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1、目录,Wi-Fi主要技术原理,Wi-Fi概念 Wi-Fi是WLAN（无线局域网，Wireless Local Area Network）目前最主流的一种技术，基于IEEE 802.11 系列协议。 Wi-Fi的原意是一种认证标志，通过认证的设备保证能按照802.11协议相互兼容。全球的认证机构是Wi-Fi联盟（WFA），其前身是WECA（无线以太网兼容性联盟，Wireless Ethernet Compatibility Alliance）。 Wi-Fi基本工作原理 半双工时分系统：同一区域、同一频点 / 信道、同一时间只有一个设备能发送报文 工作模式：主要采用DCF（分布式协调，Distri
2、buted Coordination Function），即通过CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免，Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）技术来实现信道共享。 类似于以太网802.3协议中的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），由于Wi-Fi是半双工的，所以进行了调整。 CSMA/CD能检测冲突，但不能“避免”； CSMA/CA在发送是不能检测冲突，只能尽量“避免” 环境中的Wi-Fi设备 / 终端
3、多了，整体的传输效率就会急速降低，所有时间都被用来传信令报，无法进行正常的数据通信。因此，能搜索到的Wi-Fi信号越多，Wi-Fi环境就越差。尽管不可能控制终端数量，但至少应该尽量少部署Wi-Fi设备，降低功率（减小其影响范围），尽量不要发布过多的SSID！,Wi-Fi主要技术参数频段（1）,频段：两个主要频段2.4GHz，5GHz频段 2.4GHz 中国开放了13个信道（ 2.4022.483 GHz），但北美只开放11个信道，所以建议只使用111信道 适用协议：802.11b / g / n，其中802.11n支持双频工作 2.4GHz是ISM频段（工业/科学/医学用频段，Industri
4、al Scientific and Medical Band）中的一段，各国都开放，因此许多无线技术都采用该频段（主要有：微波炉、蓝牙和ZigBee、Wi-Fi、车库门控制器、无绳电话、无线鼠标、一些无线家用设备） 2.4GHz频段上存在许多非Wi-Fi的干扰源 子信道划分间隔是5MHz，Wi-Fi的工作频宽是22MHz，所以相邻信道的Wi-Fi信号之间有干扰，必须至少间隔5个子信道才相互无干扰,Wi-Fi主要技术参数频段（2）,频段：两个主要频段2.4GHz，5GHz频段（续1） 5GHz：中国开放了5.8GHz和5.1GHz两个频段 5.8GHz（5.7255.850GHz）频段：含5个互
5、不干扰的子信道（149，153，157，161，165），也属于ISM频段 5.1GHz（5.1505.350GHz）频段：含8个互不干扰的子信道（36，40，44，48，52，56，60，64） 适用协议：802.11a / n / ac，其中802.11n支持双频工作,上图是美国5GHz频段的信道划分；中间的频段，中国尚未开放。,Wi-Fi主要技术参数频段（3）,频段：两个主要频段2.4GHz，5GHz频段（续2） 2.4GHz和5GHz频段 无线信号衰减公式：Los=32.4+20lg(F)+20lg(R) 其中：Los(dB)是衰减，F(MHz)是频率，R(km)是距离 所以：2.4G
6、Hz的衰减慢，穿墙性能好；5GHz的衰减快，穿墙性能差 最早的802.11a / b，分别工作在5GHz和2.4GHz，但考虑到覆盖能力，之后主要在2.4GHz频段发展。直到802.11n开始追求高速率，才又转向5GHz发展。 穿墙性能好，意味着覆盖范围大，但同时也意味着接受干扰源的范围大 其它频段 60GHz：802.11ad（WiGig），最高可达7Gbps，覆盖距离只有几米，一般用于邻近设备间的超高速传输 470710MHz：802.11af（White-Fi / 超级Wi-Fi），使用“在电视频率之间使用频率较低的白色空间”即为电视频道保留的缓冲频段，占用空间带宽与现有的广电频道带宽一
7、致，速率可达426.7Mbps（6/7MHz）和568.9Mbps（8MHz）（采用MIMO+STBC技术，4空间流与4广电频道），覆盖距离可达1.6公里，缺点是需要广电放开该频段 900MHz：802.11ah（Wi-Fi HaLow / Sensor-Fi），使用900MHz（非电视空白频段），速率为100kbps，覆盖距离为1公里，低功耗，用于WSN（无线传感器网络，Wireless Sensor Networks）和IoT（物联网，Internet of Things）,Wi-Fi主要技术参数速率（1）,关联速率和实际吞吐量 以下描述的都是Wi-Fi的关联速率 在实际传输时，由于有Be
8、acon帧（信标）类的短报文、传输延迟、竞争避让等因素，最大的有效吞吐量只有关联速率的50%！ 2、3个设备以最大关联速率发送数据时，整个无线网络利用率最高；设备数量再增加，无线网络总体的吞吐量会急速下降！ 802.11：只有1、2Mbps两种速率 采用FHSS（跳频扩频，Frequency Hopping Spread Spectrum）和DSSS（直接序列扩频，Direct Sequence Spread Spectrum）技术，发送频率为1MSps，即每秒发送1M个 Symbol（符号） Symbol为11bit的Barker码 采用BPSK（二进制相移键控，Binary Phase S
9、hift Keying）编码方式，此时每个Symbol代表1bit，速率为1Mbps 采用QPSK（正交相移键控，Quadrature Phase Shift Keying）编码方式，此时，每个Symbol代表2bit，速率为2Mbps 802.11b：共4种速率，增加5.5、11Mbps两种速率，向下兼容802.11 采用HR-DSSS（高速直接序列扩频，High Rate Direct Sequence Spread Spectrum），发送频率提高到1.375MSps Symbol为8bit的CCK（补码键控，Complementary Code Keying）码 采用4序列时，加上四种
10、相位调制，每个Symbol代表4bit，速率为5.5Mbps 采用64序列时，加上四种相位调制，每个Symbol代表8bit，速率为11Mbps,Wi-Fi主要技术参数速率（2）,802.11a/g：支持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps八种速率；802.11g向下兼容802.11b，共12种速率。 采用OFDM（正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术,总频宽20MHz 划分成64个子载波 前6个、后5个作为保护 中间1个DC不工作 实际工作有52个子载波，其中4个用作导频（PS，Pilot Signal），48
11、个传数据 工作周期为4s 120MHz=0.05s 0.0564=3.2s 3.2+0.8=4s，其中0.8s为循环前缀（CP，Cyclic Prefix），用于保护，称为GI（保护间隔，Guard Interval）,Wi-Fi主要技术参数速率（3）,Wi-Fi主要技术参数速率（4）,802.11n引入了更多的无线参数 双频工作，在2.4GHz和5GHz采用相同的参数 用MCS（调制和编码策略，Modulation and Coding Scheme）值标识一组参数集 引入信道绑定技术，频宽可从20MHz扩展到40MHz（详见后） 子载波数：20MHz有52个子载波，40MHz有108个子载
12、波 编码效率：最高支持5/6 引入MIMO技术，可用多空间流（spatial streams）同时传输数据（详见后） 引入短保护间隔（Short GI），从标准的0.8s缩短为0.4s，工作周期为3.6s 无线传输存在多径效应，即通过不同途径的传输时延不同 为防止前后两个Symbol间产生干扰，需要通过GI进行保护 多径效应明显时不建议使用Short GI 由设备和终端协商，不用设定 计算示例（以450Mbps为例）：（6bit 5/6 1083.6s）3=450Mbps,802.11n关联速率表,Wi-Fi主要技术参数速率（5）,802.11ac进一步扩展 调制方式：增加256-QAM 信道
13、绑定：频宽为20MHz、40MHz、80MHz、80+80MHz（非连续信道绑定）、160MHz（详见后） 子载波数：20MHz有52个，40MHz有108个，80MHz有234个，160MHz和80+80MHz都有468=2342个 MIMO：空间流数量可达8条（详见后） 计算示例（以1.3Gbps为例）：（8bit 5/62343.6s）3=1300Mbps 小结 关联速率由设备与终端自动协商得到，与支持能力和无线环境确定 评价指标主要是支持的频段，以及各频段支持的空间流数量 可在设备侧配置的与速率相关的参数：频宽 主要提速手段：增加频宽和空间流数量 调制方式目前最高能达到1024-QAM
14、（10bit），编码效率最高能达到5/6，提升空间已经很小（802.11ac的MCS9和802.11n相对MCS7仅提升1/3）,802.11ac关联速率表（到4条空间流）,Wi-Fi主要技术参数频宽,信道绑定（Channel Bonding） 802.11n开始引入，指成倍提升频宽，在实际操作中即同时占用相邻信道 802.11n支持20MHz和40MHz两种频宽 2.4GHz只有3个（互不干扰的）信道，只支持40MHz（有时写成HT40，High Throughput），所以802.11n最高只支持40MHz 实际操作中，2.4GHz频段的干扰已经十分严重，强烈建议设置只启用20MHz，不启
15、用信道绑定功能 5.8GHz有5个信道，支持2个40MHz；5.1GHz有8个信道，支持4个40MHz 40MHz分主信道和副信道，显示为1+5，11-7，149+153,802.11ac支持更高的80MHz和160MHz频宽 5.8GHz有5个信道，支持1个80MHz，不支持160MHz 新开放的5.1GHz有8个信道，支持1个160MHz或2个80MHz 同样区分主、副40MHz信道 有些5GHz不能提供连续的160MHz，所以有80+80MHz（非连续信道绑定）模式，但实际使用比160MHz复杂得多，效率也低,Wi-Fi主要技术参数空间流数量,MIMO（多入多出，Multiple-Inp
16、ut Multiple-Output） MIMO采用空间复用技术，将数据分割成多个平行的数据子流并同过多副天线同步传输；为了避免被切割的信号不一致，在接收端也采用多个天线同时接收，根据时间差的因素将分开的各信号重新组合，还原出原本的数据。传输效率与数据子流（空间流）数量成正比。 与天线分集技术不同：天线分集技术是通过多副天线传输相同数据，在接收端接收后加以组合，通过分集增益抗信道衰落。 802.11n协议最多支持4条空间流；802.11ac协议最多支持8条空间流 实际上，为了避免不同空间流之间的相互干扰，设备复杂度与空间流的数量成级数增长 市场上的802.11n设备最多支持3条空间流，802.11ac wave2的设备有支持4条空间流的 市场上的大部分终端只支持1条空间流，高端的笔记本内置无线网卡能支持2条空间流，只有MAC设备和高端外置无线网卡支持3条空间流 802.11ac wave2最大的特点是支持MU-MIMO（多用户多入多出，Multi-User Multiple-Input
