技術(shù)原理：Wifi技術(shù).ppt

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