WiFi信道、無線OSI模型與802.11b/g/n
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(一) IEEE 協(xié)會 與 802.11 標準
在早些年，我們看到比較多的 WiFi 分類是按 802.11b/g/n 字母來區(qū)分，但是隨著 WiFi 協(xié)議的不斷發(fā)展，WiFi 聯(lián)盟對不同 WiFi 標準指定了新的名字，也就是 WiFi4、WiFi5、WiFi6、WiFi7 按數(shù)字代號表示；其主要目的是方便大家記憶和區(qū)分。  802.11 be 也就是 WiFi7，預(yù)計在今年(2024)正式發(fā)布,現(xiàn)在網(wǎng)上可以買到的 WiFi7 設(shè)備，應(yīng)該是預(yù)認證設(shè)備，具備 WiFi7 的部分功能，但可能與正式發(fā)布的標準會存在一些差異。 在介紹各 WiFi 協(xié)議標準之前，我們先了解一下 WiFi 信道相關(guān)的概念。 (二) WiFi信道目前在安防IPC設(shè)備上，使用比較多的還是 802.11b/g/n 三個標準，但也有不少廠家開始切換到 802.11ax(WiFi6) 協(xié)議上來了。 實際上大部分產(chǎn)品是直接 從 802.11n(WiFi4) 直接切換到 802.11ax(WiFi6)。 為什么不使用 WiFi5，而是從 WiFi4 直接跨越到了 WiFi6 呢？ 因為 WiFi5 只支持 5GHz 頻段，對于以前使用 2.4GHz 的設(shè)備就沒法兼容了。 (1) 2.4Ghz 頻段信道
由于 802.11b (使用 DSSS 調(diào)制技術(shù)頻寬22 MHz) 已經(jīng)淡出 WLAN 網(wǎng)絡(luò)，不考慮兼容性問題，通常情況下，可以認為1、5、9和13信道也是非重疊信道。
對于 12~14 信道，不同國家有不同的要求規(guī)范，實際產(chǎn)品設(shè)計需要根據(jù)國家碼去適配。  (2) 5GHz 頻段信號 
上面表格數(shù)據(jù)是來源于華為的一份開源文檔，我們可以看到低頻和中頻是被限定在室內(nèi)使用，但是我們查看很多其它的資料，發(fā)現(xiàn)與華為的數(shù)據(jù)對不上，比如下圖，它們對我國在 UNII-1 和 UNII-2 的部分信道并沒有做限定。  通過查詢最新版本上的《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，我們可以看到，華為的數(shù)據(jù)是對的，在 2023 年我國有規(guī)定，UNII-1 和 UNII-2 的信道只能在室內(nèi)使用。  所以，對于中國 5GHz 可以直接使用的信道，2023年之前的資料會包括UNII-1 和 UNII-2 里面的信道，但是在2023年之后，UNII-1 和 UNII-2 會被標注為僅限室內(nèi)使用。 (3) 6GHz 頻段信道在 WiFi6 和 WiFi7 中會使用到一些 6GHz 的信道，但是目前我國還沒有開放 6GHz 信道的使用。
6GHz 頻段范圍從 5925MHz 擴展到 7125MHz，共計 1200MHz 頻譜。它可以通過信道綁定成 3 個 320MHz 信道、7 個 160MHz 信道、14 個 80MHz 信道或者是 29 個40MHz 信道。如果不綁定直接使用，它提供了 59 個 20MHz 信道。 對比 2.4GHz 和 5GHz，6GHz 頻段的頻譜資源比前兩者相加還要多。 隨著 WiFi6、WiFi7 逐漸地普及，國內(nèi)將來應(yīng)該也會開放一部分 6GHz 的 WiFi 信道 (三) 無線網(wǎng)中的 OSI 模型計算機課程中常用網(wǎng)絡(luò)分層參考7層模型：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。
上面這個模型其實是非常概括性的，實際要復(fù)雜很多，從這個圖上我們看不出以太網(wǎng)與無線網(wǎng)有什么差別。 以太網(wǎng)與無線網(wǎng)在 OSI 模型上主要的差異在于第一和第二層，也就是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。 (1) 物理層(Physical Layer)物理層主要負責在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳輸原始的比特流(0和1)。它涉及物理連接，如電纜、光纖和無線電波，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎夂蜋C械特性。常見的物理層設(shè)備包括網(wǎng)卡、集線器和電纜。 以太網(wǎng)：以太網(wǎng)使用有線連接，如雙絞線電纜或光纖來傳輸數(shù)據(jù)。物理層定義了傳輸?shù)碾娦盘枴㈦妷汉兔}沖等特性。 無線網(wǎng)(Wi-Fi)：Wi-Fi通過無線電波在空氣中傳輸數(shù)據(jù)。物理層涉及無線頻率的選擇、天線的配置，以及信號的調(diào)制和解調(diào)方式 (2) 數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)數(shù)據(jù)鏈路層負責在相鄰節(jié)點之間建立可靠的通信鏈路。它將數(shù)據(jù)幀從一個節(jié)點發(fā)送到下一個節(jié)點，并處理幀的傳輸錯誤。數(shù)據(jù)鏈路層還包括 MAC (介質(zhì)訪問控制)子層和 LLC (邏輯鏈路控制)子層。常見的設(shè)備有交換機和網(wǎng)橋。 以太網(wǎng)：在數(shù)據(jù)鏈路層，以太網(wǎng)通常使用以太網(wǎng)幀(Ethernet Frame)進行數(shù)據(jù)封裝。MAC 地址用于標識網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并控制對介質(zhì)的訪問(CSMA/CD，載波偵聽多路訪問/沖突檢測機制)。 無線網(wǎng)(Wi-Fi): 無線網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層也使用幀進行數(shù)據(jù)封裝，但 Wi-Fi 幀格式與以太網(wǎng)幀有所不同。Wi-Fi使用 CSMA/CA (載波偵聽多路訪問/沖突避免機制)來管理介質(zhì)訪問，并增加了加密(如 WPA/WPA2 )和認證(如802.1X)的功能，以增強安全性。 (3) 無線網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝對無線網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層再進一步劃分，我們可以看到物理層有：PLCP 和 PMD 層，數(shù)據(jù)鏈路層有：MAC 層和 LLC層
這里我們簡單介紹一下各層的一個基本功能，詳細的 WiFi 數(shù)據(jù)幀分析我們將在后面章節(jié)來介紹。
我們常說的802.11 b/g/n等協(xié)議標準，實際上是位于物理層。
(4) 物理層擴頻技術(shù)擴頻技術(shù)是無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸使用的技術(shù)，擴頻技術(shù)最初是用于軍事部門防止竊聽或信號干擾。
WiFi(無線局域網(wǎng)) 使用擴頻技術(shù)來提高通信的可靠性和抗干擾能力，擴頻技術(shù)在 WiFi 中的應(yīng)用主要通過以下幾種方式實現(xiàn)： (a) 直接序列擴頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) DSSS 通過將數(shù)據(jù)與一個偽隨機噪聲碼 (PN碼)進行異或運算，將數(shù)據(jù)分散到一個更寬的頻譜上。這樣做的好處是使得信號在頻譜中的能量密度降低，從而提高了信號對噪聲和干擾的抵抗力。 (b) 跳頻擴頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) FHSS 通過快速在多個頻率之間跳轉(zhuǎn)來避免干擾,這需要提前在發(fā)送和接收端約定好跳頻的規(guī)律，實際在WiFi中使用得比較少。 (c) 正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) OFDM 使用多個正交子載波，每個子載波傳輸數(shù)據(jù)的一部分，這樣就大大降低了多徑效應(yīng)的影響，并提高了頻譜效率。 上面的這三種擴頻方式看不懂沒關(guān)系，下面會有稍微比較詳細的介紹。 (四) 802.11b
802.11b 是1999年發(fā)布的標準，為什么它最大的理論數(shù)據(jù)只有11Mps？ 這與802.11b 物理層使用的編碼方式和調(diào)制方式有關(guān)系：
(a) BPSK 與 QPSK調(diào)制方式BPSK: (Binary Phase Shift Keying)每個符號代表1個比特，即每次調(diào)制一個符號時只能傳遞1個比特。
QPSK: (Quadrature Phase Shift Keying)每個符號代表2個比特，因為它可以區(qū)分四種相位，所以比BPSK效率更高。 (b) Barker 與 CCK 編碼Barker編碼: Barker 碼是一個 11 比特序列 (例如10110111000)，在無線傳輸方面存在優(yōu)勢，可以有效降低干擾，不過降低了效率。 每一個比特編碼為一個 11 位 Barker 碼，因此而產(chǎn)生的一個數(shù)據(jù)對象形成一個chip(碎片)。實際傳輸?shù)男畔⒘渴怯行鬏數(shù)?11 倍。
CCK編碼: (Complementary Code Keying)補碼鍵控,采用了復(fù)雜的數(shù)學轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以使用若干個 8-bit 序列在每個碼字中編碼 4 或 8 個位。 補碼鍵控編碼方式能有效防止噪聲及多徑干擾，缺點是補碼鍵控為了對抗多徑干擾，技術(shù)復(fù)雜，實現(xiàn)困難。 (c) 802.11b 速率計算關(guān)于802.11b 各速率的計算： 1Mbps (Barker + BPSK) 調(diào)制方式: BPSK，每個符號1比特。 編碼方式: Barker 編碼，每個符號被編碼為11位。 結(jié)果: 由于符號速率是1 MSym/s，BPSK調(diào)制1個符號1比特，所以最大理論速率是1 Mbps。 2Mbps (Barker + QPSK) 調(diào)制方式: QPSK，每個符號2比特。 編碼方式: Barker編碼。 結(jié)果: 符號速率1 MSym/s，每個符號傳輸2比特，所以最大理論速率是2 Mbps。 5.5Mbps (4-bits CCK + QPSK) 調(diào)制方式: QPSK，每個符號 2 比特。 編碼方式: 4-bits CCK編碼，利用復(fù)雜的編碼方式提高了每符號的比特傳輸效率。 結(jié)果: 雖然每個符號代表 2 個比特，但CCK編碼使得每個符號最終可以傳遞 4 個比特。因此最大理論速率是 5.5 Mbps。 11Mbps (8-bits CCK + QPSK) 調(diào)制方式: QPSK，每個符號 2 比特。 編碼方式: 8-bits CCK 編碼，每個符號可傳遞 8 個比特。 結(jié)果: 在QPSK的基礎(chǔ)上，通過CCK編碼的優(yōu)化使得每個符號可以傳輸8個比特，所以最大理論速率是11 Mbps。 注意：上面 Sym/s 是符號率/碼元速率的單位，用于表示通信系統(tǒng)中每秒傳輸符號數(shù)量的單位。
(五) 802.11g
802.11g 可以從 802.11b 中的最大速率 11Mbps 提升到 54Mbps, 核心是使用了OFDM 調(diào)制載波技術(shù)。 (1)正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM) 是一種數(shù)字多載波調(diào)制方案，它通過在同一單信道內(nèi)使用多個子載波來擴展單子載波調(diào)制的概念。 OFDM 不是使用單個子載波傳輸高速率數(shù)據(jù)流，而是使用大量并行傳輸?shù)木o密間隔的正交子載波。每個子載波均采用傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方案。許多子載波的組合可以在等效帶寬內(nèi)實現(xiàn)與傳統(tǒng)單載波調(diào)制方案類似的數(shù)據(jù)速率。
從上圖我們可以看到，當某個載波信號振幅最高的時候，也就是信號強度最強的時候，其它載波的振幅都剛好為0。 OFDM 基于頻分復(fù)用 (FDM) 技術(shù)，在 FDM 中，不同的信息流被映射到單獨的并行頻道上，每個 FDM 信道均通過頻率保護帶與其他信道分開，以減少相鄰信道之間的干擾。 OFDM 方案與傳統(tǒng) FDM 的不同之處在于以下相關(guān)方面：
上圖說明了 OFDM 信號的主要概念以及頻域和時域之間的相互關(guān)系。 在頻域中，多個相鄰子載波各自獨立地用復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進行調(diào)制。對頻域子載波執(zhí)行逆 FFT 變換以產(chǎn)生時域中的 OFDM 符號。 在時域中，在每個符號之間插入保護間隔，以防止由于無線電信道中的多徑延遲擴展而在接收機處引起的符號間干擾。可以連接多個符號來創(chuàng)建最終的 OFDM 突發(fā)信號。 在接收器處，對 OFDM 符號執(zhí)行 FFT 以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)位。這里的 FFT 就是高數(shù)中的傅里葉變換。 在802.11g 中，有48個子載波用來傳輸數(shù)據(jù)，4個子載波用來做相位參考。 為什么802.11g速率可以達到 54Mbps 呢？ 802.11g 除了使用了OFDM調(diào)制載波技術(shù)，它還使用了64-QAM 的編碼方式。 (2) 64-QAM 編碼方式QAM (Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調(diào)制，在QAM (正交幅度調(diào)制)中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示。模擬信號的相位調(diào)制和數(shù)字信號的PSK (相移鍵控)可以被認為是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調(diào)制。
64-QAM 中的每個符號都是一個包含 6 位的星座狀態(tài)，每個符號是從 000 000 到 111 111 的 64 種不同狀態(tài)中的一種可能組合。由于該調(diào)制方案使用二進制數(shù)據(jù)，因此可能的組合總數(shù)使用6 位為 2的6次方，即 64。
相應(yīng)的在WiFi中還有使用16-QAM和256-QAM的編碼方式，16-QAM 傳輸4個位，64-QAM 傳輸6個位，256-QAM傳輸8個位。 在802.11g 中使用的是64-QAM，并且它的編碼率是3/4。 (3) 802.11g 速率計算數(shù)據(jù)速率是符號速率、每個符號承載的比特數(shù)和信道編碼率的乘積。 調(diào)制方式: 64-QAM，每個符號代表6個比特。 編碼率: 3/4 (前向糾錯編碼中使用的編碼率)。 符號速率: 250 ksps。 每個OFDM符號在所有子載波上傳輸?shù)目倳r間為4微秒 (μs)，其中包括3.2微秒的數(shù)據(jù)傳輸時間和0.8微秒的保護間隔 (Guard Interval)。 因此，符號周期 (Symbol Period)為4微秒。 由于每個符號周期為4微秒，符號速率為：
由上面的計算可以知道，802.11g 最大支持的速率是54Mbps。 于此同時，802.11g可以向下兼容，在不同調(diào)制方式和編碼率下，可以匹配到不同的速率上。
(六) 802.11n (WiFi4)
2009 年更新的 802.11n 也就是 WiFi4，可以同時支持 2.4G 和 5G 信道，2.4Ghz 的理論速度達到了 450 Mbps, 5GHz 的理論速度達到了 600Mbps。同時支持兩個頻段，并且速率得到了跨越式的增長，大大地提升了 WiFi 的使用體驗。 就目前而言，很多設(shè)備還是使用的 802.11n 協(xié)議，特別是在安防 IPC 行業(yè)。 那么，從 2003 年的 802.11g 到 2009 年的 802.11n(WiFi4)，又有哪些關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)讓 WiFi4 的速率得到質(zhì)的飛躍呢？
WiFi4 核心的技術(shù)是 OFDM、FEC、MIMO、40Mhz、Short Gi。 (1) 802.11n 的 OFDM這里使用的 OFDM 正交頻分復(fù)用技術(shù)與 802.11g 中使用的是相同的。不同的點是：
數(shù)據(jù)子載波數(shù) x 每個符號傳輸比特數(shù) x 載波編碼率 x 符號速率 = 最大理論速率 52 * 6bit * 3/4 * 250 ksps = 58.5Mbps 數(shù)據(jù)子載波數(shù)量增加了 4 個，所以速率由 802.11g 的 54Mbps 提升到了 58.5Mbps。 (2) 802.11n 的 FEC前向糾錯編碼 (Forward Error Correction，F(xiàn)EC) 技術(shù)在發(fā)送端將原始數(shù)據(jù)塊進行編碼，添加冗余信息形成編碼數(shù)據(jù)塊。接收端通過解析這些冗余信息來檢測和糾正傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤。 這種方法不需要反饋和重傳，因此可以顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩貏e是在高噪聲或信號衰減嚴重的無線環(huán)境中。
數(shù)據(jù)子載波數(shù) x 每個符號傳輸比特數(shù) x 載波編碼率 x 符號速率 = 最大理論速率 52 * 6bit * 5/6 * 250 ksps = 65Mbps 使用 FEC 編碼之后，速率提升到了 65Mbps (3) 802.11n 的 Short GiGuard Interval (GI) 是指在每個 OFDM (正交頻分復(fù)用) 符號之間插入的一段保護時間，用來防止符號間的干擾 (ISI, Inter-Symbol Interference)。這種干擾通常由多徑傳播引起，即信號在傳播過程中經(jīng)過多次反射、折射和散射，從而導(dǎo)致信號在不同的時間到達接收端。 在傳統(tǒng)的 802.11 系統(tǒng)中，GI 的標準長度為 800 納秒 (ns)，這個時間間隔足夠長，以消除大部分的符號間干擾。然而，長時間的 GI 也意味著浪費了一部分可以用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。
為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，802.11n 及后續(xù)標準引入了 Short GI 技術(shù)，將 GI 的長度從 800 ns 縮短到 400 ns。這一縮短的保護時間段帶來了顯著的性能提升。 由于保護時間縮短了400ns，所以每個符號周期為4微秒-0.4微秒 = 3.6微秒 符號率為：277.778ksps
數(shù)據(jù)子載波數(shù) x 每個符號傳輸比特數(shù) x 載波編碼率 x 符號速率 = 最大理論速率 52 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps = 72.2222Mbps 使用 Short GI技術(shù)之后，速率提升到了 72.2222Mbps. (4) 802.11n 信道捆綁802.11n 允許使用 信道捆綁 技術(shù)，將兩個相鄰的 20 MHz 信道捆綁在一起，形成一個 40 MHz 的信道。這使得數(shù)據(jù)傳輸可以在更寬的頻譜范圍內(nèi)進行。 通過增加信道寬度，可以承載更多的子載波 (subcarriers)，從而提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。
為什么上面兩個信道捆綁到一起后，子載波數(shù)還多了4個呢？ 因為信道與信道之間有間隙，當兩個信道綁定之后，兩個信道中間的頻段也可以被使用到。 在 2.4G 模式上最多可以有一個 40M 信道，在5G模式上 40M 信道數(shù)目因國家不同而不同，理論上最多有11個 40M 信道。
數(shù)據(jù)子載波數(shù) x 每個符號傳輸比特數(shù) x 載波編碼率 x 符號速率 = 最大理論速率 108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps = 150Mbps 2.4Ghz頻段信道捆綁注意事項：在 2.4 GHz 頻段，由于可用的信道較少且信道間隔較窄，通常使用的信道捆綁配置包括：
由于 2.4 GHz 頻段的信道帶寬較小，捆綁時的信道間隔可能會導(dǎo)致較高的信道重疊和干擾，因此在這個頻段使用信道捆綁時需要特別注意干擾管理。 (5) 802.11n MIMOMIMO(Multiple Input Multiple Output)概念 多輸入多輸出：MIMO 技術(shù)利用多個發(fā)射天線和接收天線在無線通信中進行數(shù)據(jù)傳輸。通過同時傳輸多個數(shù)據(jù)流，MIMO 技術(shù)可以顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和覆蓋范圍。 空間復(fù)用：MIMO 技術(shù)允許在相同的頻譜資源上同時傳輸多個數(shù)據(jù)流，增加了頻譜的利用效率。這種技術(shù)基于空間復(fù)用原理，即在同一頻段內(nèi)通過空間分離的數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
發(fā)射機的多個天線意味著有多個信號輸入到無線信道中，接收機的多個天線是指有多個信號從無線信道輸出，多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳處理，并有效地抵抗空間選擇性衰落。
802.11n 使用了 MIMO 技術(shù)之后，速率可以提升到 150Mbps*n(n為空間流個數(shù))，n 的最大值為4， 數(shù)據(jù)子載波數(shù) x 每個符號傳輸比特數(shù) x 載波編碼率 x 符號速率 x MIMO = 最大理論速率 108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 600Mbps 所以 802.11n 的最大速率是 600Mbps 我們回到最開始的WiFi標準與WiFi世代圖中，我們可以看到 802.11n (WiFi4) 在2.4GHz 的最大速率是 450Mbps,而在 5Ghz 的最大速率是 600Mbps,這是為什么？ 我在網(wǎng)上看的資料是，802.11n 在 2.4GHz 的時候最大是 3 條數(shù)據(jù)流，而在 5GHz 的時候最大是 4 條數(shù)據(jù)流。 802.11n 除了上面介紹的 OFDM、FEC、MIMO、40Mhz、Short Gi 這些關(guān)鍵技術(shù)之外，它還有幀聚合、Block Ack 塊確認、更加高效的MAC層等技術(shù)使 WiFi 的整體性能得到了很大的提升。 轉(zhuǎn)自https://www.cnblogs.com/liwen01/p/18392118 該文章在 2024/9/4 10:37:38 編輯過 |
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使用 FEC 前向糾錯編碼之后，載波編碼率由 802.11g 的 3/4 提升到了 5/6 。
