liwen01 2024.09.01
前言
最近十几年，通信技术发展迅猛，通信标准更新频繁，有的设备还在使用 802.11/b/g/n 协议，有的已支持到 WiFi6、WiFi7。
而国内有关无线 WiFi 的书籍或资料却很少，就算能找着的，大多也是比较老旧。本文试图使用最新的数据来介绍 WiFi 相关的一些基础知识。
关于 WiFi 技术的发展，下面几个问题看你了解多少：
-
家用路由器一般都兼容支持哪些 WiFi 协议标准？
-
802.11 b/g/n/ac/ax 具体是指什么？与 WiFi4/5/6/7 有什么区别?
-
为什么不同协议间的最大速率相差巨大？它们实现的原理是什么？
-
在 WiFi 发展中，是由哪些关键技术的发展使 WiFi 速率得到显著提升？
-
为什么实际速都远低于理论速率？
-
有线以太网与无线 WiFi 在 OSI 七层模型中有哪些差异？
-
802.11 a/b/g/n 等这些标准是位于 OSI 的哪一层？
-
WiFi 在 2.4Ghz/5GHz 各有多少个可用信道，有没其它限制？
-
WiFi 在 2.4Ghz/5GHz 各有多少个不重叠信道？
-
为什么我们很少见到使用 WiFi5 的设备？
-
在同一个空间，两台使用不同协议的路由器相互之间是否会有干扰或影响？
-
最新的 WiFi7 可以工作在哪些频段？
本文主要介绍 WiFi 信道，无线网 OSI 模型，以及802.11b/g/n 标准协议的一些关键技术。由于篇幅的限制，WiFi5、WiFi6、WiFi7 将在下一篇中介绍。
(一) IEEE 协会 与 802.11 标准
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)电气与电子工程师协会,是一个国际性的专业学会组织，是全球最大的技术专业组织
- IEEE 802 是一个标准系列项目，包括以太网、局域网、城域网的多个技术标准。
- IEEE 802.11 是 IEEE 802 标准系列中的一个工作组，专注于无线局域网 (WLAN) 技术。
- 802.11a/b/g/n... 是由 IEEE 802.11 工作组下的任务组开发的标准
在早些年，我们看到比较多的 WiFi 分类是按 802.11b/g/n 字母来区分，但是随着 WiFi 协议的不断发展，WiFi 联盟对不同 WiFi 标准指定了新的名字，也就是 WiFi4、WiFi5、WiFi6、WiFi7 按数字代号表示；其主要目的是方便大家记忆和区分。
802.11 be 也就是 WiFi7，预计在今年(2024)正式发布,现在网上可以买到的 WiFi7 设备，应该是预认证设备，具备 WiFi7 的部分功能，但可能与正式发布的标准会存在一些差异。
在介绍各 WiFi 协议标准之前，我们先了解一下 WiFi 信道相关的概念。
(二) WiFi信道
目前在安防IPC设备上，使用比较多的还是 802.11b/g/n 三个标准，但也有不少厂家开始切换到 802.11ax(WiFi6) 协议上来了。
实际上大部分产品是直接 从 802.11n(WiFi4) 直接切换到 802.11ax(WiFi6)。
为什么不使用 WiFi5，而是从 WiFi4 直接跨越到了 WiFi6 呢？
因为 WiFi5 只支持 5GHz 频段，对于以前使用 2.4GHz 的设备就没法兼容了。
(1) 2.4Ghz 频段信道
- 802.11b使用的信道频宽是 22MHz，目前使用的其它标准都是 20Mhz信道带宽
- 每个相邻信道的中心频率，相差5MHz(除了14信道)
- 传统认知上，有 3 个不重叠的信道(1、6、11)
由于 802.11b (使用 DSSS 调制技术频宽22 MHz) 已经淡出 WLAN 网络，不考虑兼容性问题，通常情况下，可以认为1、5、9和13信道也是非重叠信道。
对于 12~14 信道，不同国家有不同的要求规范，实际产品设计需要根据国家码去适配。
(2) 5GHz 频段信号
- 5 GHz 频段通常被划分为 4 个 UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) 子频段。
- DFS(Dynamic Frequency Selection，动态频率选择) 信道是为了避免干扰重要的雷达系统而设计的，这些信道需要 WiFi 设备监测雷达信号，并在探测到时自动切换信道。
- 20 MHz 信道：是最常用的信道带宽，适合在设备较多的环境中使用，以避免干扰
- 40 MHz 信道：通过聚合两个相邻的 20 MHz 信道，提供更高的吞吐量，但更容易受到干扰
- 80 MHz 和 160 MHz 信道：适用于对吞吐量要求极高的应用(如 4K 流媒体、高清视频会议)，但在实际使用中较少，因为它们占用了更多的频谱资源
- UNII-2 Extended(5470-5725 MHz) 的所有信道在中国都不能使用
- 在中国，只有 UNII-3 的 5 个信道可以在所有场景使用
- 在中国，可以使用的非重叠 5GHz 频段有 13 个
上面表格数据是来源于华为的一份开源文档，我们可以看到低频和中频是被限定在室内使用，但是我们查看很多其它的资料，发现与华为的数据对不上，比如下图，它们对我国在 UNII-1 和 UNII-2 的部分信道并没有做限定。
通过查询最新版本上的《中华人民共和国无线电频率划分规定》，我们可以看到，华为的数据是对的，在 2023 年我国有规定，UNII-1 和 UNII-2 的信道只能在室内使用。
所以，对于中国 5GHz 可以直接使用的信道，2023年之前的资料会包括UNII-1 和 UNII-2 里面的信道，但是在2023年之后，UNII-1 和 UNII-2 会被标注为仅限室内使用。
(3) 6GHz 频段信道
在 WiFi6 和 WiFi7 中会使用到一些 6GHz 的信道，但是目前我国还没有开放 6GHz 信道的使用。
6GHz 频段范围从 5925MHz 扩展到 7125MHz，共计 1200MHz 频谱。它可以通过信道绑定成 3 个 320MHz 信道、7 个 160MHz 信道、14 个 80MHz 信道或者是 29 个40MHz 信道。如果不绑定直接使用，它提供了 59 个 20MHz 信道。
对比 2.4GHz 和 5GHz，6GHz 频段的频谱资源比前两者相加还要多。
随着 WiFi6、WiFi7 逐渐地普及，国内将来应该也会开放一部分 6GHz 的 WiFi 信道
(三) 无线网中的 OSI 模型
计算机课程中常用网络分层参考7层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
上面这个模型其实是非常概括性的，实际要复杂很多，从这个图上我们看不出以太网与无线网有什么差别。
以太网与无线网在 OSI 模型上主要的差异在于第一和第二层，也就是物理层和数据链路层。
(1) 物理层(Physical Layer)
物理层主要负责在网络设备之间传输原始的比特流(0和1)。它涉及物理连接，如电缆、光纤和无线电波，以及数据传输的电气和机械特性。常见的物理层设备包括网卡、集线器和电缆。
以太网：以太网使用有线连接，如双绞线电缆或光纤来传输数据。物理层定义了传输的电信号、电压和脉冲等特性。
无线网(Wi-Fi)：Wi-Fi通过无线电波在空气中传输数据。物理层涉及无线频率的选择、天线的配置，以及信号的调制和解调方式
(2) 数据链路层(Data Link Layer)
数据链路层负责在相邻节点之间建立可靠的通信链路。它将数据帧从一个节点发送到下一个节点，并处理帧的传输错误。数据链路层还包括 MAC (介质访问控制)子层和 LLC (逻辑链路控制)子层。常见的设备有交换机和网桥。
以太网：在数据链路层，以太网通常使用以太网帧(Ethernet Frame)进行数据封装。MAC 地址用于标识网络设备，并控制对介质的访问(CSMA/CD，载波侦听多路访问/冲突检测机制)。
无线网(Wi-Fi): 无线网在数据链路层也使用帧进行数据封装，但 Wi-Fi 帧格式与以太网帧有所不同。Wi-Fi使用 CSMA/CA (载波侦听多路访问/冲突避免机制)来管理介质访问，并增加了加密(如 WPA/WPA2 )和认证(如802.1X)的功能，以增强安全性。
(3) 无线网数据帧封装
对无线网的物理层和数据链路层再进一步划分，我们可以看到物理层有：PLCP 和 PMD 层，数据链路层有：MAC 层和 LLC层
这里我们简单介绍一下各层的一个基本功能，详细的 WiFi 数据帧分析我们将在后面章节来介绍。
- LLC 子层：(Logical Link Control)逻辑链路控制子层，为上层网络协议提供统一的接口，管理逻辑链路的控制和数据传输。
- MAC 子层：(Medium Access Control)媒体访问控制子层，管理设备对共享通信介质的访问和数据帧的传输。
- PLCP 子层：(Physical Layer Convergence Procedure)物理层收敛过程子层，负责在 MAC 层和 PMD 子层之间转换数据帧格式。
- PMD 子层：(Physical Medium Dependent) 物理介质相关子层，直接处理物理信号的传输和接收。
我们常说的802.11 b/g/n等协议标准，实际上是位于物理层。
(4) 物理层扩频技术
扩频技术是无线局域网数据传输使用的技术，扩频技术最初是用于军事部门防止窃听或信号干扰。
WiFi(无线局域网) 使用扩频技术来提高通信的可靠性和抗干扰能力，扩频技术在 WiFi 中的应用主要通过以下几种方式实现：
(a) 直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
DSSS 通过将数据与一个伪随机噪声码 (PN码)进行异或运算，将数据分散到一个更宽的频谱上。这样做的好处是使得信号在频谱中的能量密度降低，从而提高了信号对噪声和干扰的抵抗力。
(b) 跳频扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
FHSS 通过快速在多个频率之间跳转来避免干扰,这需要提前在发送和接收端约定好跳频的规律，实际在WiFi中使用得比较少。
(c) 正交频分复用 (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)
OFDM 使用多个正交子载波，每个子载波传输数据的一部分，这样就大大降低了多径效应的影响，并提高了频谱效率。
上面的这三种扩频方式看不懂没关系，下面会有稍微比较详细的介绍。
(四) 802.11b
802.11b 是1999年发布的标准，为什么它最大的理论数据只有11Mps？
这与802.11b 物理层使用的编码方式和调制方式有关系：
(a) BPSK 与 QPSK调制方式
BPSK: (Binary Phase Shift Keying)每个符号代表1个比特，即每次调制一个符号时只能传递1个比特。
QPSK: (Quadrature Phase Shift Keying)每个符号代表2个比特，因为它可以区分四种相位，所以比BPSK效率更高。
(b) Barker 与 CCK 编码
Barker编码: Barker 码是一个 11 比特序列 (例如10110111000)，在无线传输方面存在优势，可以有效降低干扰，不过降低了效率。
每一个比特编码为一个 11 位 Barker 码，因此而产生的一个数据对象形成一个chip(碎片)。实际传输的信息量是有效传输的 11 倍。
CCK编码: (Complementary Code Keying)补码键控,采用了复杂的数学转换函数，可以使用若干个 8-bit 序列在每个码字中编码 4 或 8 个位。
补码键控编码方式能有效防止噪声及多径干扰，缺点是补码键控为了对抗多径干扰，技术复杂，实现困难。
(c) 802.11b 速率计算
关于802.11b 各速率的计算：
1Mbps (Barker + BPSK)
调制方式: BPSK，每个符号1比特。
编码方式: Barker 编码，每个符号被编码为11位。
结果: 由于符号速率是1 MSym/s，BPSK调制1个符号1比特，所以最大理论速率是1 Mbps。
2Mbps (Barker + QPSK)
调制方式: QPSK，每个符号2比特。
编码方式: Barker编码。
结果: 符号速率1 MSym/s，每个符号传输2比特，所以最大理论速率是2 Mbps。
5.5Mbps (4-bits CCK + QPSK)
调制方式: QPSK，每个符号 2 比特。
编码方式: 4-bits CCK编码，利用复杂的编码方式提高了每符号的比特传输效率。
结果: 虽然每个符号代表 2 个比特，但CCK编码使得每个符号最终可以传递 4 个比特。因此最大理论速率是 5.5 Mbps。
11Mbps (8-bits CCK + QPSK)
调制方式: QPSK，每个符号 2 比特。
编码方式: 8-bits CCK 编码，每个符号可传递 8 个比特。
结果: 在QPSK的基础上，通过CCK编码的优化使得每个符号可以传输8个比特，所以最大理论速率是11 Mbps。
注意：上面 Sym/s 是符号率/码元速率的单位，用于表示通信系统中每秒传输符号数量的单位。
- 在BPSK (Binary Phase Shift Keying)调制中，一个符号代表1个比特。
- 在QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)调制中，一个符号代表2个比特。
(五) 802.11g
802.11g 可以从 802.11b 中的最大速率 11Mbps 提升到 54Mbps, 核心是使用了OFDM 调制载波技术。
(1)正交频分复用技术(OFDM)
正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM) 是一种数字多载波调制方案，它通过在同一单信道内使用多个子载波来扩展单子载波调制的概念。
OFDM 不是使用单个子载波传输高速率数据流，而是使用大量并行传输的紧密间隔的正交子载波。每个子载波均采用传统的数字调制方案。许多子载波的组合可以在等效带宽内实现与传统单载波调制方案类似的数据速率。
OFDM 基于频分复用 (FDM) 技术，在 FDM 中，不同的信息流被映射到单独的并行频道上，每个 FDM 信道均通过频率保护带与其他信道分开，以减少相邻信道之间的干扰。
OFDM 方案与传统 FDM 的不同之处在于以下相关方面：
- 多个载波 (称为子载波)承载信息流，
- 子载波彼此正交，并且为每个符号添加保护间隔，以最小化信道延迟扩展和符号间干扰
上图说明了 OFDM 信号的主要概念以及频域和时域之间的相互关系。
在频域中，多个相邻子载波各自独立地用复数数据进行调制。对频域子载波执行逆 FFT 变换以产生时域中的 OFDM 符号。
在时域中，在每个符号之间插入保护间隔，以防止由于无线电信道中的多径延迟扩展而在接收机处引起的符号间干扰。可以连接多个符号来创建最终的 OFDM 突发信号。
在接收器处，对 OFDM 符号执行 FFT 以恢复原始数据位。这里的 FFT 就是高数中的傅里叶变换。
在802.11g 中，有48个子载波用来传输数据，4个子载波用来做相位参考。
为什么802.11g速率可以达到 54Mbps 呢？
802.11g 除了使用了OFDM调制载波技术，它还使用了64-QAM 的编码方式。
(2) 64-QAM 编码方式
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度调制，在QAM (正交幅度调制)中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。模拟信号的相位调制和数字信号的PSK (相移键控)可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。
64-QAM 中的每个符号都是一个包含 6 位的星座状态，每个符号是从 000 000 到 111 111 的 64 种不同状态中的一种可能组合。由于该调制方案使用二进制数据，因此可能的组合总数使用6 位为 2的6次方，即 64。
相应的在WiFi中还有使用16-QAM和256-QAM的编码方式，16-QAM 传输4个位，64-QAM 传输6个位，256-QAM传输8个位。
在802.11g 中使用的是64-QAM，并且它的编码率是3/4。
(3) 802.11g 速率计算
数据速率是符号速率、每个符号承载的比特数和信道编码率的乘积。
调制方式: 64-QAM，每个符号代表6个比特。
编码率: 3/4 (前向纠错编码中使用的编码率)。
符号速率: 250 ksps。
每个OFDM符号在所有子载波上传输的总时间为4微秒 (μs)，其中包括3.2微秒的数据传输时间和0.8微秒的保护间隔 (Guard Interval)。
因此，符号周期 (Symbol Period)为4微秒。
由于每个符号周期为4微秒，符号速率为：
- 每个符号可以传输的比特数 = 6bit (因为64-QAM)。
- 载波编码率是3/4，所以实际有效比特数 = 6bit * 3/4 = 4.5 bit。
- 有48个数据子载波，所以每个OFDM符号可以传输的比特数 = 48 * 4.5bit = 216bit。
- 符号速率是250 ksps，所以总数据速率 = 216 比特/符号 * 250 ksps = 54 Mbps。
由上面的计算可以知道，802.11g 最大支持的速率是54Mbps。
于此同时，802.11g可以向下兼容，在不同调制方式和编码率下，可以匹配到不同的速率上。
| 调制方式 | 编码率 | 数据速率 |
|---|---|---|
| BPSK | 1/2 | 6 Mbps |
| BPSK | 3/4 | 9 Mbps |
| QPSK | 1/2 | 12 Mbps |
| QPSK | 3/4 | 18 Mbps |
| 16-QAM | 1/2 | 24 Mbps |
| 16-QAM | 3/4 | 36 Mbps |
| 64-QAM | 2/3 | 48 Mbps |
| 64-QAM | 3/4 | 54 Mbps |
(六) 802.11n (WiFi4)
就目前而言，很多设备还是使用的 802.11n 协议，特别是在安防 IPC 行业。
那么，从 2003 年的 802.11g 到 2009 年的 802.11n(WiFi4)，又有哪些关键技术的实现让 WiFi4 的速率得到质的飞跃呢？
WiFi4 核心的技术是 OFDM、FEC、MIMO、40Mhz、Short Gi。
(1) 802.11n 的 OFDM
这里使用的 OFDM 正交频分复用技术与 802.11g 中使用的是相同的。不同的点是：
- 802.11g 总共有 52 个子载波，802.11n 有 56 个子载波
- 802.11g 有 48 个数据子载波，802.11n 有 52 个数据子载波
数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 = 最大理论速率
52 * 6bit * 3/4 * 250 ksps = 58.5Mbps
数据子载波数量增加了 4 个，所以速率由 802.11g 的 54Mbps 提升到了 58.5Mbps。
(2) 802.11n 的 FEC
前向纠错编码 (Forward Error Correction，FEC) 技术在发送端将原始数据块进行编码，添加冗余信息形成编码数据块。接收端通过解析这些冗余信息来检测和纠正传输过程中出现的错误。
这种方法不需要反馈和重传，因此可以显著提高数据传输的效率，特别是在高噪声或信号衰减严重的无线环境中。
使用 FEC 前向纠错编码之后，载波编码率由 802.11g 的 3/4 提升到了 5/6 。
数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 = 最大理论速率
52 * 6bit * 5/6 * 250 ksps = 65Mbps
使用 FEC 编码之后，速率提升到了 65Mbps
(3) 802.11n 的 Short Gi
Guard Interval (GI) 是指在每个 OFDM (正交频分复用) 符号之间插入的一段保护时间，用来防止符号间的干扰 (ISI, Inter-Symbol Interference)。这种干扰通常由多径传播引起，即信号在传播过程中经过多次反射、折射和散射，从而导致信号在不同的时间到达接收端。
在传统的 802.11 系统中，GI 的标准长度为 800 纳秒 (ns)，这个时间间隔足够长，以消除大部分的符号间干扰。然而，长时间的 GI 也意味着浪费了一部分可以用于数据传输的时间。
由于保护时间缩短了400ns，所以每个符号周期为4微秒-0.4微秒 = 3.6微秒
符号率为：277.778ksps
数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 = 最大理论速率
52 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps = 72.2222Mbps
使用 Short GI技术之后，速率提升到了 72.2222Mbps.
(4) 802.11n 信道捆绑
802.11n 允许使用 信道捆绑 技术，将两个相邻的 20 MHz 信道捆绑在一起，形成一个 40 MHz 的信道。这使得数据传输可以在更宽的频谱范围内进行。
通过增加信道宽度，可以承载更多的子载波 (subcarriers)，从而提高数据的传输速率。
- 一个标准信道是 20Mhz 频宽，包含 52 个子载波
- 两个相邻信道捆绑起来就是 40Mhz 频宽，包含108 (52*2+4=108) 个子载波
为什么上面两个信道捆绑到一起后，子载波数还多了4个呢？
因为信道与信道之间有间隙，当两个信道绑定之后，两个信道中间的频段也可以被使用到。
在 2.4G 模式上最多可以有一个 40M 信道，在5G模式上 40M 信道数目因国家不同而不同，理论上最多有11个 40M 信道。
数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 = 最大理论速率
108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps = 150Mbps
2.4Ghz频段信道捆绑注意事项：在 2.4 GHz 频段，由于可用的信道较少且信道间隔较窄，通常使用的信道捆绑配置包括：
- 信道 1 和 5：这些信道可以捆绑在一起形成 40 MHz 宽的信道。
- 信道 6 和 10：这些信道也可以捆绑在一起形成 40 MHz 宽的信道。
- 信道 11 和 7：这些信道也可以捆绑在一起形成 40 MHz 宽的信道。
由于 2.4 GHz 频段的信道带宽较小，捆绑时的信道间隔可能会导致较高的信道重叠和干扰，因此在这个频段使用信道捆绑时需要特别注意干扰管理。
(5) 802.11n MIMO
MIMO(Multiple Input Multiple Output)概念
多输入多输出：MIMO 技术利用多个发射天线和接收天线在无线通信中进行数据传输。通过同时传输多个数据流，MIMO 技术可以显著提高无线网络的吞吐量和覆盖范围。
空间复用：MIMO 技术允许在相同的频谱资源上同时传输多个数据流，增加了频谱的利用效率。这种技术基于空间复用原理，即在同一频段内通过空间分离的数据流来实现更高的数据传输速率。
数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 x MIMO = 最大理论速率
108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 600Mbps
所以 802.11n 的最大速率是 600Mbps
我们回到最开始的WiFi标准与WiFi世代图中，我们可以看到 802.11n (WiFi4) 在2.4GHz 的最大速率是 450Mbps,而在 5Ghz 的最大速率是 600Mbps,这是为什么？
我在网上看的资料是，802.11n 在 2.4GHz 的时候最大是 3 条数据流，而在 5GHz 的时候最大是 4 条数据流。
802.11n 除了上面介绍的 OFDM、FEC、MIMO、40Mhz、Short Gi 这些关键技术之外，它还有帧聚合、Block Ack 块确认、更加高效的MAC层等技术使 WiFi 的整体性能得到了很大的提升。
结尾
上面介绍了 WiFi 信道，无线 WiFi 的 OSI 模型，以及 802.11b/g/n 标准协议的一些关键技术，下一篇将介绍 WiFi5、WiFi6、WiFi7 相关的一些内容，以及这些标准在使用时需要注意的事项。
上面内容，如有错误，欢迎评论区批评指出，不胜感激。