初探802.11协议(0)——开篇(IEEE802.11历史与Wi-Fi速率计算)

目录

一、802.11协议发展历史

1.1 Wi-Fi的开端

1.2 802.11的发展 

二、最大理论速率计算

2.1 11n/11ac最大理论速率

2.1.1 11n

2.1.2 11ac 

2.2 11ax最大理论速率

2.3 单流最大速率

2.4 对比11n/11ac/11ax的提速

2.4.1 有效子载波数

2.4.2 调制阶数

2.4.3 码率

2.4.4 符号Duration + 符号GI

2.4.5 空间流数

---

一、802.11协议发展历史

1.1 Wi-Fi的开端

感兴趣的可以B站搜下“Wi-Fi之母”，看下她的人生经历。

1.2 802.11的发展 

 上图摘自《802.11ac: A Survival Guide》，所以直到11ac。

Fig.1 和Fig. 2两张图来源于《A Survey on High Efficiency Wireless Local Area Networks: Next Generation WiFi》

下面再简要说明版本历史：(版本说明也可以参见802.11 Wikipedia)

•  802.11  (1997) 原始标准，确立 2.4GHz 频段和 1 、 2Mbps 传输速率规格，使用跳频扩频 (FHSS) 和直接序列扩频 (DSSS) 技术，但 FHSS 和 DSSS 之间不能互操作。

•  802.11b  (1999) 年发布， 2.4GHz ，只用 DSSS(不包括FHSS，而一些传统的802.11部署都采用的FHSS技术，因此会出现一些兼容性问题) ，使用巴克码(Barker code)作为扩频技术，速率1Mbps、2Mbps、 5.5Mbps 、 11Mbps 等速率 。

•  802.11a  在批准802.11b修正案的同年，即1999 年发布，使用 5.8GHz 频段和 OFDM 提供理论最高 54 Mbps 的速率规格，实际没有应用。

•  802.11g  (2003) 2.4GHz ，最高数据传输速率 54Mbps 。这是当年让Wi-Fi业界激动不已的标准。

•  802.11n   (2009) 理论吞吐量最高 600Mbps ，采用新技术如多输入多输出 (MIMO) 、智能天线 / 空间复用 。

•  802.11e   (2005) QoS 、保证 QoS 的省电传输。

•  802.11i  (2004) 安全，数据加密和鉴权。

•  802.11k  (2008) 无线资源测量。

•  802.11r  (2008) 支持更强大的 漫游 功能。

•  802.11p  (2010) 汽车间通信，适用 5.9GHz ， 300 米内设备能达到 6Mbps 传输速率。

•  802.11s  mesh 组网。

•  802.11u  (2011) 与异质网络互连，如蜂窝网络、 WiMAX 等。

•  802.11v (2011) 网络配置和管理，如对终端的控制、网络选择和优化、负载均衡等。

•  802.11w  (2009) 把安全性扩展到管理帧。

•  802.11z (2010) 隧道式直连，即不需要 AP 支持（ 11e ）建立直连，但仍由 AP 控制信道。

•  802.11aa  增强MAC以适应视频流传输。

•  802.11ac   (2012修订版的修正案4， 2013年发布)使用5GHz，吞吐量达到1Gbps。

•  802.11ad  采用60GHz，吞吐量达到多个Gbps，通信距离10米。

• 802.11ah  使用1GHz一下频谱，通信距离1km-2km，速率20Mbps，用于M2M。

• 802.11ai   快速初始链路建立。

...

•  802.11ax    (2019-2020/01) Wi-Fi联盟称之为 Wi-Fi 6，又称为高效率无线局域网(High Efficiency WLAN，缩写HEW 。向下兼容11a/b/g/n/ac，引入上行 MU-MIMO、OFDMA 频分复用、1024-QAM 高阶编码 TWT等技术，安全标准升级为WPA3等。

CWNA(《Certified Wireless Network Administrator Official Study Guid》)第3版的第五章中对每个版本有一些详细说明

后面的协议机制学习中主要涉及11n/11ac/11ax，其中漫游和QoS机制会涉及到11e/11r。

(上图来自于网上，主要看下标红的即可)

Wi-Fi Alliance (WFA)在 2019 年，将“Wi-Fi+数字”的方式呈现的方式把 802.11ax 命名为 Wi-Fi6。并 将前两代技术 802.11n 和 802.11ac 分别更名为 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 5。

二、最大理论速率计算

上图摘自MCS Index - MCS Index Table, Modulation and Coding Scheme Index 11n, 11ac, and 11ax 

WiFi最大理论速率 =  有效子载波数 × 调制阶数 × 码率 × 空间流数 ∕(符号时长+符号间隔) 

下面以"道路运输"为例来简单介绍下这些概念。(下图来自知乎)

• 有效子载波数量：取决于子载波的间隔和系统带宽。
• 调制阶数：每个符号可同时携带的比特数据。这个与调制方式相关，比如说16-QAM的，调制阶数就为4，即表示一个子载波可以携带4bit；再比如说64-QAM的，调制阶数就为6；1024-QAM的，调制阶数就为10。
• 码率：协议定义了多种调制方式和码率的组合，就是调制编码策略(Modulation Coding Scheme, MCS)。
• 空间条数：取决于天线条数。
• 符号时长+符号间隔：简单理解为一次传输的耗时。

如下举例不一定完全准确，但是可以有一定的比喻性。

比如说某地(802.11协议的版本)修了56条车道，但是实际上能用的就52条，那么56就是子载波数量，有效子载波数量就是52，整块地皮的面积(系统带宽)和每条车道之间的间隔(子载波之间的间隔)就决定了可以修多少条车道；接着选用最大容积为6吨(调制阶数)货车来装货物，但是并不是装所有的货物都能用满这6吨的容量，比如说装沙子可能可以用5/6(码率)的容积，装规则的珍贵物品只能用1/2(码率)的容积，“装什么货物(调制方式)，选多大容积的货车”就是一种策略问题(调制编码策略[Modulation Coding Scheme, MCS])了；选好了多辆相同的车之后，接着就需要看下车道上一辆车传输耗时多久(符号时长)，在这条道路上应该多久(符号间隔)发一辆车。描述到现在只是在描述同一地面的交通运输，如果是多层有高架桥(空间流数)，又可以加快运输了，就是又要增加修建道路的费用而已。

2.1 11n/11ac最大理论速率

 https://drive.google.com/file/d/1Rt6ycWeejYcioBhF_aRcFefxbwdBJLcL/view

2.1.1 11n

由上表可知，11n的带宽最大只到40MHz，所以有效子载波数为108；11n和11ac的符号时长固定为3.2μs，在计算最大值时GI当然选Short GI 0.4μs而不是0.8μs；上表的码率看起来没有更新到最大，从MCS(https://mcsindex.com/)表里可知，11n的MCS 7在64-QAM调制方式下的码率最大是5/6，我们这里码率也取5/6.

Wi-Fi最大理论速率  = 有效子载波数 × 调制阶数 × 码率 ∕ (符号时长+符号间隔 ) ×空间流数   

5G-40M带宽的单流速度150b/μs  = 108  ×     6        × (5/6)  ∕  (3.2μs  +     0.4μs)     ×      1 

由公式可知，11n在5G频段/40M带宽的最大单流速率为150b/μs，大约150Mbps。

11n的最大空间流数为4，所以最大理论大约速率为600Mbps.

2.1.2 11ac 

由上表可知，11ac的带宽最大可到160MHz，所以有效最大子载波数为468；11n和11ac的符号时长固定为3.2μs，在计算最大值时当然GI选 0.4μs而不是0.8μs；从MCS表里可知，11ac可到MCS 9，即256-QAM 调制方式下码率最大是5/6.

Wi-Fi最大理论速率  = 有效子载波数 × 调制阶数 × 码率 ∕ (符号时长+符号间隔 ) ×空间流数   

5G-80M带宽的单流速度433.3b/μs = 234  ×   8       × (5/6)  ∕  (3.2μs  +     0.4μs)     ×      1 

5G-160M带宽的单流速度866.7b/μs= 468  ×    8       × (5/6)  ∕  (3.2μs  +     0.4μs)     ×      1 

11ac在5G频段/80M带宽下的最大单流速率为433.3b/μs，即大概433.3Mbps；在5G频段/160M带宽的最大单流速率大概为866.7Mbps.

11ac的最大空间流数为8，所以最大理论速率大约为6933.3Mbps

2.2 11ax最大理论速率

// OFDM

https://drive.google.com/file/d/1ISYoQiw8uDIz9XiGR7t3A96KKDXE_YEd/view

由上表可知，11ax的带宽最大可到160MHz，所以有效最大子载波数为1960；11n和11ac的符号时长固定为12.8μs，在计算最大值时GI当然选0.8μs；从MCS表里可知，1024-QAM 调试方式下码率最大是5/6.

Wi-Fi最大理论速率  = 有效子载波数 × 调制阶数 × 码率 ∕ (符号时长+符号间隔 ) ×空间流数   

5G-80M带宽的单流速度600.5b/μs = 980  ×  10       × (5/6)  ∕  (12.8μs  +     0.8μs)     ×      1 

5G-160M带宽的单流速度1201b/μs= 1960  ×  10    × (5/6)  ∕  (12.8μs  +     0.8μs)     ×      1 

11ax在5G频段/160M带宽下的最大单流速率为1201b/μs，即大概1201Mbps

11ax的最大空间流数为8，所以最大理论速率大约为9608Mbps，大约9.6Gpbs.

 // OFDMA

https://drive.google.com/file/d/1vAGTXoH3EojV41IwmSHSk9OMO7vhfCZF/view

2.3 单流最大速率

有些路由器厂商会把两个频段的峰值加起来向上取整来官宣自己品牌路由器的峰值。比如说他们的路由器，2.4G的速率最大可达286.8Mbps, 5G的最大速率可达600.5Mbps，这时候他们就会说自己的峰值可达887Mbps(286.8+600.5≃886.8)

2.4 对比11n/11ac/11ax的提速

下图摘自知乎《Wi-Fi的上网速率怎么算?》，可以明显看到11n->11ax理论速率的提升就是围绕这子载波数目、调制阶数、码率、GI、空间流数这几个因素在优化。

2.4.1 有效子载波数

2.4.2 调制阶数

2.4.3 码率

 调制阶数越高，码率越高，抗干扰能力也就越差。因此在无线信号强度足够，且干扰很小的时候，高阶MCS才能发挥作用。

2.4.4 符号Duration + 符号GI

在802.11ac及以前，单个符号Duration是3.2µs，符号GI是0.8µs，但也支持0.4µs，因此802.11ac及以前的协议版本，"符号Duration + 符号GI"最小为3.6µs。到了802.11ax，符号Duration成了12.8µs，符号GI为至少0.8µs，两者加起来最小是13.6µs。

这几个因素里就这个因素表面上看起来不是很利于增大速率的，但是不影响整体速率的提升。

2.4.5 空间流数

========================================================

【参考】

1. OReilly《802.11ac: A Survival Guide》

2. 《Next Generation Wireless LANs：Throughput，Robustness，and Reliability in 802.11n》(《下一代无线局域网802.11n的吞吐率、强健壮、性和可靠性》)