3. WiFi基本原理

04-11 阅读 0评论

1. WiFi简介

WiFi的全称是Wireless Fidelity。它是一种无线网络通信技术，由Wi-Fi联盟拥有，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性，允许电子设备在没有物理连接的情况下进行高速数据传输。此外，WiFi也被视为IEEE 802.11标准的同义词。

802.是网络协议。具体来说，802.是国际电工电子工程师学会（IEEE）制定的局域网和城域网标准的一部分。这些标准涵盖了一系列的无线和有线技术，包括以太网、令牌环、无线局域网等。每个标准都有一个特定的编号，例如802.11代表无线局域网，802.3代表以太网等。

此外，还有一些其他的802.标准，比如802.1x是基于端口的访问控制协议，主要用于解决无线局域网用户的接入认证问题；802.1d是生成树协议，用于防止网络环路的产生；802.1q是虚拟局域网（VLAN）协议，用于划分和管理网络。

总的来说，802.标准是网络协议的重要组成部分，它们定义了如何在网络中传输数据，从而确保了网络的正常运行。

2. 发展历史

802.11协议是由国际电工电子工程师学会（IEEE）制定的无线局域网（WLAN）标准。自1997年以来，这个标准已经经历了多次升级和改进，以提高速度、增加容量和改善性能。以下是802.11协议的主要版本和发展历程：

1997年：802.11

这是最初的802.11协议，它在2.4GHz频段工作，最高速率可达2Mbps。这个版本主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取。

1999年：802.11b

802.11b协议在802.11的基础上提出了“High Rate”的概念，通过调试模式CCK，将WLAN的最大物理接入速率从2Mbps直接提升到11Mbps。在 2.4GHz频段工作。802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。

1999年：802.11a

802.11a协议工作在5GHz频段，通过OFDM调制模式将物理速率提升到了54Mbps。这为WLAN应用争取了更多的空间媒介资源，并且可以提供多达13个不重叠的工作信道。

由于当时使用的是5GHz频段，技术比较超前，没有流行起来。

2003年：802.11g

802.11g协议在802.11b的基础上扩充支持了OFDM调制模式，使得WLAN在2.4GHz上也能够实现54Mbps的物理传输速率。使用 DSSS 和 CCK 向下兼容 802.11b。

2009年：802.11n

802.11n协议采用单用户多输入多输出（SU MIMO）和频道绑定（CB）的正交频分复用（OFDM）技术，实现了2个信道的捆绑使用，甚至对信号间隔调整，将WLAN的物理传输速率推到了300Mbps，特别在3条流的基础上可以达到450Mbps的物理速率。2.4 或 5 GHz频段。

2013年：802.11ac

802.11ac（也被称为Wi-Fi 5）协议工作在5GHz频段，最高速率可达1300Mbps。

从这里开始，WiFi开始有别称 Wi-Fi 5,顺理成章的，以前的WiFi就叫 Wi-Fi 1，Wi-Fi 2，Wi-Fi 3，Wi-Fi 4。在这之前都是大家都按协议名称802.xx划分。

802.11ac wave1

2014 年 1 月发布。

单用户多输入多输出（SU MIMO）
数据速率变化的调制类型和数量的空间流；200 Mbps、400 Mbps、433 Mbps、600 Mbps、867 Mbps。

802.11ac wave2
2016 年 6 月发布。
Wi-Fi 客户端的主要新功能：
- 多用户 MIMO (MU MIMO),仅支持下行链路，最多4用户
- 空间流增加到8
- 更高阶的调制方式：256QAM
- 160 Mhz 信道
- OFDM
  2019年：802.11ax
  802.11ax协议（也被称为Wi-Fi 6）进一步提高了速度和效率，特别是在拥挤的环境中。它的最大速率可达 9.6Gbps。
  - 多用户 MIMO (MU MIMO)，支持上，下行链路。最多8个用户
  - 2.4 或 5 GHz频段。
  - 1024 QAM
  - OFMDA
    2020年：802.11be
    802.11be协议（也被称为Wi-Fi 7）预计最大速率可达30Gbps。
    
    以上就是802.11协议的主要版本和发展历程。随着技术的不断进步，我们可以期待未来会有更多版本的802.11协议出现，以满足我们对无线网络速度和性能的需求。
    IEEE 802.11 Wi-Fi 协议摘要
    
    3. 多址接入技术
    1. 第一代移动通信系统（1G）使用的是频分多址接入（FDMA）技术。FDMA通过将可用频率范围划分为多个频道，每个频道分配给不同的用户，从而允许多个用户同时通信。每个频道的带宽是固定的，用户在通话期间独占使用分配给他们的频道。
    2. 第二代移动通信系统（2G）主要采用时分多址接入（TDMA）技术。TDMA将时间分割成多个时隙，并将这些时隙分配给不同的用户。在一个给定的频率上，用户轮流使用这些时隙进行通信。这样可以提高频谱的利用效率，因为同一频率在不同的时间被不同的用户使用。
    1. 第三代移动通信系统（3G）使用的是码分多址接入（CDMA）技术。CDMA为每个用户分配一个唯一的码序列，用户的数据与此码序列进行乘积运算后在同一频率上传送。由于每个用户的码序列是正交的，所以多个用户可以在相同的频率上同时传输，接收端通过解码器区分出每个用户的信号。
    2. 第四代通信系统（4G）采用的是正交频分复用多址接入（OFDMA）技术。OFDMA将频带划分为许多小的子载波，每个子载波可以独立进行调制和传输。用户根据其数据需求被分配到一个或多个子载波上。OFDMA允许多个用户共享同一频段资源，提高了频谱利用率和系统容量。
    3. 第五代移动通信系统（5G）引入了非正交多址接入（NOMA）技术作为一种新兴的多址方式。NOMA允许多个用户共享同一时间和频率资源，通过功率域多址（PDMA）或码间干扰管理等技术区分不同用户的信号。这种方法进一步提高了频谱效率和系统容量，支持更密集的用户部署和更高的数据速率。
    4. 奈奎斯特准则
    
    是1924年奈奎斯特推导出的准则，是指在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
    码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
    极限信息传输速率（信道容量） C m a x = 2 W log ⁡ 2 V (1) 极限信息传输速率（信道容量） C_{max} = 2W \log_2 V \tag1 极限信息传输速率（信道容量）Cmax=2Wlog2V(1)
    
    w h e r e , W , 是带宽，这里单位是 H Z ; V 是 Q A M 调制码元数 . where,\\ W ,是带宽，这里单位是 HZ; \\ V是QAM调制码元数. where,W,是带宽，这里单位是HZ;V是QAM调制码元数.
    
    基于奈氏准则可以推导出以下四个结论：
    (1) 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过次上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端对于码元的完全正确识别成为不可能；
    (2) 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输；
    (3) 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制；
    (4) 由于码元的传输速率收到奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
    
    5.香农定理
    
    噪声：存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声的影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
    
    信噪比：信号的平均功率 / / / 噪声的平均功率，常记为 S / N S/N S/N，并用分贝 d B dB dB作为度量单位，即
    信噪比 ( d B ) = 10 log ⁡ 10 ( S N ) (2) 信噪比 ( d B ) = 10 \log_{10} (\frac {S}{N} ) \tag2 信噪比(dB)=10log10(NS)(2)
    
    香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据信息传输速率有上限值。
    信道的极限数据传输速率 C = B log ⁡ 2 ( 1 + S N ) ( b / s ) (3) 信道的极限数据传输速率 C = B\log_{2}( 1 + \frac {S}{N} ) ~( b/s) \tag3 信道的极限数据传输速率C=Blog2(1+NS) (b/s)(3)
    等价于
    C = B log ⁡ 2 ( 1 + S n 0 B ) ( b / s ) (4) C = B\log_{2}( 1 + \frac {S}{n_0B} ) ~( b/s) \tag4 C=Blog2(1+n0BS) (b/s)(4)
    w h e r e ， B 是带宽 ( H z ) ； S 信道内所传信号的平均功率 W ； N 为信道内部的高斯白噪声功率 W ； n 0 噪声单边功率谱密度 , W / H z ; N = n 0 ∗ B ; S / N 是信噪比。 where，\\ B是带宽(Hz)；\\ S信道内所传信号的平均功率 W；\\ N为信道内部的高斯白噪声功率W；\\ n_0 噪声单边功率谱密度, W/Hz;\\ N =n_0*B;\\ S/N是信噪比。 where，B是带宽(Hz)；S信道内所传信号的平均功率W；N为信道内部的高斯白噪声功率W；n0噪声单边功率谱密度,W/Hz;N=n0∗B;S/N是信噪比。
    
    基于香农定理可以推导出以下5个推论：
    (1) 信道的带宽或者信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高；
    (2) 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了；
    (3) 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错传输；
    (4) 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少；
    (5) 从香农定理可以看出，若信道的带宽 W W W或者信噪比 S / N S/N S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限传输速率就没有上限。
    
    6. 奈氏准则和香农定理
    
    奈氏准则：内忧
    带宽受限,无噪声条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限 2 W B a u d 2W Baud 2WBaud。
    理想低通信道下的极限数据传输率= 2 W log ⁡ 2 V 2W\log_2V 2Wlog2V,要想提高数据率，就要提高带宽或者采用更好的编码技术。
    香农定理: 外患
    带宽受限有噪声条件下的信息传输速率。
    信道的极限数据传输速率 C = W log ⁡ 2 ( 1 + S N ) C=W\log_2(1+\frac{S}{N}) C=Wlog2(1+NS) 要想提高数据率，就要提高带宽或者信噪比:
    
    在实际应用中，应该取奈氏准则和香农定理二者求得值的最小值作为信道的极限数据传输速率。
    
    题目:二进制信号在信噪比为12的5kHz信道上传输，最大的数据速率可达到多少?
    Nice: 2 ∗ 5000 ∗ log ⁡ 2 2 = 10 K b / s 2*5000*\log_2 2=10 Kb/s 2∗5000∗log22=10Kb/s
    香浓: 5000 ∗ log ⁡ 2 ( 1 + 12 ) = 18.5 K b / s 5000 * \log_2(1+12)=18.5Kb/s 5000∗log2(1+12)=18.5Kb/s
    
    7.频谱
    
    7.1 2.4G WiFi 频段
    - 一般说的2.4GHZ信号，并不是一个固定的值，而是一个范围。中心频率范围：2.412GHz-2.454GHz，共83.5M带宽;
    - 在该频率中间又共划分14个信道，中国可用13个信道（1-13），美国可用11个信道（1-11），各个国家出于安全等等各方面考虑，开放的信道并不一致。要参考国家码和信道协商表；
    - 相邻信道中心频点间隔5MHz，相邻的多个信道存在频率重叠，相互不干扰的信道有三组（1、6、11或2、7、12或3、8、13）;
    - 信道有效带宽20MHz，实际带宽22MHz，其中2MHz为隔离频带。
      通过上图我们可以看到，2.4GHZ信号相邻信道是相互重叠的，因此产生干扰。除了无线路由器，还有蓝牙，无线键鼠(蓝牙传输)等也是使用的2.4GHZ频率，我们可以看出，2.4GHZ频段的干扰无处不在。
      7.2 5G WiFi 频段
      
      频率范围在 5150MHz - 5825MHz，俗称5G Wi-Fi频段，这个频段里面一共有201个信道，但是，能够被Wi-Fi协议所用的信道却很少。原因是5G的频率很特殊，甚至有关国家安全，因为5G wifi的频率与军用雷达频段重合，因此，很多国家基于国家安全考虑，对5G频段持保留态度。
      - 相邻信道中心频点间隔还是5MHz
      - 在中国，只有36, 40, 44, 48, 52, 56, 60, 64, 149, 153, 157, 161, 165这13个信道可以供5G的wifi网络使用。
        7.3 为什么业内都要用1、6、11这种组合?
        
        我们知道2.4G有效带宽是20MHz，那就要知道有效信道。所谓有效信道是工作时，互不干扰的有效带宽所对应的的中心频率，从上图可以看出，有效信道的组合也就3种。
        那么，为什么业内都要有用1、6、11这种组合呢，为啥不用其他两种组合，这里，又要涉及到一个小知识点，中国支持1-13个信道，那么，中国之外呢？欧洲支持1-13信道，美国支持1-11信道，日本支持1-14信道，总的来看，子集是1-11信道。因此，把设备的自动信道设为1-6-11这三个信道，是即安全，又普遍且皆大欢喜的作法。
        因此信道设为1、6、11由有效信道而来，并且，从各个国家的法规出发，选择1、6、11最稳妥。
        
        8.自由空间路径损耗 PathLoss
        
        自由空间路径损耗(FSPL)公式表示为：
        
        L 0 = 32.45 + 20 l g F ( M H z ) + 20 l g D ( k m ) ， (5) L_0=32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km)，\tag5 L0=32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km)，(5)
        或者等价地表示为
        L 0 = 20 l g ( F ) + 20 l g ( D ) + 32.45. (6) L_0=20lg(F)+20lg(D)+32.45 \tag6. L0=20lg(F)+20lg(D)+32.45.(6)
        
        在这个公式中，L_0表示自由空间的损耗（以分贝dB为单位），F是无线电波的频率（以兆赫兹MHz为单位），而D是发射器和接收天线之间的距离（以公里为单位）。
        
        这个方程是基于自由空间传播模型的，假设没有障碍物和干扰的情况下，无线信号将以球面波的形式传播。根据能量守恒定律，信号的能量将随着距离的增加而衰减。FSPL公式通过将传播路径上的损耗因素进行叠加计算，得到了信号在传输过程中的衰减程度。
        
        那么对于 2.4GHz ,其 L 0 = 100 + 20 l g ( D ) , L_0 = 100 + 20lg(D), L0=100+20lg(D), 对于5.8GHz ,其 L 0 = 108 + 20 l g ( D ) , L_0 = 108 + 20lg(D), L0=108+20lg(D),所以，同样的距离，5G损耗比2.4G大。
        
        9.信号接收强度 RSSI
        
        信号接收强度，也称为接收信号强度指示 Received signal strength indicato（RSSI），是无线网络中用来表示接收到的信号强度的一种指标, 用于度量接收到的无线电信号功率。
        
        在 IEEE 802.11 系统中，RSSI 用于表示无线环境中的相对接收信号强度，单位不限。RSSI 用于描述在除去天线和线缆损失后接收到的无线电功率。RSSI 值越大表示信号越强。当 RSSI 表示为负数时（比如 -100 ），数字约接近 0 则信号越强。
        
        并没有任何标准规定 RSSI 值需要和某个特定的物理参数相关联。
        802.11 标准没有规定任何 RSSI 值和毫瓦功率、毫瓦基准分贝数（dBm）的关系。各路厂商都各自规定了自己的精度、粒度、实际功率范围（以毫瓦或分贝计量）和 RSSI 值范围。
        802.11 RSSI metric 只规定了该如何对该值进行采样。 RSSI 是在接收到 802.11 帧的初始阶段获取的，而不是在整个帧处理完后才确定的。
        
        接收信号强度（RSSI）是无线网络中用来表示接收到的信号强度的一种指标。在不考虑干扰、线路损耗等因素时，接收信号强度的计算公式为：
        
        接收信号强度 = 射频发射功率 + 发射端天线增益 + 接收端天线增益 – 路径损耗
        R S S I = P t + G t + G r − L 0 (7) RSSI = Pt + Gt + Gr - L_0 \tag7 RSSI=Pt+Gt+Gr−L0(7)