技术前沿：WLAN(无线局域网)发展与应用

　　1 引言

　　无线局域网WLAN，顾名思义是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段，可提供传统有线局域网的所有功能。它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，系统用无线接入的一个子集，但原则上与蓝牙有类似性，覆盖无线个人域网(WPAN)范畴。与蓝牙相比，它能支持较高传输速率(2~54Mbit/s，甚至更高)，利用射频无线电或红外线，借助直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频(FHSS)，GMSK，OFDM等技术，甚至可达到与UWB超宽带技术相比拟的传输速率600Mbit/s~1Gbit/s左右，实现固定、半移动网络终端对Internet网络进行较远距离的高速连接访问。因此，原则上它与速率较低的蓝牙技术有不同市场定位，相互支持补充，构成一种完整有效的WLAN/WPAN/WBAN无线接入。1997年6月，IEEE推出了802.11标准，开创了WLAN标准的先河。我国自主创新的WAPE/TEPA技术对确保WLAN安全性作出了重要贡献。早期加入WLAN领域的一些标准有IEEE1/b/a/g(最高速率54Mbit/s，工作于2.4GHz IMS频段及5GHz频段)。HiperLAN是由ETSI的RES10工作组提出的欧洲WLAN标准，工作频段为5.12~5.30GHz及17.1~17.3GHz，最高速率54Mbit/s。在5GHz频段运行的WLAN在不同国家与地区有不同的叫法。例如，在欧共体称为HiperLAN，在澳大利亚称为RLAN(Radio LAN)，在加拿大称为LELAN(License-exempt Wireless LAN)。彼此虽有一定类似性，但亦有不同做法与管理要求。HiSWANx是日本ARAB的多媒体移动接入通信的WLAN系列标准，HiSWANa工作于5GHz频段，HiSWANb工作于25/27GHz频段，数据传输速率为6~54Mbit/s。宽带家用射频Wideband Home RF主要为家庭网络设计，是IEEE 802.11与数字无绳DECT标准的结合体，工作在2.4GHz频段，能同步支持多路高质量语音信道，可支持系列速率1Mbit/s，2Mbit/s，5Mbit/s和10Mbit/s。典型的数字无绳，如DECT及PHS等亦曾加入WLAN的有效竞争行列。红外线数据接入IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的手段，其软硬件技术均已较成熟，传输速率可高达16Mbit/s。其主要优点为体积小、成本低、功率小、适应移动需求，早期约有95%的手提电脑上安装了IrDA接口，但连接设备间不能有遮档物，多个设备间如欲连接，需调整其位置及角度，比较复杂，其核心部件红外线LED也不甚耐用。

　　目前，WLAN领域主要是IEEE 802.11x系列。我国自主创新标准WAPE及欧洲Hiper LAN/x系列等几种标准在积极发挥作用。

　　近代通用无线接入作为先进手段实施接入网的全部或部分功能，它已成为有线接入的有效支持、补充与延伸，是快速、灵活装备与实现普遍服务的重要途径。无线接入目前虽大部分为窄带，但中宽带与宽带(Wideband and Broadband)无线接入，包括2.5G/3G移动接入、不对称IP接入及卫星接入已成为可能。而WLAN/WPAN/WBAN技术可视为一种最接近用户的短距离、微功率、微微小区(Pico-cell)型无线接入手段，加上毫微微小区Femtocell以及M2M-传感网/物联网(WSN/WVSN/Internet of Things)等助力，在构筑新世纪泛在/普适全球个人通信网络及无线连接世界方面将发挥其独特的重要作用。很明显，由于通用无线接入可综合包括宏大区、大区、小区、微小区、微微小区、毫微微小区、高速移动、全移动、半移动(包括Nomadic游牧式)、可搬移(Transportable)及固定等多种接入覆盖模式，可有效覆盖三维物理空间的任一角落及有效地在任何时候以各种适当手段连接至任何个人用户，它对未来全球个人通信的实际连接覆盖的普遍化与重要性显而易见。无线接入与Internet联合运作的所谓无线Internet/移动IP，以及更进一步以全球移动通信的演进发展沿2G→2G+(2.5G，2.75G)→3G→3G+→4G这一发展脉络，将及时大量运用及嵌入3G/4G，Bluetooth，WLAN/WPAN/WBAN之类新手段，进入所谓嵌入式(Embedded)世界，实现以Pico-cell小区个人接入为中心展开的无线个人域与物体域网络(WPAN/WBAN)时代。这将成为未来全球个人通信世界中的最重要环节之一。

　　2 802.11x及其速率增强

　　第二次世界大战后，无线通讯因在军事上应用的成功而受到重视，但缺乏广泛的通讯标准。于是，IEEE在1997年为无线局域网制定了第一个标准──IEEE 802.11，其中定义了媒体存取控制层(MAC层)和物理层。物理层定义了在2.4GHz的ISM频段上工作，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以以自组织(Ad Hoc)的方式进行，也可以在基站BS(Base Station)或访问点AP(Access Point)的协调下进行。为了在不同的通讯环境下取得良好的通讯质量，采用了CSMA/CA(Carrier Sense Multi Access/Ollision Avoidance)多址连接方式。IEEE 802.11标准最初主要用于解决办公室局域网和校园网中用户的无线接入，其业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbit/s。之后，由于速率和传输距离都不能满足人们的需要，IEEE小组又相继推出了更高速率的标准802.11b和802.11a。802.11b支持较高速率达1Mbit/s，同样工作于2.4GHz ISM频段，亦称Wi-Fi(无线保真，Wireless Fedelity)，可为笔记本电脑或桌面电脑提供完整的网络系统服务。802.11a为利用5GHz频段的WLAN方式，传输速率更高，可达25Mbit/s或更高，借助OFDM技术，其速率可高达54Mbit/s。它亦被称为Wi-Fi5，可适应话音、数据、图像等多媒体业务的需要。802.11x标准即由Wi-Fi联盟推进其产业化与应用工作。

　　为使进入广泛商用的WLAN取得更高速率、更可靠的QoS及安全性，IEEE进行了一系列补充修订，向802.1x系列标准化努力，包括OFDM，高状态M-QAM调制与FEC技术，MIMO，CR，DFM等近代先进无线设备与网络技术的运用。[page]

　　3 Wi-Fi-802.11i的安全协议缺陷

　　IEEE802.11i是IEEE为了弥补802.11脆弱的安全加密功能(WEP，Wired Equivalent Privacy)而制定的修正案，于2004年7月完成，其中定义了基于AES的全新加密协议CCMP(CTR with CBC-MAC Protocol)。

　　无线网络中的安全问题从暴露到最终解决经历了相当长的时间，而各大通信芯片商显然无法接受在这期间什么都不出售，所以Wi-Fi厂商以802.11i的草案3为蓝图设计了一系列通信设备，称为支持WPA(Wi-Fi Protected Access)的设备。这个协议包含向前兼容RC4的加密协议TKIP(Temporal Key Integrity Protocol)，它沿用了WEP所使用的硬件并修正了一些缺失，但在安全方面仍然存在缺陷。之后将支持802.11i最终版协议的通信设备称为支持WPA2(Wi-Fi Protected Access 2)的设备。如众所知，随着传统意义上的WLAN演进为公众通信P-WLAN/O-WLAN，WLAN已成为中国几大公众业务基础运营商共同关注的焦点。公众运营商级的WLAN用户主要为企业客户、经常出差的商务人员及家庭用户等，多半属高端用户，对服务质量及安全性非常关注。而IEEE 802.11x标准中原先提出的安全方案已被广泛证实存在安全漏洞。

　　例如，基于有线环境设计的端口访问控制协议802.1x，安全协议WEP及RC4流密码，DHCP+WEB认证中的用户名和密码系按明文HTTP1.0或弱加密HTTP1.1的MD5算法。MAC地址过滤及非法接入及目前使用较多的PPPoE认证方式也是用明文或弱加密方式传送口令，不适合于开放无线环境。且PPP报文及PPPoE封装效率较低，无后续数据加密，均对电信运营商级高可靠性要求带来较大隐患。

　　针对这些情况，我国依据“商用密码管理条例”制定的WLAN安全标准WAPI(无线网络鉴别保密基础结构)，采用基于公共密钥密码体系的证书机制，动态密钥综合安全度高。而采用我国SMS4密码算法及ECDSA，ECDH密码算法的椭园曲线及参数，是我国商用密码在无线局域网及宽带无线网络安全领域的典型应用，创新地提出了R-A-S三元安全架构，赋予接入点以独立认证身份，解决了无线网络中“伪造网络，中间人攻击”等问题，保障了合法用户接入合法网络，相比Wi-Fi有明显安全技术优势。用户只需安装一张证书即可方便地在WLAN覆盖的不同地区实现漫游，可支持包括Windows98/2000/XP及Linux等多种操作系统，可满足运营商、企业及家庭等多种应用模式，能提供与现有计费技术兼容的服务。完善的安全认证也是实施身份识别、分类计费、路由策略和流量控制等优良运营用户管理的基础。这一安全标准符合我国国家标准与法规要求，同时该WAPI协议已由ISO/IEC授权的IEEE注册权威机构IEEE RA(Registration Authority)审查认可，并分配了用于该协议机制的以太型字段0x88b4等8大方面。这是我国在WLAN安全领域取得的自主创新成果，有重要国际影响与战略意义。这些成果有可能打破外国企业在这一市场的绝对垄断格局，从而引起了相应外国政府和企业、组织的强烈关注与严重不安。他们采用政府高层施压、Wi-Fi联盟反对、芯片禁运等各种手段抵制与阻挠实施，使WAPI标准受阻。

　　2004年4月29日，国家认监委和国家标准委联合发布2004年第44号公告，声明WAPI国家标准的强制性认证实施时间后延。此前，吴仪副总理已在2004年4月22日中美商务会议上与美方会谈后表示，中国同意在6月1日最后期限到来之时，不强制实施我国自主创新制定的WAPI技术标准，并与WLAN国际标准机构密切合作。究其原因，最主要的因素是一些国家在标榜与要求别国“技术中立”的同时，却充分利用自身技术垄断与贸易实力方面的优势，以贸易摩擦为由推行“技术标准政治化”，以维护其技术产品的市场垄断地位，其中芯片量产上的Wi-Fi，WiMAX等市场利益的策略考虑是其重要方面。

　　在自主创新其他新标准之际，我国WAPI标准受阻失利的经验教训确实值得反思。但应该指出，国内参与WAPI标准化工作的单位，在重压情况下仍再接再厉，团结合作，进一步将WAPI标准完善和务实推进，并推向新的共赢合作高度值得赞扬。国外一些有识之士已经指出，中国能够在标准大战中凭借其庞大的市场和迅猛增长来获胜，全球科技和电信公司需要对中国标准方案进行评估，并在适当时候与中国企业联手共同打造技术标准。制订标准的目的是要促使市场健康有效地发展，一个国家或一个组织的标准不可能无条件垄断全球，也谈不上可以在全球垄断创新，尤其当自身标准不完善之际，博采众长与集思广益才属上策。霸权式标准化准则绝对不合情理，所谓全球化标准想要占领甚至独占中国这块全球最有吸引力的市场，不树立切实的共赢合作思想是不会如愿以偿的，可能会吃大亏。期望长久依靠“贸易磨擦与技术政治化方式”维持技术产品垄断及单方面不平等受益，是肯定行不通的。

　　我国政府不遗余力地支持WAPI。2005年，财政部、发改委及当时的信息产业部联合下发了“关于印发无线局域网产品政府采购实施意见的通知”，表示在政府采购中将优先考虑符合国家标准的产品。国家密码管理构也表示将开放WAPI密码算法，这大大降低了国内外企业进入WAPI市场的门槛，推进WAPI产业联盟的工作。加紧芯片制造，借助政府采购快速推进相关需求、用户应用与进一步全面增强性能与改进信价比等，这些均是明智之举。

　　WAPI虽受诸多不确定因素影响，但坚持开放与务实发展的基本方针是完全正确的。在西电捷通、六合万通及华大电子等企业合作基础上，应积极快速地扩大国内外合作范围，特别是与有实力有名望的国际厂商紧密合作，在政府相关部门的积极协调支持下，尽快形成有实力的产业规模，及时适应市场的实际需求。在这方面已经出现了一些可喜的进展，例如西电捷通提供的基于WAPI标准的AirSec专业级无线局域网产品作为首批政府采购清单的推荐产品，已在国家金审工程、中国飞行试验研究院、中国人民解放军信息安全测评认证中心、中国科学院等诸多高要求行业的重点客户实现了两年以上性能稳定可靠的运行，满足了政府、金融、军事等行业对安全性方面的高标准实际需求。同时，西电捷通还以40余项发明专利为基础，在国内外首次推出了一种IP自适应网络系统产品AIPNTM，可使用局域网固定私有IP地址，随时随地接入局域网，可柔性延伸支持其连续业务运作，已在电力、政府机关、科研院所中实现了规模商用，并稳定安全地保障了用户关键业务的开展。2006年3月，WAPI产业联盟成立。截至2009年8月，WAPI联盟已有63家正式成员。

　　Wi-Fi安全性架构从1999WEP→2002WAP→2004 802.11i/WPA2逐的步改进，引进了128位高级加密标准AES，并通过预共享密钥PSK(个人模式下)和IEEE 802.1x/EP(企业模式下)提供双向鉴权，但漏洞事件在全球依然屡有发生。WAPI的使用至今未发现有安全技术漏洞，2008年北京奥运会中实现了成功服务，取得了“零故障、零投诉”的好成绩。WAPI产品目前已涉及办公设备(打印机、投影仪等)，手持设备(手机，PDA及相机等)，家电设备(DVD，电视机，冰箱，家庭网关等)以及国防军用等诸多方面上千种产品。Wi-Fi无线上网漏洞除可免费“蹭网”(所即一种盗窃他人带宽的网上行为，它利用自身计算设备连接相邻路由器设备，不经相应ISP正规线路上网，减免个人上网费用，甚至窃取他人私人信息、数据)外，还可轻松盗取邮箱用户名、密码和截获MSN聊天等信息，其安全攻击操作方法简单。在互联网强势传播环境下，这种Wi-Fi漏洞被广泛利用的情况难以避免，应予切实重视。而WAPI从技术上讲，其鉴别机制完善，实现了终端和网络的双向对等鉴别，使用数字证书(x.509)作为身份标识，采用集中密钥进行管理。此外，其构建与应用方便，扩展性好，除安全性比Wi-Fi好外，对运营商可提供更强大与方便的运营与管理能力。从用户体验而言，其“零干预、零配置”具优良的易用性，隨着WLAN在手机，PDA及消费电子等领域应用的扩展，WAPI的优越性将会更进一步体现。

　　2009年6月，工业和信息化部发布的新政策，即凡加装WAPI功能的手机可入网检测并获进网许可，是对推动WAPI产业发展与应用的巨大支持。有“高安全、可运营、可管理”优势的WAPI已为3大运营商广泛接受并推向市场商用化，成为我国当前建设低成本宽带无线网络的战略重点之一，并列入了2009年新发布的“电子技术产品调整和振兴规划”中，成为促进产业结构调整及拉动内需的自主创新标准之一。目前，许多TD，WCDMA及cdma2000新型手机或多模智能手机中均已内置WAPI功能(如华为8230 Andriod平台手机，联想O1 3G Ophone手机等)。

　　2009年6月，在日本召开的IEC/ISO JCT1/SC6会议上，WAPI获得了包括美、英、法等10余个与会国家成员体的一致同意，将以单独文本形式推进其为国际标准。如标准获得通过，WAPI将成为无线计算机网络通信和无线局域网技术领域中除IEEE标准组织外惟一的ISO/IEC国家成员体直接提交的国际标准提案。WAPI框架方法(TePA，三元对等鉴别)作为迄今为止我国在IEC/ISO信息安全技术领域第一个独立项目编辑的国际提案，其技术内容已得到各国代表广泛认可，已在ISO/IEC JTC1/SC27内进入最终委员会投票阶段，预计2010年初有望成为国际标准。[page]

　　4 频率规划及应用前景

　　4.1 频率规划

　　对新技术应用与产业发展而言，作为资源先行的频率规划尤为重要。在这方面，WLAN无论从全球及国家环境而言，比WiMAX情况要好。

　　(1)2400~2483.5GHz ISM频段

　　原信息产业部无线电管理局仔细研究与重新规划了2400~2483.5GHz ISM频段(83.5MHz带宽)，规定其主要作为无执照业务共用，诸如短距离/微功率蓝牙、室内WLAN及无绳电话和物流无线自动数据采集识别等共存运用。对已有SS业务，规定有条件应用至2004年。

　　(2)5725~5850MHz的5.8GHz ISM频段

　　对5725~5850MHz的5.8GHz ISM频段(125MHz带宽)，亦有SS业务在运行。在进行多种高效率TDD无线接入技术试验基础上，进一步参考国际上相应标准及设备的实际进展，研究确定了新的频率规划要求。

　　(3)5GHz频段W(R)LAN(455MHz带宽)全球频率规划

　　WRC-2003经激烈争论后正式确定了5GHz频段(5150~5250，5250~5350，5470~5725MHz，共计455MHz)的R(W)LAN频率划分规定。这为WLAN的各类应用，特别是高速率W(R)LAN的应用创造了极有利的资源条件。

　　4.2 WLAN的基本特征与运营模式

　　(1)WLAN基本特征

　　●较高的传输速率及较远的连接距离

　　与WPAN相比，即使不涉及UWB，WLAN采用OFDM/MIMO技术后，传速率可高达54Mbit/s，甚至可以与UWB相比美。对通信距离而言，最高可大于100m。因此，在速率与距离方面，WLAN的优势明显。

　　●较高频谱利用效率

　　采用OFDM技术，借助多状态调制处理的WLAN可取得较高的频谱利用效率。若进一步结合区域覆盖能力，综合评价其容量能力与频谱利用效率则可得结果如下：

　　蓝牙系统为3×104bit/(s﹒m2)，IEEE，802.11a系统为8.3×104bit/(s﹒m2)，UWB系统潜力更高，可望高达1×106bit/(s﹒m2)。

　　●较适宜高速Internet连接及高质量多媒体传输

　　这是能以较高速率传输的必然结果。

　　(2)基本运营模式

　　WLAN的高速率与可移动性亦使其近些年来成为比蓝牙作用距离更远的宽带多媒体传送与连接亮点，其主要应用模式亦可归纳为至少下述10种：

　　●公众WLAN应用模式

　　包括在办公室、咖啡屋、酒店、火车站、机场、会议中心，乃至超级市场与购物中心等。

　　●固定无线接入模式

　　可快速实施受布线阻碍的相近两建筑物间的快速布线，实施宽带无线连接。

　　●建筑物内无线网络模型

　　学校、公司、市政管理部门等信息网络设施均可借助WLAN来实现。

　　●移动环境接入模式

　　可供乘坐各种交通工具的人们进行必须的网络信息数据的高速存取连接。

　　●教育应用模式

　　使用WLAN可实现校园建筑群网络连接、宽带互联接入、灵活的教室配置，以及移动互联服务等。

　　●医疗应用模式

　　医院多建筑物内医疗诊断信息的快速交换与查询，建立移动护理中心等。

　　●制造物流支持模式

　　对制造与仓储方面，WLAN可用于有效的库存查询控制、快速的网络重构配置，以及移动库存车辆的网络信息访问等。

　　●零售服务信息网络模型

　　用WLAN实现快速现金收款、连锁店信息查询与库存控制，以及加油站、商店、餐厅等的便利查询等。

　　●家庭信息网络模型

　　可借助WLAN方便灵活地建立家庭多终端运行的宽带世界及与外部宽带信息的及时交流。

　　●移动/半移动办公及电子商务与无线城市模型

　　随着5GHz等有效频率资源及OFDM/MIMO等新技术支撑的实现，WLAN的带宽能力得到增强。与移动手机相比，它有较好的宽带环境与优良的视频图示条件和宽带连接能力，可实施固定、移动/半移动环境中的宽带多媒体高质量运行及与宽带移动手机通信。目前，中国电信及中国移动、中国联通均看好WLAN。

　　尽管Wi-Fi 802.11i安全性依然暴露出一些问题，但在全球范围内2009年Wi-Fi手机出货量预计可超过1个亿，2011年约可达3个亿。2009年出货的Wi-Fi芯片中，45%的芯片组将支持802.11n，至2012年预计达60%左右，因此带宽增强能力亦在快速跟上。中国3大运营商亦看好WLAN的互补增强能力。行动最积极者当属中国电信，截至2009年7月底，其3G网络已实施全国县级城市覆盖。3G覆盖提升后，中国电信南方各省及北方大部分省市高校校园WLAN覆盖与可用率己达近100%，3G+WLAN混合组网策略首先可望在校园实现。中国移动亦在加速布控3G+WLAN网络，其中TD+WLAN/WAPI可望成为一种有效的3G+WLAN的聚合自主创新模式，在TD无线城市等方面应用。

　　总而言之，由于加速创新与竞争的推动，WLAN带宽能力与安全性均有较好的改进，其频率资源支持环境亦较好，基本商业模式亦较清晰。因此，WLAN的发展前景较为光明。对我国自主创新的WAPI技术应积极鼓励与支持，应加速持续创新/聚合创新与共赢合作及产业链发展与国际化，为中国及全球WLAN的发展做出新贡献。