《WiFi技术原理》PPT课件.ppt
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1、目录,Wi-Fi主要技术原理,Wi-Fi概念Wi-Fi是WLAN(无线局域网,Wireless Local Area Network)目前最主流的一种技术,基于IEEE 802.11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,Wireless Ethernet Compatibility Alliance)。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,Distributed Co
2、ordination Function),即通过CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)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,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),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
3、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(2.4022.483 GHz),但北美只开放11个信道,所以建议只使用111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,Industrial Scientific and Medic
4、al Band)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(5.7255.850GHz)频段:含5个互不干扰的子信道(149,153,157,161,165
5、),也属于ISM频段5.1GHz(5.1505.350GHz)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
6、/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470710MHz: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
7、+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-Fi HaLow/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,Wireless Sensor Networks)和IoT(物联网,Internet of Things),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
8、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,Frequency Hopping Spread Spectrum)和DSSS(直接序列扩频,Direct Sequence Spread Spectrum)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,Binary Phase Shift Keying)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,
9、Quadrature Phase Shift Keying)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,High Rate Direct Sequence Spread Spectrum),发送频率提高到1.375MSpsSymbol为8bit的CCK(补码键控,Complementary Code Keying)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
10、,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,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)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,Pilot Signal),48个传数据工作周期为4s120MHz=0.05s0.0564=3.2s3.2+0.8=4s,其中0.8s为循环前缀(CP,Cyclic
11、Prefix),用于保护,称为GI(保护间隔,Guard Interval),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,Modulation and Coding Scheme)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(spatial streams)同时传输数据(详见后)引入短保护间隔(Short GI),从
12、标准的0.8s缩短为0.4s,工作周期为3.6s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Short GI由设备和终端协商,不用设定计算示例(以450Mbps为例):(6bit 5/6 1083.6s)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
13、234个,160MHz和80+80MHz都有468=2342个MIMO:空间流数量可达8条(详见后)计算示例(以1.3Gbps为例):(8bit 5/62343.6s)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
14、技术参数频宽,信道绑定(Channel Bonding)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,High Throughput),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8
15、0MHz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-Input Multiple-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
16、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,802.11ac wave2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802.11ac wave2最大的特点是支持MU-
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