WiFi技术原理

1目录三家庭组网原则与方案二相关技术介绍2Wi-Fi主要技术原理Wi-Fi概念Wi-Fi是WLAN（无线局域网，WirelessLocalAreaNetwork）目前最主流的一种技术，基于IEEE802.11系列协议。Wi-Fi的原意是一种认证标志，通过认证的设备保证能按照802.11协议相互兼容。全球的认证机构是Wi-Fi联盟（WFA），其前身是WECA（无线以太网兼容性联盟，WirelessEthernetCompatibilityAlliance）。Wi-Fi基本工作原理半双工时分系统：同一区域、同一频点/信道、同一时间只有一个设备能发送报文工作模式：主要采用DCF（分布式协调，DistributedCoordinationFunction），即通过CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）技术来实现信道共享。类似于以太网802.3协议中的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection），由于Wi-Fi是半双工的，所以进行了调整。CSMA/CD能检测冲突，但不能“避免”；CSMA/CA在发送是不能检测冲突，只能尽量“避免”环境中的Wi-Fi设备/终端多了，整体的传输效率就会急速降低，所有时间都被用来传信令报，无法进行正常的数据通信。因此，能搜索到的Wi-Fi信号越多，Wi-Fi环境就越差。尽管不可能控制终端数量，但至少应该尽量少部署Wi-Fi设备，降低功率（减小其影响范围），尽量不要发布过多的SSID！3Wi-Fi主要技术参数——频段（1）频段：两个主要频段2.4GHz，5GHz频段2.4GHz中国开放了13个信道（2.402～2.483GHz），但北美只开放11个信道，所以建议只使用1～11信道适用协议：802.11b/g/n，其中802.11n支持双频工作2.4GHz是ISM频段（工业/科学/医学用频段，IndustrialScientificandMedicalBand）中的一段，各国都开放，因此许多无线技术都采用该频段（主要有：微波炉、蓝牙和ZigBee、Wi-Fi、车库门控制器、无绳电话、无线鼠标、一些无线家用设备）2.4GHz频段上存在许多非Wi-Fi的干扰源子信道划分间隔是5MHz，Wi-Fi的工作频宽是22MHz，所以相邻信道的Wi-Fi信号之间有干扰，必须至少间隔5个子信道才相互无干扰4Wi-Fi主要技术参数——频段（2）频段：两个主要频段2.4GHz，5GHz频段（续1）5GHz：中国开放了5.8GHz和5.1GHz两个频段5.8GHz（5.725～5.850GHz）频段：含5个互不干扰的子信道（149，153，157，161，165），也属于ISM频段5.1GHz（5.150～5.350GHz）频段：含8个互不干扰的子信道（36，40，44，48，52，56，60，64）适用协议：802.11a/n/ac，其中802.11n支持双频工作上图是美国5GHz频段的信道划分；中间的频段，中国尚未开放。5Wi-Fi主要技术参数——频段（3）频段：两个主要频段2.4GHz，5GHz频段（续2）2.4GHz和5GHz频段无线信号衰减公式：Los=32.4+20lg(F)+20lg(R)其中：Los(dB)是衰减，F(MHz)是频率，R(km)是距离所以：2.4GHz的衰减慢，穿墙性能好；5GHz的衰减快，穿墙性能差最早的802.11a/b，分别工作在5GHz和2.4GHz，但考虑到覆盖能力，之后主要在2.4GHz频段发展。直到802.11n开始追求高速率，才又转向5GHz发展。穿墙性能好，意味着覆盖范围大，但同时也意味着接受干扰源的范围大其它频段60GHz：802.11ad（WiGig），最高可达7Gbps，覆盖距离只有几米，一般用于邻近设备间的超高速传输470～710MHz：802.11af（White-Fi/超级Wi-Fi），使用“在电视频率之间使用频率较低的白色空间”即为电视频道保留的缓冲频段，占用空间带宽与现有的广电频道带宽一致，速率可达426.7Mbps（6/7MHz）和568.9Mbps（8MHz）（采用MIMO+STBC技术，4空间流与4广电频道），覆盖距离可达1.6公里，缺点是需要广电放开该频段900MHz：802.11ah（Wi-FiHaLow/Sensor-Fi），使用900MHz（非电视空白频段），速率为100kbps，覆盖距离为1公里，低功耗，用于WSN（无线传感器网络，WirelessSensorNetworks）和IoT（物联网，InternetofThings）6Wi-Fi主要技术参数——速率（1）关联速率和实际吞吐量以下描述的都是Wi-Fi的关联速率在实际传输时，由于有Beacon帧（信标）类的短报文、传输延迟、竞争避让等因素，最大的有效吞吐量只有关联速率的50%！2、3个设备以最大关联速率发送数据时，整个无线网络利用率最高；设备数量再增加，无线网络总体的吞吐量会急速下降！802.11：只有1、2Mbps两种速率采用FHSS（跳频扩频，FrequencyHoppingSpreadSpectrum）和DSSS（直接序列扩频，DirectSequenceSpreadSpectrum）技术，发送频率为1MSps，即每秒发送1M个Symbol（符号）Symbol为11bit的Barker码采用BPSK（二进制相移键控，BinaryPhaseShiftKeying）编码方式，此时每个Symbol代表1bit，速率为1Mbps采用QPSK（正交相移键控，QuadraturePhaseShiftKeying）编码方式，此时，每个Symbol代表2bit，速率为2Mbps802.11b：共4种速率，增加5.5、11Mbps两种速率，向下兼容802.11采用HR-DSSS（高速直接序列扩频，HighRateDirectSequenceSpreadSpectrum），发送频率提高到1.375MSpsSymbol为8bit的CCK（补码键控，ComplementaryCodeKeying）码采用4序列时，加上四种相位调制，每个Symbol代表4bit，速率为5.5Mbps采用64序列时，加上四种相位调制，每个Symbol代表8bit，速率为11Mbps7Wi-Fi主要技术参数——速率（2）802.11a/g：支持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps八种速率；802.11g向下兼容802.11b，共12种速率。采用OFDM（正交频分复用，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术总频宽20MHz划分成64个子载波前6个、后5个作为保护中间1个DC不工作实际工作有52个子载波，其中4个用作导频（PS，PilotSignal），48个传数据工作周期为4μs1÷20MHz=0.05μs0.05×64=3.2μs3.2+0.8=4μs，其中0.8μs为循环前缀（CP，CyclicPrefix），用于保护，称为GI（保护间隔，GuardInterval）8Wi-Fi主要技术参数——速率（3）调制方式（Modulation）编码效率（Codingrate）数据速率（Rate）BPSK1/26MbpsBPSK3/49MbpsQPSK/4-QAM1/212MbpsQPSK/4-QAM3/418Mbps16-QAM1/224Mbps16-QAM3/436Mbps64-QAM2/348Mbps64-QAM3/454Mbps9Wi-Fi主要技术参数——速率（4）802.11n引入了更多的无线参数双频工作，在2.4GHz和5GHz采用相同的参数用MCS（调制和编码策略，ModulationandCodingScheme）值标识一组参数集引入信道绑定技术，频宽可从20MHz扩展到40MHz（详见后）子载波数：20MHz有52个子载波，40MHz有108个子载波编码效率：最高支持5/6引入MIMO技术，可用多空间流（spatialstreams）同时传输数据（详见后）引入短保护间隔（ShortGI），从标准的0.8μs缩短为0.4μs，工作周期为3.6μs无线传输存在多径效应，即通过不同途径的传输时延不同为防止前后两个Symbol间产生干扰，需要通过GI进行保护多径效应明显时不建议使用ShortGI由设备和终端协商，不用设定计算示例（以450Mbps为例）：（6bit×5/6×108÷3.6μs）×3=450MbpsMCSIndexSpatialstreamsModulationtypeCodingrateGI=800nsGI=400ns20MHz40MHz20MHz40MHz01BPSK1/26.513.57.215.011QPSK1/213.027.014.430.021QPSK3/419.540.521.745.03116-QAM1/226.054.028.960.04116-QAM3/439.081.043.390.05164-QAM2/352.0108.057.8120.06164-QAM3/458.5121.565.0135.07164-QAM5/665.0135.072.2150.082BPSK1/213.027.014.430.092QPSK1/226.054.028.960.0102QPSK3/439.081.043.390.011216-QAM1/252.0108.057.8120.012216-QAM3/478.0162.086.7180.013264-QAM2/3104.0216.0115.6240.014264-QAM3/4117.0243.0130.0270.015264-QAM5/6130.0270.0144.4300.0163BPSK1/219.540.521.745.0173QPSK1/239.081.043.390.0183QPSK3/458.5121.565.0135.019316-QAM1/278.0162.086.7180.020316-QAM3/4117.0243.0130.0270.021364-QAM2/3156.0324.0173.3360.022364-QAM3/4175.5364.5195.0405.023364-QAM5/6195.0405.0216.7450.0244BPSK1/226.054.028.860.0254QPSK1/252.0108.057.6120.0264QPSK3/478.0162.086.8180.027416-QAM1/2104.0216.0115.6240.028416-QAM3/4156.0324.0173.2360.029464-QAM2/3208.0432.0231.2480.030464-QAM3/4234.0486.0260.0540.031464-QAM5/6260.0540.0288.8600.0321BPSK1/2N/A6.5N/A7.2802.11n关联速率表10Wi-Fi主要技术参数——速率（5）802.11ac进一步扩展调制方式：增加256-QAM信道绑定：频宽为20MHz、40MHz、80MHz、80+80MHz（非连续信道绑定）、160MHz（详见后）子载波数：20MHz有52个，40MHz有108个，80MHz有234个，160MHz和80+80MHz都有468=234×2个MIMO：空间流数量可达8条（详见后）计算示例（以1.3Gbps为例）：（8bit×5/6×234÷3.6μs）×3=1300Mbps小结关联速率由设备与终端自动协商得到，与支持能力和无线环境确定评价指标主要是支持的频段，以及各频