WiFi技术原理

目录 Wi 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 Wi 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 Wi 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 Wi 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 Wi 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2Mbps802 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 375MSpsSymbol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11Mbps Wi 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4 s1 20MHz 0 05 s0 05 64 3 2 s3 2 0 8 4 s 其中0 8 s为循环前缀 CP CyclicPrefix 用于保护 称为GI 保护间隔 GuardInterval Wi Fi主要技术参数 速率 3 Wi 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 8 s缩短为0 4 s 工作周期为3 6 s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 6 s 3 450Mbps 802 11n关联速率表 Wi 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 6 s 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 以及各频段支持的空间流数量可在设备侧配置的与速率相关的参数 频宽主要提速手段 增加频宽和空间流数量调制方式目前最高能达到1024 QAM 10bit 编码效率最高能达到5 6 提升空间已经很小 802 11ac的MCS9和802 11n相对MCS7仅提升1 3 802 11ac关联速率表 到4条空间流 Wi Fi主要技术参数 频宽 信道绑定 ChannelBonding 802 11n开始引入 指成倍提升频宽 在实际操作中即同时占用相邻信道802 11n支持20MHz和40MHz两种频宽2 4GHz只有3个 互不干扰的 信道 只支持40MHz 有时写成HT40 HighThroughput 所以802 11n最高只支持40MHz实际操作中 2 4GHz频段的干扰已经十分严重 强烈建议设置只启用20MHz 不启用信道绑定功能5 8GHz有5个信道 支持2个40MHz 5 1GHz有8个信道 支持4个40MHz40MHz分主信道和副信道 显示为1 5 11 7 149 153 802 11ac支持更高的80MHz和160MHz频宽5 8GHz有5个信道 支持1个80MHz 不支持160MHz新开放的5 1GHz有8个信道 支持1个160MHz或2个80MHz同样区分主 副40MHz信道有些5GHz不能提供连续的160MHz 所以有80 80MHz 非连续信道绑定 模式 但实际使用比160MHz复杂得多 效率也低 Wi Fi主要技术参数 空间流数量 MIMO 多入多出 Multiple InputMultiple Output MIMO采用空间复用技术 将数据分割成多个平行的数据子流并同过多副天线同步传输 为了避免被切割的信号不一致 在接收端也采用多个天线同时接收 根据时间差的因素将分开的各信号重新组合 还原出原本的数据 传输效率与数据子流 空间流 数量成正比 与天线分集技术不同 天线分集技术是通过多副天线传输相同数据 在接收端接收后加以组合 通过分集增益抗信道衰落 802 11n协议最多支持4条空间流 802 11ac协议最多支持8条空间流实际上 为了避免不同空间流之间的相互干扰 设备复杂度与空间流的数量成级数增长市场上的802 11n设备最多支持3条空间流 802 11acwave2的设备有支持4条空间流的市场上的大部分终端只支持1条空间流 高端的笔记本内置无线网卡能支持2条空间流 只有MAC设备和高端外置无线网卡支持3条空间流802 11acwave2最大的特点是支持MU MIMO 多用户多入多出 Multi UserMultiple InputMultiple Output 能进一步提高无线网络的利用率相对的 普通的MIMO也被称为SU MIMO 单用户多入多出 Single UserMultiple InputMultiple Output Wi Fi是时分系统 终端支持的空间流数量较少 会降低无线网络的利用率 若能同时与多个用户通信 就充分利用设备的多空间流 提高无线网络的利用率 Wi Fi主要技术参数 MU MIMO MU MIMO 多用户多入多出 Multi UserMultiple InputMultiple Output MU MIMO的技术实现描述 上行MU MIMO 不同终端使用相同的时频资源进行上行发送 终端侧基本不需要做改动设备侧需要识别各终端并加以区隔 避免干扰下行MU MIMO 设备使用相同的时频资源向不同终端进行下行发送 终端侧通过消除 零陷 ZeroForcing 算法 分离不同发送给不同终端的数据流也可以通过在设备侧采用波束赋形 BF Beamforming 的方法 提前分离不同用户的数据流 从而简化设备侧的操作目前只有高通推出了支持MU MIMO的802 11acwave2芯片必须支持MU TxBF802 11n中定义了几种BF的方式 分显式 终端侧需要向设备侧反馈信息 和隐式两大类 但不强制要求支持BF 基本相互间基本无互通性 802 11ac定义了一个闭环的显式TxBF方法 并在此基础上支持MU TxBF 即在终端侧反馈信息的基础上 设备侧就有可能将发送信号集中指向终端 进一步也能同时把不同的发送信号分别集中指向不同终端目前只实现了下行MU MIMO 实测无线网络传输效率提高了约50 Wi Fi的其它知识 Wi Fi 穿墙 Wi Fi 穿墙 的基本原理无线电波呈现 波粒二象性 低频时 如手机信号 更多体现波动性 能绕过障碍物 高频时 如Wi Fi信号 更多体现粒子性 通过反射绕过障碍物 选择AP摆放位置的依据 未必越近越好 最主要的是有好的Wi Fi通道 Wi Fi 穿墙 能力右表是2 4GHz信号对一些介质的插入损耗 Penetrationloss 特征值从上到下分别是 玻璃 薄木板 厚木板 门 混凝土墙第二列是样本编号 即这些介质其实是有自身参数的 比如 厚度 后两列分别是VP 垂直极化波 verticalpolarization 和HP 水平极化波 horizontalpolarization 的插入损耗 其它严重影响Wi Fi信号的介质 金属 含钢筋的承重墙 水 含水70 的人体 发射功率与接收灵敏度国家规定 室内AP的发射功率为100mW 20dBm 室外AP的发射功率为500mW 27dBm 接收灵敏度 每个无线设备都有一个接收灵敏度S 只能接收到信号强度高于S的信号 具体参见Mohammed Y E A S Abdallah andY A Liu CharacterizationofindoorpenetrationlossatISMband EnvironmentalElectromagnetics 2003 CEEM2003 Proceedings Asia PacificConferenceon IEEE 2003 终端侧的发射功率与接收灵敏度一般无法调整 要扩大AP设备的覆盖范围 必须同时增加设备的发射功率并提高其接收灵敏度高增益天线不是把WiFi信号增强了 而是把它定向集中发射 接收 Wi Fi的其它知识 AP AC和SSID 胖 瘦 AP最早的AP都是能独立工作的 但相互之间无法协调 比如 工作信道等 有厂商将其管理功能上移至一个管理设备 AP仅负责无线接入和二层数据处理功能 一般把这种功能简化 不能独立工作的AP称为 瘦AP 或 集中控制型AP 把管理 瘦AP 的设备称为AC APController AP控制器 对应的 把功能齐备 能独立工作的AP称为 胖AP AC 瘦AP的组网架构 适用于AP较多的场景 AC能统一管控 配置各个瘦AP 瘦AP可以做到即插即用 相关参数都可以从AC处获取 其缺点是 AC基本只能管理同厂商的瘦AP 且组网成本较高 市场上的家用无线路由器都是 胖AP SSID 服务集标识 ServiceSetIdentifier 将一个无线局域网分为不同的子网络 各子网络可以提供不同的业务不宜发布过多的SSID 维护每个SSID都需要一定指令 会占用无线资源多AP情况下 不同AP可发布相同的SSID 也可发布不同的SSID 两种方式的主要区别在于Wi Fi终端在AP间漫游时的切换 相同SSID时的切换相对较快 但用户一般分不清终端关联到了哪个AP不同SSID时基本不能自动切换 需要手工切换 但用户能完全知道由哪个AP提供业务在用户无特殊要求时 优选配置相同SSID Wi Fi的其它知识 工作模式 工作模式 桥接 路由考虑到今后业务的发展 建议优选桥接模式 Wi Fi主流产品 设备类 AP 无线路由器目前主流产品是802 11n acwave1双频设备 已有支持802 11acwave2的设备问世高档产品无线侧支持3空间流 有线侧支持千兆 如 网件 NETGARE 的R6250以上 普联 TP LINK 的TL WDR7500以上 苹果 APPLE 的AirPortExtreme等中档产品无线侧支持2空间流 有线侧支持百兆 如 华三 H3C 的MAGICB1 本次推荐产品 华为的荣耀路由 WS831 网件的R6100 普联的TL WDR5600 极科极客的极路由3 HC5861 苹果的AirPortExpress等除了上联为以太网外 还有其它上联方式的AP PLC 电力线通信 PowerLineCommunication Wi Fi上联 即Wi Fi中继 Repeater 有些AP也能配置成Wi Fi中继模式终端类 智能手机 绝大部分支持1空间流 如 小米 三星 SAMSUNG 的GalaxyS4 苹果的iPhone6 有些支持2条空间流 如 三星的GalaxyS5 苹果的iPhone6sPAD 大部分支持1空间流 苹果的iPad支持3空间流网卡笔记本内置网卡 大部分支持1空间流 Intel的7260 7265 8260等支持2空间流台式机内置网卡 PCI接口 华硕 ASUS 的PCE AC66 PCE AC68支持3空间流外置网卡 USB接口 网件的A6200 友讯 D Link 的DWA 182 华硕的USB AC55 普联的TL WDN6200 EDUP的EP AC1610支持2空间流 友讯的DWA 192支持3空间流 以上都是USB3 0接口 家庭组网和安装原则 光缆入户尽可能将光缆布放入户 且应尽量利用已有的入户暗管入户后的光缆应敷设至家庭线缆汇聚点 并在线缆汇聚点安装家庭网关设备如用户住宅内无线缆汇聚点 应在适当位置 并在征得用户同意的情况下创建线缆汇聚点室内组网应充分利用住宅内现有的家庭信息箱对住宅内已有家庭布线不合理的情况应进行适当调整 按星型结构汇聚至线缆汇聚点网络设备上联方式的选择原则 优先使用网线 若无网线资源也不愿敷设明线的话 可以考虑以下方式 但要注意其场景 性能和价格 有同轴电缆资源的可以采用EOC设备 即有线电视接头处 若仅为了解决Wi Fi覆盖的可以考虑直接用Wi Fi中继有市电电源的可以采用PLC设备设备安装尽量用FTTH接入终端设备的多端口满足家庭网络的业务需求如需端口扩展 应优先采用多端口千兆交换机 也可利用多端口AP的交换功能如PON上行的网关设备不安装在家庭信息箱内或固定在墙上 应采用光纤面板插座并通过光跳纤连接终端设备 避免因终端经常移动损坏光缆接头 设备电源网络设备安装处应尽可能具备220伏市电电源插座或引入市电电源 若某些网络设备无法就近接入市电电源 则可利用PoE为其供电用于PoE供电的线缆 网线 应为五类及以上标准的对称电缆 其性能应符合 中国电信上海公司基于FTTH的反向PoE产品技术规范V2 0 中的线缆技术要求 家庭组网方案 总体架构 方案设计宜在装修的家庭内部弱电网络规划设计阶段进行设计 网络布线方法参见 基于光纤入户的家庭装修布线指导手册 对于已完成装修及家庭内部弱电网络部署的家庭 只能在已有信息点的基础上进行调整或增加 应尽可能达到用户预期效果包括有线组网和无线 Wi Fi 组网 需要从经济 性能 美观等多方面去平衡总体架构采用星形架构 各类信息点的线缆应单独敷设至线缆汇聚点家庭信息箱 在外部引入光缆和家庭线缆汇聚点处应安装新型的家庭信息箱 参见 家庭信息箱产品技术规范 如果是多层房型 各层还可以安装分信息箱 汇聚本层线缆以及垂直走向的线缆家庭信息箱箱体不宜过小 结构尺寸应不小于 外形尺寸330mm 高 480mm 宽 135mm 深 底盒尺寸300mm 高 450mm 宽 120mm 深 家庭信息箱内需安装能同时为多台设备供电的220伏电源插座 引入家庭信息箱内的电源应具有交流输出漏电短路保护功能 并确保有可靠的接地家庭信息箱需具备一定的自然通风散热功能汇聚设备 家庭网关 千兆交换机 AC设备 均部署在家庭信息箱或线缆汇聚点其中 千兆交换机还可以部署在分信息箱 家庭组网方案 Wi Fi设备部署方案 Wi Fi设备部署方案AP布放策略用户的Wi Fi需求主要有两大类 以Wi Fi覆盖为主 以Wi Fi性能为主以Wi Fi覆盖为主的区域 可以按单AP覆盖单层100平方米的范围来估计AP数量 布放策略是 各层AP分别部署 各层AP位置尽量上下错开单层单AP时放中间 双AP时放两头 三AP时一直线 四AP时放四角 尽量不要有与AP隔二堵墙的区域 如果以Wi Fi性能为主 必须在主要上网区域内部署双频AP才能保证性能要求与AP间最好不要有障碍物 AP尽量布放在中央开阔处需要根据实际情况 包括 信息点的位置 具体