1]
二.技术简介
（一）Wi-Fi技术概述
Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。简单来说其实就是IEEE 802.11b 的别称，是由一个名为“无线以太网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的组织所发布的业界术语，它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g 等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。它可以帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。Wi-Fi无线网络是由
AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。在开放性区域，通讯距离可达305 米；在封闭性区域，通讯距离为76 米到122 米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。Wi-Fi以其自身诸多优点，受到人们推崇。
图2-1 Wi-Fi标志
（二）Wi-Fi技术特点
优点：
1）无线电波的覆盖范围广
Wi-Fi的半径则可达100 米，适合办公室及单位楼层内部使用。而蓝牙技术只能覆盖15 米内。
2）速度快，可靠性高
802.11b 无线网络规范是IEEE 802.11 网络规范的变种，最高带宽为11 Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps 和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。
3）无需布线
Wi-Fi最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。
4）健康安全
IEEE802.11 规定的发射功率不可超过100 毫瓦，实际发射功率约60~70 毫瓦，手机的发射功率约200 毫瓦至1 瓦间，手持式对讲机高达5 瓦，而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，是绝对安全的。
缺点：
目前使用的IP 无线网络，存在一些不足之处，如带宽不高、覆盖半径小、切换时间长等，使得其不能很好地支持移动VoIP 等实时性要求高的应用；并且无线网络系统对上层业务开发不开放，使得适合IP 移动环境的业务难以开发。此前定位于家庭用户的WLAN 产品在很多地方不能满足运营商在网络运营、维护上的要求。[2]
（三）Wi-Fi网络结构
1）站点（Station），网络最基本的组成部分。
基本服务单元（Basic Service Set，BSS）。网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成。站点可以动态的联结（associate）到基本服务单元中。
2）分配系统（Distribution System，DS）。分配系统用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介（Medium）逻辑上和基本服务单元使用的媒介是截
然分开的，尽管它们物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。
3）接入点（Access Point，AP）。接入点即有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。
4）扩展服务单元（Extended Service Set，ESS）。由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上，并非物理上的──不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。分配系统也可以使用各种各样的技术。
5）关口（Portal），也是一个逻辑成分。用于将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来。
这儿有3种媒介，站点使用的无线的媒介，分配系统使用的媒介，以及和无线局域网集成一起的其它局域网使用的媒介。物理上它们可能互相重迭。IEEE 802.11只负责在站点使用的无线的媒介上的寻址（Addressing）。分配系统和其它局域网的寻址不属无线局域网的范围。
IEEE802.11没有具体定义分配系统，只是定义了分配系统应该提供的服务（Service）。整个无线局域网定义了9种服务：5种服务属于分配系统的任务，分别为，联接（Association）、结束联接（Diassociation）、分配（Distribution）、集成（Integration）、再联接（Reassociation）。4种服务属于站点的任务，分别为，鉴权（Authentication）、结束鉴权（Deauthentication）、隐私（Privacy）、MAC 数据传输（MSDU delivery）。
图2-2 Wi-Fi网络总体方案
（四）Wi-Fi应用
案例：基于Wi-Fi 城域网的城市公交网络监控报警平台
图2-3 Wi-Fi网络总体方案
利用基于WI-FI城域网的城市公交网络监控报警平台的设计目标是，在主要线路的公交车辆、公交站点、公安交通治安监控报警中心建立网络视频监控系统。系统可对运动中的公交车辆、公交车站进行实时治安动态监控；在警情发生时，通过车载报警系统、GPS 定位系统进行实时报警和报警车辆的定位；通过“警务通”GPS 定位系统进行值勤警力的分布查询和处警时的警力调度；通过城市公交网络监控报警平台的GIS/GPS系统、视频监控系统、通讯软件系统、数据库软件系统、业务软件系统进行有关交通数据的采集、传递、联动、显示、处理、存储，为城市交通治安公安业务工作提供高质量的数据源。这些数据信息包括车辆信息、监控报警、视频、音频、定位、日志等信息。该系统主要包含城市公交车辆监控报警系统、基于WI-FI的基础网络建设系统、移动警务通系统和城市公交网络监控报警平台等四大子系统。公交车辆监控报警系统主要通过在运营的公交车辆车上安装摄像机、拾音头、车载硬盘录像机、GPRS/GPS 定位系统、报警按扭、无线AP 等设备，实现对运行中的公交车辆进行视频监控，并对突发事件下的车辆进行报警。基础网络建设系统借助WI-FI 城域网和公交GPRS 网络，通过Wi-Fi 城域网传输前端车载的视频、音频信号，通过公交系统的GPRS网络传输报警、GPS等信号。移动警务通系统由警用移动终端、操作系统、GPS 模块组成，主要实现数据查询、警务信息通知和GPS定位等功能。城市公交网络监控报警平台采用卫星定位技术、音视频编解码技术、数据存储技术、计算机无线网络技术等多项先进技术，在监控中心部署通信服务器、应用服务器、数据库服务器、文件存储器视频代理转发服务器、GIS 电子地图服务器、Web 服务器等组建主机系统，实现对前端音视频信息、报警信息、GPS 定位信息的采集、转发、存储和处理。
城市公交网络监控报警平台还提供简单、方便、易用、稳定的数据访问接口，供公安的其他系统共享调用。如平台可接入公安110 指挥中心，在发生重大事件时可及时上传相关数据，与公安110 指挥中心系统实现联动，供相关领导及时做出判断决策。[3]
Wi-Fi应用:
由于Wi-Fi 的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此WLAN 无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。用户可以在Wi-Fi 覆盖区域内快速浏览网页，随时随地接听拨打电话。而其它一些基于WLAN 的宽带数据应用，如流媒体、网络游戏等功能更是值得用户期待。有了Wi-Fi 功能我们打长途电话（包括国际长途）、浏览网页、收发电子邮件、音乐下载、数码照片传递等，再无需担心速度慢和花费高的问题。Wi-Fi 在掌上设备上应用越来越广泛，而智能手机就是其中一份子。与早前应用于手机上的蓝牙技术不同，Wi-Fi 具有更大的覆盖范围和更高的传输速率，因此Wi-Fi 手机成为了目前移动通信业界的时尚潮流。现在Wi-Fi 的覆盖范围在国内越来越广泛了，高级宾馆，豪华住宅区，飞机场以及咖啡厅之类的区域都有Wi-Fi 接口。当我们去旅游，办公时，就可以在这些场所使用我们的掌上设备尽情网上冲浪了。随着3G 时代的来临越来越多的电信运营商也将目光投向了Wi-Fi技术，Wi-Fi 覆盖小带宽高，3 G 覆盖大带宽低，两种技术有着相互对立的优缺点，取长补短相得益彰。Wi-Fi 技术低成本、无线、高速的特征非常符合3G 时代的应用要求。在手机的3G 业务方面，目前支持Wi-Fi的智能手机可以轻松的通过AP 实现对互联网的浏览。随着VOIP 软件的发展，以Skype 为代表的VOIP 软件已经可以支持多种操作系统。在装有WIFI 模块的智能手机上装上相应的VOIP 软件后就可以通过Wi-Fi网络来实现语音通话。所以3G 与Wi-Fi 是不矛盾的，而Wi-Fi 可以作为3G 的高效有利的补充。在网络高速发展的时代,人们已经尝到了Wi-Fi 给我们带来的便利。
图2-4 Wi-Fi应用
（五）发展前景
ABI Research2011年的调查结果显示，2010年售出5亿多部Wi-Fi芯片组，全球约有7亿Wi-Fi用户，预计2012年将售出5亿部Wi-Fi手机。现如今，不同类别设备使用Wi-Fi会越来越高，增长也会越来越快，越来越多大众市场产品采用Wi-Fi的技术和标准。消费类电子产品、手机类设备、个人电脑网络设备都呈现出增长态势。
同时，Wi-Fi技术应用场景也越来越宽泛了，在汽车行业、工业领域、无线医疗行业，包括未来的物联网、智能电网、机与机之间的对话，Wi-Fi技术都会得到越来越普遍的应用，今后将会有更多的大众市场被开发出来。
而且物联网也将推动Wi-Fi发展。目前，物联网已经得到各国各级政府和行业主管部门的高度重视，相信在产业链中各大企业的鼎力支持和推动下，物联网技术的发展，必将成为当前信息技术网络化发展的最新趋势。
然而，除了依靠底层的传感器技术、IP地址资源、智能嵌入技术以及自动识别技术之外，要实现真正无所不在的物联网，更为重要的是在数据传输层实现统一稳定的数据传输。而Wi-Fi正是宽带无线接入网络的一种重要形态，可实现局部区域内的高速无线连接，传输速率从当前的54Mbps正在向更高的600Mbps 迈进。同时，Wi-Fi还具有组网结构简单、建设方便快捷等特点，得到了人们的关注。随着Wi-Fi应用领域的不断扩展、产品类型的日益丰富以及Wi-Fi设备的加速应用，消费者将获得高速、方便与丰富的使用体验。
Wi-Fi联盟董事AmerHassan在去年的无线世界大会上表示，物联网市场潜力巨大，Wi-Fi联盟重视物联网产业在中国的发展，并且开始着手M2M的研发和部署。目前Wi-Fi联盟的Wi-Fi Direct项目就是针对M2M业务推出的。
图2-5 Wi-Fi联盟成员列表
可以预见，随着物联网的发展，Wi-Fi作为目前应用最广泛的无线通信技术
之一，将会发挥重要作用。基于Wi-Fi无线技术，构建无线传输网与传感网相结合的融合应用，将成为物联网产业链中很重要的组成部分。
此外Wi-Fi联盟的基础也是十分雄厚的，作为是一家全球非营利行业协会，正在致力于通过技术开发、市场构建和监管项目推动Wi-Fi技术在全球范围内的普及。它由众多致力于无缝连接的企业组成，华为今年5月份也加入该联盟,中国移动也在近期加入。目前Wi-Fi联盟包括了苹果、Atheros、博通、思科、康卡斯特Comcast)、戴尔、英特尔、微软、摩托罗拉解决方案、诺基亚、索尼、T-Mobile 和德州仪器等16名赞助商成员，以及近450家的普通成员。
据Wi-Fi联盟首席执行官埃德加·菲格诺(Edgar Figueroa)介绍，Wi-Fi联盟已经成长为一个跨产业的合作平台，这个平台上集成了各方面的产业，包括医疗行业工作小组、运营商工作小组，还有工业企业工作小组等，这些行业成员被集中在一起来开展工作。目前Wi-Fi联盟的重点工作依然是不断推广Wi-Fi技术的普及和应用，包括研发相关测试项目、推出相关技术、进行市场拓展，同时与各国政府进行合作。Wi-Fi联盟不断的在跨领域、跨地区方面开展了各种各样的合作，并为相关政策、流程提供了优化的平台，致力于搭建无缝连接的整体网络环境。这都将推动Wi-Fi未来的发展。[4]
三.总结
Wi-Fi 作为一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g 等标准的出现，现在IEEE802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。它可以帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。在开放性区域，通讯距离可达305 米；在封闭性区域，通讯距离为76 米到122 米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。Wi-Fi 以其无线电波的覆盖范围广、速度快，可靠性高、无需布线、健康安全等诸多优点，受到人们推崇。
图3-1 Wi-Fi通信
图3-2 Wi-Fi电脑通信
现在Wi-Fi 的覆盖范围在国内越来越广泛了，高级宾馆，豪华住宅区，飞机场以及咖啡厅之类的区域都有Wi-Fi 接口。当我们去旅游，办公时，就可以在这些场所使用我们的掌上设备尽情网上冲浪了。随着3G 时代的来临越来越多的电信运营商也将目光投向了Wi-Fi技术。Wi-Fi 技术低成本、无线、高速的特征非常符合3G 时代的应用要求。在手机的3G 业务方面，目前支持Wi-Fi 的智能手机可以轻松的通过AP 实现对互联网的浏览。随着VOIP 软件的发展，以Skype 为代表的VOIP 软件已经可以支持多种操作系统。在装有Wi-Fi 模块的智能手机上装上相应的VOIP 软件后就可以通过Wi-Fi网络来实现语音通话。在网络高速发展的时代,人们已经尝到了Wi-Fi 给我们带来的便利。我们坚信Wi-Fi必定为我们开启一个全新的通信时代。
参考资料:
[1] 粟薇，Wi-Fi演化史及其发展趋势，IT专家网，2009-11-09
[2] 李扬，Wi-Fi技术原理及其应用，计算机时代，2010
[3] 徐磊，刘蓝，陶君，基于Wi-Fi 城域网的城市公交网络监控报警平台研
究，计算机时代，2010-07
[4] 晓盛，Wi-Fi产业发展情况及应用前景探讨，比特网，2011-09-10