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展望未來的軍用無線局域網

來源:互聯網 責編:ldzldz 作者:趙志法 康 彌 時間:2007-10-13

[編者按] 關心無線局域網的讀者最近經歷了一日之內的冰火兩重天——2006年3月7日,中國無線局域網標準WAPI產業聯盟在北京正式成立;同一天,WAPI在國際標準化組織的投票中失利,敗給了采用802.11i標準的Wi-Fi。從技術層面講,這兩種標準是無法全面融合的。目前,WAPI在我國還沒有開始商用,國內無線局域網用戶使用的還大多是Wi-Fi產品,因此,我國自主知識產權的WAPI與英特爾主導的Wi-Fi的“標準”之爭將更趨白熱化。對于遠距離無線局域網,同樣處于競爭地位的,則是我國自主知識產權的McWILL與國外的WiMAX標準。
  《現代軍事》讀者更關心的其實是無線局域網的軍事應用,也就是固定式軍用網絡與移動平臺、戰場單兵相鏈接的“最后1英里”(Last mile)到底采用何種軍用無線局域網。下文對此進行了探討。
  計算機網絡是分散設置的計算機通過通信線路互聯構成的系統。如果這些計算機相隔不遠(比如在一幢大廈、一個校園或工廠內),這種網絡就稱為“局域網”(LAN)。由銅纜或光纜等連成的網絡稱為“有線局域網”,利用無線技術連成的網絡稱為“無線局域網”(Wireless LAN,WLAN)。無線聯網免去了布設電纜的麻煩,能快速地提供通信鏈路,隨時隨地收發電子郵件、瀏覽網頁,網上的計算機還可以在一定范圍內移動,因此這些年來發展很快。2005年底時,世界上新交貨的筆記本電腦當中,90%以上都具有無線上網功能。
  WAPI和Wi-Pi同屬于近距離無線局域網,典型通信距離為幾十米(遠于通信距離15米左右的“藍牙”技術):而McWILL與WiMAX則屬于遠距離無線局域網,典型通信距離為幾千米,達到了“城域網”(MAN)的水平。
  
  Wi-Fi:歐美無線局域網標準
  
  什么是Wi-Fi
  Wi-Fi是Wireless Fidelity(無線保真)的縮寫,它是歐美國家的無線局域網標準,也是國際電氣與電子工程師協會IEEE 802.11標準的別稱。Wi-Fi聯盟的前身是“無線以太網兼容性聯盟”,成立于1999年8月,在Wi-Fi的發展上一直擔當著主導角色。該聯盟的會員已超過200個,包括很多著名的無線產品生產廠商及無線服務供應商。Wi-Fi技術是一種近程無線網絡技術,支持設備在100米范圍內接入互聯網。今天,絕大多數的無線局域網設備支持該標準,確保了不同類型的設備能在一起工作。IEEE802.11標準有如下主要分支:
  從表1可見,標準802.11b及802.11g部使用2.4吉赫的公用頻譜,可以互相兼容;802.11a使用5吉赫的公用頻譜,與其他兩者不兼容。由于低成本的緣故,802.11b標準最為普及。雖然802.11a及802.11g的最高傳輸速度皆為54兆比特/秒,但由于前者使用的5吉赫頻譜干擾較少,所以實際傳輸速度較快。此外,由于802.11a比其他兩者提供更多的非重疊頻道,所以傳輸速度可以進一步提升。
  
  
  Vi-Fi的工作原理
  Wi-Fi網絡由裝有Wi-Fi功能模塊如無線網卡)的移動式計算機或Wi-Fi入機以及接入點(AP,也稱基站)組成。接入點通過無線或有線方式與移動系統及網絡通信,最終進入互聯網。每個接入點能發送和接收有限范圍(一般在20~50米)內的信號。接入點的覆蓋范圍是一個三維球形空間,類似于蜂窩移動電話但范圍小一些,在這個空間內能同時為許多移動設備服務。
  根據用戶的不同,無線局域網分為兩類:①供個人及公司內部人員使用的私人無線局域網。用戶無需先在墻壁上鉆孔、把纜線接入各個房間:只要安裝若干個無線接入點、使用內置無線模塊的計算機,就可以在家中或辦公室內無線上網。②供大眾使用的公用無線局域網站點,即“熱點”。一些公共場所如機場、超市、咖啡店內,也設置了與互聯網相連的無線局域網站點供客戶使用。
  
  Wi-Fi的技術特點
  有了Wi-Fi技術,人們再也不用穿墻鑿壁地布設電話線或網線,只需安裝無線接入點、在筆記本電腦上插入無線網卡,就可以組成一個無線局域網。被稱作“熱點”的無線通信連接站,已經在美國等地的公共場所設立,用戶只要隨身攜帶具有無線上網功能的筆記本電腦或個人數字助理,就可以隨心所欲地網上沖浪。這些優越性源于Wi-Fi的如下特點:
  (1)移動性強。Wi-Fi設備可以在接入點覆蓋范圍內自由移動而不失去與網絡的連接。符合802.11b標準的無線網絡的覆蓋范圍約100米,而且有增加的趨勢。近期美國一家公司推出的新型交換機,能把Wi-Fi無線網絡的通信距離擴大到約6.5千米。預計將來有可能像移動電話一樣,將聯網范圍覆蓋整個城市。
  (2)安裝簡便。采用Wi-Fi技術無需布設線纜,大大簡化了網絡安裝工作,可以在難以(或根本無法)接入線纜的地方實現上網,也可以方便地隨辦公環境的變化而對其重新布置。
  (3)傳輸速度快。Wi-Fi技術的基本傳輸速率為11兆比特/秒,是“非對稱數字用戶環路”(ADSL,一種通過普通電話線提供的寬帶數據業務)速率的1.2倍,是第三代移動通訊網絡(3G,一種寬頻無線通訊業務)傳輸速度的8倍,能夠滿足個人和社會信息化的大部分需求。而且隨著技術的發展,傳輸速度還將大大提高。
  (4)運行成本低。無線局域網在人們的印象中是價格昂貴的。但實際上,盡管搭建無線局域網的投資要比有線局域網高30%左右,但后期維護方便,運行成本只有有線網絡的50%左右。如果考慮到無線局域網可以在其他方面降低成本,組建無線網絡的整體價格還會更低一些。
  Wi-Fi的主要問題是安全性較差。由于無線網絡是利用無線電波傳輸信息的,因此信息被截取的可能性相對較高。因此最令用戶擔憂的并不是效能和成本問題,而是網絡安全方面的考慮。Wi-Fi主要利用“有線等效保密”(WEP)技術,其安全性一直備受質疑。雖然支持新一代“Wi-Fi保護接人”(WPA)加密方式的產品相繼出現、在安全性上有所進步,但無線安全性在短期內仍然是一個相當棘手的問題。
  
  Wi-Fi的發展趨勢
  Wi-Fi技術在歐美國家得到了快速發展。2005年,Wi—Fi芯片組的全球交貨量達1.25億套,預計2009年將達到4億套。據說2005年底時,世界各地的無線熱點已達到10萬個以上,其中有1萬個在中國。美國已有幾十城市已經或計劃部署Wi-Fi系統。應用于筆記本電腦的無線協議已經相當全面,所有的一線廠商都有全新的搭載無線網卡的筆記本電腦發布。IBM、DELL公司準備把Wi—Fi作為筆記本電腦的標準配置,有可供
選擇的無線網卡。支持服務質量和安全標準的Wi—Fi電話也將面市。
  專家預測,Wi—Fi的發展將出現網絡配置智能化、網絡結構標準化、位置感知精確化和網絡漫游廣泛化四大趨勢。在今明兩年中,具有自身管理網絡、跟蹤用戶位置、與3G網絡無縫隙整合等特性的802.11硬件將會問世——這是最值得關注的技術創新。改進網絡性能的最大創新,是網絡管理、無線鏈路及網絡基礎設施方面涌現的新技術。智能程度更高的無線接入點設備將大大簡化用戶的配置過程,但接入點之間的漫游以及從Wi-Fi到3G網絡的漫游還需要一段時間。
  在軟件方面,Wi—Fi網絡標準已經發展到802,11v。雖然用于區分業務優先級和提供帶寬的802.11e標準尚未正式批準,但已得到大多數Wi—Fi產品的支持。Wi-Fi的物理位置跟蹤與虛擬定位數據庫整合,使人們可以通過最合適的通信方法、在任何時間傳遞任何信息。此外,Wi-Fi將繼續向更高的數據傳輸速度邁進,但支持百兆級速率的802.11n標準產品可能要到2007年才會推向市場。
  
  WAPI:中國無線局域網標準
  
  WAPI是中國的無線局域網標準,是“無線局域網認證與保密基礎結構”(WLAN Authentication and Privacy Infrastructure)的縮寫。我國在2003年5月份就提出了無線局域網國家標準GB15629.11,這是目前我國在這一領域惟一獲得批準的標準,其中包含了WAPI安全機制。WAPI的應用模式與Wi—Pi類似,也分為單點式和集中式兩種。單點式主要用于家庭和小公司等小范圍:集中式主要用于熱點地區和大型企業,可以和運營商的管理系統結合起來,共同塔建安全的無線應用平臺。WAPI的工作原理和技術特點與Wi—Fi大同小異,在這里就不再詳細討論了。
  WAPI與Wi—Fi的最大競爭點就在安全性能上。中國WAPI標準原則上采用了Wi—Fi聯盟的802.11國際標準,并對現行國際標準中的安全缺陷用自主創新的關鍵技術進行了修正,用加密算法為每個無線局域網接入者建立一個公鑰證書,就像公民持有的身份證一樣,可以確定每個用戶的身份。業內人士稱,WAPI有著比目前“有線等效保密”、802.1X、“Wi-Fi保護接入”等安全協議更高的安全性。
  2006年1月5日,國家財政部、發改委、信息產業部聯合頒布了《無線局域網產品政府采購實施意見》。其中規定,“各級國家機關、事業單位和團體組織用財政性資金采購無線局域網相關產品的,應當優先采購符合國家無線局域網安全標準(GB 15629.11/1102)并通過國家產品認證的產品和含有無線局域網功能的計算機、通信設備、打印機、復印機、投影儀等產品。其中,國家有特殊信息安全要求的項目必須采購認證產品。”這意味著,在政府采購范圍內,WAPI將開始廣泛應用。2006年1月9日,國家密碼管理局宣布將向社會公布WAPI的加密算法。
  為了保障無線局域網安全、保護知識產權、進一步發展無線局域網產業,我國于2006年3月7日成立了WAPI產業聯盟,結束了WAPI“有標準、無產業鏈”的歷史。該聯盟得到了國家發改委、信息產業部及科技部三大部委的支持,宗旨是繼續推進WAPI標準的產業化進程,此舉標志著政府主管部門已經定下了支持WAPI的決心。22家企業成為WAPI產業聯盟的成員,其中包括移動、電信、網通及聯通四大無線通信運營商,以及捷通、明華澳漢、方正、聯想、華為、華大電子、六合萬通等無線產品生產廠商。
  
  WiMAX:國外的寬帶無線接入技術
  
  許多讀者已經知道被稱為“微波接入全球互通”(Worldwide Interoperability for Microwave Access)的WiMAX無線接入技術。WiMAX產生于2004年,術語“WiMAX”是由被稱為WiMAX論壇的工業集團創立的。WiMAX采用IEEE 802.16標準,工作在10~66吉赫的微波頻段,甚至擴展到10吉赫以下。其中,得到許可的2.5和3.5吉赫波段最常用,而未得到許可的2.5~5吉赫波段政府用得很多。
  WiMAX與Wi-Fi的適用范圍不同。Wi-Fi廣泛用于移動設備,最大工作距離為百米,而WiMAX的最大工作距離達50千米,因此也被稱為“無線城域網”。WiMAX原來是用來將固定設備連接到互聯網的高速無線系統,能遠距離工作的一個原因是它能以較高的功率電平發射信號。WiMAX的傳輸速率為75兆比特/秒,可以與數字用戶線、電纜調制解調器以及光纜系統共同承擔快速互聯網業務。WiMAX集團新近開始了IEEE 802.16e移動標準版本的工作。這種移動WiMAX像Wi-Fi一樣,也是為膝上型計算機和其他移動設備提供服務的,但它將具有更遠的通信距離,最遠可達幾千米。現在還沒有已經被廣泛認同的WiMAX標準,這種技術是否能在市場中立足仍然沒有“板上釘釘”。
  WiMAX與Wi—Fi相比,頻段的適應面更廣、伸縮性更強、服務質量和安全性能更優,WiMAX與3G相比,單鏈路的數據傳輸速率、頻譜效率占優,相當于3G增強技術。由于具有更高的功率和更遠的距離,WiMAX很可能與三代蜂窩業務首先在城市地區、然后在其他地區競爭移動互聯網業務。WiMAX和3G都將以比Wi-Fi更高的功率電平運行,比Wi—Fi覆蓋更大的范圍,使用與Wi-Fi不同的接人方案。
  Wi-Pi、WiMAX和3G三個系統分別適應不同的應用市場,因此有可能共同存在、分別安裝在各自的適當位置,相互補充、促進,提供完整的寬帶無線接入服務。將來,膝上型計算機和個人數字助理(PDA)能在多個無線網絡工作,在家庭和辦公室環境可與Wi-Fi連接,但在其他地方就使用WiMAX和3G。因此,Wi-Fi/WiMAX或者Wi-Fi/3G組合可以共同放置在某些站點上,使得計算機能夠鏈接所有這三個網絡。
  
  MCWILL:中國的寬帶無線接入技術
  
  McWILL是“多載波無線信息局域環路”(Multi-carrier Wireless Informa-tion Local Loop)的英文縮寫。McWiLL是中國擁有完整自主知識產權的寬帶無線接入系統,是“同步碼分多址”(SCDMA,俗稱“大靈通”)系統的演進版本。McWiLL系統是一種宏蜂窩網絡,最大覆蓋半徑可達19千米,城區單基站典型覆蓋半徑可達1~3千米,可以實現真正意義上的非視距(NLOS)傳輸,并同時實現室外和室內環境的良好覆蓋。McWiLL支持同頻組網,具有覆
蓋范圍廣、容量大、帶寬高、并發用戶量大等優點。也許McWiLL最有吸引力的特點是“移動中通信”(簡稱“動中通”)能力,它支持移動速度120千米/小時的平臺進行通信,支持漫游和快速切換。
  我國研制的McWiLLR5系統是一種基于IP分組協議的全移動寬帶無線接入系統,可以融合接入寬帶數據和窄帶語音,同時接入無線互聯網和無線市話,實現語音、短信、數據、音頻、視頻的融合通信。主要核心技術包括智能天線、同步碼分多址、軟件無線電、聯合檢測、多載波傳輸、自適應調制、動態信道分配、空間零陷等。McWiLL與WiMAX相比具有競爭優勢,產品商用化進程領先2~3年。McWiLL比3G數據速率高、單位流量成本低,支持中低速移動。與其他系統相比,McWiLL同時具有移動性和高數據速率,覆蓋范圍大。
  McWiLL構建“移動互聯網”,可用于突發事件的應急通信;用于黨政、警務、交通調度、高端商務、中小企業等專網,用于校園、醫院、商場、機場、會展中心等熱點場所:也可以在偏遠的農村服務于“村通”工程。McWiLL在軍事上的應用價值是不言而喻的。
  McWiLL系統已在全球擁有30多個商用和實驗網。如重慶移動商用業務網,非視距覆蓋半徑1—3千米,綦江城區單基站覆蓋面積50千米2,重慶市商業區三基站覆蓋面積20千米2。McWiLL系統在廣東網通實驗網進行了嚴格的覆蓋、系統容量、固定話音和傳真業務等測試,取得了滿意的測試結果。
  
  無線局域網在外軍的應用
  
  Wi-Fi軍用無線局域網
  (1)駐伊美軍使用了Wi-Fi
  早在2002年4月,美軍就已經在伊拉克戰爭中使用Wi-Fi網絡。有意思的是,應用它最積極的,是美軍士兵與家人之間的電子郵件往來。Wi-Fi成為了遠離家鄉的士兵與他們家人保持日常通信、與大干世界聯系的重要手段,電子郵件則是鴻雁傳書的主要工具。據說,是巴格達附近駐軍的弗蘭克·岡薩雷斯軍土首先找到了符合IEEE 802.11b標準的Wi—Fi設備并安裝到帳篷,通過它登錄互聯網,得到了“奇跡般的”幫助。
  在伊拉克運行的許多Wi—Fi設備是由Fortress技術公司提供的,包括增強802.11b安全性的硬件和軟件。美國陸軍允許使用有安全保障的無線設備,作為軍用戰斗勤務支援自動化信息系統的組成部分,用以支持軍事行動。2002年,美國陸軍與Fortress公司簽訂合同,由后者提供安全客戶機軟件、無線安全網關硬件以及無線膝上型計算機的安全軟件。這種網關和軟件能防護90000個用戶和11000個接入點,數據由網關加密后傳給Ciso公司的標準接人點和路由器。
  值得一提的是,有關網站報道,駐伊美軍正借助有Wi—Fi功能的膝上型計算機,用無線控制方式清除雷區。
  (2)美國陸軍部重視Wi-Fi
  美國陸軍在改造基地和營地的計算機網絡時,越來越重視采用無線網絡,以增強終端用戶設備利用率、降低投資費用。2005年4月,總部設在佐治亞州蓋恩斯維爾市的全點后勤公司系統集成商,獲得了一個建設國防部信息技術安全認證中心的“蒙茅斯堡計劃”的合同,為之提供無線網絡安全運行的解決方案。在此之前,美陸軍沒有任何Wi—Fi網絡。
  “蒙茅斯堡計劃”采用5家廠商的設備:AirDefense公司的入侵檢測和防護設備、Fortress技術公司的加密設備、Pointsee移動技術公司的雙因素認證和數據靜態加密設備、Senforce公司的防火墻以及Foundry網絡公司的無線接入
  (3)美國防部的Wi-Fi政策
  2004年4月14日,美國國防部頒發了“在全球信息網格中使用商用無線設備、業務和技術”的8100.2號命令。該政策規定:未經國防部批準,軍隊和軍工部門不得使用無線設備存儲、處理和傳送保密信息。無線設備包括:與互聯網或內聯網通信的筆記本電腦、個人數字助理、蜂窩/個人通信系統、便攜電子設備、音頻和視頻記錄設備、文電收發和掃描裝置以及遙控傳感器等。Wi-Fi政策由首席信息官和國防部網絡與信息一體化辦公室管理、監督,將其應用和管理統管起來。
  2006年2月28日的最新消息,美國防部正在為使用和防護無線設備制定新政策,以提高無線系統的互操作性、增強無線系統的安全性。
  
  WiMAX軍用無線局域網
  對于美軍構建軍用無線局域網的目標,IEEE 802.16標準的WiMAX可能更具誘惑力。美國國防部的目標是,利用WiMAX構建“時時在線、時時聯接”的高帶寬多媒體通信干線,使之成為美軍“全球信息柵格”(GIG)擴展到移動平臺的“最后1英里”。
  美軍專家認為,WiMAX無線局域網可以與許多未來系統互操作,把“辛嘎斯”(SINCGARS)無線系統、增強型定位無線電系統(EPLARS)、Link 11數據鏈等系統,與“聯合戰術無線電系統”(JTRS)、“戰術級指戰員信息網”(WIN-T)以及“移動用戶目標系統”(MUOS,一種下一代窄帶戰術衛星通信系統)聯接起來,可以通過從通信衛星“回傳”(reach-back)等方式,構成點對點直接通信。
  一個符合802.16標準的WiMAX網可以在IP協議的支持下,服務1000個以上用戶,傳輸速率可達74兆比特/秒:還可以與美國國防部現在用于辦公的、802.11標準的Wi-Fi無線局域網兼容。它可以構成用于緊急通信、指揮的內部互聯網(Intra—Net)以及城市作戰網絡:實時傳輸中小型無人機獲取的圖像,為地面的士兵提供戰場態勢。采用新的802.16e標準的野戰微型相控陣天線和智能天線,能夠與“聯合戰術無線電系統”等未來系統相聯,使分散部署的戰術小分隊、無人機、車輛、甚至單兵,都可以進入自組網網絡。
  WiMAX近期的一個重要發展趨勢,是做成“系統芯片”(System-on-a-Chip),推向商品化的市場。在軍用“系統芯片”中,一些是商用成品,采用與軍標不同的商用標準,有些是從商用成品改進而來的,比原來設計得更好。商用802.16標準適用于一些軍事環境,但不是全部,因為“軍用物理層”(Military PHY)所用的頻段不同于商用WiMAX。
  總之,WiMAX可以構成多路徑、多通道、多媒體的網絡,比現有的通信系統更快、更好、更可靠,同時更“皮實”、更安全、更好管理。因此,商品化的WiMAX作為“全球信息柵格”的骨干,對于國防部互聯網與移動平臺的聯接至關重要。目前,美國空軍研究實驗室、通信電子研究發展與工程司令部、太空與海軍戰斗系統司令部都在努力開發WiMAX的軍事應用。在海軍研究學院還進行過政府級別的研究與試驗。

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