WiFi技术原理-课件

Text:14pt.Times New Roman with 70 percent Wingdings square bullet,Second level,Third level,*,Major(24 Pt.)or Minor(18 Pt.)Times Bold,Title Case,Text:14pt.Times New Roman with 70 percent Wingdings square bullet,Second level,Third level,*,Major(24 Pt.)or Minor(18 Pt.)Times Bold,Title Case,目录,三,家庭组网原则与方案,二,相关技术介绍,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 Coordination 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（,2.402,2.483 GHz,），但北美只开放,11,个信道，所以建议只使用,1,11,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 Medical 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,（,5.725,5.850GHz,）频段：含,5,个互不干扰的子信道（,149,，,153,，,157,，,161,，,165,），也属于,ISM,频段,5.1GHz,（,5.150,5.350GHz,）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/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,470,710MHz,：,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+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，,Quadrature Phase Shift Keying,）编码方式，此时，每个,Symbol,代表,2bit,，速率为,2Mbps,802.11b,：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,1.375MSps,Symbol,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,，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,4s,120MHz=0.05s,0.0564=3.2s,3.2+0.8=4s,，其中,0.8s,为循环前缀（,CP,，,Cyclic 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,）,调制方式（,Modulation,）,编码效率（,Coding rate,）,数据速率（,Rate,）,BPSK,1/2,6Mbps,BPSK,3/4,9Mbps,QPSK,/4-QAM,1/2,12Mbps,QPSK,/4-QAM,3/4,18Mbps,16-QAM,1/2,24Mbps,16-QAM,3/4,36Mbps,64-QAM,2/3,48Mbps,64-QAM,3/4,54Mbps,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,MCS Index,Spatial streams,Modulation type,Coding rate,GI=800ns,GI=400ns,20MHz,40MHz,20MHz,40MHz,0,1,BPSK,1/2,6.5,13.5,7.2,15.0,1,1,QPSK,1/2,13.0,27.0,14.4,30.0,2,1,QPSK,3/4,19.5,40.5,21.7,45.0,3,1,16-QAM,1/2,26.0,54.0,28.9,60.0,4,1,16-QAM,3/4,39.0,81.0,43.3,90.0,5,1,64-QAM,2/3,52.0,108.0,57.8,120.0,6,1,64-QAM,3/4,58.5,121.5,65.0,135.0,7,1,64-QAM,5/6,65.0,135.0,72.2,150.0,8,2,BPSK,1/2,13.0,27.0,14.4,30.0,9,2,QPSK,1/2,26.0,54.0,28.9,60.0,10,2,QPSK,3/4,39.0,81.0,43.3,90.0,11,2,16-QAM,1/2,52.0,108.0,57.8,120.0,12,2