一篇文章读懂Wi-Fi技术

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2 WiFi标准的演进

IEEE 802.11是针对WIFI技术制定的一系列标准，第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbps。1999年加上了两个补充版本：802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbps的物理层，802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbps的物理层。802.11g在2003年7月被通过，其载波的频率为2.4GHz（跟802.11b相同），传输速率达54Mbps。802.11g的设备向下与802.11b兼容。其后有些无线路由器厂商因应市场需要而在IEEE 802.11g的标准上另行开发新标准，并将理论传输速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。IEEE 802.11n是2004年1月时IEEE宣布组成一个新的单位来发展的新的802.11标准，于2009年9月正式批准，最大传输速度理论值为600Mbps，并且能够传输更远的距离。IEEE 802.11ac是一个正在发展中的802.11无线计算机网络通信标准，它通过5GHz频带进行无线局域网（WLAN）通信，在理论上，它能够提供高达1Gbps的传输速率，进行多站式无线局域网（WLAN）通信。

除了上述的标准，另外有一个被称为IEEE 802.11b+的技术，通过PBCC（Packet Binary Convolutional Code）技术在IEEE 802.11b（2.4GHz频段）基础上提供22Mbps的数据传输速率。但这事实上并不是一个IEEE的公开标准，而是一项产权私有的技术，产权属于德州仪器。IEEE的一个工作组TGad与无线千兆比特联盟联合提出802.11ad的标准，即在60GHz的频段上面使用大约2GHz的频谱带宽，实现近距离范围内高达7Gbps的传输速率。

3 WiFi物理层技术

WiFi是由无线接入点AP（Access Point） 、站点（Station）等组成的无线网络。AP一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源。它的工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或路由，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。

802.11发布之初，只支持1Mbps和2Mbps两种速率，工作于2.4GHz频段上面，两个设备之间的通信可以自由直接的方式进行，也可以在基站（BS）或者访问点（AP）的协调下进行。

802.11a标准采用了与原始标准相同的核心协议，工作频率为5GHz，使用正交频分多路复用副载波，最大原始数据传输率为54Mb/s。如果需要的话，数据率可降为48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。它不能与IEEE 802.11b进行互操作，除非使用了对两种标准都采用的设备。由于2.4GHz频带已经被到处使用，采用5GHz的频带让802.11a具有更少冲突的优点。然而，高载波频率也带来了负面效果。802.11a几乎被限制在直线范围内使用，这导致必须使用更多的接入点；同样还意味着802.11a不能传播得像802.11b那么远，因为它更容易被吸收。

802.11g的调制方式和11a类似，但其载波的频率为2.4GHz（跟802.11b相同），共14个频段，原始传送速度也可达为54Mbps，802.11g的设备向下与802.11b兼容。

802.11n引入了MIMO的技术，使用多个发射和接收天线来允许更高的数据传输率，并增加了传输范围；并支持在标准带宽20MHz和双倍带宽40MHz，使用4×4 MIMO时的速度最高可达600Mbps。

802.11ac采用并扩展了源自802.11n的空中接口概念，包括高达160MH的射频带宽，最多8个MIMO空间流以及最高可达256QAM的调制方式。以下是这几种标准的主要属性对比。

4 WiFi关键技术

为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道，无线局域网中采用了载波监听多路访问/冲突避免协议。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制。送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由于每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。

直接序列扩频技术是802.11b所采取的主要调制技术。直接序列扩频技术是把使用11位的Chipping Barker序列来将数据编码并发送的技术。发送端通过spreader把chips（就是一串的二进制码）添加入要传输的比特流中，称为编码；然后在接收端用同样的chips进行解码，就可以得到原始数据了。在相同的吞吐量下，直接序列扩频技术需要比跳频技术更多的能量；但以消耗能量为代价，它也能达到比跳频技术更高的吞吐量，802.11b能达到5.5Mbps和11Mbps就是采用HR/DSSS技术。

正交频分复用OFDM（Orthogonal frequency-division multiplexing）是一种基于正交多载波的频分复用技术，它是802.11a/g/n/ac中都采取的调制技术，它将高速串行数据流经串/并转换后，分割成大量的低速数据流，每路数据采用独立载波调制并叠加发送，接收端依据正交载波特性分离多路信号。

OFDM与传统频分复用FDM的区别在于：传统的频分复用技术需要在载波间保留一定的保护间隔，结合滤波来减少不同载波间领谱的重叠，从而避免各载波间的相互干扰；而OFDM技术的不同载波间的频谱是重叠在一起的，各子载波间通过正交特性来避免干扰，有效地减少了载波间的保护间隔，提高了频谱利用率。

扩展绑定技术是802.11n中所引入的新技术，并在802.11ac中得以继承和发展，它能够提高所用频谱的宽度从而提高传输速率。802.11a/g使用的频宽是20MHz，而802.11n支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来使用。而当频宽是20MHz的时候，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过40MHz绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载体从104（52×2）提高到108。在802.11ac中频宽进一步的可以扩展到80MHz和160MHz，使得传输速率进一步的提升。

多输入多输出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术是802.11n和802.11ac采用的关键技术。传统单输入输出无线传输SISO（Single Input Single Output），接收的无线信号中携带的信息量的多少取决于接收信号的强度超过噪声强度的多少，即信噪比。信噪比越大，信号能承载的信息量就越多，在接收端复原的信息量也越多。MIMO结合复数的射频链路和复数的天线，即同时在多个天线上发送出不同的信号，而接收端则通过不同的天线将在不同的射频链路的信号独立的解码出来。MIMO在802.11n通常定义为M*N，其中M为发射机天线数，N为发射机天线数。空间流数是决定最高物理传输速率的参数，在802.11n中定义了最高的流数为4，流数越多速率就越高。在802.11n中，在其他参数确定后，最高速率按空间流的倍数变化，如1个独立空间流最高可达150Mbps， 4个独立空间流可达600Mbps。空间流数与天线数，一般是一致的。但也可采用不对称的天线数和空间流数，天线数量必须不小于空间流数，如2个空间流的至少需要两个天线来支持。

智能天线技术也是802.11n采用的一个新的技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使WLAN移动性极大提高。在兼容性方面，802.11n采用了一种软件无线电技术，它是一个完全可编程的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN将不但能实现802.11n向前后兼容，而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合。

5 总结

经过10多年的发展，WiFi的应用已经得到极大的发展，目前市场上面有超过30亿台电子设备使用Wi-Fi技术，涉及到的领域越来越广泛。相比较传统的物理连接布线而言，它的使用非常简便，非常适合移动办公的需要，同时它比蓝牙技术等传统无限通信技术具备更高的传输速率，更远的传送距离。但同时也具备一些缺点，如无线信号容易受到建筑物墙体的阻碍，传播时容易受到同频段的其他信号的干扰，另外网络的安全性也差强人意，容易受到非法用户对网络进行窃听、攻击和入侵。相信随着无线通信技术的发展，这些问题会得到解决和完善。

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呵呵，看懂了吗？