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文檔簡介

1、目錄,Wi-Fi主要技術(shù)原理,Wi-Fi概念 Wi-Fi是WLAN(無線局域網(wǎng),Wireless Local Area Network)目前最主流的一種技術(shù),基于IEEE 802.11系列協(xié)議。 Wi-Fi的原意是一種認(rèn)證標(biāo)志,通過認(rèn)證的設(shè)備保證能按照802.11協(xié)議相互兼容。全球的認(rèn)證機構(gòu)是Wi-Fi聯(lián)盟(WFA),其前身是WECA(無線以太網(wǎng)兼容性聯(lián)盟,Wireless Ethernet Compatibility Alliance)。 Wi-Fi基本工作原理 半雙工時分系統(tǒng):同一區(qū)域、同一頻點 / 信道、同一時間只有一個設(shè)備能發(fā)送報文 工作模式:主要采用DCF(分布式協(xié)調(diào),Distrib

2、uted Coordination Function),即通過CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突避免,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)技術(shù)來實現(xiàn)信道共享。 類似于以太網(wǎng)802.3協(xié)議中的CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),由于Wi-Fi是半雙工的,所以進行了調(diào)整。 CSMA/CD能檢測沖突,但不能“避免”; CSMA/CA在發(fā)送是不能檢測沖突,只能盡量“避免” 環(huán)境中的Wi-Fi設(shè)備 / 終端多

3、了,整體的傳輸效率就會急速降低,所有時間都被用來傳信令報,無法進行正常的數(shù)據(jù)通信。因此,能搜索到的Wi-Fi信號越多,Wi-Fi環(huán)境就越差。盡管不可能控制終端數(shù)量,但至少應(yīng)該盡量少部署Wi-Fi設(shè)備,降低功率(減小其影響范圍),盡量不要發(fā)布過多的SSID!,Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)頻段(1),頻段:兩個主要頻段2.4GHz,5GHz頻段 2.4GHz 中國開放了13個信道( 2.4022.483 GHz),但北美只開放11個信道,所以建議只使用111信道 適用協(xié)議:802.11b / g / n,其中802.11n支持雙頻工作 2.4GHz是ISM頻段(工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)學(xué)用頻段,Industria

4、l Scientific and Medical Band)中的一段,各國都開放,因此許多無線技術(shù)都采用該頻段(主要有:微波爐、藍(lán)牙和ZigBee、Wi-Fi、車庫門控制器、無繩電話、無線鼠標(biāo)、一些無線家用設(shè)備) 2.4GHz頻段上存在許多非Wi-Fi的干擾源 子信道劃分間隔是5MHz,Wi-Fi的工作頻寬是22MHz,所以相鄰信道的Wi-Fi信號之間有干擾,必須至少間隔5個子信道才相互無干擾,Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)頻段(2),頻段:兩個主要頻段2.4GHz,5GHz頻段(續(xù)1) 5GHz:中國開放了5.8GHz和5.1GHz兩個頻段 5.8GHz(5.7255.850GHz)頻段:含5個互不

5、干擾的子信道(149,153,157,161,165),也屬于ISM頻段 5.1GHz(5.1505.350GHz)頻段:含8個互不干擾的子信道(36,40,44,48,52,56,60,64) 適用協(xié)議:802.11a / n / ac,其中802.11n支持雙頻工作,上圖是美國5GHz頻段的信道劃分;中間的頻段,中國尚未開放。,Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)頻段(3),頻段:兩個主要頻段2.4GHz,5GHz頻段(續(xù)2) 2.4GHz和5GHz頻段 無線信號衰減公式:Los=32.4+20lg(F)+20lg(R) 其中:Los(dB)是衰減,F(xiàn)(MHz)是頻率,R(km)是距離 所以:2.4GH

6、z的衰減慢,穿墻性能好;5GHz的衰減快,穿墻性能差 最早的802.11a / b,分別工作在5GHz和2.4GHz,但考慮到覆蓋能力,之后主要在2.4GHz頻段發(fā)展。直到802.11n開始追求高速率,才又轉(zhuǎn)向5GHz發(fā)展。 穿墻性能好,意味著覆蓋范圍大,但同時也意味著接受干擾源的范圍大 其它頻段 60GHz:802.11ad(WiGig),最高可達(dá)7Gbps,覆蓋距離只有幾米,一般用于鄰近設(shè)備間的超高速傳輸 470710MHz:802.11af(White-Fi / 超級Wi-Fi),使用“在電視頻率之間使用頻率較低的白色空間”即為電視頻道保留的緩沖頻段,占用空間帶寬與現(xiàn)有的廣電頻道帶寬一致

7、,速率可達(dá)426.7Mbps(6/7MHz)和568.9Mbps(8MHz)(采用MIMO+STBC技術(shù),4空間流與4廣電頻道),覆蓋距離可達(dá)1.6公里,缺點是需要廣電放開該頻段 900MHz:802.11ah(Wi-Fi HaLow / Sensor-Fi),使用900MHz(非電視空白頻段),速率為100kbps,覆蓋距離為1公里,低功耗,用于WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò),Wireless Sensor Networks)和IoT(物聯(lián)網(wǎng),Internet of Things),Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)速率(1),關(guān)聯(lián)速率和實際吞吐量 以下描述的都是Wi-Fi的關(guān)聯(lián)速率 在實際傳輸時,由于有Bea

8、con幀(信標(biāo))類的短報文、傳輸延遲、競爭避讓等因素,最大的有效吞吐量只有關(guān)聯(lián)速率的50%! 2、3個設(shè)備以最大關(guān)聯(lián)速率發(fā)送數(shù)據(jù)時,整個無線網(wǎng)絡(luò)利用率最高;設(shè)備數(shù)量再增加,無線網(wǎng)絡(luò)總體的吞吐量會急速下降! 802.11:只有1、2Mbps兩種速率 采用FHSS(跳頻擴頻,F(xiàn)requency Hopping Spread Spectrum)和DSSS(直接序列擴頻,Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù),發(fā)送頻率為1MSps,即每秒發(fā)送1M個 Symbol(符號) Symbol為11bit的Barker碼 采用BPSK(二進制相移鍵控,Binary Phase Sh

9、ift Keying)編碼方式,此時每個Symbol代表1bit,速率為1Mbps 采用QPSK(正交相移鍵控,Quadrature Phase Shift Keying)編碼方式,此時,每個Symbol代表2bit,速率為2Mbps 802.11b:共4種速率,增加5.5、11Mbps兩種速率,向下兼容802.11 采用HR-DSSS(高速直接序列擴頻,High Rate Direct Sequence Spread Spectrum),發(fā)送頻率提高到1.375MSps Symbol為8bit的CCK(補碼鍵控,Complementary Code Keying)碼 采用4序列時,加上四種相

10、位調(diào)制,每個Symbol代表4bit,速率為5.5Mbps 采用64序列時,加上四種相位調(diào)制,每個Symbol代表8bit,速率為11Mbps,Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)速率(2),802.11a/g:支持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps八種速率;802.11g向下兼容802.11b,共12種速率。 采用OFDM(正交頻分復(fù)用,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù),總頻寬20MHz 劃分成64個子載波 前6個、后5個作為保護 中間1個DC不工作 實際工作有52個子載波,其中4個用作導(dǎo)頻(PS,Pilot Signal),48個

11、傳數(shù)據(jù) 工作周期為4s 120MHz=0.05s 0.0564=3.2s 3.2+0.8=4s,其中0.8s為循環(huán)前綴(CP,Cyclic Prefix),用于保護,稱為GI(保護間隔,Guard Interval),Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)速率(3),Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)速率(4),802.11n引入了更多的無線參數(shù) 雙頻工作,在2.4GHz和5GHz采用相同的參數(shù) 用MCS(調(diào)制和編碼策略,Modulation and Coding Scheme)值標(biāo)識一組參數(shù)集 引入信道綁定技術(shù),頻寬可從20MHz擴展到40MHz(詳見后) 子載波數(shù):20MHz有52個子載波,40MHz有108個子載波

12、 編碼效率:最高支持5/6 引入MIMO技術(shù),可用多空間流(spatial streams)同時傳輸數(shù)據(jù)(詳見后) 引入短保護間隔(Short GI),從標(biāo)準(zhǔn)的0.8s縮短為0.4s,工作周期為3.6s 無線傳輸存在多徑效應(yīng),即通過不同途徑的傳輸時延不同 為防止前后兩個Symbol間產(chǎn)生干擾,需要通過GI進行保護 多徑效應(yīng)明顯時不建議使用Short GI 由設(shè)備和終端協(xié)商,不用設(shè)定 計算示例(以450Mbps為例):(6bit 5/6 1083.6s)3=450Mbps,802.11n關(guān)聯(lián)速率表,Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)速率(5),802.11ac進一步擴展 調(diào)制方式:增加256-QAM 信道綁

13、定:頻寬為20MHz、40MHz、80MHz、80+80MHz(非連續(xù)信道綁定)、160MHz(詳見后) 子載波數(shù):20MHz有52個,40MHz有108個,80MHz有234個,160MHz和80+80MHz都有468=2342個 MIMO:空間流數(shù)量可達(dá)8條(詳見后) 計算示例(以1.3Gbps為例):(8bit 5/62343.6s)3=1300Mbps 小結(jié) 關(guān)聯(lián)速率由設(shè)備與終端自動協(xié)商得到,與支持能力和無線環(huán)境確定 評價指標(biāo)主要是支持的頻段,以及各頻段支持的空間流數(shù)量 可在設(shè)備側(cè)配置的與速率相關(guān)的參數(shù):頻寬 主要提速手段:增加頻寬和空間流數(shù)量 調(diào)制方式目前最高能達(dá)到1024-QAM(

14、10bit),編碼效率最高能達(dá)到5/6,提升空間已經(jīng)很?。?02.11ac的MCS9和802.11n相對MCS7僅提升1/3),802.11ac關(guān)聯(lián)速率表(到4條空間流),Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)頻寬,信道綁定(Channel Bonding) 802.11n開始引入,指成倍提升頻寬,在實際操作中即同時占用相鄰信道 802.11n支持20MHz和40MHz兩種頻寬 2.4GHz只有3個(互不干擾的)信道,只支持40MHz(有時寫成HT40,High Throughput),所以802.11n最高只支持40MHz 實際操作中,2.4GHz頻段的干擾已經(jīng)十分嚴(yán)重,強烈建議設(shè)置只啟用20MHz,不啟用

15、信道綁定功能 5.8GHz有5個信道,支持2個40MHz;5.1GHz有8個信道,支持4個40MHz 40MHz分主信道和副信道,顯示為1+5,11-7,149+153,802.11ac支持更高的80MHz和160MHz頻寬 5.8GHz有5個信道,支持1個80MHz,不支持160MHz 新開放的5.1GHz有8個信道,支持1個160MHz或2個80MHz 同樣區(qū)分主、副40MHz信道 有些5GHz不能提供連續(xù)的160MHz,所以有80+80MHz(非連續(xù)信道綁定)模式,但實際使用比160MHz復(fù)雜得多,效率也低,Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)空間流數(shù)量,MIMO(多入多出,Multiple-Inpu

16、t Multiple-Output) MIMO采用空間復(fù)用技術(shù),將數(shù)據(jù)分割成多個平行的數(shù)據(jù)子流并同過多副天線同步傳輸;為了避免被切割的信號不一致,在接收端也采用多個天線同時接收,根據(jù)時間差的因素將分開的各信號重新組合,還原出原本的數(shù)據(jù)。傳輸效率與數(shù)據(jù)子流(空間流)數(shù)量成正比。 與天線分集技術(shù)不同:天線分集技術(shù)是通過多副天線傳輸相同數(shù)據(jù),在接收端接收后加以組合,通過分集增益抗信道衰落。 802.11n協(xié)議最多支持4條空間流;802.11ac協(xié)議最多支持8條空間流 實際上,為了避免不同空間流之間的相互干擾,設(shè)備復(fù)雜度與空間流的數(shù)量成級數(shù)增長 市場上的802.11n設(shè)備最多支持3條空間流,802.1

17、1ac wave2的設(shè)備有支持4條空間流的 市場上的大部分終端只支持1條空間流,高端的筆記本內(nèi)置無線網(wǎng)卡能支持2條空間流,只有MAC設(shè)備和高端外置無線網(wǎng)卡支持3條空間流 802.11ac wave2最大的特點是支持MU-MIMO(多用戶多入多出,Multi-User Multiple-Input Multiple-Output),能進一步提高無線網(wǎng)絡(luò)的利用率 相對的,普通的MIMO也被稱為SU-MIMO(單用戶多入多出,Single-User Multiple-Input Multiple-Output) Wi-Fi是時分系統(tǒng),終端支持的空間流數(shù)量較少,會降低無線網(wǎng)絡(luò)的利用率! 若能同時與多個

18、用戶通信,就充分利用設(shè)備的多空間流,提高無線網(wǎng)絡(luò)的利用率!,Wi-Fi主要技術(shù)參數(shù)MU-MIMO,MU-MIMO(多用戶多入多出,Multi-User Multiple-Input Multiple-Output) MU-MIMO的技術(shù)實現(xiàn)描述: 上行MU-MIMO:不同終端使用相同的時頻資源進行上行發(fā)送。 終端側(cè)基本不需要做改動 設(shè)備側(cè)需要識別各終端并加以區(qū)隔,避免干擾 下行MU-MIMO:設(shè)備使用相同的時頻資源向不同終端進行下行發(fā)送。 終端側(cè)通過消除/零陷(Zero Forcing)算法,分離不同發(fā)送給不同終端的數(shù)據(jù)流 也可以通過在設(shè)備側(cè)采用波束賦形(BF,Beam forming)的方法,提前分離不同用戶的數(shù)據(jù)流,從而簡化設(shè)備

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