WLAN无线局域网IEEE802.11协议二

2.1.3、无线管制

FCC批准了3个频段供公众使用，不需要许可，分别是900Mhz、2.4Ghz、5Mhz。其中900Mhz和2.4Ghz被称为ISM频段，5Ghz称为UNI频段。各国制造商使用这三个频段生产无线产品无需经过FCC授权，所以市场上有大量使用这三个频段的无线产品。

ISM频段这个频段开放给工业、科学、医学三个领域机构使用，是依据美国FCC联邦通信委员会定义出来的，没有使用授权限制。

• 工业频段：美国频段为902-928MHz，欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。工业频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。
• 科学频段：2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上，2.4GHz频段范围为2.4-2.4835GHz。
• 医疗频段：频段范围为5.725-5.875GHz，与5.15-5.35GHz一起为802.11（工作在2.4 GHz和5GHz频段）5GHz工作频段。

2.4GHz无线技术，是一种短距离无线传输技术，2.4GHz所指的是一个工作频段，2.4GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公开通用使用的无线频段。在这个频段上抗干扰强、传输距离远、频宽高于其它频段，成为目前应用最多的频段，家用产品也大量使用这一频段。

2.1.4、802.11标准

802.11标准在TCP/IP模型中对应接口层，在OSI模型中对应于数据链路层和物理层。其中数据链路层分为逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）和介质访问控制 （MAC），IEEE 802.11标准属于数据链路层的介质访问控制 （MAC）层。

数据链路层有三种类型帧，管理帧(Management Frame)、控制帧(Control Frame)、数据帧(Data Frame) ，通过三种来实现无线数据传输，按802.11标准数据链路层实现信道接入、寻址、数据帧校验、错误检测、安全机制等功能。

物理层的各种选项分别代表了不同的无线广播形式，包括跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)、正交频分复用(OFDM)和高速率直接序列复用(HRDSSS)。

1、 IEEE 802.11b(WiFi 2)
IEEE 802.11b是无线局域网的一个标准。其工作频率为2.4GHz，传送速度为11Mb/s。调制方式：DSSS直接序列扩频。在2.4GHz ISM频段共有14个频宽为22MHz的频道可供使用3个信道不重叠。传输距离为15-50米。在移动时会根据距离自动调整速率，从11Mbit/s依次下降为5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s，也就是支持5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s数据速率。

介绍802.11b主要是对于基本的CSMA/CA、信道两个概念了解。

A、CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)机制主要分成两个部分：载波监听（CSMA）以及冲突避免（CA）.

载波监听（CSMA）：在发送之前先监听信道。如果介质空闲，则马上传输。 如果介质有正传输数据，那么等待；如果不忙，则传输。冲突之后需要后退并重传。主要有三种形式：1. 1-坚持CSMA 2. 非坚持CSMA 3. p-坚持CSMA.

• 1-坚持CSMA特点 ：先监听信道，如果空闲，那么直接传输，不必等待。
• 非坚持CSMA特点：非坚持指的是对于监听信道忙之后的就不继续监听，待一个随机的时间之后再进行监听。
• p-坚持CSMA特点：P是指站点的可以发送数据的概率，当监听信道有空闲，概率大于P，那么直接传输，不必等待；当概念小于P，等待到下一个时间槽再传输。
  
  CSMA/CA要求主机需要与接入点进行通信，发送的每个分组都必须收到RTS/CTS和一个确认，目的是为了与其它主机发生冲突。这样会占用大量的带宽。在现在大量数据高速传播的网络中不同适用。因此802.11b只是一一个过渡技术，被新的技术802.11g取代。

B、802.11b的信道
无线信道也就是常说的无线的“频段（Channel）”，其是以无线信号作为传输媒体的数据信号传送通道。

Wi-Fi协议需要16.25Mhz到22 MHz的信道带宽，剩余的2Mhz间隙用作保护带（guard band），以便沿边缘频宽进行足够的衰减。图中是以22 MHz来展示。

在2.4 GHz范围内指定了14个信道，除了信道14与之前信道间隔是12 MHz空间外，其他信道之间的间隔为5MHz，2G 信道是十分的拥挤的，只有1、6、11完全非重叠信道。在部署802.11b无线时，尽量选定不重叠的通道作为工作信道，这样减少信号干扰，那只有安装3个接入点。

注：DSSS直接序列扩频：通过精准的控制将RF能量分散至某个宽频带,将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码。调制方式：BPSK(二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控)。QPSK方式吞吐量大，但在多径干扰严重时易崩溃。

调制方式	编码率	速率(Mbps)
BPSK	1/2	6
BPSK	3/4	9
QPSK	1/2	12
QPSK	3/4	18
2、802.11g(WiFi 3)
工作频率为2.4GHz，传送速度为54Mb/s,向后兼容802.11b。调制方式：正交频分复用(OFDM)；编码方式：64-QAM。支持54Mbit/s、48Mbit/s、36Mbit/s、24Mbit/s、12Mbit/s、9Mbit/s、6Mbit/s数据速率。

注：正交频分复用(OFDM)：将一个较宽的信道分割成几个子信道，实际上是MCM Multi-CarrierModulation多载波调制的一种，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。可有效对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。OFDM将信道划分为52个子信道，4个用来做相位参考，所以真正能使用的是48个子信道。

Wi-Fi 5及以前（802.11a/b/g/n/ac），子载波宽度是312.5KHz。

OFDM调制方式：BPSK(二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控)、QAM(正交幅度调制)。QAM方式使用载波的振幅和相位来传递信息。

3、802.11n(WiFi 4)
工作在2.4GHz和5GHz两个频段,最大传输速度理论值为600Mbit/s，调制方式：MIMO-OFDM，支持44MIMO。标准带宽(20MHz)上的速率包括有：7.2Mbit/s, 14.4Mbit/s, 21.7Mbit/s, 28.9Mbit/s, 43.3Mbit/s, 57.8Mbit/s, 65Mbit/s, 72.2Mbit/s 。使用44 MIMO时速度最高为300Mbit/s。802.11n也支持双倍带宽(40MHz),当使用40MHz带宽和4*4 MIMO时，速度最高可达600Mbit/s。

多路输入多路输出MIMO( Multiple Input and Multiple Output)技术
使用多个发射和接收天线来提高的数据传输率.M：表示传输天线的数量；N:表示接受天线的数量。发射机的多个天线意味着有多个信号输入到无线信道中。多天线的应用有很多种技术，常用的是波束成型（Beamforming）和时空分组码(Alamouti’s code)。

单用户MIMO（SU-MIMO）
如果所有天线同时只为一个用户服务，就叫做单用户MIMO（SU-MIMO）。更进一步，路由器四路发射，手机四路接收，也可以更精细地叫做4x4 MIMO。

802.11n是无线传输标准协议，它是划时代的技术。到现在仍有大量的802.11n终端在网使用。

802.11n的新技术


上图为第1信道与第5信道绑定，第1信道设为主带宽，第5信道为次带宽。收发数据时既可以40MHz的带宽工作，也可以单个20MHz带宽工作。

技术的进步主要来自如下几个方面：

• 更多的子载波
  指调制解调技术由直接序列扩频(DSSS)到正交频分复用(OFDM) ，802.11n在20MHz模式下有56个子载波，可用的子载波有52个，速率可达58.5M，子载波数愈多整体传输速度越高。
• 编码率的提高，从3/4到5/6
• 更短的GI，从800ns到400ns.
  在无线收发过程中/发间或多次传发过程中，需要若干间隔时间，而这个间隔时间就成为Guard Interval，简称GI。802.11n缺省仍然使用800ns,
  当多径效应不严重时，将该间隔配置为400ns，可以将吞吐提高近10%。

正交频分复用(OFDM)的调制方式传输数据变化：

调制方式	编码率	速率(Mbps)
16-QAM	1/2	24
16-QAM	3/4	36
64-QAM	2/3	48
64-QAM	3/4	54
256-QAM	3/4	195
256-QAM	5/6	217

• 更高的带宽，从20M到40M
  802.11n合并两个载波(802.11n技术通过将相邻的两个20MHz信道绑定成40MHz，使传输速率成倍提高。)。802.11g使用20Mhz频道，并在每个信道两端都有未利用的保护带宽来保护主载波。802.11n合并两个载波后这一部分保护带宽也被用来通信，使传输速率成倍提高，从54Mbit/s提高到108Mbit/s。采用40MHZ频宽模式，可以成倍增加无线网络的支持速率，但是2.4G网络和5G网络支持的40M频宽的信道数量不同。在2.4G模式上最多可以有一个40M信道，在5G模式上40M信道数目因国家不同而不同，理论上最多有11个40M信道。

• 更多的空间流，多入多出MIMI技术的应用，多根天线通过多条路径发送多个帧，并在接收端由另一组天线进行重组。从而提高了数据传输速度。

802.11nMAC协议层的优化
使用了帧聚合技术和块确认技术。

4、802.11ac(WiFi 5)
工作在5GHz频段,支持20、40、80M信道频宽，最大160MHz信道频宽。最大支持6.9Gbps的速率，支持88MIMO。调制方式：MIMO-OFDM；Wave 1编码方式：64-QAM；Wave 2编码方式：256-QAM，支持88MIMO。802.11ac Wave1支持20、40信道频宽，最大速率3.74Gbps，兼容802.11a/n；802.11ac Wave1支持20、40、80M信道频宽，最大160MHz信道频宽，最大速率6.9Gbps，兼容802.11a/b/g/n。

使用MU-MIMO技术，支持下行多用户(一次只允许与4个设备通信)并行传输。802.11ac每个无线接入点可以支持更多用户，802.11ac的无线接入点是向后兼容802.11n的。802.11ac在802.11n基础上作了重大技术更新，但还不能每一段时间内多个用户同时并行传输，还是依序传输。这一块在802.11ax上进行了改变。

5GHz信道中心频率

中国的 5GHz 应用频率分配：在总带宽为 125MHz 的频段内提供5个信道，最外层信道的中心距离频段边缘20MHz。

国内5.8Ghz信道总带宽为 125MHz125MHz的频段内，有5个非重叠信道，分别是149、153、157、161、165编号的信道。
多用户MIMO（MU-MIMO）

单用户MIMO（SU-MIMO）路由器能发4路信号，但手机最多只能收两路，最终下来路由器也就不得不配合着只发两路。

多用户MIMO（MU-MIMO）解决办法是路由器便将多个手机一起考虑，视作一个功能强大的虚拟手机。所以又叫虚拟MIMO。多个天线还可以通过波束赋形技术，形成指向性的窄波束，对准用户精准覆盖。由于窄波束的能量集中，因此可以覆盖得更远，穿墙效果也能得以提升。

4、802.11ax(WiFi 6)
802.11ax标准的Wi-Fi2019年正式启用，WiFi联盟称为WiFi 6，又称为高效率无线局域网，是无线局域网标准，11ax支持2.4Ghz 和 5Ghz频段，兼容802.11a/b/g/n/ac。

802.11ax与802.11ac的最大改进是，引入OFDMA上行下行调制技术的同时，采用了完整版的MU-MIMO(支持8个终端上行/下行MU-MIMO)多输入多输出技术。

工作在2.4GHz和5GHz两个频段,2.4G最大传输速度理论值为1.15Gbps，5G最大传输速度理论值为9.6Gbps，调制方式：OFDMA和MU-MIMO，支持8*8MIMO，编码方式：1024-QAM，允许路由器一次与多达8个设备同时通信。无需依次进行通信，实现在每个时间段内多个用户同时并行传输。

WIFI	标准	发布时间	频段	传输方法	调制方式	空间流数	信道带宽	理论速率
-	802.11	1997	2.4Ghz	IR、FHSS、DSSS	-	-	20Mhz	2Mbps
WiFi 1	802.11a	1999	5Ghz	OFDM	-	-	20Mhz	54Mbps
WiFi 2	802.11b	1999	2.4Ghz	DSSS	-	-	22Mhz	11Mbps
WiFi 3	802.11g	2003	2.4Ghz	OFDM	64-QAM	-	20Mhz	54Mbps
WiFi 4	802.11n	2009	2.4Ghz	OFDM、DSSS	64-QAM	4	20Mhz、40Mhz	450Mbps
WiFi 4	802.11n	2009	5Ghz	OFDM、DSSS	64-QAM	4	20Mhz、40Mhz	600Mbps
WiFi 5	802.11ac Wave1	2013	5Ghz	OFDM、SU-MIMO	64-QAM	4+4	20Mhz、40Mhz	3.74Gbps
WiFi 5	802.11ac Wave2	2015	5Ghz	OFDM、下行MU-MIMO	256-QAM	8	20、40、80、160	6.9Gbps
WiFi 6	802.11ax	2019	2.4Ghz	OFDM、下行MU-MIMO、上行MU-MIMO	1024-QAM	4+8	20、40、80、160	1.15Gbps
WiFi 6	802.11ax	2019	5Ghz	OFDM、下行MU-MIMO、上行MU-MIMO	1024-QAM	4+8	20、40、80、160	9.6Gbps