WIFI原理，WIFI6各代介绍 2020-11-23

 

Wi-Fi（发音： /ˈwaɪfaɪ/[1][2][3]，“wireless fidelity”的缩写），又称“无线热点”或“无线网络”，是Wi-Fi联盟的商标，一个基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。“Wi-Fi”常被写成“WiFi”或“Wifi”，但是这些写法并没有被Wi-Fi联盟认可。

Wi-Fi产品经由Wi-Fi联盟的一家独立授权测试实验室进行严格测试，产品成功通过测试后，授予制造商或销售商使用Wi-Fi标志、Wi-Fi CERTIFIED标志和相关商标，Wi-Fi联盟使用术语“Wi-Fi CERTIFIED”来称呼这类通过认证的产品。认证（Certification）意味着产品与在相同频段内运行的其他Wi-Fi CERTIFIED设备具有互操作性。 [4]

 

目录

• 1由来
• 2历史
• 3世代
  • 3.1与IEEE 802.11区别
• 4用途
  • 4.1网络连接
  • 4.2城市Wi-Fi覆盖
  • 4.3校园Wi-Fi覆盖
  • 4.4电脑对电脑直接通信
• 5优势和挑战
  • 5.1商业优势
  • 5.2限制
  • 5.3传递的距离
• 6技术简述
  • 6.1网络成员和结构
• 7运作原理
• 8读音争议
• 9参考文献
• 10参见

由来[编辑]

Wi-Fi这个术语经常被误以为是指无线保真（Wireless Fidelity）[5]，类似历史悠久的音频设备分类：长期高保真（1930年开始采用）或Hi-Fi（1950年开始采用）。即便是Wi-Fi联盟本身也经常在新闻稿和文件中使用“Wireless Fidelity”这个词，Wi-Fi还出现在ITAA的一个论文中。事实上，Wi-Fi一词是没有任何意义，也没有全写的。[5]

1999年，几家富有远见的公司联合起来组成了一个全球性非营利性协会——无线以太网兼容性联盟（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA），其目标是使用一种新的无线网络技术，无论品牌如何，都能带来最佳的用户体验。在2000年，该小组采用术语“Wi-Fi”作为其技术工作的专有名称，并宣布了正式名称：Wi-Fi Alliance。 [6]

历史[编辑]

1971年

• 夏威夷大学创建了无线分组数据网络ALOHAnet，该网络以UHF（超高频）无线电波运行。 [7] [8] [9]

1985年

• 联邦通信委员会（FCC）开放了无线频谱的ISM（工业，科学和医学）频段，开放的频段包括：915 MHz，2.4GHz和5.8GHz。 [7] [8] [10]

1988年

• NCR开始基于直接序列扩频的WLAN产品开发。 [8]

1990年

• 成立IEEE 802.11工作组。 [8]
• NCR发布915 MHz的WaveLAN，提供2 Mbps速率。 [8] [10]

1991年

• WLAN标准要求在IEEE 802.11工作组中达成一致。 [8]
• 欧洲研究委员会（ERC）将2.4 GHz ISM频段分配给WLAN使用。 [8]

1993年

• AT＆T发布2.4 GHz的WaveLAN，提供2 Mbps速率。 [8]
• IEEE 802.11从NCR，Symbol Technologies和Xircom的提案中选择了MAC协议的基础。 [8]
• AT＆T在卡内基梅隆大学完成了WaveLAN的首次大规模安装。 [10] [11]

1994年

• 由国家科学基金会资助，卡内基梅隆大学的Alex Hills博士于1993年构思的无线研究计划“Wireless Andrew”开始实施，最初覆盖了校园内的7座建筑物, 后来扩展到了校园中所有的学术和行政大楼。 [10] [11]

1995年

• Wayport首次部署“热点（hotspots）”。 [8]

1997年

• IEEE 802.11标准的第一个版本IEEE 802.11-1997发布，提供最高2 Mbps的链接速度。 [9] [10] [12]

1999年

• 六家技术公司成立了无线以太网兼容性联盟（WECA），致力于通用兼容性和优质用户体验。 [7] [9] [12] [13]

1999年-2000年

• IEEE 802.11的第一个修订版IEEE 802.11-1999于1999年8月10日发布，并成为ISO标准ISO/IEC 8802–11:1999。[8]两个修正案IEEE 802.11a-1999于1999年12月30日正式发布，IEEE 802.11b-1999于2000年1月20日发布。[14]802.11b在2.4GHz频段上提供最高11 Mbps的链接速度，获取了市场成功。802.11a将正交频分复用（OFDM）引入802.11，使用5GHz频段提供最高54 Mbps的速率，但由于工作频段不同，新设备想要利用802.11a提供的高速率又要与庞大的802.11b设备基础保持向后兼容性会增加成本，且在1999年-2000年期间，美国非军事使用的5 GHz频段仅限于部分信道，故而802.11a未能流行开来。 [9] [12]

2000年

• 无线以太网兼容性联盟（WECA）更名Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance，缩写WFA），并引入术语“Wi-Fi”。第一款Wi-Fi CERTIFIED产品发布。 [7] [13]

2003年

• IEEE 802.11g-2003修正案发布，将正交频分复用（OFDM）应用到2.4GHz频段上，提供最高54 Mbps的速率，并与802.11b保持向后兼容性和互操作性，802.11g在市场上获取了成功。Broadcom在IEEE 802.11g修正案发布之前发布了基于802.11g标准草案的芯片，为后来行业参与者基于标准草案抢先发布产品进入市场的行为开创了先例。 [7] [12]
• 世界无线电大会在5GHz频段为无线接入系统分配了额外的455 MHz频谱。 [7] [8]
• 为应对Wi-Fi网络暴露出来的安全性问题，Wi-Fi联盟基于IEEE 802.11i标准草案推出Wi-Fi Protected Access（WPA）认证作为过渡。 [12] [15]

2004年

• IEEE 802.11i-2004修正案发布，Wi-Fi联盟开启Wi-Fi CERTIFIED WPA2认证以增强Wi-Fi安全性。 [12] [13] [15]
• Wi-Fi联盟基于IEEE 802.11e标准草案推出Wi-Fi CERTIFIED WMM认证，在Wi‑Fi网络中增加了服务质量（QoS）功能。 [12] [16]

2005年

• IEEE 802.11e-2005修正案发布，为802.11带了服务质量（QoS）增强功能，Wi-Fi联盟推出Wi-Fi CERTIFIED WMM-Power Save认证，用以改善移动设备的电池寿命并提高通过Wi-Fi网络传输语音调用的效率。 [12] [16]
• “Wi-Fi”被韦氏大学词典（Merriam-Webster's Collegiate Dictionary）收录。 [9] [13]

2007年

• 鉴于2005年至2006年期间市场参与者抢先推出所谓“pre-n”或“draft-n”产品，IEEE采取非常规措施将2007年初形成的IEEE 802.11n草案D2.0公开发布，Wi-Fi联盟基于草案D2.0在2007年6月开启Wi-Fi CERTIFIED 802.11n draft 2.0认证计划，以确保在802.11n标准获批之前发布的产品具有互操作性。 [7] [12] [13] [17] [18]

2009年

• IEEE 802.11n-2009修正案发布，为802.11引入MIMO技术，该技术允许更多的天线创建更多的数据流，最大传输速率可达600 Mbps。 Wi-Fi联盟开启Wi-Fi CERTIFIED n认证计划，更新了Wi-Fi CERTIFIED n标志，以Wi-Fi CERTIFIED标志左边字母的变化表明与802.11 a/b/g产品的向后兼容性。 [9] [12] [13] [18] [19]

2013年

• Wi-Fi CERTIFIED ac认证打破了千兆速率屏障。 [9] [13]

2018年

• Wi-Fi联盟引入Wi-Fi 6，Wi-Fi 5和Wi-Fi 4行业命名。 WPA3继续Wi-Fi安全演进。 [13] [15]

2019年

• Wi-Fi CERTIFIED 6开创了Wi-Fi新时代。 [9] [13]

世代[编辑]

参见：Wi-Fi联盟 § 认证项目

Wi-Fi以IEEE 802.11为标准，Wi-Fi联盟在2018年发起“Generational Wi-Fi”营销项目，基于主要的Wi-Fi技术（PHY）版本，引入了更容易让消费者了解的“Wi-Fi世代名称”（Wi-Fi generation names），格式为“Wi-Fi”后跟一个整数，并鼓励采用世代名称作为行业术语。世代名称不影响以前的认证程序名称，对于以前的认证程序（例如Wi-Fi CERTIFIED ac或更早的程序），继续使用原始认证程序名称。Wi-Fi联盟没有为Wi-Fi 4之前的Wi-Fi世代分配新名称。 [20] [21] [22]

• 第一代，以IEEE 802.11原始标准为准，工作频段为2.4GHz，最高速率半双工2 Mbit/s。 [23]

• 第二代，以IEEE 802.11b为准，工作频段为2.4GHz，最高速率半双工11 Mbit/s，认证项目为“Wi-Fi CERTIFIED b”。 [23]

• 第三代，以IEEE 802.11a为准，工作频段为5GHz，最高速率54 Mbit/s，认证项目为“Wi-Fi CERTIFIED a”。基于IEEE 802.11g，2.4GHz工作频段，最高速率半双工54 Mbit/s，认证项目为“Wi-Fi CERTIFIED g”。 [23]

• 第四代，以IEEE 802.11n为准，世代名称为“Wi-Fi 4”，信道宽度20MHz、40MHz，工作频段为2.4GHz和5GHz，最高4条空间流，最大副载波调制64-QAM，最高速率半双工600 Mbit/s，认证项目为“Wi-Fi CERTIFIED n”。 [23] [24]

• 第五代，以IEEE 802.11ac为准，世代名称为“Wi-Fi 5”，信道宽度20MHz、工作频段为40MHz、80MHz、80+ 80MHz、160MHz、5GHz，最高8条空间流，最大副载波调制256-QAM，最高速率半双工6.9 Gbit/s，认证项目为“Wi-Fi CERTIFIED ac”。 [23] [25]

• 第六代，以IEEE 802.11ax为准，世代名称为“Wi-Fi 6”，信道宽度20MHz、工作频段为40MHz、80MHz、80+ 80MHz、160MHz、2.4GHz和5GHz，最高8条空间流，最大副载波调制1024-QAM，最高速率半双工[26][27]9.6 Gbit/s，认证项目为“Wi-Fi CERTIFIED 6”。 [28] [29]

与IEEE 802.11区别[编辑]

参见：IEEE_802.11 § 现行标准

Wi-Fi与IEEE 802.11常常被混淆，两者的区别可以概述为IEEE 802.11是一种无线局域网标准，而Wi-Fi是IEEE 802.11标准的一种实现。IEEE 802.11标准中制定了多个物理层(PHY)规范，产品实现除了Wi-Fi，还有WiGig，WiGig联盟并入Wi-Fi联盟后[30]，被定义为Wi-Fi的扩展推出了Wi-Fi CERTIFIED WiGig认证项目[31]。在这两类范围以外还有两个区别明显的的物理层规范TVHT PHY和S1G PHY，工作在1 GHz以下频段。市场上有出自于TVHT PHY的“Super Wi-Fi”，工作在电视空白频段。Wi-Fi联盟曾就此发表声明，由于其无法与Wi-Fi设备互操作，不鼓励使用诸如“Super Wi-Fi”之类易于混淆的名称，也还没有工作于电视空白频段的Wi-Fi技术 [32]。

用途[编辑]

网络连接[编辑]

• 具Wi-Fi功能的设备：如个人电脑，游戏机，智能手机或数字音频播放器可以从范围内的无线网络连接到网络。一个或多个（互联）接入点–称之为热点 - 可以组成一个面积由几间房间到数平方英里范围的上网空间，覆盖的面积大小可能取决于接入点的重叠范围。Wi-Fi技术已被用于无线网状网络，例如，在伦敦、英国，除了家里和办公室使用外，Wi-Fi无线网络还可以提供免费使用的公开热点和各种商业服务。
• 组织和企业：例如机场、饭店、餐厅等经常提供来访者免费热点，以吸引或协助客户。商家会依爱好者希望提供服务，有时也为在某些领域推销企业而提供免费的Wi-Fi站点。目前在中国大陆和台湾，许多大型饭店和商场的内部，都会提供免费Wi-Fi热点供来访者使用互联网，一些城市或区域如北京市海淀区还提供了区域性的政府免费无线网“海淀区免费无线网络”[1]。截至2008年为止，Wi-Fi的（Muni-Fi）的项目已超过300个城市参与。2010年捷克共和国已有1150家Wi-Fi网络服务供应商。
• 路由器，结合了调制解调器和Wi-Fi接入点，通常设置在家里房间、饭店客房或其他场所，可以提供互联网连接以及和互联网络的所有设备连接（无线或有线）。但因为家用无线路由器的功率较小，所以其信号覆盖范围、信号强度也较小。随着MiFi和WiBro（携带式Wi-Fi路由器）的出现，可以很容易地创建自己的Wi-Fi热点，透过电信网络连接到网络。现在，许多移动电话（智能手机）也可充当小型无线路由器，供周围的设备连接互联网。
• 也可以使用ad-hoc模式，不经路由器而是客户端直接连接到另一个客户端的Wi-Fi设备。Wi-Fi无线覆盖范围，也包含了浴室、厨房和花园等地，使网络无所不在。

城市Wi-Fi覆盖[编辑]

户外Wi-Fi热点

户外Wi-Fi热点

主条目：无线城市

21世纪初期，世界各地的许多城市都宣布计划构建全市Wi-Fi网络。但这比最初发起人设想的更为困难，结果这些项目大多被取消或无限期搁置。但是有几个是成功的，例如在2005年，美国加州森尼维尔成为在美国的第一个提供全市免费Wi-Fi的城市。2010年5月，伦敦市长鲍里斯·约翰逊承诺到2012年伦敦Wi-Fi普及，几个自治市镇包括威斯敏斯特和伊斯灵顿已经有了广泛的Wi-Fi覆盖。全球已建和建造中的Wi-Fi城市已经超过500个，其中覆盖率最高者为台北市，其已达到全市已有4000个无线接入点（AP, Access Point），未来将至10,000个，覆盖率达到90%，全球主要的大都市的重要公共场所多已有Wi-Fi技术，如上海、台北、香港、新加坡、汉堡、巴黎、华盛顿、伦敦、纽约等。

校园Wi-Fi覆盖[编辑]

卡内基美隆大学于1994年在其匹兹堡校区创建世界上第一个无线网络，比起源于1999年的Wi-Fi品牌还要早[33]。2000年，费城德雷克塞尔大学创造了历史，成为美国第一个提供全校园无线网络覆盖的主要大学。现在大多数校园已设置无线网络。

在台湾的许多大学图书馆内，也设有免费Wi-Fi热点，提供学生使用。

在中国大陆，各大高等院校以及许多中学校园内覆盖有免费或收费的教育网校园Wi-Fi，以及电信营运商架设的收费校园热点（中国电信：ChinaNet，中国移动：CMCC，中国联通：ChinaUnicom）。

在香港，各大专院校各自提供该校专门的Wi-Fi供学生使用，多数需要以学生个人编号和密码来登录。

另外，全世界许多科研和教育机构都提供教育网漫游服务eduroam，加入该联盟的机构成员可使用本机构的账号，在各联盟单位内实现无线网络访问的无障碍漫游。

电脑对电脑直接通信[编辑]

Wi-Fi无线通信也可以不需通过接入点，直接从一台电脑传出到另一台。这就是所谓Ad-hoc模式的Wi-Fi传输。这种无线ad-hoc网络模式受到掌上游戏机（如任天堂的3DS游戏机）、数字相机和其它消费性电子设备的欢迎。Wi-Fi联盟推动一个新的安全方法规范，称为Wi-Fi Direct，直接进行文件传输和媒体共享。

优势和挑战[编辑]

商业优势[编辑]

Wi-Fi部署区网（LAN）可让客户端设备无需使用电线，降低网络部署和扩展的成本。许多空间不能架设电缆，如户外区和历史建筑，可运用无线区网来改善。

现在大多数笔记本电脑制造商已经内置无线网络设备。Wi-Fi的价位持续下跌，使之渐渐普及，已成为企业普遍的基础设施。

根据Wi-Fi联盟指定，“Wi-Fi认证”是向后兼容的。它指定一套全球统一标准：不同于移动电话，任何Wi – Fi标准设备将在世界上任何地方正确运行。

Wi-Fi已在22万个以上公开热点和几千万户家庭、公司及世界各地的大学校园中使用。2010年，Wi-Fi保护访问加密(WPA2)被认定安全，能让用户使用强大的密码。新协议的Wi-Fi Multimedia（WMM）说明Wi-Fi更适合于延迟敏感型应用（如语音和视频），此外，WMM的省电机制能提高电池效率。

限制[编辑]

参见：WLAN信道列表

Wi-Fi在全球各地的频率分配和操作限制并不相同。台湾、美国所用的标准在2.4 GHz频带有11个频道，而在欧洲大部分地区有另外的2个频道，即13个频道（1-11 v.s 1-13），日本还要追加一个（1-14）。这造成混乱现象：一个Wi-Fi信号在2.4 GHz频段实际上占用五个频道，两个频道编号之差大于5的频道，如2和7，不会发生频道重叠，因此在美国只有3个非重叠频道：1、6、11。在欧洲有三个或四个非重叠频道：1、6、13或1、5、9、13。Effective Isotropic Radiated Power（EIRP）在欧盟被限制为20 dBm的（100mW）。

传递的距离[编辑]

传输速度和移动性：Wi-Fi, HSPA、UMTS、GSM

Wi-Fi网络范围有限。一个使用802.11b或802.11g的典型无线路由器和天线，802.11n可到达超过这个范围两倍的距离，范围随频率的波段调整。Wi-Fi在2.4 GHz的频率区段范围比5 GHz的频率区段稍微好些。

通过使用定向天线，室外覆盖范围可提高数公里或以上。在一般情况下一个Wi-Fi设备的最高功率传输是受限于地方法规，如美国FCC第15条。

为达到无线区网的应用要求，和其他设备相比Wi-Fi显得相当耗电。其他技术如蓝牙（可支持无线PAN应用）提供了一个较小的传播范围（小于十米），因此耗电量较低。其他低耗电技术，如ZigBee的有相当长的范围，但传输速率却很低。Wi-Fi的高耗电特性使得电池寿命的问题渐受重视。

研究人员已经开发出“不须新线”的技术，试图弥补Wi-Fi室内范围不足的问题。安装新的电线（如cat-5）不具成本效益，ITU-T G.hn标准的高速局域网使用现有的家庭线路（同轴电缆，电话线和电源线）来达成。虽然G.hn不具备一些Wi-Fi优势（如可移动性或户外使用），它的设计应用（如IPTV分配）仍在室内范围发挥功能。

典型Wi-Fi的频率由于电波传播的复杂性，特别是树和建筑物影响信号的反射，只能大约测出Wi-Fi有关地区的发射器的信号强度。但这不包括远距离Wi-Fi，因为远距离Wi-Fi是使用塔台或高建筑顶上的天线所架设的。

基本上，Wi-Fi的实际应用范围非常有限，例如；仓库中或零售空间的盘点机、结账条码阅读器、收发台。市面上的无线路由器最低覆盖率可达80平方米，苹果公司的AirPort技术更可达100-140平方米。

技术简述[编辑]

 

一个无线路由器

无线路由器内部

网络成员和结构[编辑]

• 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。站点可动态连结（associate）到基本服务单元中。
• 分配系统（Distribution System，DS）。分配系统用于连结不同的基本服务单元。逻辑上，分配系统使用的介质（Medium）和基本服务单元使用的介质完全不同，尽管物理上它们可能会是同一个介质，例如同一个无线频段。
• 接入点（Access Point，AP）。接入点即有普通站点的身份，又有连接到分配系统的功能。
• 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。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。
• 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。

这里有3种介质，站点使用的无线介质，分配系统使用的介质，以及和无线局域网集成一起的其它局域网使用的介质。物理上它们可能互相重叠。IEEE 802.11只负责在站点使用的无线的介质上的寻址（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，连接（Association）、结束连接（Diassociation）、分配（Distribution）、集成（Integration）、再连接（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）。

运作原理[编辑]

Wi-Fi的设置至少需要一个接入点（Access Point，AP）和一个或一个以上的客户端用户（client）。无线AP每100ms都会将SSID（Service Set Identifier）经由beacons（信号台）数据包广播一次，beacons数据包的传输速率是1 Mbit/s，并且长度相当的短，所以这个广播动作对网络性能的影响不大。因此Wi-Fi规定其最低传输速率为1 Mbit/s，以确保所有的Wi-Fi client端都能收到这个SSID广播数据包，client可以借此决定是否要和这一个SSID的AP连线。用户可以设置要连线到哪一个SSID。Wi-Fi系统开放对客户端的连接并支持漫游，这就是Wi-Fi的好处。但亦意味着，一个无线适配器有可能在性能上优于其他的适配器。由于Wi-Fi通过空气传送信号，所以和非交换以太网路有相同的特点。

近两年，出现一种WIFI over cable的新方案。此方案属于EOC（ethernet over cable）中的一种技术。通过将2.4G wifi射频降频后在cable中传输。此种方案已经在中国小范围内测试商用。

读音争议[编辑]

2012年11月6日，《山东商报》引用山东外事翻译职业学院商务英语教研室主任温颜的说法称：“Wi-Fi的发音从语法角度来说，应该为‘微费’，因为“这个词是由‘wireless’（无线电）和‘fidelity’（保真度）这两个英语单词组成，但是发音又不能按照这个词的发音来，因为‘Wi-Fi’是一个合成词，应该按照一个单词的语法来发音。这个词中有两个元音字母‘i’，所以应该发短音，故从语法角度讲，发音应是‘微费’”。这种说法一时在中国大陆网络上引起了很大争议，有网友引用牛津字典中的/ˈwaɪ faɪ/音标和美剧《生活大爆炸》的相关片段来质疑。但也有网友称法国小罗伯特词典（Le Petit Robert）中Wi-Fi一词法语发音的音标是/wifi/[34]，发音接近汉语的“微费”[35]。