WIFI学习第一天

802.11n

802.11n最高速率可达600Mbps

802.11n协议为双频工作模式，支持2.4GHz和5GHz

802.11n采用MIMO与OFDM相结合

传输距离大大增加，网络的吞吐量性能提高

       更多的子载波

       速率提升-编码率

       更短的帧间保护间隔(Short GI)

       信道绑定40M频宽模式

       MIMO及波束成形技术

       帧聚合技术(A-MSDU&A-MPDU)

       块确认

802.11n优势

802.11ac

       作为802.11n标准的延续，802.11ac主要工作频段为5GHz频率，以及支持MIMO技术，并在此基础上技术改进与创新，以求达到1Gbps吞吐量的目标

       802.11ac将向后兼容802.11全系列现有及即将发布的所有标准和规范

       安全性方面，它将完全遵循802.11i安全标准的所有内容

       802.11ac技术改进：

              更大信道带宽，最大160MHz

              更多空间流，最多MIMO8*8

              更高阶调制方式，最大256QAM

802.11基本元素

       BSS(Basic Service Set)：基本服务集

       BSA(Basic Service area)：基本服务区域

       ESS(Extended Service Set)：扩展服务集

       SSID(Basic Set Identifier)：服务集标识

       BSSID(Basic Service Set Identifier)：基本服务集识符

基本服务集(Basic Service Set，简称BSS)是802.11网络的基本组件，由一组相互通信的工作站所构成。

BSA(Basic Service area)：基本服务区域，相当于一个无线单元

所谓ESS，就是利用骨干网络将几个BSS串联在一起

SSID：用户所谓的网络名称

BSSID实际上就是AP的MAC地址，用来标识AP管理的BSS

WLAN组网结构

       Ad-Hoc组网

       Infrastructure组网

       WDS组网

       Mesh组网

Ad-Hoc组网与Infrastructure组网

WDS组网

WDS(Wireless Distribution System无线分布式系统)：通过无线链路连接两个或者多个独立的有线局域网或者无线局域网，组建一个互通的网络，从而实现数据访问

无线WDS技术提高了整个网络结构的灵活性和便捷性

在WDS部署中，网桥组网模式可分为：

       点对点(P2P)方式

点对多点(P2MP)方式

中继桥接方式

Mesh组网

无线AP之间有冗余，解决了无线单点故障问题

红色虚线代表Mesh回传链路，圆圈代表用户接入信号覆盖

802.11物理层技术

802.11所采用的无线电物理层使用了三种不同的技术

       跳频(Frenquuency hopping，简称FH或FHSS)

       直接序列(Direct sequence，简称DS或DSSS)

       正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)

跳频

跳频(Frenquuency hopping，简称FH或FHSS)：是以一种预定的伪随机模式快速变换传输频率

直接序列(Direct sequence，简称DS或DSSS)

       直接序列传输技术是通过精确的控制将RF能量分散至某个宽频带

       但无线电载波的变动被分散至较宽的频带时，接收器可以通过相关处理找出变动所在

       扩频技术能够很好的防止干扰

DSSS编码方式

       DSSS采用11chip barker编码方式

       只要11位中的2位正确就能识别原来的数据

       作用：防止干扰

       补码键控(complementary code keying，CCK)

       补码键控编码方式能有效防止噪声及多径干扰

       802.11使用补码键控能有效防止噪声及多径干扰

       缺点：补码键控为了对抗多径干扰，技术复杂，实现困难

DSSS调制方式

       DSSS采用的调制方式为：BPSK、QPSK

正交频分复用技术

       正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，是一种多载波调制技术

       其主要思想是：将信道分成 若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低俗子数据流，调制在每个子信道上进行传输

OFDM子信道调制技术

       OFDM调制方法

              BPSK(Binary Phase Shift Keying)二进制相移键控

              QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)正交相移键控

              QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度调制

       QAM同时利用了载波的振幅和相位来传递信息

       OFDM技术结合QAM调制方式让速率达到54Mbps

802.11帧

       802.11帧的最大长度2346个字节，基本结构如下图所示

802.11帧-帧类型

       802.11帧主要有三种类型：数据帧、控制帧、管理帧

       Type(类型)与Sub Type(子类型)位用来指定所使用的帧类型

数据帧

       数据帧会将上层协议的数据置于帧主体加以传递。会用到哪些位，取决于改数据帧所属的类型

       如Data与QoS Data

控制帧

       控制帧均使用相同的Frame Control(帧控制)位，如下图所示

管理帧

       管理帧目的是通过帧的使用，为网络提供相对简单的服务。负责对无线网络的管理，包括网络信息通告、加入或退出无线网络，射频管理等。802.11管理帧基本结构如下图所示。

CSMA/CA

       CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)：带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”

CSMA/CA工作机制

隐藏节点-RTS/CTS

       无线网络的界限比较模糊，有时候并不是每个节点都可以跟其他节点直接通信。导致节点间发生冲突。隐藏节点指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的节点

       通过RTS/CTS帧在发送数据帧之前先对信道进行预约

暴露节点-RTS/CTS

       暴露节点指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的节点

通过RTS/CTS帧在发送数据帧之前确认信道不会发生冲突

无线用户接入过程

       无线用户需要

              扫描发现周围的无线服务

              通过认证

              进行关联

              接入无线局域网

扫描阶段

       无线客户端有两种方式可以获取到周围的无线网络信息

认证阶段

       为了保证无线链路的安全，接入过程中AP需要完成对客户端的认证，只有通过认证后才能进入后续的关联阶段。802.11链路定义了两种认证机制：开放系统认证和共享密钥认证

关联阶段

       终端关联过程实质上是链路服务协商的过程。完成了802.11的链路认证后，WLAN客户端会继续发起802.11链路服务协商，具体的协商通过Association报文或者Re-association报文实现

802.11ac

11ac在很多方面对11n做了改进或者优化：

引入了新的技术或者扩展了原有的技术以增加吞吐率或接入用户数。如，更多流 MIMO，256QAM多用户MIMO等。

优化了协议，放弃了原先的很多可选性以减少复杂度。例如，TXBF放弃了支持隐式TXBF，信道探测和反馈方式也只支持一种方式。

保持与旧的协议的兼容性。改进了物理层帧结构，考虑的不同信道带宽共存时的信道管理等

工作频段

在802.11ac中已经不再支持2.4G频段。这种规范一方面避免了工作在2.4G上收到的种种困扰，另一方面从标准上推动了支持5G频段的终端的普及。在11n时期，现网中仍然有近一半以上的终端仅支持2.4G频段。虽然协议上会将11ac的工作频率定义在小于6GHz的不包括2.4GHz的频率，但其主流的工作频段仍然会是5G频段，因此802.11ac 也被俗称为 5G WIFI。

信道带宽

11ac协议引入了80MHz带宽和160MHz带宽。在11n协议中，可以支持20MHz和40MHz两种带宽。其中20MHz信道带宽的必选的，40MHz信道是可选的。在11ac协议中，可以支持20MHz、40MHz、80MHz、80+80MHz（不连续，非重叠）和160MHz，其中20MHz、40MHz、80MHz是必选的，80+80MHz和160MHz是可选的。下图为北美频谱为例，给出了11ac与11n以及11a的对比。需要说明的是160MHz的信道，可以支持连续的2个80MHz的信道和不连续的多个80MHz的信道。

这种可变带宽的设计在信道带宽上保留了向小带宽信道的兼容性，同时带宽增加带来的也带来了吞吐率的大大提升，给用户带来更好的体验。

但信道带宽的扩展也带来了多种信道共存时的干扰问题，如何对信道带宽进行管理既能减少信道干扰又能充分利用频谱带宽，也是11ac中信道管理需要考虑的问题。

MCS

在11n中为每个MIMO组合中定义了8种MCS。在调制方式中包括了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。

为了提高吞吐率，在11ac中引入调制效率更高的更高阶调方式256Q-AM。支持3/4和 5/6两种码率，MCS方式也因此增加到了10种。在MCS的表示上，11ac放弃了原来为每个MIM组合进行MCS编码，因此MCS编码方式也由原来的几十种变成了10种。MCS越高，吞吐率越高，这是由于调制编码方式的区别带来的每个子载波代表的bit数的差异。在使用BPSK调制时每个子载波只能表示2个bit，16-QAM时每个子载波表示4个bit，64-QAM时，每个子载波表示6个bit ，而在引入256-QAM后，每个子载波可以表示8个bit。下图给出了从BPSK到256-QAM时的星座图，越高阶得调制方式调制效率越高，但不同调制方式时的效率提升也并不是成线性的，越往后提升越不明显。

256QAM提升了效率，但其对无线环境的要求也更加苛刻，对信噪比(SNR)的要求要比 64QAM更高。因此，MCS8与MCS9一般会适应在终端离AP比较近的场景下，这种场景下有用信号强，干扰信号弱，更容易满足SNR要求（SNR=有用信号/干扰信号）

单用户MIMO

单用户MIMO是指单个用户使用的MIMO特性，以与多个用户同时传输的MIMO特性相区别，实际上它们都属于MIMO技术。MIMO本身包括空间分集，空间复用。空间分集虽然不能直接提升吞吐率，但其提供的分集增益可以提升信噪比，从而帮助链路使用更高阶的调制编码方式获得容量的提升。空间复用就是我们常说的多流，在不改变信道带宽的前提下，同时传输单个用户的多个数据或者多个用户的数据。

在WIFI中最引人关注的空间分集就是我们常说的波束成形(TXBF)。由于11n对TXBF的定义过于复杂，被市场的接收度并不高，在11ac中，简化了这些设计。

在11n中定义了两种波束成形的方式：显式和隐式的，但在11ac中仅支持显式波束成形。

WIFI在11n时中引入的多流，支持空间复用。802.11n第一次在WIFI标准里引入了 MIMO技术，最多可以支持多大4条流，最高速率可以达到600Mbps的吞吐率，相对于 802.11a/b/g标准有了质的飞跃。在802.11ac标准中，将最大可支持的流数从4条增加到8 条，单用户的最大吞吐率也因此接近7Gbps。

不管是空间复用还是分集都需要多天线系统作为前提，如果要实现11ac支持8条流的天线，AP和终端都需要8根天线，这对AP和终端都是一个挑战，因为天线越多，设备的复杂度、尺寸、成本都会大大增加。这也是虽然11n可以支持4调流，但主流的11n的AP仍然是双天线，而终端仍然是单天线的一个原因。

多用户MIMO

多流可以大大增加单用户的吞吐率，但现网中大量终端(尤其是移动智能终端)仍然单流。单流的终端相对于多流的终端传输相同的大小的数据需要占用更多的空口时间，因此单流终端成为提升接入用户数的一个瓶颈。多用户MIMO是解决这问题的一个好办法。在不改变用户带宽和频率的情况下，在同一时刻，一个AP可以同时给多个用户(最多支持4个用户)发送不同的数据

当AP在相同的频率同时给多个用户发送数据时，每个用户流收到的发给其他用户的流的信号对其来说就是一种干扰。因此，多用户MIMO需要TXBF的协助其完成信道探测，根据反馈的矩阵在发送端使用预编码技术消除这种干扰。

在11ac的多用户MIMO中，只支持下行的多用户MIMO，且最多只能同时给4个用户传输数据，对于用户的上行数据仍然采用一个一个发送的方式，不能并发。当需要同时传输的用户数据不一样大时，需要通过 Frame Padding对并发数据补齐。同时Scheduled BA机制，对每个用户回复的ACK进行调度，使得ACK一个一个的发送。

当AP支持EDCA时，不同的用户业务的优先级可能不一样，这样会分布到不同的AC队列中。在多用户MIMO时通过TXOP共享实现不同优先级的用户同时传输。

MU-MIMO提升了多用户并发能力，增加了单个AP并发的用户数。尤其在单流终端的应用场景中，可以增加并发用户数，明显增加AP的下行吞吐量。当多用户传输时，流之间存在的干扰会影响高阶调制方式的使用，例如在多用户传输时无法使用256QAM的调试方式。

动态信道管理

11ac支持从20MHz到160MHz的几种不同的信道带宽，这种灵活性也给信道管理带来挑战。当网络中有不同的带宽的信道在使用时怎么管理这种状况，以减少信道之间的干扰，并且保证信道得到充分的利用。

在11ac中，增强定义了RTS/CTS机制，用来协调什么时候信道可用和哪些信道可用。具体的协调机制如下：

11ac设备在其使用的信道内以20MHz为单位的子信道内发送RTS。当信道带宽为80M时，在复制3份充满80MHz；当信道带宽为160MHz时，复制7份充满 160MHz。这样做的好处是，不管周边设备的主信道是80MHz或者160MHz信道中的任意20MHz都可以侦听到这个RTS报文。每个收到 RTS报文的设备将虚拟载波侦听设为忙；

收到RTS报文的设备会检测其主信道或者80MHz带宽内的其他子信道是否繁忙。如果信道带宽的一部分被使用，则接收设备只会在CTS帧内响应可用的20MHz的子带宽，并报告重复的带宽；

在每个可用的20MHz的子信道上回复CTS报文。

这样发送设备就知道了哪些信道是可用的，哪些信道是不可用的。最终只在可用的子信道上发送数据。

在原来11n的时候，是使用静态的，即发现一个子信道上不可用则整个带宽都不可用，而在11ac中只有检测到繁忙的子信道不可用，其他子信道仍然可以发送数据。

动态带宽管理几乎是为了频谱复用而设计的，通过动态信道管理可以增加信道的利用率，减少信道之间的干扰。在这种机制下让两个AP同时工作一个相同的带宽信道上。

兼容性

      从帧结构上看，802.11ac的系统能够探测接入设备的帧结构里所包含的前导码(preample) 和导频信号(pilot），来区分接入设备使用的是何种标准，并自适应，这就是后向兼容。

帧聚合

在WIFI中每一个帧的传输都需要在空口中进行通过CSMA/CA的方式取得对空口的使用权。大量帧传输时，这种碰撞大大降低空口的利用率。从11n开始，在MAC引入了帧聚合技术，将MSDU或MPUD进行聚合后再进行物理层封装，使得多个帧使用一个物理头，提高封装效率，减少对空口的占用和争抢次数。

在11ac中，为了进一步提高效率和可靠性，增加了MPDU帧的大小和A-MPDU帧的大小，并且只支持A-MPUD。

最后

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