WLAN技術(shù)基礎(chǔ)WLAN作為一種無(wú)線通信技術(shù)，和無(wú)線廣播電臺(tái)一樣，都是通過(guò)電磁波在空間中傳輸信息。802.11是IEEE在1997年為WLAN定義的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此后這一標(biāo)準(zhǔn)又不斷得到補(bǔ)充和完善，形成802.11的標(biāo)準(zhǔn)系列，例如802.11、802.11a、802.11b、802.11e、802.11g、802.11i、802.11n、802.11ac以及802.11ax。本章節(jié)主要介紹無(wú)線通信的概念、WLAN關(guān)鍵技術(shù)、802.11標(biāo)準(zhǔn)以及Wi-Fi6技術(shù)等。

學(xué)完本課程后，您將能夠：闡明無(wú)線通信的基本概念。區(qū)分802.11協(xié)議，列舉Wi-Fi世代。說(shuō)明Wi-Fi6的亮點(diǎn)。講述WLAN的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)線通信的基本概念802.11標(biāo)準(zhǔn)介紹WLAN的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線電波無(wú)線電波是電磁波的一種。電磁波又稱為電磁輻射，是指同相振蕩，且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)，在空間中以波的形式傳遞能量和動(dòng)量，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)的振蕩方向，前進(jìn)速度為光速。磁場(chǎng)電場(chǎng)方向波長(zhǎng)振幅頻率是單位時(shí)間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)周期無(wú)線電波的頻率與波長(zhǎng)頻率波長(zhǎng)頻率是單位時(shí)間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，可通俗理解為在單位時(shí)間（如1s）內(nèi)通過(guò)的波的數(shù)量。波長(zhǎng)是波在兩個(gè)相鄰周期上的相同點(diǎn)的距離，也即一個(gè)震動(dòng)周期內(nèi)傳輸?shù)木嚯x，通常用相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離來(lái)表達(dá)。波長(zhǎng)λ=光速/頻率=C/f頻率越高，波長(zhǎng)越短。波長(zhǎng)λ低頻高頻無(wú)線電波的頻率與頻段例：3000Hz例：1013Hz伽馬射線X射線紫外線可見(jiàn)光紅外線微波無(wú)線電波Hz10010210410610810101012101410161018102010221024頻率的分布就是頻譜，上圖顯示的就是“電磁波譜”，按照頻率從高到低的順序，如上圖所示。射頻的頻率范圍稱為頻段。WLAN使用的電磁波是無(wú)線電波。頻段電磁波頻譜與無(wú)線電波電磁波的頻率越高，能量越大，直射能力越強(qiáng)，傳輸過(guò)程中能量衰減越快，傳輸距離越短。無(wú)線電波是由振蕩電路的交變電流產(chǎn)生的，能夠通過(guò)天線發(fā)射和接收，也稱為無(wú)線電、電波、射頻（RadioFrequency，RF）、射頻電波或射電。無(wú)線電磁波是頻率介于3赫茲和約300G赫茲之間的電磁波，也叫作射頻電波，或簡(jiǎn)稱射頻、射電。無(wú)線電技術(shù)將聲音訊號(hào)或其他信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，利用無(wú)線電磁波傳播。WLAN技術(shù)就是通過(guò)無(wú)線電磁波在空間中傳輸信息的，使用的頻段是2.4GHz頻段(2.4GHz~2.4835GHz)和5GHz頻段(5.15GHz~5.35GHz，5.725GHz~5.85GHz)。伽馬射線X射線紫外線可見(jiàn)光紅外線微波無(wú)線電波Hz10010210410610810101012101410161018102010221024極高頻EHF超高頻SHF特高頻UHF甚高頻VHF高頻HF中頻MF低頻LF甚低頻VLF特低頻ULF超低頻SLF極低頻ELF5GHz頻段2.4GHz頻段頻率無(wú)線電波的相位相位是對(duì)于一個(gè)波特定的時(shí)刻在它循環(huán)中的位置，一種對(duì)于它是否在波峰、波谷或它們之間的某點(diǎn)的標(biāo)度，通常以度（角度）或弧度作為單位，也稱作相角。波形循環(huán)一周即為360°2π=360°57.3°=1弧度0°90°180°270°360°相位對(duì)信號(hào)的影響信號(hào)增強(qiáng)信號(hào)減弱2A-2A兩個(gè)頻率相同的無(wú)線信號(hào)在到達(dá)接收端的時(shí)候彼此相位相同，則兩個(gè)信號(hào)會(huì)疊加，信號(hào)增強(qiáng)。A-A頻率為f的無(wú)線信號(hào)A-A頻率為f的無(wú)線信號(hào)A-A頻率為f的無(wú)線信號(hào)A-A頻率為f的無(wú)線信號(hào)0兩個(gè)頻率相同的無(wú)線信號(hào)在到達(dá)接收端的時(shí)候彼此相位相反，即相差180°，則兩個(gè)信號(hào)會(huì)衰減，信號(hào)減弱。無(wú)線通信系統(tǒng)信源編碼調(diào)制信道（傳輸通道）解調(diào)解碼信宿發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信息可以是圖像、文字、聲音等。信息需要先經(jīng)過(guò)信源編碼轉(zhuǎn)換為便于電路計(jì)算和處理的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信道編碼和調(diào)制，轉(zhuǎn)換為無(wú)線電波發(fā)射出去。其中發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備使用接口和信道連接，對(duì)于有線通信很容易理解，設(shè)備上的接口是可見(jiàn)的，連接可見(jiàn)的線纜，而對(duì)于無(wú)線通信，接口是不可見(jiàn)的，連接著不可見(jiàn)的空間，稱為空口（空間接口）。編碼信源編碼將最原始的信息，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的編碼，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。保證不失真的情況下，最大限度壓縮信息。不同類型的信息，需要不同的編碼方式處理，例如H.264就是視頻的一種編碼方式。信道編碼信道編碼是一種對(duì)信息糾錯(cuò)、檢錯(cuò)的技術(shù)，可以提升信道傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ胄诺谰幋a能夠在接收設(shè)備上最大程度地恢復(fù)信息，降低誤碼率。信道編碼需在原始信息中增加冗余信息，所以經(jīng)過(guò)信道編碼后，信息長(zhǎng)度會(huì)有所增加。原始信息的占比可以用編碼效率表示，簡(jiǎn)稱碼率，即編碼前后的比特?cái)?shù)量比。信道編碼不能提升有效信息的傳輸速率，反而會(huì)有所降低，但提高了有效信息傳輸?shù)某晒β?。所以通信協(xié)議選擇合適的編碼，就可以在性能和有效中獲得最佳的效果。信源編碼調(diào)制信道（傳輸通道）解調(diào)解碼信宿發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信源編碼信道編碼調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：將各種數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(hào)。分為：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。解調(diào)：在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號(hào)還原成數(shù)字基帶信號(hào)。三大調(diào)制方式數(shù)字信號(hào)調(diào)幅(AM)調(diào)頻(FM)調(diào)相(PM)解調(diào)過(guò)程與調(diào)制相反，接收到的調(diào)制后的信息，還原成數(shù)字信號(hào)。載波載波，是一個(gè)特定頻率的無(wú)線電波，單位Hz，是一種頻率、振幅或相位被調(diào)制用以傳輸語(yǔ)言、音樂(lè)、圖象或其它信號(hào)的電磁波。無(wú)線通信的基礎(chǔ)是載波，基本的載波如下圖所示，這個(gè)信號(hào)在發(fā)射器部分產(chǎn)生，并不帶有任何信息，在接收器部分也作為不變的信號(hào)出現(xiàn)。APSTA構(gòu)成數(shù)據(jù)的最小單位是比特，發(fā)射機(jī)采用某種方式發(fā)送0和1，以便在兩地之間傳輸數(shù)據(jù)。交流或直流信號(hào)本身不具備傳輸數(shù)據(jù)的能力，不過(guò)如果信號(hào)發(fā)生哪怕是微小的波動(dòng)或變化，發(fā)送端和接收端就可以將信號(hào)解析出來(lái)，從而成功地收發(fā)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可以區(qū)分0和1，一般將其稱為載波信號(hào)。調(diào)整信號(hào)以產(chǎn)生載波信號(hào)的過(guò)程稱為調(diào)制。子載波一個(gè)信道就是一個(gè)特定頻率的無(wú)線電波，每個(gè)用戶用來(lái)收/發(fā)信息的時(shí)候都是用一頻率承載信息。子載波，就是多載波通信中的一個(gè)子信道。OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，主要是將指定信道分成若干子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波是并行傳輸，可以有效提高信道的頻譜利用率。輸入數(shù)據(jù)：100

1

010010

10

010

1

0

1…子載波1:110001100101…

子載波2:000110001000…子載波3:011001110110…未使用OFDM，單信道單載波傳輸使用OFDM，單信道劃分多子信道，多子載波并行傳輸信道的概念雙射頻AP2.4G5G信道的概念：信道是傳輸信息的通道，無(wú)線信道就是空間中無(wú)線電波傳輸信息的通道。無(wú)線電波無(wú)處不在，如果隨意使用頻譜資源，那將帶來(lái)無(wú)窮無(wú)盡的干擾問(wèn)題，所以無(wú)線通信協(xié)議除了要定義出允許使用的頻段，還要精確劃分出頻率范圍，每個(gè)頻率范圍就是信道。重疊信道：例如信道1和2互為重疊信道，在一個(gè)空間內(nèi)同時(shí)存在重疊信道，則會(huì)產(chǎn)生干擾問(wèn)題。非重疊信道：指頻段范圍不重疊的信道。在傳統(tǒng)認(rèn)知上，2.4GHz只有1、6和11才是非重疊信道，但是由于802.11b（頻寬22MHz）已經(jīng)淡出WLAN網(wǎng)絡(luò)，不考慮兼容性問(wèn)題，通常情況下，可以認(rèn)為1、5、9和13信道也是非重疊信道。頻寬20MHz12.41222.41732.42242.42752.43262.43772.44282.44792.452102.457112.462122.467132.472142.484信道：形象地理解信道12345信道AP1AP2相鄰的AP，在同一個(gè)空間中，需使用不重疊信道STA2STA1同一個(gè)空間67142.4GHz&5GHz頻段的信道2.4GHz頻段被劃分為14個(gè)有重疊的、頻率寬度是20MHz的信道（802.11b除外），現(xiàn)網(wǎng)常用的非重疊信道為1、5、9和13。2.4GHz頻段所劃分的信道對(duì)于5G頻段，頻率資源更為豐富，有大量的非重疊信道，各國(guó)對(duì)Wi-Fi可用的5GHz的頻段范圍略有不同，在中國(guó)，可以使用的信道的非重疊信道由13個(gè)5GHz頻段所劃分的信道（不重疊）3640444852566064100104……1161201281281321361401441491531571611655170MHz5330MHz5490MHz5730MHz5735MHz5835MHz頻寬20MHz12.41222.41732.42242.42752.43262.43772.44282.44792.452102.457112.462122.467132.472142.484信道：灰色的信道在中國(guó)不可用5250MHzUNII-1UNII-2UNII-3UNII-2Extend信道綁定通過(guò)將相鄰的兩個(gè)甚至多個(gè)不重疊信道綁定到一起，作為一個(gè)信道來(lái)使用，可以使傳輸速率成倍提高。對(duì)于無(wú)線技術(shù)，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。就好比是馬路變寬了，車輛的通行能力自然提高。802.11標(biāo)準(zhǔn)，空口大部分都工作在20MHz頻寬，通過(guò)將相鄰的兩個(gè)20MHz信道綁定成40MHz，使傳輸速率成倍提高，從802.11ac開(kāi)始，可以實(shí)現(xiàn)將8個(gè)信道捆綁成160MHz，傳輸速率也正式突破千兆。149153157161165信道同一個(gè)空間149綁定后的信道153射頻、頻段、天線WLAN使用的電磁波是無(wú)線電波。無(wú)線電波是由振蕩電路的交變電流產(chǎn)生的，能夠通過(guò)天線發(fā)射和接收，也稱為無(wú)線電、電波、射頻、射頻電波或射電。射頻的頻率范圍稱為頻段。天線是一種變換器，把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在空間中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換，是在無(wú)線電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接收電磁波的部件。2.4GHz電磁波AP天線什么是空間流無(wú)線電在同一時(shí)間發(fā)送多個(gè)信號(hào)，每一份信號(hào)都是一個(gè)空間流?？臻g流使用發(fā)射端的天線進(jìn)行發(fā)送，每個(gè)空間流通過(guò)不同的路徑到達(dá)接收端。無(wú)線系統(tǒng)能夠發(fā)送和接收空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來(lái)自不同空間方位的信號(hào)。通常情況下，一個(gè)發(fā)送天線和一個(gè)接收天線間可以建立一個(gè)空間流，比如說(shuō)AP有4個(gè)天線，接受的STA也有4個(gè)天線，那么同時(shí)就有4個(gè)空間流。由于802.11ac及802.11ax協(xié)議規(guī)定一個(gè)射頻最大8個(gè)空間流，在這種情況下，就算有12個(gè)天線，也只能有8個(gè)空間流?？臻g流傳輸路徑天線AP無(wú)線網(wǎng)卡什么是單射頻、雙射頻及三射頻AP單射頻AP射頻工作在2.4GHz或者5GHz，適用于終端統(tǒng)一的使用場(chǎng)景。單射頻雙射頻三射頻三射頻AP，兩個(gè)射頻工作在5GHz，一個(gè)射頻工作在2.4GHz，主要適用于普教電子教室、高密、商超等場(chǎng)景。雙射頻AP射頻工作在2.4GHz以及5GHz，目前主流使用于各大WLAN場(chǎng)景。2.4GHz或5GHz2.4GHz5GHz5GHz5GHz2.4GHz一個(gè)射頻模塊可以使用多個(gè)天線，實(shí)現(xiàn)AP與終端之間可以多空間流交互數(shù)據(jù)，提升傳輸速率。干擾在通信領(lǐng)域中，信號(hào)是表示消息的物理量，如電信號(hào)可以通過(guò)幅度、頻率、相位的變化來(lái)表示不同的消息。干擾是指對(duì)有用信號(hào)的接收造成損傷。紅外遙控器微波爐無(wú)繩電話非Wi-Fi設(shè)備干擾雷達(dá)Wi-Fi設(shè)備干擾合法AP非法AP在與合法AP采用的相同信道上釋放信號(hào)非法AP、釋放無(wú)線信號(hào)的PC（Ad-Hoc）等Wi-Fi設(shè)備都可能對(duì)環(huán)境中的Wi-Fi造成干擾Wi-Fi設(shè)備干擾一般是在一定的空間內(nèi)存在大量AP的場(chǎng)景，當(dāng)未進(jìn)行信道優(yōu)化或不重疊信道不足時(shí)，產(chǎn)生的同信道干擾釋放合法的信號(hào)干擾與信道利用率信道利用率，也叫信道的效率。對(duì)發(fā)送方而言，發(fā)送方在一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)，有效地發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間占整個(gè)發(fā)送周期的比率。信道利用率=信道繁忙的時(shí)間/周期時(shí)間WLAN干擾加劇了沖突與退避：多個(gè)設(shè)備同時(shí)傳輸造成空口碰撞時(shí)，接收端無(wú)法正常解析報(bào)文，發(fā)送端重傳退避使得空閑等待時(shí)長(zhǎng)拉長(zhǎng)，降低信道占用率。AP1STA2：其他設(shè)備正在用信道1，只能等一會(huì)了..STA1信道1STA2STA1與AP1通信占用信道1理論速率與實(shí)現(xiàn)速率WLAN理論速率指的是在某個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下，理論計(jì)算出的該標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到的最高傳輸速率。比如802.11acWave2的理論速率可以達(dá)到6.9Gbps。WLAN實(shí)現(xiàn)速率指的是廠商基于某個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品能夠達(dá)到的最高速率。版本年份2.4GHz5GHz協(xié)議最高速率華為實(shí)現(xiàn)最高速率Wi-Fi4802.11n2009√√2.4GHz:450Mbps5GHz:600Mbps2.4GHz:450Mbps5GHz:600MbpsWi-Fi5802.11acWave12013-√3.74Gbps1.3Gbps802.11acWave22015-√6.9Gbps1.73GbpsWi-Fi6802.11ax2019√√2.4GHz:1.15Gbps5GHz:9.6Gbps2.4GHz:1.15Gbps5GHz:9.6Gbps無(wú)線通信的基本概念802.11標(biāo)準(zhǔn)介紹WLAN的關(guān)鍵技術(shù)IEEE802.11協(xié)議族成員物理層802.11802.11b802.11g?

Mbps11Mbps54MbpsMAC層802.11a54Mbps802.11n600Mbps802.11ac802.11ac6.9Gbps9.6Gbps802.11e802.11h802.11iQoS動(dòng)態(tài)調(diào)制DFS傳輸功率控制TPC無(wú)線安全標(biāo)準(zhǔn)802.11r無(wú)縫漫游技術(shù)802.11sMesh2018年10月，Wi-Fi聯(lián)盟對(duì)不同Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)指定了新的命名，802.11ax被命名為Wi-Fi6，Wi-Fi4之前不做時(shí)代命名。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)與Wi-Fi的世代標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布年份頻段物理層技術(shù)編碼方式空間流數(shù)信道帶寬(MHz)理論速率-802.1119972.4GHzIR、FHSS和DSSS--202Mbps-802.11b19992.4GHZDSSS/CCK--2211Mbps-802.11a19995GHzOFDM--2054Mbps-802.11g20032.4GHzOFDM64-QAM-2054MbpsWi-Fi4802.11n20092.4GHz或5GHzOFDMDSSS/CCK64-QAM420、402.4GHz:450Mbps5GHz:600MbpsWi-Fi5802.11acWave120135GHzOFDMSU-MIMO64-QAM4+420、403.74Gbps802.11acWave220155GHzOFDM下行MU-MIMO256-QAM820、40、80、160和80+806.9GbpsWi-Fi6802.11ax20192.4GHz或5GHzOFDMA下行MU-MIMO上行MU-MIMO1024-QAM4+820、40、80、160和80+802.4GHz:1.15Gbps5GHz:9.6Gbps802.11a/b/g802.11a，5GHz采用正交頻分復(fù)用（OFDM）支持6,9,12,18,24,36,48&54Mbps數(shù)據(jù)速率工作在無(wú)需許可的5GHz頻段，可使用23個(gè)非重疊信道802.11b，2.4GHz采用直序擴(kuò)頻（DSSS）支持1,2,5.5&11Mbps數(shù)據(jù)速率802.11b的頻寬為22MHz802.11g，2.4GHz采用正交頻分復(fù)用(OFDM)支持6,9,12,18,24,36,48&54Mbps數(shù)據(jù)速率以及802.11b速率兼容802.11b終端802.11n華為802.11n無(wú)線AP（天線外置款）高效的MAC層ShortGI短幀間隔OFDM改進(jìn)FEC前向糾錯(cuò)MIMO多輸入多輸出40MHz信道綁定幀聚合BlockAck塊確認(rèn)增強(qiáng)的物理層IEEE802.11工作組于2002年成立了高吞吐量（HighThroughput，HT）研究組著手制定新一代標(biāo)準(zhǔn)，并于2009年正式頒布基于MIMO-OFDM的802.11n標(biāo)準(zhǔn)，其最顯著的是在速率上較之前標(biāo)準(zhǔn)有了突破性的發(fā)展。頻段802.11標(biāo)準(zhǔn)及最大理論速率2.4GHz80.211g54Mbps802.11n

450Mbps5GHz80.211a54Mbps802.11n

600Mbps802.11n采用多項(xiàng)新技術(shù)，帶來(lái)了全新的用戶體驗(yàn)，極大推動(dòng)了WLAN產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也使得Wi-Fi的概念深入人心，到現(xiàn)在仍然有大量的802.11n終端在網(wǎng)使用。全新技術(shù)802.11n802.11n關(guān)鍵技術(shù)更多的空間流更寬的信道更短的GI更高編碼比率更多子載波802.11g300/450/600Mbps150Mbps72.2Mbps65Mbps58.5Mbps54Mbps在20MHz信道下，子載波由48->52編碼比率由3/4->5/6GI由0.8us->0.4us頻寬可由20MHz->40MHz，子載波由52->108空間流可由單空間流->2/3/4空間流802.11ac華為802.11ac無(wú)線APIEEE802.11工作組在2014年正式頒布了802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，又稱為非常高吞吐量（VeryHighThroughput，VHT）標(biāo)準(zhǔn)，WLAN速率正式邁入千兆領(lǐng)域，值得注意的是該標(biāo)準(zhǔn)僅支持在5GHz頻段工作。頻段802.11標(biāo)準(zhǔn)及最大理論速率2.4GHz802.11n450Mbps不支持5GHz802.11n600Mbps802.11acwave2

6.9Gbps在過(guò)去的幾代WIFI標(biāo)準(zhǔn)中，吞吐率是一直追求的目標(biāo)。802.11ac為了實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上有了新的突破，在802.11n基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步將支持的空間流數(shù)從4增加到8，信道帶寬從40MHz增加到160MHz，更定義了MU-MIMO技術(shù)，支持下行多用戶并行傳輸。高效的MAC層MU-MIMO下行160MHz信道綁定A-MPDU拓展RTS/CTS拓展增強(qiáng)的物理層全新技術(shù)802.11ac802.11ax華為802.11ax無(wú)線APIEEE802.11ax，Wi-Fi聯(lián)盟稱為Wi-Fi6，又稱為高效率無(wú)線局域網(wǎng)（HighEfficiencyWLAN，縮寫(xiě)HEW），是無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，11ax支持2.4GHz和5GHz頻段，兼容802.11a/b/g/n/ac。802.11ax為了實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，在采納了大多數(shù)的802.11ac技術(shù)之上，又重新定義了OFDMA調(diào)制與復(fù)用技術(shù)，支持更窄的子載波間隔，并使用了1024-QAM調(diào)制模式，同時(shí)還新引入上行MU-MIMO技術(shù)，使得Wi-Fi6AP的整機(jī)理論速率突破10Gbps的同時(shí)，進(jìn)一步提升高密場(chǎng)景下的吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。頻段802.11標(biāo)準(zhǔn)及最大理論速率2.4GHz802.11n450Mbps802.11ax1.15

Gbps5GHz802.11acwave26.9Gbps802.11ax9.6

Gbps高效的MAC層8x8MU-MIMO

DL/ULOFDMADL/UL基本服務(wù)集著色雙NAV機(jī)制增強(qiáng)的物理層全新技術(shù)1024-QAM目標(biāo)喚醒時(shí)間Wi-Fi6理論速率計(jì)算有效子載波數(shù)量11ac及之前11axFFT64階256階子載波帶寬312.5KHz78.125KHz有效子載波數(shù)量20MHz5223440MHz10846880MHz234980160MHz4681960編碼方式與碼率速率調(diào)制方式子載波碼率VMCS8256-QAM83/4VMCS9256-QAM85/6VMCS101024-QAM103/4VMCS111024-QAM105/6Symbol與GI長(zhǎng)度11ac及之前11axFFT64階256階子載波帶寬312.5KHz78.125KHzSymbol長(zhǎng)度3.2us12.8usShortGI0.4us/GI0.8

us0.8us2*GI/1.6us4*GI/3.2us

2.4GHz最大40MHz5GHz最大160MHz空口建鏈速率11axMIMO8*8GI1024QAM5/6信道編碼率160MHz，1960個(gè)有效子載波（5GHz）40MHz，468個(gè)有效子載波（2.4GHz）為什么802.11ax不能使用ShortGI技術(shù)呢？

Wi-Fi6理論速率計(jì)算Wi-Fi6理論速率計(jì)算無(wú)線通信的基本概念802.11標(biāo)準(zhǔn)介紹WLAN的關(guān)鍵技術(shù)IEEE802與TCP/IP對(duì)等模型WLAN是一種基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)。802.11標(biāo)準(zhǔn)聚焦在TCP/IP對(duì)等模型的下兩層：數(shù)據(jù)鏈路層：主要負(fù)責(zé)信道接入、尋址、數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)、錯(cuò)誤檢測(cè)、安全機(jī)制等內(nèi)容。物理層：主要負(fù)責(zé)在空口（空中接口）中傳輸比特流，例如規(guī)定所使用的頻段等。數(shù)據(jù)鏈路層物理層LLC子層MAC子層802.2Logicallinkcontrol(LLC)802.11MAC802.1Management802OverviewandArchitecture802.3PHY802.3MAC802.5PHY802.5MAC802.11FHSSPHY802.11DSSSPHY802.11aOFDMPHY802.11bHR/DSSSPHY802.11gERPPHYWLAN關(guān)鍵技術(shù)概覽WLANMAC關(guān)鍵技術(shù)CSMA/CARTS/CTS信道綁定MIMOWLAN物理層關(guān)鍵技術(shù)OFDM正交頻分復(fù)用OFDMA正交頻分多址幀間間隔幀聚合技術(shù)塊確認(rèn)技術(shù)802.11物理層技術(shù)802.11所采用的無(wú)線電物理層使用了三種不同的技術(shù)：跳頻（Frequencyhopping，簡(jiǎn)稱FH或FHSS）；直接序列（Directsequence，簡(jiǎn)稱DS或DSSS）；正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，簡(jiǎn)稱OFDM）。OFDM

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用）OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，其主要思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。各子載波相互正交，擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，不但減少了子載波間的相互干擾，還提高了頻譜利用率。當(dāng)一個(gè)子載波到達(dá)波峰的時(shí)候，另一子載波幅度為0，即為兩個(gè)子載波正交無(wú)干擾。振幅頻率OFDM之所以能夠使用相互重疊的子載波，是因?yàn)槎x了副載波，因此可以輕易區(qū)分彼此。如圖：信號(hào)分為三個(gè)副載波，每個(gè)副載波的波峰均作為數(shù)據(jù)編碼之用，如圖中上方標(biāo)示的圓點(diǎn)。這些副載波之間經(jīng)過(guò)刻意設(shè)計(jì)，彼此之間保持正交關(guān)系。注意每個(gè)副載波的波峰，此時(shí)其他兩個(gè)副載波的振幅均為0。20MHz20MHz20MHz20MHz20MHz20MHz20MHz20MHz30MHzOFDM5GHz信道示例5150535030MHz頻率(MHz)53205260524052205200528053005180每個(gè)子載波312.5kHz48個(gè)子信道用來(lái)傳數(shù)據(jù),4個(gè)子信道用來(lái)做相位參考OFDM子信道調(diào)制技術(shù)OFDM調(diào)制方式BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）二進(jìn)制相移鍵控QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying）正交相移鍵控QAM（QuadratureAmplitudeModulation）正交幅度調(diào)制QAM同時(shí)利用了載波的振幅和相位來(lái)傳遞信息相位振幅Wi-Fi5256QAM星座圖Wi-Fi61024-QAM相位振幅1024QAM:相比于256QAM，每條空間流速率提升25%。OFDMA頻分復(fù)用技術(shù)(1)OFDMA是正交頻分多址技術(shù)，同樣是通過(guò)不同的頻率區(qū)分不同的用戶。但是與傳統(tǒng)FDMA相比，OFDMA的頻譜利用率有很大的提升。OFDMA實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，增加了空口效率，大大減少了應(yīng)用的延遲，同時(shí)也降低了用戶的沖突退避概念。Wi-Fi5OFDM4個(gè)用戶是通過(guò)不同時(shí)間片段分別占用信道資源的。一個(gè)時(shí)間片段里，一個(gè)用戶完整占據(jù)全部的子載波，并發(fā)送數(shù)據(jù)包。Wi-Fi6OFDMA4個(gè)用戶的數(shù)據(jù)是分別承載在每一個(gè)RU上的，故從總的時(shí)頻資源上來(lái)看，同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，可以支持多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)數(shù)據(jù)。資源單位RU：802.11ax將現(xiàn)有的20MHz、40MHz、80MHz以及160MHz帶寬劃分成若干個(gè)不同的資源單元（RU）。一共定義了7種RU類型，分別是26-toneRU、52-toneRU、106-toneRU、242-toneRU、484-toneRU、996-toneRU和2x996-toneRU，一個(gè)用戶可以同時(shí)使用多個(gè)RU來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，比如以80MHz的頻寬為例，最多可以分成37個(gè)資源單元，同時(shí)供37個(gè)用戶并發(fā)。tf信道帶寬符號(hào)時(shí)長(zhǎng)STA1STA2STA3STA4tfRUOFDMA頻分復(fù)用技術(shù)(2)OFDMA在頻域上將無(wú)線信道劃分為多個(gè)子信道（子載波），形成一個(gè)個(gè)頻率資源塊，用戶數(shù)據(jù)承載在每個(gè)資源塊上，而不是占用整個(gè)信道，從而實(shí)現(xiàn)在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)多個(gè)用戶同時(shí)并行傳輸，不必排隊(duì)等待、相互競(jìng)爭(zhēng)，提升了效率，降低了排隊(duì)等待時(shí)延。因此OFDMA特別適合傳輸大量小數(shù)據(jù)包的多用戶場(chǎng)景，例如物聯(lián)網(wǎng)或語(yǔ)音等?！璚i-Fi5234個(gè)子載波Wi-Fi6980個(gè)子載波（HT80）OFDMOFDMAairtimeefficiency用戶1(視頻)用戶2(語(yǔ)音)用戶3(數(shù)據(jù))OFDMA頻分復(fù)用技術(shù)(3)OFDMA是通過(guò)將整個(gè)信道資源劃分成多個(gè)子載波（也可稱為子信道），子載波又按不同RU(ResourceUnit)類型被分成若干組，每個(gè)用戶可以占用一組或多組RU以滿足不同帶寬需求的業(yè)務(wù)。下表顯示了不同信道帶寬下的最大RU數(shù)：RUTypeCBW20CBW40CBW80CBW160andCBW80+8026-subcarrierRU918377452-subcarrierRU481632106-subcarrierRU24816242-subcarrierRU1-SU/MU-MIMO248484-subcarrierRUN/A1-SU/MU-MIMO24996-subcarrierRUN/AN/A1-SU/MU-MIMO22*996-subcarrierRUN/AN/AN/A1-SU/MU-MIMO802.11MAC層WLAN的信道由各個(gè)站點(diǎn)共用，同時(shí)只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需要一個(gè)信道的分配機(jī)制，協(xié)調(diào)WLAN的各站點(diǎn)在什么時(shí)間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。802.11在MAC層提出了兩種協(xié)調(diào)方式：分布式協(xié)調(diào)功能（DistributedCoordinationFunction，DCF）：使用載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)/沖突避免（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA/CA）機(jī)制，每個(gè)站點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)信道來(lái)獲取數(shù)據(jù)的發(fā)送權(quán)；點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PointCoordinationFunction，PCF）：使用集中控制的接入算法，用類似輪詢的方法把數(shù)據(jù)的發(fā)送權(quán)輪流交給各站點(diǎn)，從而避免碰撞沖突。MAC層點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF（PointCoordinationFunction）分布協(xié)調(diào)功能DCF(CSMA/CA)無(wú)爭(zhēng)用服務(wù)（選用）爭(zhēng)用服務(wù)（必須實(shí)現(xiàn)）DCF是必選，PCF是可選，業(yè)界普遍采用DCF方式，CSMA/CA是DCF的核心機(jī)制。什么是CSMA/CACSMA/CA802.11無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測(cè)碰撞會(huì)浪費(fèi)寶貴的傳輸資源，所需代價(jià)較大，因此802.11轉(zhuǎn)而使用沖突避免（CSMA/CA）機(jī)制。CS：載波偵聽(tīng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行偵聽(tīng)，以確保線路空閑，減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)。MA：多址訪問(wèn)，每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以同時(shí)被多個(gè)站點(diǎn)接收。CA：CollisionAvoidance，沖突避免，是碰撞避免的意思，或者說(shuō)，協(xié)議的設(shè)計(jì)是要盡量減少碰撞發(fā)生的概率。CSMA/CACS載波偵聽(tīng)MA多址訪問(wèn)CA沖突避免RTS/CTSRTS/CTS（RequestToSend/ClearToSend，請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送）協(xié)議是被802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用的一種用來(lái)減少節(jié)點(diǎn)問(wèn)題所造成的沖突機(jī)制。

RTS幀的作用：預(yù)約鏈路使用權(quán)；其他收到該RTS的STA保持沉默。

CTS幀作用：用于AP

答復(fù)RTS幀；其他收到該CTS的STA保持沉默。RTS/CTS的核心思想就是：允許發(fā)送端預(yù)留信道，通過(guò)小的預(yù)留包（RTS/CTS）來(lái)避免后續(xù)較大數(shù)據(jù)幀的碰撞。APSTA21STA1RTSCTSACK234CTS數(shù)據(jù)幀保持沉默AP答復(fù)STA1的CTS采用廣播發(fā)送，因此STA2也會(huì)收到幀間間隔幀間間隔(InterframeSpace，IFS）為了盡量避免碰撞，802.11規(guī)定所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時(shí)間（繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)）才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)間通稱為IFS。幀間間隔長(zhǎng)度取決于欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級(jí)幀需要等待的時(shí)間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)，而低優(yōu)先級(jí)幀必須等待較長(zhǎng)的時(shí)間。若低優(yōu)先級(jí)幀還沒(méi)來(lái)得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級(jí)幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)，因而低優(yōu)先級(jí)幀就只能再推遲發(fā)送了，這樣就減少了發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)。SIFSDIFSSIFS（ShortIFS，短幀間間隔）：等待時(shí)間短，16us（802.11ax），優(yōu)先級(jí)高。隔開(kāi)屬于一次對(duì)話的各幀。在這段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)站應(yīng)當(dāng)能夠從發(fā)送方式切換到接收方式。使用SIFS的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，例如：ACK幀，CTS幀和控制幀等。DIFS（DistributecoordinationfunctionIFS，分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔）：等待時(shí)間長(zhǎng)，優(yōu)先級(jí)低。在DCF方式中用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS是競(jìng)爭(zhēng)式服務(wù)中最短的媒體閑置時(shí)間。如果媒介閑置時(shí)間長(zhǎng)于DIFS，則工作站可以立即對(duì)媒體進(jìn)行訪問(wèn)。CSMA/CA協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)在802.11標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了在物理層的空中接口進(jìn)行物理層的載波監(jiān)聽(tīng)。當(dāng)STA發(fā)送它的第一個(gè)MAC幀時(shí)，若檢測(cè)到信道空閑，則在等待一段時(shí)間DIFS后就開(kāi)始發(fā)送第一個(gè)幀。當(dāng)一個(gè)STA檢測(cè)到正在信道中傳送的MAC幀首部的“持續(xù)時(shí)間”字段時(shí)，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV（NetworkAllocationVector)。NAV指出了必須經(jīng)過(guò)多少時(shí)間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。信道空閑STADIFSRTS數(shù)據(jù)CTSSIFSSIFSSIFSACKNAV（RTS）NAV（CTS）NAV（數(shù)據(jù)）退避DIFS爭(zhēng)用窗口，退避時(shí)間時(shí)間時(shí)間AP其他STA有幀要發(fā)送虛擬載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制CSMA/CA協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)802.11的隨機(jī)退避機(jī)制802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，退避時(shí)間必須是整數(shù)倍的時(shí)隙時(shí)間，第i次退避就在22+i個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)地選擇一個(gè)，i≤6，最短退避時(shí)間為退避窗口。1個(gè)時(shí)隙退避窗口8個(gè)時(shí)隙時(shí)間STA1STA2STA3STA47個(gè)時(shí)隙2個(gè)時(shí)隙3個(gè)時(shí)隙16個(gè)時(shí)隙5個(gè)時(shí)隙當(dāng)退避計(jì)時(shí)器的時(shí)間減小到零時(shí)，STA3就開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。23退避窗口1個(gè)時(shí)隙9個(gè)時(shí)隙（剛剛發(fā)完數(shù)據(jù)，第二次退避會(huì)在16個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)選擇一個(gè)）6個(gè)時(shí)隙5個(gè)時(shí)隙……4DIFSDIFS凍結(jié)時(shí)間凍結(jié)時(shí)間凍結(jié)時(shí)間（第一次退避會(huì)在8個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)選擇一個(gè)）8個(gè)時(shí)隙4個(gè)時(shí)隙5個(gè)時(shí)隙當(dāng)退避計(jì)時(shí)器的時(shí)間減小到零時(shí)，STA4就開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。123GIGIGI4…123GIGIGI4…DIFSRTS/CTS-隱藏節(jié)點(diǎn)隱藏節(jié)點(diǎn)是指在AP的覆蓋范圍內(nèi)，但是在某個(gè)STA的覆蓋范圍外的其他STA。STA1APRTS1STA1發(fā)送RTS來(lái)預(yù)約對(duì)信道的訪問(wèn)；3STA2收到AP發(fā)送的CTS，被告知當(dāng)前信道繁忙，所以STA2會(huì)保持安靜，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。STA1和STA2互為隱藏節(jié)點(diǎn)21STA2AP收到RTS后，廣播一個(gè)CTS幀作為回應(yīng)；CTS2CTS23保持靜默3開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)3STA1收到AP發(fā)送的CTS，準(zhǔn)備開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)；由于距離太遠(yuǎn)而導(dǎo)致一個(gè)站點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到介質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的存在，上圖中STA1和STA2由于距離過(guò)遠(yuǎn)無(wú)法檢測(cè)到彼此的存在。RTS/CTS-暴露節(jié)點(diǎn)暴露節(jié)點(diǎn)是指在STA的覆蓋范圍內(nèi)而在AP的覆蓋范圍外的其他STA。AP1STA2STA1AP2CTSRTSRTS1STA1廣播發(fā)送RTS來(lái)預(yù)約對(duì)信道的訪問(wèn)；4STA1和STA2為暴露節(jié)點(diǎn)2AP收到RTS后，廣播一個(gè)CTS幀作為回應(yīng)；3STA2收到STA1發(fā)送的RTS，但沒(méi)有收到AP1發(fā)來(lái)的CTS；121STA2廣播發(fā)送RTS來(lái)預(yù)約對(duì)信道的訪問(wèn)。4RTS4RTS2.4GHz信道綁定信道捆綁是指將相鄰的兩個(gè)不重疊20MHz信道綁定成40MHz，使傳輸速率成倍提高，例如信道1和信道5捆綁，信道9和信道13捆綁。在實(shí)際工作中，一個(gè)為主帶寬，一個(gè)為次帶寬，主信道發(fā)送beacon報(bào)文和部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)文，輔信道發(fā)送其他報(bào)文。信道捆綁40MHz頻寬20MHz12.41222.41732.42242.42752.43262.43772.44282.44792.452102.457112.462122.467132.472142.484信道：信道捆綁40MHz2.4GHz頻段最大只能實(shí)現(xiàn)40MHz的信道捆綁頻寬5GHz信道綁定364044485256606410010410811211612012812813213614014414915315716116520MHz40MHz80MHz160MHz160MHz(80+80)5170MHz5330MHz5490MHz5730MHz5735MHz5835MHz802.11a802.11n802.11ac/802.11ax40MHz信道是將兩個(gè)相鄰的20MHz信道捆綁在一起形成的。其中一個(gè)是主信道，另一個(gè)是輔信道。例如當(dāng)前信道是149，配成40M頻寬需要疊加另外一個(gè)信道，就是149+153兩個(gè)信道組成的40MHz頻寬，149plus表示40MHz信道是由中心頻率149所在的20MHz信道，加上中心頻率153所在的20MHz信道捆綁結(jié)合。80MHz信道是將兩個(gè)相鄰的40MHz信道捆綁在一起形成的，160MHz信道是將兩個(gè)相鄰的80MHz信道捆綁在一起形成的。管理報(bào)文和控制報(bào)文只能在主信道發(fā)送，只有當(dāng)主信道空閑時(shí)，整個(gè)信道才是空閑狀態(tài)。若捆綁兩個(gè)相鄰的20MHz信道時(shí)，輔助20MHz帶寬的中心頻率低于主信道的中心頻率，則為plus，反之則為minusSISO、MISO、SIMO及MIMO發(fā)送天線接收天線SISO（單入單出）發(fā)射天線和接收天線之間的路徑是唯一的，傳輸?shù)氖?份信號(hào)，我們把每1份信號(hào)定義為1條空間流。發(fā)送天線接收天線MISO（多入單出）發(fā)射天線和接收天線之間有兩條路徑，但接收天線只有一個(gè)，這就導(dǎo)