Wi-Fi技术及其发展

根据数据显示[1]，我国网络视频使用率已经达到93.7%，游戏用户规模高达6.54亿，预计到2022年人均互联网设备将增加至4.4台。在如今这个移动互联网时代，随着移动终端的数量不断地增多，对于无线局域网的要求也进一步增加。在人们的日常生活中我们早已无法离开互联网，相比蜂窝移动通信例如5G在室内固定场合由于Wi-Fi技术组网技术相对简单，便宜，因而备受青睐。Wi-Fi在这个时代兼具着更为重要的使命也面临着新的挑战。本文的论述对象即为Wi-Fi。本文将从如下几个方面向读者介绍Wi-Fi.

• Wi-Fi的基本概念

• Wi-Fi技术与原理简介

• Wi-Fi技术发展历程及其现状

• Wi-Fi技术的应用及意义

1、Wi-Fi 基本概念

本章主要表述Wi-Fi这个读者在日常生活中较为常见的名词。通过给出其广义上和狭义上的定义让读者了解本文论述的主题对象。

Wi-Fi的广义定义

Wi-Fi在广义上可以理解为:由AP和无线网络网卡组成的无线网络。无线网络旨在实现终端设备可以在不受约束的情况之下无缝得与互联网互联互通。AP一般称之为网络平台桥接器或者接入点，它们的作用是衔接传统式的有线服务器与无线局域网。其实现方法为让一台无线路由器，能够实现数据的发送和接收功能，这样只要是安装了无线网卡的终端设备就可以通过AP上网实现互联互通。Wi-Fi作为无线网络实现的一种技术，将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线接入方式互相连接。

无线接入技术设备主要包括IEEE的802.11、802.15、802.16及802.20规范，其分别为无线服务器WLAN、无线个域网WPAN、蓝牙、无线广域网WMAN。无线网络局域网(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)就是鉴于其中的802.11质量标准,它应是现如今应用最为广泛的WLAN质量标准。

Wi-Fi往往被用来称呼基于IEEE802.11族标准的无线网络技术。于此同时Wi-Fi也常被写作Wifi或WiFi，这两种名字并未被正式承认过，但被普遍使用。

Wi-Fi的狭义定义

Wi-Fi在狭义上是一个无线网路通信技术的商标，由Wi-Fi联盟（ Wi-Fi Alliance）持有。该商标保障使用该商标的设备都经过实验室的严格测试，具有Wi-Fi认证的产品符合IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax无线网络规范，当Wi-Fi本身与标准实际上没有关联[2]。我们可以将Wi-Fi理解为IEEE802.11标准的一种实现。

本章小结

本文将以Wi-Fi的狭义定义为准，将Wi-Fi认为是IEEE802.11标准的一种实现。

2、Wi-Fi技术与原理简介

Wi-Fi技术在短短20年内技术更新迭代极快，在短短20年内Wi-Fi技术就经历了5次技术迭代。所以本章将聚焦于Wi-Fi的基本运作机制和运作原理。

Wi-Fi的工作原理与运作机制

Wi-Fi的设置至少需要AP和无线网卡组成的无线网络。Wi-Fi定义了连接的过程分下面三部分：扫描，认证，关联。

扫描

Wi-Fi的扫描分为被动扫描和主动扫描两种。被动扫描是无线网络终端(手机或电脑)处于接收状态，扫描所有的可用无线信道，就像打开收音机旋转调谐旋钮一样，接收不同信道的无线AP发送的beacon信令。这是因为Wi-Fi定义了无线Ap将SSID经过beacons数据包广播一次。由于其数据传输速度快，长度短，不会影响网络性能。

电脑在网络下，会受到不同的AP(无线路由器)发来的beacon信号，在beacon信号里面有路由器的SSID(Wi-Fi名称)信息，这时候，手机或电脑上的Wi-Fi栏内就会显示出对应的Wi-Fi名称来了。beacon的发送是有间隔的，一般默认是100ms，就是0.1s，但有时候也会设置比较长的时间。这时候就要等待很久才能发现附近的无线路由器。

主动扫描就是无线终端(手机或电脑等)主动去发送探测帧，等待附近的无线AP响应探测帧。主动扫描会迅速的发现附近的路由器，相对扫描接受要快的多。

认证

这一步是要监测客户端的合法性，现在的Wi-Fi协议有链路认证和接入认证两种，链路认证和接入认证相当于两道门，检测接入的用户是否是合法的。当然由于互联网的发展，网络安全是互联网中的重要因素，因而更多有效的安全认证不断得被应用。其中最出名也最为常用的即为WPA。我们现在家用的基本都为wpa。认证WPA认证是在下文所提的关联结束过程之后，才做的认证，叫接入认证。可以用有线网络的例子进行类比，用网线上网，第一步是把网线接到交换机上，这一步是链路认证，没有网管是不会给你接入的。但网线连接上了仅仅是相当于网卡灯亮了，电脑分配了IP地址，关联到网络了。但还需要使用用户名和密码拨号上网，这时候就是相当于接入认证了。

关联

关联就是把客户端和无线AP联系起来，相当于最后发一个通行证。客户端发送assoc requese，AP返回assoresponse。

3、Wi-Fi技术发展历程及其现状

从第二章Wi-Fi基本概念可以得知，Wi-Fi是IEEE802.11标准族的一种实现，是由Wi-Fi联盟持有的一个商标。本章节将聚焦于IEEE802.11标准族的演进，与Wi-Fi联盟定义的世代的更迭，向读者展示Wi-Fi技术发展的历程及其现在的发展状况。

Wi-Fi的诞生

Wi-Fi以IEEE802.11为标准，有Wi-Fi联盟持有，因而在本章的第一节将会介绍IEEE802.11协议族的建立到第一款Wi-Fi的发布。

IEEE802.11工作组于1990年成立。1991年欧洲研究委员会将2.4 GHz ISM频段分配给WLAN使用。1997年美国电机电子工程师协会发部第一个版本（IEEE802.11-1997），两年后于1999年发部了两个修正案，即为IEEE802.11a和IEEE802.11b。

Wi-Fi联盟则起源于行业公司。由于各公司自行其事，网络设备通用兼容性较差。因而当时的六家大型技术公司在1996年成立了无线以太网兼容性联盟。2000年无线以太网兼容性联盟更名Wi-Fi联盟，并发布多款Wi-Fi CERTIFIED产品。Wi-Fi一词就此诞生。自Wi-Fi联盟建立之后，其就作为一个非盈利性质的国际组织发布Wi-Fi认证并发展IEEE802.11标准，在其的推进下相继发展了iEEE802.11a/b/g/n/ac/ax。

IEEE802.11无线接入技术的革新与Wi-Fi世代

上节中提到Wi-Fi联盟发布多款Wi-Fi CERTIFIED产品，Wi-Fi一词就此诞生，本节将要叙述将根据Wi-Fi世代，与每一代Wi-Fi所基于的IEEE标准的技术变化来展现无线接入技术的演进。

上章所提及第一个版本（IEEE802.11-1997）其主要技术在于介质访问接入控制层和物理层内。物理层实现工作在2.4GHz，总数据传输率为2Mbit/s这时Wi-Fi联盟尚未更名，但次代技术被追认为Wi-Fi的第一代技术。

第二代技术为IEEE802.11b。于其同期发部的有另一个标准IEEE802.11.a。IEEE802.11.a使得数据可以在5GHz上以54 Mbps/s的速度传输。IEEE802.b使得数据可以在2.4GHz上以11 Mbps/s的速度传输。由于2.4GHz更早在大多数国家均被用于民用信息传输，所以IEEE802.b标准虽然传输效率不及IEEE802.11.a但其被广泛采纳。成为第二代技术的标准。Wi-Fi联盟发布的认证产品为Wi-Fi CERTIFIED b。

第三代技术为IEEE 802.11g-2003，基于OFDM调制技术，在2.4GHz频段上，提供最高54Mbps的速率，并与802.11b保持向后兼容性和互操作性。这使得802.11g在市场上获取了巨大的成功。Wi-Fi联盟发布的认证产品为Wi-Fi CERTIFIED g。这是Wi-Fi告诉应用的第一个时期，笔记本上开始配置Wi-Fi。Wi-Fi真正意义上融入大众。由于Wi-Fi技术的巨大成功引发世界关注，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。但于此同时，随着Wi-Fi得到更为广泛的应用，其不足也相继暴露。IEEE 802.11i/e等相继发布，Wi-Fi联盟也发部多款产品例如WPA2以保证Wi-Fi安全，服务质量等。

第四代技术为IEEE 802.11n-2009，其核心为MIMO即多入多出和OFDM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。传输速率极大程度上提升，这一定程度上刺激了移动时长，大量的智能手机开始出现。大量的移动终端也同时促进了无线局域网技术的变革，Wi-Fi逐渐和大众生活紧密结合，成为不可或缺的生活需求。Wi-Fi联盟发布的认证产品为Wi-Fi CERTIFIED n。在2018年Wi-Fi联盟将重命名为Wi-Fi 4.

第五代技术为IEEE 802.11.ac。Wi-Fi联盟发布的认证产品为Wi-Fi CERTIFIED ac。在2018年Wi-Fi联盟将重命名为Wi-Fi 5。IEEE802.11.ac扩展了空中借口改建，支持更多的MIMO空间留使得其速度高达6.9Gbits/s，突破千兆屏障。

第六代Wi-Fi，新时代Wi-Fi技术的应用

本节将介绍Wi-Fi 6相较于前几代Wi-fi技术的技术优势。

WIFI6基于IEEE802.11ax标准，其采用了多用户多入多出技术和正交频分多址，提升了QAM调制的阶数，使得网络速度和容量最大化，最大理论速率达到600Mbps-9607MbpS。同时使用BSS着色技术，减少网络同频干扰，可以大大提高采用服务多设备能力；采用目标唤醒时间技术，协调终端与路由的通信时间，降低终端功耗，有效的拓展了WIFI的应用场景。WIFI6支持192位WPA3安全协议，有效提升了安全性。综合来说，WIFI6拥有更高的网络传输速度，更好的多设备连接性能，尤其是多设备连接性能可以明显提升家庭网络使用体验。同时，802.11ax支持2.4GHz和5GHz两个频段，向下兼容a/b/gnac，最高带宽为24 Gbps。其标准草案由IEEE标准协会的TGax工作组制定，于2014年5月立项，至2017年11月已完成D20，正式标准于2019年发布。

4、Wi-Fi技术的应用及意义

随着网络和通信技术的发展，移动互联网伴随着移动网络技术和无线接入技术的革命到来，Wi-Fi也同样迎来了其环境的时期。在当今移动互联网时代，终端数量激增，无线接入网络的需求也显著增加。Wi-Fi凭借其独特的优势得到了普遍的认可，得到了及其广泛的应用。本章将会介绍其应用和未来进行讨论。

Wi-Fi技术已经问世20余年了。在Wi-Fi问世之初的其仅仅是作为计算机和互联网连接的替代方案之一。然而现在已经今非昔比，大数据，人工智能的兴起正在引起，物联网时代正在向我们接近。Wi-Fi从有线局域网的替代到蜂窝移动数据的补充到如今，Wi-Fi技术几乎改变了整个社会的样貌。现如今我们可以在各种地方看到Wi-Fi的字样，手机，平板电视机，餐厅，厨房，冰箱，音响，窗帘。在人工智能和大数据的加持下万物互联已经经在眼前，身边的一切都仿佛像是提线木偶一样动了起来。而Wi-Fi就是那一根根线。Wi-Fi技术的革新还使得我们同这个世界连接得更加得紧密了起来。Wi-Fi其成本低，功耗低，灵活等特点使得其在众多物联网方案中脱颖而出。在早期Wi-Fi仅能覆盖家庭，最多覆盖一个校园。然而在现在Wi-Fi技术已经覆盖了我们生活得整个城市。在大部分的公共场所我们都能搜索到Wi-Fi信号几乎达到全覆盖。甚至在飞机上我们都能够付费享受Wi-Fi服务。

在医疗保健领域，Wi-Fi也得到了广泛的应用。Wi-Fi被用来监护患者的生命体征，医生通过Wi-Fi远程实时监控。Wi-Fi速度的提升也为金融业务带来了巨大的遍历，在Wi-Fi的作用下金融交易所可以完成大量的交易。

5、总结

互联网时代，Wi-Fi技术使得人们摆脱了电缆，在互联网中遨游，这使得互联网更加彻底得融入我们得生活。万物互联，互联网医疗，电商网络等等。在Wi-Fi技术得加持之下这一切原本遥不可及的东西都变为了现实。可以说互联网改变了我们的世界，而Wi-Fi改变了我们的生活。