无线通信的基本概念

线上教学天天放松自己，马上就是恢复线下了，把老师所讲内容自行复习一下，以便跟上老师进度。
无线电波

• 无线电波是电磁波的一种。
• 电磁波又称为电磁辐射，指同相振荡，且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向，前进速度为光速。

无线电波的频率与波长

• 频率是单位时间内完成周期性变化的次数，可通俗理解为在单位时间内通过的波的数量。
• 波长是波在两个相邻周期上的相同点的距离，即一个震动周期内传输的距离，通常用两个波峰或波谷之间的距离来表达。
  无线电波的频率与频段
  频率的分布就是频道，射频的频率范围为频段，WLAN使用的是电磁波是无线电波。
  电磁波频谱与无线电波
• 电磁波的频率越高，能量越大，直射能力越强，传输过程中能量衰减越快，传输距离越短。
• 无线电波是由振荡电路的交变电流产生的，能够通过天线发射和接收，也称为无线电、电波、射频、射频电波或射电。
• 无线电磁波是频率介于3赫兹和300G赫兹之间的电磁波，也叫作射频电波，或简称射频、射电。无线电技术将声音讯号或其他信号经过转换，利用无线电磁波传播。
• WLAN技术就是通过无线电磁波在空间中传输信息的，使用的频段是2.4GHz频段（2.4GHz-2.4835GHz）和5GHz频段（5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.85GHz）
  无线电波的相位
• 相位是对于一个波特定的时刻在它循环中的位置，一种对于它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度，通常以度（角度）或弧度作为单位，也称相位角。
• 波形循环一周即为360°，53.7°为一弧度。
• 两个频率相同的无线信号在到达接收端的是时候彼此相位相同，则两个信号会叠加，信号增强。两个频率相同的无线信号在到达接收端的时候彼此相位相反，则两个信号会衰减，信号减弱。
  无线通信系统
• 在无线通信系统中，信息可以是图像、文字。声音等
• 信息需要先经过信源编码转变为便于电路计算的处理的数字信号，在经过信号编码和调制，转换为无线电波发射出去。
• 其中发送设备和接收设备使用接口和信道链接，对于无线通信，接口是不可见的，连接着不可见的空间，称为空口（空间接口）。
  编码
  信源编码
• 将原始的信息，经过对应的编码，转换为数字信号的过程。
• 保证不失真的情况下，最大限度压缩信息。
• 在不同类型的信息，需要不同的编码方式处理，例如H.264就是视频的一种编码方式。
  信道编码
• 信道编码是一种对信息纠错、检错的技术，可以提升信道传输的可能性。
• 引入信道编码能够接受在设备上最大程度地恢复信息、降低误码率。
  信道编码需在原始信息中增加冗余信息，所以经过信道编码后，信息长度会有所增加。
• 原始信息真的占比可以用编码效率表示，简称码率，即编码前后的比特数量比。
• 信道编码不能提升有效信息的传输速率，反而会有所降低，但提高了有效信息传输的成功率。
  调制与解调
  调制：将各种数字基带信号转换为适于信道传输的数字调制信号。分为：调幅、调频和调相。
  解调：在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。
  载波
• 载波是一个特定频率的无线电波，单位Hz，是一种频率、振幅或相位被调制用以传输语言、音乐、图像或其他信号的电磁波。
• 无线通信的基础是载波，这个信号在发射器部分产生，并不带有任何信息，在接收器部分也作为不变的信号出现。
  子载波
• 一个信道就是一个特定频率的无线电波，每个用户用来收/发信息的时候都是用一频率承载信息。
• 子载波，就是多载波通信中的一个子信道。
• OFDM是一种多载波调制技术，主要将指定信号分成若干子信道在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波是并行传输，可以有效提高信道的频谱利用率。
  信道的概念
• 信道：信道是传输信息的通道，无线信道就是空间中无线电波传输信息的信道。
• 重叠信道：在一个空间内同时存在重叠信道，则会产生干扰问题。
• 非重叠信道：频段范围不重叠的信道，在传统认知上2.4GHz只有1.6.11才是非重复信道。相邻的AP，在同一个空间中，须使用不重叠信道
  2.4GHz & 5GHz频段的信道
• 2.4GHz频段被划分为14个有重叠的、频率宽度是20MHz的信道（801.11b除外），现常用的的非重叠信道为1、5、9和13。
• 对于5G频段，频率资源更为丰富，有大量的非重叠信道，在中国，可以使用的信道的非重叠信道有13个。
  信道的绑定
• 将相邻的两个甚至多个不重叠信道绑在一起，作为一个信道来使用，可以使用，可以使传输速率成倍提高。
• 802.11标准，空口大部分都工作在20MHz频宽。

射频、频段、天线

• WLAN 使用的电波是无线电波。无线电波是由由震荡电路的交变电流产生的，能够通过天线发射和接收。
• 射频的频率范围为频段
• 天线是一种变换器，把传输线上传输的导线波，变换为在空间内传播的电磁波，或者进行相反地变换，是在无线电设备中用来发射或者接收电磁波的部件。

空间流

• 无线电在同一时间发送多个信号，每个信号都是一个空间流。
• 空间流使用发射端的天线进行发送，每个空间流通过不同的路径接收端。
• 通常情况下，一个发送天线和一个接受天线可以建立一个空间流。
• 由于802.11ac及8022.11ax协议规定一个射频最大8个空间流，在这种情况下，就算有12个天线，也只有8个空间流。

单射频、双射频、三射频

• 单射频AP：射频工作在2.4GHz或者5GHz,适用于终端统一的使用场景。
• 双射频AP：射频工作在2.4GHz以及5GHz,目前主流使用于各大WLAN场景。
• 三射频AP：两个射频工作在5GHz,一个射频工作在2.4GHz,主要使用于普教电子教室、高密、高超等场景。

干扰
干扰是指对有用的信号接收造成损伤。分为WiFi设备干扰和非WiFi设备干扰。
干扰与信道利用率

• 信道利用率
  对发送方而言，发送方在一个发送 周期内，有效的发送数据所需要的的时间占整个发送周期的比率。
  信道利用率=信道繁忙的时间/周期时间
• WLAN干扰加强了冲突与退避：多个设备同时传输造成空口碰撞时，接收端无法正常解析报文，发送端重传退避使得空闲等待时长拉长，降低信道占用率。
  理论速率与实现速率
• WLAN理论速率指的是在某个协议标准下，理论计算出的该标准能够到达的最高传输速率。比如820.11ac Wave 2的理论速率可以达到6.9Gbps。
• WLAN实现速率指的是厂商基于某个协议标准，开发出的产品能够到达的最高速率。

版本		2.4GHz	5GHz	协议最高速率	华为实现最高速率
WiFi 4	801.11n	√	√	2.4Ghz：450Mbps	2.4GHz：450Mbps
WiFi 4	801.11n	√	√	5Ghz：600Mbps	5GHz：600Mbps
WiFi 5	802.11ac Wave1		√	3.14Gbps	1.3Gbps
WiFi 5	802.11ac Wave2		√	6.9Gbps	1.73Gbps
WiFi 6	802.11ax	√	√	2.4GHz：1.15Gbps	2.4GHz：1.15Gbps
WiFi 6	802.11ax	√	√	5GHz:9.6Gbps	5GHz：9.6Gbps

802.11标准

MAC层	协议族成员
802.11e	Qos
802.11h	动态调制DFS，传输功率TPC
802.11i	无线安全标准
802.11r	无线漫游技术
802.11s	Mesh

物理层层	协议族成员
802.11n	600Mbps
802.11ac	6.9Gbps
802.11ax	9.6Gbps

802.11n-WiFi4

频段	最大理论速率
2.4GHz	450Mbps
5GHz	600Mbps

全新技术：

• OFDM改进FEC前向纠错
• 40MHz信道绑定
• Short GI短帧间隔
• MIMO多输入多输出
• 增强的物理层

关键技术：

• 更多子载波：在20MHz信道下，子载波由48 -->52
• 更高编码率：编码率由3/4 -->5/6
• 更短GI ：GI由0.8us–>0.4us
• 更宽的信道：频宽可由20MHz–>40MHz,子载波由52–>108
• 更多的空间流：空间流可由但空间流–>2/3/4空间流

802.11ac–WiFi5

频段	最大理论速率
2.4GHz	不支持
5GHz	802.11 ac wave2 6.9Gbps

全新技术：

• 160MHz信道绑定
• MU-MIMO下行
• 增强的物理层

802.11ax WiFi 6

频段	最大理论速率
2.4GHz	1.15Gbps
5GHz	9.6Gbps

全新技术：

• OFDMA DL/UL
• 8*8 MU-MIMO DL/UL
• 1024-QAM
• 增强的物理层

WLAN的关键模型

• WLAN是一种基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。
• 802.11标准聚焦在TCP/IP对等模型的下两层
  数据链路层：主要负责信道接入、寻址、数据帧校验、错误检测、
  物理层：主要负责空口中传输比特流。
  

WLAN关键技术
物理层	MAC层
OFDM正交频分复用	CSMA/CA
OFDMA正交频分多址	RTS/CTS
MIMO	帧间间隔
|信道绑定
\	帧聚合技术
\	块确认技术

802.11物理层技术
802.11所采用的的无线电物理层使用的三种不同的技术：跳频（FH或FHSS）、直接序列（DS或DSSS）、正交频分复用（OFDM）。
OFDM-正交频分复用

• OFDM是一种特殊的多载波调制技术，其主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行 传输。各子载波相互正交，扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减少了子载波的相互干扰，还提高了频谱利用率。
• 当一个子载波达到波峰时，另一个子载波复读为0，即为两个子载波正交无干扰

• OFDM之所以能够使用相互重叠的子载波，是因为定义了副载波，因此可以轻易区分彼此。
• 如图:信号分为三个副载波，每个副载波的波峰均作为数据编码之用，如图中上方标示的圆点。这些副载波之间经过刻意设计，彼此之间保持正交关系。注意每个副载波的波峰，此时其他两个副载波的振幅均为0。

OFDM子信道调制技术
OFDM调制方式：BPSK（二进制相位键控）、QPSK（正交相移键控）、QAM（正交幅度调制）