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2.1.2 Wi-Fi标准中的关键技术

在介绍IEEE802.11 (Wi-Fi)的关键技术之前,首先介绍一下802.11网络中的设备类型和关键术语。

AP (Access Point):该设备就是常见的无线接入节点,它接受无线终端(iPad、手机等)的连接,把无线终端的数据转发给有线网络,同时把有线网络的数据转发给无线终端。所以它就是在有线网络和无线设备之间的桥接设备。

作为实际产品的解决方案,厂家根据应用场景把AP分成FAT AP(胖AP)和FIT AP(瘦AP)两种。FAT AP具有独立的认证、DHCP等功能,能在有线网络和无线设备之间进行协议转换。而FIT AP需要与接入点控制器(AP Controller)进行通信,通过DHCP获得IP地址,从接入点控制器下载配置文件完成配置,无线终端的数据流量通过FIT AP转发给接入点控制器完成认证、特定的地址过滤等任务,然后从接入点控制器转发给有线网络。家庭的无线路由器是完成了类似FAT AP功能的设备。

基本服务组合(Basic Service Set,BSS):BSS由互相通信的无线设备组成,在基本区域(Basic Service Area)范围内进行通信。每个BSS都被分配一个BSS ID,它是长度为48位的二进制数据,用来区分不同的BSS。在实际的无线网络环境中,802.11网络可能互相重叠,通过BSS ID可以区分和过滤不同网络的数据包的传送。

扩展服务网络(Extended Service Set,ESS):ESS指无线网络中有多个无线接入点AP,整个网络是由两个或两个以上BSS组成,每个BSS中有一个无线接入AP ,但无线网络中所有的设备都使用同一个ESSID来进行通信。

无线网络中的名称识别(Service Set Identifier,SSID):SSID通常是由AP通过指定的消息进行广播来通知网络中的无线设备。可以在AP上设置“禁止SSID广播”,那么别人就不能用终端上的无线网络搜索的办法来找到这个AP。

终端或站(Station):终端或站指Wi-Fi无线局域网中完成终端功能的设备。整个无线局域网就是为各个终端或站来提供数据传输服务,这些终端或站只有通过Wi-Fi无线接入点才能进行数据传输。

1. 802.11 MAC层的基本工作方式

和传统的有线以太网相比,802.11协议主要的区别在于物理层和MAC层。因为是无线通信,所以802.11在物理层上有电磁波传输特有的行为和方式,这将在后面章节中介绍。802.11在MAC层的基本工作方式是采用和有线以太网一样的分散式访问机制,这是指每个802.11的无线设备访问物理媒介(即自由空间)的方式和权限都一样,在网络中没有集中控制功能。802.11的MAC层虽然仍然是载波侦听机制,但访问方式是冲突避免,而有线以太网采用的是冲突检测。

在802.11的MAC层的载波侦听多路访问/冲突避免技术的基础上,802.11支持三种MAC层的资源访问策略,即分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF),点协调功能(Point Coordination Function,PCF)以及混合协调功能(Hybrid Coordination Function,HCF)。

DCF适用于竞争业务,目的是让所有要发送数据的用户都有相同的机会接入信道,是尽力而为的业务传送方式。根据标准的要求,支持802.11协议的所有设备都必须支持DCF功能。除了载波侦听多路访问/ 冲突避免,DCF机制也包含了冲突时随机退避和差错恢复方式。对于自由空间的媒介状态,DCF同时通过物理载波和虚拟载波来判断当前是否空闲。物理载波侦听是由物理层来完成的,它通过能量检查来判断媒介是否繁忙,如果检测到的能量大于指定的门限,则认为媒介繁忙,否则判断媒介为空闲。而虚拟载波侦听功能是由MAC层来支持的,它根据MAC层的消息中专门定义的字段“时长”来判断媒介是否已经空闲。只要物理载波侦听和虚拟载波侦听有一个检测为繁忙,就判断媒介处于繁忙状态。

当物理载波侦听和虚拟载波侦听功能都检测为空闲的时候,终端不会马上发送数据,而是随机退避一段时间以后才发送数据,这样能避免终端之间同时发送数据而引起的冲突。这段等待信道空闲的时间称为帧间间隔(Interframe Space,IFS)。

作为简易的优先级的接入控制,DCF机制通过使用不同的帧间间隔实现对媒介不同的延时访问,可参考图2-4帧间间隔的时延定义。

图2-4 802.11规范的帧间间隔

1)首先是分布式协调功能帧间隔(Distributed InterFrame Space,DIFS)的定义,它是DCF中延时最长的IFS,是DFS机制中各个无线设备用来传输数据帧和管理帧的延时,优先级最低。

2)然后是PCF访问机制用到的点协调功能帧间隔(PCF Interframe Space,PIFS)。AP在信道空闲一个P IFS时间长度之后发送一个信标帧(讲解MAC协议的时候要介绍的一个基本的管理帧),然后设备就会获得对媒介资源的占用,开始无竞争周期的接入方式。

3)最后是短帧间隔(Short Interframe Space,SIFS),它是延时最短的帧间隔,主要用于帧与帧之间的互为确认和响应的场景,例如请求发送帧(Request To Send,RTS)和清除发送帧(Clear To Send,CTS)之间的握手和响应,数据帧与对应ACK响应的帧等。对于这种互为响应的帧间隔,延时要尽可能短。在802.11a/g/n以及802.11ac中,SIFS设计为16μs。

在数据传输开始的时刻,由SIFS的延时加上相应的时隙长度来确定是否传输数据。标准中SIFS加上整数倍的时隙长度就得到其他IFS的长度。在802.11a/g/n以及802.11ac中,时隙长度为9μs。

相对于DFS而言,PCF适用于非竞争业务,它的机制是依靠协调的设备(如AP)来进行中心控制访问,AP对终端设备进行轮询,被轮询到的设备获得一次访问机会。各个设备不通过竞争信道来发送帧,是非竞争帧的发送方式。这种工作方式的中心控制权只存在于无线访问点AP中,它首先获得对媒介的控制权,然后发送一个无竞争方式的各项参数的信标帧(Beacon)。无线网络中的设备收到信标帧后,在各自的MAC层更新无竞争方式的参数值。这些设备不会主动抢占媒介的控制权,只有被AP轮询到才获得传输数据的机会。当本次无竞争期结束后,网络中的终端又重新进入DCF的工作方式,通过DCF机制来访问媒介。

802.11的载波侦听多路访问/冲突避免技术是MAC层的基本策略,从802.11a开始一直到目前已经规模商用的802.11ac,没有本质上的变化。这种媒介访问的机制操作简单,所有终端都处于公平竞争的地位,通过随机接入的方式进行数据的发送。但随着无线网络多种业务的快速增长,以及密集场景下大量用户都同时竞争单一的信道,冲突的概率增大,整个MAC层的系统性能就显得越来越力不从心,难以满足用户高带宽、多业务、QoS、密集接入的需求。

针对802.11在QoS设计上天然不足的情况,以下介绍IEEE 802.11e的改进方案。对于高带宽和密集接入的需求,在后面802.11ax中详细说明。

IEEE 802.11e提供了新的操作方式和参数设置来增强MAC层的QoS支持,即混合式协调功能(Hybrid Coordination Function,HCF)。其中的增强的分布式协调访问(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA)是对原来DCF的增强,它定义了4种访问类型(Access Category,AC)来区分数据流的优先级,当语音、视频、尽力而为的数据报文和背景数据流转发到MAC层的时候,它们就会根据优先级进入相应的AC队列中等待发送。对于每种访问类型通过4个关键参数(竞争窗口的最小值CWmin、竞争窗口最大值CWmax、发送的最大持续时间TXOP和仲裁帧间间隔AIFS)来独立竞争访问信道。如果发送数据产生冲突时,具有高优先级的访问类型队列中的数据将优先获得发送机会。AP在发送期间根据TXOP值的定义可以连续发送多个数据报文。

为了确保不同厂家产品QoS的兼容性,Wi-Fi联盟推动了基于802.11e的Wi-Fi多媒体(Wi-Fi MultiMedia,WMM)功能的互操作性测试,WMM的关键就在于802.11e的EDCA部分。Wi-Fi联盟对WMM互操作性的认证从2004年12月开始。Wi-Fi的AP只要能通过Wi-Fi联盟的认证测试,就在产品上具备了不同业务流的区分功能。关键参数的调整(竞争窗口的最小值CWmin、竞争窗口最大值CWmax、发送的最大持续时间TXOP和仲裁帧间间隔AIFS)由厂家在产品中设置。

2. 802.11 MAC层协议

如图2-5所示,802.11协议主要由物理层和数据链路层的MAC层组成。

图2-5 802.11协议栈

首先,链路层控制子层(Logical Link Control,LLC)接收和处理上层发下来的数据,然后封装成对应的MAC层的协议数据报文(MAC Protocol Data Unit,MPDU),接着通过物理层发给对等的另一设备的MAC层实体。这个对等的MAC层把物理层收到的MAC协议数据报文还原成对应的MAC服务数据单元(MAC Service Data Unit,MSDU),然后再向上传给链路控制层。

图中的MAC层的管理实体(802.1管理)负责该层的管理和配置信息的保存,以及管理消息的生成以及处理。

802.11协议的基本帧的组成是由物理层汇聚过程的帧起始信号、帧头以及MAC层数据组成,如图2-6所示。

图2-6 802.11帧的基本格式

1)物理层汇聚过程的帧起始信号(Physical Layer Convergence Procedure Preamble):这是802.11物理层同步信号传输的字段定义,接收端根据帧起始信号来确定帧的起始位置和采取同步操作。

2)帧头(PLCP Header):是802.11物理层头部格式的定义,包含了对MAC层过来的数据协议单元的物理层封装方式、帧长度定义、支持错误校验检测等学段。

3)MAC层数据(MAC Data):包含MAC层的帧头(MAC Header)、帧体(Frame Body)和帧检测顺序(FCS)。

MAC的帧格式定义如图2-7所示。

图2-7 802.11 MAC帧格式

其中帧控制(Frame Control)域包含了以下主要字段。

1)Protocol Version:代表了协议版本号,通常为0。

2)Type:帧的类型,包含了控制帧、管理帧和数据帧。

3)Subtype:帧的子类型定义。

4)To DS :如果为1,代表是工作站传给无线设备的数据帧。

5)From DS:如果为1,代表是无线设备传给工作站的数据帧。

6)More Fragmeng:如果为1,代表该帧后边有其他分段内容,否则为0。

7)Retry:如果为1,代表是再次传输的帧。

8)Power Management:说明了工作站的电源管理模式。

9)More Data:如果为1,表示有多个数据单元要发送给工作站。

10)Protected Frame:表示根据WEP的算法对帧进行加密。

11)Order:在进行长帧分段发送的时候,如果设置为1,则表示接收方需要严格按顺序处理。

除了帧控制域以外,MAC协议帧的其他字段说明如下。

1)Duration ID:说明这个帧需要占用信道的时间。

2)地址域(Address Fields):用来指示BSS的身份,包括目的地址、源地址等。

3)顺序控制(Sequence Control):用于指出每一分段的顺序,可以用来过滤重复帧。

4)帧体(Frame Body):包含要传输的数据信息。

5)FCS:是32bit的循环冗余校验,用于数据帧的检错。

支持802.11协议的设备都有48bit长度的MAC地址,这些地址和有线以太网的MAC地址都来自同一个地址池,这样802.11的设备和以太网可以部署在同一个网络中而没有地址上的冲突。

但是不同于以太网帧格式中MAC地址的数量(即发送地址和接收地址),802.11的标准帧格式定义中包含了4个地址,发送的时候从左到右进行传输。并不是所有的802.11帧都要使用这4个地址,具体的使用和帧的类型有关。

例如,当设备被配成桥接模式的时候,基于无线分布式系统(Wireless Distribution System,WDS)的方式进行无线设备的连接,它就会使用4个地址。第1个地址(RA)用于接收端(Receiver),第2地址(TA)用于发送端(Transmitter)。这两个地址是用于RTS/CTS、ACK帧等进行帧发送控制和应答过程。后面的SA(Source Address)和DA(Destination Address)指明帧发送的源地址和目的地址。

MAC层有多种类型的帧来实现无线设备之间的通信。

1)管理帧:实现在工作站和无线接入设备之间初始的通信,以及提供连接和认证等功能,例如无线设备通过周期性地发送信标帧(Beacon)来标识它的存在。

2)控制帧:当工作站和无线接入设备之间建立连接和认证之后,通过控制帧来协助数据传输过程中的控制功能。例如请求发送帧(Request To Send,RTS)和清除发送帧(Clear To Send,CTS)用来帮助数据传送的协商控制,即获得媒介的发送控制以及响应发送控制的请求。

3)数据帧:是工作站与无线接入设备之间的数据信息传送,通常就是用户的业务数据。

3. 802.11 MAC层的数据发送和接收

前面讨论的无线原理中的电磁波衰减和多径效应会影响802.11数据报文的正常传送。另外,微波炉等产生的非802.11协议的电磁波干扰,以及多个802.11设备同时在网络中相同或相邻的Wi-Fi频段上运行,都会影响802.11设备的数据传送的吞吐量。为了确保数据帧的有效传送,802.11协议要求发出去的每一个单播数据帧必须得到接收方的确认响应(ACK帧)。不管数据帧是在发送途径上丢失,还是在响应过程中丢失,如果发送设备没有接收到确认帧,发送设备都必须进行重传。

但是要注意的是,传统的802.11的MAC层不支持组播数据包的确认,即终端不会对每一个组播包发送响应确认消息,否则每个终端发送的响应数据包将在网络中产生大量的额外开销,从而降低网络整体的数据传输性能。缺少对组播数据包的确认和重传的机制是无线环境中不可靠的MAC层传输。IPTV是通过组播方式来传播的,在Wi-Fi环境中由于不稳定的无线环境和信道干扰,视频的组播传输的可靠性比单播方式差,从而导致视频传输质量的下降。有很多IEEE的论文和研究来讨论如何提高Wi-Fi网络中组播方式下的视频传输质量,这里就不详加介绍了。

当设备要发送数据帧的时候,首先发送一个RTS控制帧,它的作用是向目的终端预约当前网络中的无线通道,收到这个帧的非目的终端设备都停止发送,而收到RTS帧的目的终端就会向发送设备发出响应的CTS帧。RTS和CTS完成交互过程后,原先发送RTS控制帧的设备就可以传送它想发送的数据帧。

RTC/CTS的交互是在CSMA/CA的基础上实现的,所以RTS在发送前也需要检测媒介是否繁忙或空闲。如果媒介繁忙,则随机退避一段时间以后才发送数据。如果发送站点在前面介绍的SIFS帧间隔延时后还没有收到接收站点的CTS响应帧,则说明本次发送失败。如果收到CTS回复,则说明本次RTS发送成功,然后发送站点继续占用媒介并发送数据报文,并等待接收站点的ACK响应。

RTS和CTS控制帧毕竟增加了网络中额外的数据传输的开销。如果无线通道比较拥塞,通过这种方式可以让发送设备有效地争取通道。但如果无线通道顺畅,这种额外的交互就不是必需的。

4. 802.11物理层技术

就像后面章节中讨论所有的通信技术标准一样,认识物理层,首先是了解电磁波频谱的分布。即使是2.4GHz ISM频段的免授权使用,每个国家还是都有自己的频谱资源的定义和管理。例如中国、欧洲、日本和澳大利亚在2.4GHz上定义的带宽为83.5MHz,而美国是72MHz,在这样的总带宽情况下,有不同的信道带宽划分。例如当信道传输数据的带宽为20MHz时,美国不重叠的带宽为1、6和11信道,欧洲则为1、7、13信道。参考图2-8所示的2.4GHz频谱的信道分布。

图2-8 2.4GHz Wi-Fi的频谱说明

因为2.4GHz ISM频段的免授权使用,相应的无线设备快速增长,在此频段上设备的干扰也越来越多。而此频段上的频宽有限,信道应用的灵活性也不够,不能满足日益增长的高速率、高带宽的需求。在无线网络发展的过程中,各国政府陆续开发了5GHz的免许可频段。其中5.25~5.35GHz和5.47~5.725GHz是全球雷达系统的工作频段,各种政府在开放这个频段的同时,也要求工作在5GHz的设备支持动态频率选择(Dynamic Frequency Selection,DFS)的功能。这个功能其实是信道选择的技术,即当设备检测到对应信道上的雷达信号时,它能动态地选择和切换到其他非雷达的信道,从而避免对雷达系统产生干扰。目前北美、欧洲、加拿大、澳大利亚、日本以及韩国都对设备的DFS功能进行了强制要求,并放到了设备的认证规范中。例如FCC Part 15 Subpart E规定,工作在5.25~5.35GHz和5.47~5.725GHz的U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)设备,应当具备DFS雷达检测机制。ETSI EN 301 893标准也对工作在此频段的设备做出了相同的要求。凡是不能通过DFS测试认证的设备不能在该市场上进行销售。

与2.4GHz有不同的信道划分一样,5GHz频段也提供了多个互不交叠的信道。欧洲国家和日本在5GHz所分配的频段为5.150~5.250GHz、5.250~5.350GHz和5.470~5.725GHz,在这个频段内分配了19个20MHz带宽的信道,共有频率380MHz。在中国大陆,IEEE 802.11a/n使用5.8GHz频段,工作频率范围为5725~5850MHz,总计125MHz带宽,一共划分为5个信道(信道号分别为149、153、157、161、165),每个信道带宽为20MHz。2013年工业和信息化部把5150~5350MHz也用于无线接入系统。

另外不同地区对无线发送功率是有上限要求的。例如欧洲地区要求2.4GHz的802.11n发射功率不能超过100 mW。在对设备的认证测试过程中,相应的认证实验室会检查设备的发送功率是否符合上限的要求。

EIRP的概念

人们经常在说的无线设备AP上的发射功率,指的是设备EIRP(Equivalent Isotropic Radiated Power)的值,即等效全向辐射功率,定义为EIRP= P t × G t ,即发射机的发射功率( P t )与发射天线的天线增益( G t )的乘积。在无线局域网中,EIRP用来衡量AP发射信号的能力。有些运营商在定义规范的时候使用传导功率(Conductive Transmit Power)来定义家庭网关上的Wi-Fi发射功率,这是指不包含天线情况下的设备的发射功率。通常天线是3dBi或者5dBi的增益,所以在计算EIRP的时候需要把3 dBi或者5 dBi的增益加进去。

在802.11物理层上支持多速率机制,即AP在发送数据的时候可以根据当前无线信道的状况选择不同的速率。如果无线信道状况好、信噪比高,则可以自动选择较高的速率进行数据发送;如果环境中有较大的干扰,则降低速率来发送数据。在实际使用中如何判断和决定使用哪个速率,不同设备的厂家有自己的算法和判断,例如设备的软件可以综合当前的信噪比以及数据传送的丢包率和重传率来进行加权判断,从而决定切换到哪个速率。在信道状况较差的情况下通过降速来保证传送的数据质量,否则会引起大量数据的重传从而导致更差的数据传送效率。

前面的自由空间损耗公式(FSPL=32.44+20lg F +20lg D )是用于电磁波在开放空间的路径损耗。在实际的室内环境中,屋内的障碍物直接影响信号的传输路径。这里可以借鉴室内无线信号对数距离损耗模型的传播。

P L d )(dB)= P L d 0 )+10 n lg( d/d 0 )+

式中, P L d )表示收发设备间距离为 d 时的路径损耗,也就是AP距离 d 处的路径损耗,单位是dB; P L d 0 )表示AP与近距离 d 0 (通常取值为1m)时的参考路径损耗,它是由实际测试得出的参考值,单位是dB; n 为路径损耗系数,表示路径损耗随距离增长的速率,它依赖于周围环境和建筑物类型,通常变化范围是2~5; 表示室内环境对信号强度的干扰,是标准偏差为 σ 的正态随机变量,均值为0,考虑环境因素, σ 的取值一般在3.0~14.1dB之间变化。

将对数距离路径损耗模型转换成对应的RSSI形式,就是下面的结果。

在802.11协议的发展历史中,已经提到了不同标准中的物理层调制方式。从单载波直接序列扩频开始,到正交频分复用;从二进制相移键控(BPSK,Binary Phase Shift Keying)到高阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM);从单天线系统到多输入多输出系统。调制效率已经没有更多的技术改进空间,但在最新的标准中多天线技术以及OFDM还有更多的潜力有待挖掘。

5. MIMO技术

MIMO技术首先从802.11n开始,AP上面安装了多根天线同时完成信号的发送和接收,把数据传送的效率提高了几倍。但802.11n的MIMO在一个时刻只有一个用户能和AP进行通信。到了802.11ac的第二个版本,标准定义了多用户的MIMO (Multi-User MIMO,MU-MIMO)技术,即多个用户设备能同时和AP进行通信。这个技术是802.11ac的核心技术之一,完成了这个标准的定义之后,802.11ac才真正充分改善了网络资源利用率,为以后高速率的Wi-Fi标准打下了新的基础。目前在市场上申明已经支持802.11ac的产品并不都支持MU-MIMO,即它们可能是802.11ac的第一个版本。

下行MU-MIMO指支持该功能的AP把多个数据流同时发送给不同的无线终端。支持上行MU-MIMO功能的AP可以处理不同的无线终端同时发送过来的数据,AP可以把这些数据流看成是同一个终端的不同天线发过来的数据,这样它就可以工作在MIMO方式下,有效地处理接收到的数据流。值是注意的是,802.11ac只支持下行的MU-MINO,并不支持上行的MU-MINO。

天线设计

谈到多天线设计,这里可以稍微解释一下普通天线设计的概念。天线中有变化的电场就会产生磁场,然后信号通过电磁波的方式向外发射。天线的长度和频率有关,频率越高则天线越短,天线长度通常定义为波长的一半。天线的工程设计有内置和外置两种,外置指的是电路设计放在竖起的天线中,内置则是把天线放在计算机的无线网卡上,或者是放在计算机的屏幕周围的边框里。对于AP来说,内置的天线放在外壳的内沿,或者直接放在硬件板子上面。

6. OFDM技术

OFDM技术的基本方案是通过正交子信道的频分复用来传送数据,子信道频谱互相重叠,但又不影响接收侧从信道中提取出正确的数据。OFDM以多载波并行的方式传输,可以有效解决前面讨论的无线信道中的多径衰弱的问题,结构简单并且成本较低,最近几十年在多个通信领域得到广泛应用。

OFDM技术的概念来自20世纪60年代,并在1970年有相应的专利发表。20世纪70年代,S. B. Weinstein提出用离散傅里叶变换(DFT)实现多载波调制,这为OFDM后面的技术应用奠定了理论基础。20世纪80年代以后OFDM成为通信领域的热点,例如Hirosaki在1981年用DFT完成的OFDM技术能在电话线上实现16QAM多路并行传送19.2kbit/s的调制解调。到了20世纪90年代以后,OFDM在固定网络接入的数字用户环路(DSL)上得到了广泛应用,例如高速数字用户环路(HDSL)、非对称数字用户环路(ADSL)、超高速数字用户环路(VHDSL)等。另外OFDM同样应用在无线通信领域,例如本章讨论的802.11标准、数字声广播(DAB)、高清晰度数字电视(HDTV)以及其他陆地广播等。

参考图2-9,传统的FDM在应用的时候,传输的两个信号之间有较大的频率间隔作为保护带宽来防止干扰,这样频谱的利用率就受到影响。但OFDM是利用子载波的正交复用,所以在相同的频宽中能承载更多的载波,相对频分复用技术,能大幅度提高频谱的利用率。所以OFDM既可以看成是子载波的复用技术,又可以看成是数字信号的调制技术。数据流通过多载波技术被分解成多个比特流,构成多个低速率信号被并行传送。

图2-9 FDM与OFDM的频谱利用的区别

OFDM在理论上有很多优势,但在实际的产品技术中也有自己的挑战。例如使用OFDM的前提是子载波必须互相正交,但无线信道衰弱具有时变性的特点,这有可能造成无线信号的频谱偏移,引起多普勒频移效应,对子载波的频率正交性产生影响,造成子载波间串扰,从而引起系统性能下降。另外OFDM信号有较大峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR),因为多个子信道的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率,这样相对单载波系统而言就需要更宽的线性范围。OFDM系统对载波频率偏移、相位噪声和非线性放大也比单载波系统更为敏感。OFDM中使用的线性放大器需要有更大的动态线性范围,这样能减轻信号失真以及频谱扩展的影响。

多普勒效应

多普勒效应(Doppler Effect)来源于奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)的波动现象的理论,这个理论指明了因为波源和观测者的相对运动使得观测者接收到的频率或波长也发生相应的变化。多普勒在1842年观察到的现象是火车由远到近时汽笛声变响和音调变尖,火车由近到远时汽笛声变弱和音调变低。多普勒经过研究后发现这是因为振源与观察者之间存在着相对运动而引起的频移现象。在波源向观察者移动的时候,接收者在相同时间内接收到更多的波的个数,相当于波被压缩,波长变得较短,而频率变得较高;而当波源在远离观察者的时候,对于接收者来说,波源产生的两个波峰之间的距离拉长了,相当于波长变得较长,频率变得较低。波源的相对速度越高,所产生的这个效应越大。

7. 信道绑定技术

表2-1列出了不同的802.11标准中不同的频宽定义,例如20MHz、40MHz、80MHz、以及160MHz,大于20MHz的信道带宽就是802.11的信道绑定技术。原来的802.11a/b/g只能使用20MHz宽度进行数据的传送。但从802.11n开始,它能把两个连续20MHz的信道绑定成40MHz,其中一个是主信道,作为正常的数据传输;而另一个信道作为辅信道,用于通过信道聚合来承载主信道额外的数据流量,但不会用于终端的控制关联。这种信道绑定技术直接提升了802.11的无线网络的传输速率。

802.11ac在802.11n的基础上,可以把4个连续的20MHz信道绑定成一个80MHz信道,它由1个主信道和3个辅信道组成;另外802.11ac可以将8个连续的20MHz信道绑定为1个160MHz信道,它由1个主信道和7个辅信道组成。802.11ac也可以对2个非连续的80MHz信道进行绑定,达到1个160MHz信道的同等效果,它由2个主信道和6个辅信道组成。

因为802.11ac使用5GHz频段,所以有更多的非重叠的信道可以被利用。但2.4GHz非重叠的信道只有3个,信道绑定技术在实际使用的时候有时反而会造成2.4GHz信道中更多的信号冲突。

AP的MAC层通过发送Beacon帧来通知无线网络中的终端关于主信道和辅信道的绑定信息,让AP所关联的终端在相同的频宽上进行数据传送。

香农定律和802.11标准

和其他通信原理一样,无线传输信道的性能可以参考香农定律: C = W log2(1+ S/N )( S/N 以功率比表示)。从这个公式可以看到,增加带宽可以直接提升数据传输的容量。所以40MHz的带宽比20MHz的带宽有更高的数据传送速率,同样80MHz的带宽进一步提升了传送速率。

另外信噪比也决定了传输信道的容量。在编码效率已经接近香农定理极限的情况下,带宽的标准定义已经固定,实际环境中的信噪比决定了设备的数据传输速率。例如使用频宽为20MHz的信道传送,802.11a的数据率是54Mbit/s,则信噪比可以是7.4dB,但现实环境的信噪比远高于这个值,这说明实际的产品必须有很高的信噪比才能达到相应的速率进行传送。

8. 波束成形(Beamforming)技术

波束成形技术是基于天线阵列的信号预处理技术,它通过调整每根天线的加权系数产生具有指向性的波束,然后把主要能量集中发给指定的接收设备。这种方式能使发送的信号有较高的方向性和天线增益,在接收端也会有较高的信噪比,对于信号的接收有较好的抗干扰性。因此波束成形技术能够扩大无线设备的覆盖范围、改善数据传输的吞吐量和提高系统的抗干扰性。波束成形是智能天线中的重要技术,实现它的关键参数是波束成形的权值的确定。

在Wi-Fi技术中,波束成形是在AP上实现。AP通过与终端进行协议消息的交互,获得信道状况信息(Channel State Information,CSI),然后根据CSI调整天线发送信号的振幅与相位,通过波束成形的方式来发送信号,让接收设备能接收到质量较高的信号。

波束成形在IEEE 802.11n产品中已经出现,但并没有被802.11n标准正式采纳,各个Wi-Fi厂商对波束成形的技术有各自的理解和实现,互相之间不兼容,所以波束成形并没有得到广泛的应用。IEEE 802.11ac则把波束成形纳入正式的标准规范,要求不同厂商采用通用的波束成形的规范来实现互通,从而解决兼容性问题。另外IEEE 802.11ac定义了一种探测协议(VHT Sounding Protocol),该协议能够让接收端帮助发送端进行波速成形的预处理工作。

不同环境对波束成形的效果有不同影响,通常来说,波束成形并不适用于用户非常密集的地区。根据不同的无线信道的情况,通信系统硬件能调整不同的波束成形的算法,让接收端获得最佳的信号状况和信噪比,达到该环境下最优的性能。

9. 802.11ac标准的关键技术

下面以802.11ac为例把前面介绍的关键的物理层技术贯穿起来介绍。

802.11ac第一个版本是在2013年被IEEE批准,第二个版本是在2016年被发布。在802.11发展中曾介绍过,第二个版本增加了多用户MIMO (MU-MIMO)的支持,支持3个以上并最多8个空间数据流等技术。这8个空间数据流可以直接被配置或者设备可以根据网络状况进行动态调整。

从频段使用来看,802.11ac和802.11a都是基于5GHz的标准。但从技术发展来看,802.11ac是802.11n的增强版本。802.11n已经使用MIMO,而802.11ac支持了MU-MIMO;802.11n的调制技术可以达到64QAM,802.11ac支持256QAM (每个子载波的数据比特数从6比特提高到8比特,使得调制效率提升了33%),甚至有芯片厂家能支持1024QAM。

QAM调制技术介绍

正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)是幅度和相位同时变化的调制方式,有更高的频带利用率。每一个传输符号对应于一个幅度和相位的组合,然后这些值映射到星座图的每一个点。调制方式中的样点数据越多,每个传输符号包含的比特数就越多,传输效率就越高。802.11ac通常最高采用的是256QAM调制,即一个传输符号对应于256个值中的一个,它用8位二进制数表示,每个传输符号携带8bit数据。

802.11n和802.11ac采用QAM调制,常见的QAM调制方式有4QAM、16QAM、64QAM、256QAM、以及802.11ac和802.11ax支持的1024QAM。

前面介绍DCF的时候已经提到802.11ac的MAC层的媒介访问技术仍然是载波侦听(CSMA)机制和冲突避免(Conflict Avoidance,CA)机制,如果在用户密集的使用场景中,有大量的用户需要通过竞争信道才能传送数据,这样碰撞的概率就会大幅度增加,导致所有用户的接入效率都严重下降,从而使整个无线网络的吞吐量受到较大的影响。这个问题在后面介绍802.11ax的时候有了改进方案。

802.11ac信道的频宽已经从802.11n的40MHz提升到80MHz和160MHz,配合调制效率的提高(例如256QAM,甚至可能是1024QAM),802.11ac的数据传送性能可以达到1Gbit/s以上,等同于目前常用的有线以太网的速率。在家庭室内使用的场景中,300~400Mbit/s是常见的802.11ac的数据传送速率,而802.11n的实际应用速率通常在75~150Mbit/s之间。

在802.11ac的应用中,因为带宽已经支持80MHz或160MHz,前面介绍的RTS/CTS的握手协议也有新的调整。例如当802.11ac工作在80MHz的带宽模式下,发送端发送RTS数据包的时候,这个RTS中携带80MHz的带宽信息。当无线网络中的其他802.11a/n/ac设备收到此RTS时,如果它们的主信道就工作在80MHz带宽,这些设备就会解析和处理此RTS。它们会检查80MHz是否可以占用,是否有其他设备正在使用这些信道,然后在CTS中回复可以使用的带宽;如果接收设备发现一些信道已经被占用,就会通知发送设备不要使用这些信道。发送设备收到CTS确认以后就在可用的带宽上面发送数据,或者降低到40MHz来发送数据。这种改进后的RTS/CTS机制确保在新的802.11ac带宽上能够有效地发送和接收数据。

因为802.11ac工作在5GHz的频段,所以它必须支持动态频率选择(Dynamic Fequency Selection,DFS)功能。如前面所介绍的,不同地区对5GHz信道的数量和特定的信道使用有明确的政府规定。802.11ac设备具有的DFS功能是检查有没有对应的雷达信道的信号,如果发现有这样的信号,则在设备上进行信道的切换。当终端连接到AP的网络中,终端的关联请求(Association Request)帧中包含了支持的信道范围,然后AP决定接受或拒绝这样的连接请求。

前面提到802.11ac已经正式把波束成形纳入标准规范中。在AP作为发送端进行信号的预处理以及发送前,发送端获取终端设备的信道状态信息(Channel State Information,CSI)是关键,这个过程称为探测(Sounding)。首先发送端发送一个空数据包声明(Null Data Packet Announcement,NDPA)信息,指示即将发送空数据包(Null Data Packet,NDP),接着就发送NDP数据包给接收端。当接收端收到NDP之后,分析各个子信道的相位信息和状态,然后把VHT压缩波束成形(VHT Compressed Beamforming)帧发送给发送端,这个帧中包含了压缩过的以角度序列为代表的信道矩阵信息。发送端根据探测过程所获取的信道状态信息,调整发送矩阵的权值进行数据发送,实现了波束成形的发送过程。

IEEE 802.11ac在IEEE 802.11n的MIMO技术的基础上,增加了下行多用户MIMO技术。IEEE 802.11n支持的是单用户MIMO技术,但802.11ac的下行多用户MIMO指AP可以通过不同的空间流把不同的数据信息传送给不同的接收端。

IEEE 802.11ac的下行多用户MIMO是基于波束成形实现的,发送端通过波束成形,将不同数据流的波束指向不同的接收端,这样实现了向不同站点同时发送不同的数据流。通过采用下行多用户MIMO技术,可以提升整个无线系统的下行传输性能。目前并不是所有的AP都支持这种模式,厂商根据性价比和实现的复杂度提供不同的产品方案。

IEEE 802.11ac最高支持8×8 MIMO (即8个发送数据流和8个接收数据流),因此在下行多用户MIMO模式下,系统最高可以同时支持发送4个终端(每站点2根天线)的数据流。 pmAPqdVVYJ55tS6buyIfMHufD1edW8yT2FdKJ3zcvBemG55oY3HlBMZUhhqZtN5R

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