万字讲解WiFi为何物

原创
2021/11/29 11:41
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摘要:WiFi是一种基于IEEE802.11系列协议标准实现的无线通信技术。

本文分享自华为云社区《【云驻共创】物联网无线短距离Wi-Fi技术专题》,作者:Mr红凯。

前言

Wi-Fi通往全联接之路:

5G技术在我们现代社会当中提供了千兆级的无限接入,它是运营商通过的室外宏站,再加上未来慢慢陆续建设的室内5G宏站来提供的网络服务。5G的网速,它提供了在老百姓侧这一端大概是峰值速率1.5G左右。在做理论宣传的时候,5G的技术下行小、全吞吐率可以20G,上行10G,但是用户体验的峰值速率,我们在手机侧大概是1.5G。5G技术它是面向于未来万物互联的信息社会所提供的2020年到2030年的全球统一蜂窝网络的通信技术。

这个通信网络技术对运营商来说是走向万物互联网的杀手锏,但有一个特点,它的成本比较高昂。在我们中国未来到了2025年大概要建设六百万的站点,然后到了2030年左右的尾声。它跟国内的5G站点叠加,预计会有一千万。但是作为业内人士,我们会了解到这四大运营商所构建的,我们想象当中未来有可能一千万的站点,也其实对运营商而言是非常非常大的运营成本,它要找到万物互联很多的内容,只有很多的用户和企业使用它,才能得到把它运营成本降下来。但是对于运营企业而言,我们走到家里面,怎么去体验光纤级的接入呢?这个就比较困难了,因为5G它都是室外站点,找到你的家庭,找到室内,它的信号变差了,体验不了光纤级一千兆的记录。

了解到我们今天晚上讲的课程比较民用的、比较成本低廉的WiFi技术,WiFi技术它也有后续的引进,比如说我们今年的比较火的,在室内无线连接的技术WiFi6,所以今天的话我们就和各位同学简单介绍一下WiFi的前世今生。

我们在日常家里面所使用的WiFi走向未来,它有哪些连接的用途?我们比较清晰的通过各种传媒了解到,未来的社会是一个万物互联的全连接社会,所有的终端都会加上传感器之后去和网络互联,进行我们数的沉淀,那么各种各样的数连接起来之后就会形成大数据,有了数据之后就会进行处理,形成人工智能的肥沃土壤。

在很多场景里面,其实啊我们通过运营商去连接,它的成本比较高昂。我们中国还是社会主义的国家,有这样的大国去培养这么多的国企,不计经济利益人的去建设,比如说六百万家的4G基站或者一千万家的5G基站,但是绝大多数国家都没有这样的国力,其实美国也不会有这样的社会条件去建设这么多的站点。所以在整个全球范围内,在尤其是在室内,会找到一种经济、好用的连接技术,人的连接、物的连接,我们就看到WiFi,那么WiFi它会进行改良,我们今天晚上给大家介绍的WiFi6,WiFi6在企业、金融、医疗、场馆、政府、教育、您的家庭里面,不仅仅可以满足手机的上网的需求,同时也可以连接物的连接。

有些同学会讲,WiFi在家庭里面他的这个绕射能力、穿透能力、信号比较差,我这客厅放了一个WiFi,找到房间里面信号比较差,那么WiFi技术衍生出子母机,同时到了WiFi6里面,它进行了改良,使得它的覆盖能力比WiFi4提升了四倍以上。所以在室内里面,WiFi6的成本和WiFi4一样,现在可能稍微高昂一点,但是再过两年就和您家里的WiFi一样的成本了。在这样比较低的成本的条件下,WiFi6在家庭里面得到了室内得到了大规模的应用。

那么走向室外呢会有什么呢?工业级的5G, WiFi在固定的园区内至少得可以达到民用家的无限+体验。好,那么今天我们就来和大家简单的介绍一下民用的试用场景,在室内更加经济高效的WiFi技术。那么介绍WiFi我们避不开一个课题就是WLAN无线局域网。那么WiFi与WLAN有什么样的关系呢?

一、WLAN/Wi-Fi基本概念介绍

1.1什么是WLAN

WLAN ,Wireless Local Area Network,无线局域网,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它以无线多址信〕作为传输媒食;利用电磁波完成数据交互,实现传统有线局域网的功能。

大家经常说WiFi,那么WiFi和WLAN有什么区别?

无线局域网就是WLAN的全称,我们的无线网络分为个人网、无线局域网、无限城市网以及广域网。广域网就是今年和去年大前年热持5G,第五代移动通讯,他走过了五代,那么这五代移动通讯它面对的是全球运营商所构建的可以全球漫游的移动通讯,它称之为广域网。个人网的典型技术就是蓝牙。局域网里面的典型技术就是WiFi,所以WiFi它是包含于WLAN的。那局域网里面还有哪些技术呢?比如说在酒店里面是不是看会看到保安人士拿无线对讲机,或者说我们在十年前您在家里面会有无神的固化子母机,这些都可以叫无线局域网,但是采用了802.11,也就是美国电器工程师协会IEEE组织采用802.11物理层技术实现的技术,我们称之为WiFi。所以WiFi我们可以采用美国IEEE 802.11的技术就称之为WiFi,它是WLAN技术的一种。

由于WiFi的应用非常的广泛,我们在手机、pc机、以及我们家庭里面、汽车里面都可以连WiFi,使得我们感觉WiFi就是无线局域网的典型技术了,就是无线局域网了。确实WiFi技术在现代人类社会的接入当中提供了非常便利的服务,它成为我们上网的最后一百米通讯的电线技术,而我们这个4G、5G成了人们登陆互联网的最后一公里的技术。

带你走出家庭、走出您的体验,然后您可以非常便利地享受三大运营商,未来还有广电四大运营商提供的4G与5G服务。那么我们来看看WiFi有哪些标准组织呢?

1.2 WLAN标准组织

WiFi联盟

  • Wi-Fi联盟(全称:国际Wi-Fi联盟组织),正式名称:Wi-Fi Alliance,简称WFA,是一个商业联盟,拥有Wi-Fi
  • 成立于1999年,2000年改名为Wi-Fi联盟
  • 关注和加强产品和功能的认证测试
  • 产品兼容性测试
  • WI-FI联盟的言方网站是http://www.wi-fi.org/

WiFi最主要的是由美国组成的专利形成的。那么我们在WiFi6里面,中国厂家阵营也充分地参与进去了。WiFi它的典型比较专业的就是大家看到的WiFi标志,那标志里面比较专业一点呢?就是大家会看到是Wi-Fi,WiFi联盟2000年改名成WiFi联盟的,以前呢叫的名字比较专业,802.11、802.11n、802.11g、802.11b等等,都是在不同阶段的WiFi版本。为了名字取得更加亲民一点,把它慢慢改造成了WiFi 1到了WiFi 6,那么现在就处在第六代WiFi,第六代WiFi。我们开篇呢和各位同学简单介绍过,现在运营商在宣传5G与F5G,那什么是F5G?由于室外的宏战,5G宏站它提供了100M的体验,在家庭里面的WiFi是第四代WiFi,叫802.11n。

802.11n它只能提供300M的带宽,而且连接用户数多于六人以上的过程当中,它会出现卡顿。在小朋友在家里看着电视,去上网的过程当中就会出现卡顿,所以它连接数体验不佳。那么WiFi 6我们就可以提供千兆级的光纤接入,而且连接数也有极大的增强。

WiFi成本价格低廉,只要你家里面有网线、有光纤级的接入,那么这个时候就非常便利,您自己都可以去配置WiFi,配置用户名与密码。

WiFi的董事会成员,如上图,是非常开放的。但清一色最主要的还是美国的阵营。所以WiFi 4以前其实都是美国的整个WiFi阵营在美国的话语权。WiFi都是一些我们可以使用的频段,不需要去一个企业购买所用的频段,科研、医疗、民用都可以,只需注册、无需付费,频段让利于民。所以大家会看到WiFi阵营里面,在我们的家庭、企业、还有科研里面做到了极为广泛的应用。

  • lnstitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)美国电气和电子工程师协会
  • 由美国无线电工程师协会和美国电气工程师协会合并而成
  • 负责制定11系列标准
  • IEEE的官方网站是http://ieee.org/

WiFi最主要的就是美国工程与定制工程师协会形成的,我们听到的internet里面的互联网是802.3,WiFi是802.11,它是互联网末端最后一百米的无线接入,IETF是Internet工程任务组(Internet Engineering TaskForce)的简写。负责互联网相关技术规范的研发和制定,无线方面负责制定集中控制型AC+AP标准,形成RFC文档IETF的官方网站是http://www.ietf.org/

WiFi是五眼联盟,军用里情报网所衍生出来的。从九十年代开始互联网应用于民用之后,衍生出在美国、中国、数十大的高科技公司,也就是我们现在所形成的大IT企业。它在大IT里面又分为应用的、操作系统的、网络的、终端的,形成的一系列的公司。

WAPI联盟

WAPI (Wireless LAN Authentication and PrivacyInfrastructure)无线局域网鉴别和保密基础结构,是一种安全协议,同时也是中国无线局域网安全强制性标准。与现行的802.11i传输协议比较相近。WAPI的官方网站是http://www.wapia.org/

初期的时候我们第一要考虑它的安全,所以专门成立了WAPL联盟。只要您进入中国这个大市场,所有的WiFi终端都需要支持中国方案的WAPl。WAPl就是我们中国所提出的802.11 i,是在WiFi里面提供网络安全的一个标准。802.11 i它是美国IEEE提出的安全标准,我们中国是WAPl,现有的设备你既可以支持802.11 i,也需要支持中国的WAPl。但具体去应用的时候,我们中国比较开放,使用权还是归用户所有。

去颁发我们WiFi所使用的频段,由谁来管控呢?中国叫无线电管理委员会。美国去管理无线电的时候是FCC:美国联邦通讯委员会(Federal CommunicationsCommissin)。欧洲去管理无线电叫ETSI:欧洲电信标准化协会(European TelecommunicationsStandards Institute)。在资本主义国家,它可能更加的考虑到它的适配度、适用性、经济型。所以美国他去颁布WiFi的时候,它的频谱照我们中国的WiFi频段要丰富得很多。我们中国这样的体制里面去发展5G,然后未来的6G、7G,它是类似于工业级的产品,我们拥有全世界最多的人口,所以我们可以充分的利用工业级的5G、6G产品,未来可以有更好的发展。

我们就给大家介绍了所有的标准组织,那么我们接下来给各位同学介绍一下WiFi发展的历程。

1.3 WLAN发展演进

我们可能刚刚去接触WiFi的时候,一开始是宽带,2000年左右宽带是两兆,慢慢的我们接到光纤网线是百兆级的接入,在宽带两兆的时候,是电话同轴电缆,那个时候的WiFi叫802.11 b。再往后我们接触到的技术可以引用802.11 g,网线进步增大到802.11 n。到802.11 n的时候,适合我们国内的3G大概是同样年份,大概是2009年左右,所以2010年家里面有802.11 n,我们国家又分发了3G牌照。从2010年开始,中国就走入了移动互联网的范畴。

2018年10月,Wi-Fi联盟对不同Wi-Fi标准指定了新的命名,802.11ax被命名为Wi-Fi6。

WiFi他现在是处在WiFi6,是802.11 ax,之前我们用的是802.11n。这个就是我们最常用的WiFi 4与WiFi 6,现在我们绝大部分用的都是WiFi 6的产品。登录华为商城,购买WiFi 6的产品,现在要购买华为的旗舰机,它都代表WiFi 6的芯片。

2010年之后,流行起来的就不再是以前的博客,慢慢流行的就是我们看到以博客为准的短文。2010年以后人们慢慢接入了移动互联网,移动互联网里面由乔布斯所生产的智能终端,使得不会敲键盘的一些人也可以非常轻巧地进入到我们的互联网当中,接入的互联网的人数得到了指数级的增长。802.11是WiFi 1,802.11 b是WiFi 2,802.11 a/g是WiFi 3,802.11 n是WiFi 4;802.11 ac是WiFi 5,WiFi 5它的频段只能用到5G频段,我们的家里常常使用WiFi都用的是2.4G频段,频段越高,5G是5G赫兹。

5G赫兹什么概念呢?

1G等于10的9次方啊,1个亿是十的八次方,5G赫兹相当于我们一秒钟要震荡五十亿次,所以它的波长比较小,然后覆盖特性比较差,所以我们常常用的是2.4G。802.11ax可以同时使用2.4 G和5G,频谱更加宽。如果信号覆盖不好的时候,可以只用2.4G频谱,所以802.11 ax, WiFi 6得到了大规模的使用。802.11 ac和802.11 a的命运是一样的,比如说2802.11 a出现的年头是2000年左右,但是它的频段太高。802.11 g它既可以支持2.4 G,又可以支持5G,而速率和802.11 a是一样的。所以大家会看到802.11 n、802.11 ax在2.4G和5.8G都可以支持,是未来我们下一代最主要用到的WiFi。WiFi它和我们的互联网的发展,尤其是我们带宽的发展是相辅相成的。

我们讲到WiFi 1到WiFi 6,常常说的是物理层的速率,也就是物理层。WiFi 1只有两兆,到了WiFi 2可以11M,WiFi 3可以54M。到了WiFi 4我们可以两个天线接收,150M,那么四个天线接收就可以600M。但是我们的WiFi设备通常是两个天线接收,峰值速率达到300M。在WiFi五速率就提升到更高了,可以达到800多M。但是它的频段和我们的802.11 a一样太高了,覆盖性能不好,所以802.11 ax WiFi 6结合2.4 G,同时美国又结合6G,它的频谱更加的宽泛,带宽一下子可以达到160M,速率得到了很大的提升。

802.11技术过程当中的e指的是我们服务等级,我们可以基于各种业务流去设定它的时延、丢包、抖动、带宽。IEEE 802.11i,无线网络的安全方面的补充(2004)。IEEE 802.11ax,又称为高效率无线标准(High-Efficiency Wireless,HEW),以现行的IEEE802.11ac做为基底的草案,以提供比现行的传输速率加快4倍为目标。

1.4 WLAN频段

WiFi的频段,专业的叫ISM频段,它是工业(Industrial)、科学(Scientific)与医疗(Medical)之缩写,使用此频段只需登记注册而无需付费的频段,所以得到了极大的推广。

由于WiFi它是美国的,所以频谱非常宽泛,而我们中国会稍微谨慎一点,因为我们中国的人多,使在公共场景使用的频谱也多,而WiFi是一个民用频谱,它的频谱使用效率没有我们未来5G、6G频谱使用效率高,所以我们中国是比较理性的去使用WiFi。中国的ISM频段有:433.05-434.79 MHz、2400-2483.5 MHz 、5725-5850 MHz。

上图是给大家展示的2.4G的WiFi,每一个信道带宽是22M,我们常常用到的是最低的频段1、6、11,每个信道号的中心频率之间间隔是5M。1、6、11我们就隔五个评级,因为五个它的中心频率差25M,可以大于22M,我们需要大于等于22M,所以我们常常用的是1信道。有的同学是一个想把WiFi信号调得更好的,隔壁邻居家都是1信道,我可以调为6信道,让家里的WiFi信号更纯净一点。

频段带宽示意如上图,任意相邻区域使用无频率交叉的频道,如: 1、6、11频道;适当调整发射功率,避免跨区域同频干扰;蜂窝式无线覆盖实现无交叉频率重复使用。

5G里美国划分得非常的宽泛,划分了二十三个信道,但是我们国内划分得比较严谨,只划分了四个信道,149、153、157和161用来无线信号覆盖,适当调整发射功率,避免跨区域同频干扰到了5G一个信道是20M带宽,一个信道号只隔5M,所以149、153、157和161信道号相互之间挨着一点,这样5G的利用率会比2.4G高一点,这个就是5G的WiFi。

未来无线接入的需求是非常海量的,我们中国的发展必须根据自己的国情,自己培养我们国产化的通讯设备、IT设备需要有自己的主控权,所以这个时候我国更加倾向于来主导来培养我们的移动蜂窝网络。蜂窝式无线覆盖实现无交叉频率重复使用,WiFi是民用产品,充分的参与进去,提供了民用级、非工业级的无线技术。

美国在今年的4月23号专门颁发了WiFi里面的6G频谱,它的频谱是5925M到7125M,整整1.2G频谱。这样的话美国它在3G到6G的频谱被国防部占了。我国针对5925到7125,我们是想把它作为5G的扩展频谱,以及未来6G的频谱这样去对待。到时候美国会发现审时度势,发现他的5G频谱选择失败,国防部不会让。6G我们也没有产业,他干脆就把这个频段发给美国所处的WiFi 6E。在未来全球的应用市场当中,WiFi 6E把全球的频谱得到了大规模的升温之后,如果全球跟着我走,那我把这个频段就占到了。那么未来中国和欧洲要去发展WiFi六E这段6G的频谱的话,美国就得了先机。未来在国内所上的WiFi 6可能不支持WiFi 6E。WiFi 6E的E是指什么特点呢?这个就是WiFi 6的扩展频谱,它需要支持5925到7125,1.2G赫兹。

WLAN产品对人体的电磁辐射是安全的,很多的研究已经证明,WLAN产品可以在家庭及商业中使用,而且对人体不会造成危害。WiFi的发射WiFi的设备路由器最大功率是一百毫瓦,我们的基站发射功率比较大,比如说基站的4G典型是四十瓦,5G典型是两百瓦,它是面对的最后一公里的通讯是在室外的,而到了室内只需要一百毫瓦。典型的WLAN产品,如AP (Access Point,接入点),输出功率为100mw,对于网卡来说,通常只有10mw至50mw。相比较来说,手机的发射功率在通话时可以超过1W,而无线对讲机甚至可以达到5W。政府有相关的法令对发射功率进行严格的限制,因此通过政府相关部门认证过的无线设备对人体是无害的。

二、WLAN/Wi-Fi网络结构介绍

2.1 WLAN网络结构介绍

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。

工作站之间的通信在某个模糊地带进行着,称为基本服务区域(Basic Service Area),此区域受限于所使用的无线媒介的传播特性。

只要位于基本服务区域,工作站就可以跟同一个BSS的其他成员通信。

  • Stations (STA):任何的无线终端设备
  • AP(Access Point):一种特殊的STA
  • BSS(Basic Service Set):基本服务集

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 (Service Set ldentifier):服务集标识
  • BSSID (Basic Service Set ldentifier) :基本服务集标识符

ESS(Extended Service Set)是采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS;

BSSID实际上就是AP的MAC地址,用来标识AP管理的BSS;在同一个AP内BSSID和SSID一一映射。SSID是Service Set Identifier的缩写,意思是:服务集标识符。SSID技术可以将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络,每一个子网络都需要独立的身份验证,只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络,防止未被授权的用户进入本网络。

在一个ESS内SSID是相同的,但对于ESS内的每个AP与之对应的BSSID是不相同的。

如果一个AP可以同时支持多个SSID的话,则AP会分配不同的BSSID来对应这些SSID。

AP支持多SSID,在802.11组网模式(Ad hoc)中lndependent BasicService Set (IBSS),组网不需要AP而且适用于小规模。

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。

无线中继,中继模式同样也叫做无线分布系统(WDS),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型和便捷性。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)方式和中继桥接方式。

802.11 mesh组网模式,无线AP之间有冗余,解决了无线单点故障问题。

2.2 FAT AP与FIT AP技术介绍

接入点AP(Access Point):为STA提供基于802.11标准的无线接入服务,起到有线网络和无线网络的桥接作用。

胖接入点FAT AP(FAT Access Point):在自治式网络架构中提供STA的无线接入服务,除了提供基本的无线连接功能外,还能提供安全和管理等增强功能。

目前业界企业级WLAN的技术发展趋势形成了两套主流的组网趋势,即FAT AP和FIT AP(胖AP和瘦AP的方案)。FAT AP是传统的WLAN组网方案,AP本身承担了认证终结、漫游切换、动态密钥产生等复杂功能,相对来说AP的功能较重因此称为FAT AP。

由于FAT AP自身的原理特点,组网简单且成本低廉,它通常适用于规模较小、仅仅是数据接入业务需求的WLAN网络组建,或者是一些局部应用WLAN网络进行热点覆盖的项目。

FAT AP组网的局限性:

FAT AP组网更适合在家庭和中小型网络中使用,无法满足大型的无线企业网络的需求,这是由于FAT AP自身的特点所决定的。当需要组建大型无线网络或需要要更多的增值服务时:AC和 FIT AP因此应运而生。

无线AC通过专用信令建立到AP的隧道,进行管理、控制AP等动作,AP下用户获得的IP地址取决于AC上ESS接口所属的VLAN,即属于哪个VLAN,就会分配哪个VLAN的地址段。当AP下的用户获得IP地址后,用户数据按照现有网络拓扑进行转发,与AC之间的隧道无关。AP支持两种转发模式,一种是本地转发模式,即AP下用户的数据按照现有网络拓扑进行转发;另一种是AC转发,即AP下用户的数据全部通过AP与AC之间的隧道传输至AC,由AC统一进行转发,即集中转发模式。目前AC默认为集中转发模式。下接AP过多时,转发瓶颈为AC的接口大小。

“胖”AP与“瘦”AP组网技术对比

胖AP组网:

  • 每个AP都是一个单独的节点,独立配置其信道和功率;安装简便
  • 每个AP独立工作,较难扩展到大型、连续、协调的无线局域网和增加高级应用
  • 每个AP都需要独立配置安全策略,如果AP数量增加,将会给网络管理、维护及升级带来较大的困难
  • 很难进行无线网络质量的优化数据的采集

瘦AP组网:

  • 通过AC对AP群组进行自动信道分配和选择,及自动调整发射功率,降低AP之间的互干扰,提高网络动态覆盖特性。
  • 支持二层/三层漫游切换
  • 容易实现非法AP检测和处理
  • 管理节点上移后,运维数据采集针对AC而非AP,解决了网管系统受限于AP处理能力和性能的问题

FAT AP方案技术基于传统主流,传统加密、认证方式,普通安全性。网络管理对每AP下发配置文件,用户管理类似有线,根据AP接入的有线端口区分权限,WLAN组网规模L2漫游,适合小规模组网;增值业务可以实现简单数据接入。

FIT AP方案是新生方式,增强管理。安全性增加射频环境监控,基于用户位置安全策略,高安全性。网络管理AC上配置好文件,AP本身零配置,维护简单。用户管理上无线专门虚拟专用组方式,根据用户名区分权限,使用灵活。WLAN组网L2、L3漫游,拓扑无关性,适合大规模组网,可以拓展丰富的业务。

Fat AP的主要特点:

Fat AP是与Fit AP相对来讲的,Fat AP将WLAN 的物理层、用户数据加密、用户认证、QoS、网络管理、漫游技术以及其他应用层的功能集于一身。

Fat AP无线网络解决方案可由由Fat AP直接在有线网的基础上构成。

Fat AP设备结构复杂,且难于集中管理。

Fit AP的主要特点:

Fit AP是相对Fat AP 来讲的,它是一个只有加密、射频功能的AP,功能单一,不能独立工作。

整个Fit AP无线网络解决方案由无线交换机和 Fit AP在有线网的基础上构成。

Fit AP 上“零配置”,所有配置都集中到无线交换机上。这也促成了Fit AP解决方案更加便于集中管理,并由此具有三层漫游、基于用户下发权限等Fat AP不具备的功能。

  • 室内放装:简单桌面放置或挂墙,可通过位置的变动和自带天线的调节来调整信号。
  • 室内分布:安装或放置在室内固定地点,通过馈线连接到室内的天线(如顶吸天线),根据信号的分流需要,可以使用功分、耦合等器件。
  • 室外覆盖:安装或放者在固定地点,通过馈线连接到天线(如定向天线],根据信号的分流和专要,可以使用功分、耦合等器件以及网桥等设备。
  • 其他:移动监控(地铁、叉车等)......

三、Wi-Fi 4技术介绍

WiFi 4(802.11n)较WiFi 3优势

WiFi-3就是802.11 g,WiFi-4是802.11 n,WiFi-4向前兼容。

WiFi 4就是我们日常最常用的802.11 n,它的峰值速率是300 M,这个只是宣传。要想真正达到300M需要具备什么特征呢?

AP需要购买四天线的AP,信道带宽只需要20M就可以。如果想体现到六百M的峰值速率的话,就需要40Hz的带宽。WiFi里面采用的无线波形,如果了解的话它叫OFDM波形,符号与符号间它有一定的间隔,平常我们默认的是八百毫秒,要想体验到300M的峰值数。我们的手机一般是两个tp接手,两个tp接收的情况下,只能体验到130M的峰值速度。如果仅仅是20M的带宽,要想体验到150M的话,需要改变保护间隔400ns。如果你的手机是四天线的,才可以达到300 M。

举个例子,编码效率的话是从802.11 g升级到5/6,也就是6个物理层传输的内容有五个是数据,其余一个数据是帮助还原。子载波数多相当于你的路就多,所以802.11 n它的峰值速度是600 M。但是往往我们空口速率显示的是300M,但是实际上如果手机是两个天线接收又是800ns的保护间隔,这个时候体验的速度其实是130 M。所以需要简单的配置一下,才能使让你家里的pc机和终端才能把WiFi的性能发挥到极致。

WiFi-4有哪些技术呢?

802.11n协议定义了协议栈中的MAC层以及物理层:

物理层关键技术:

  • - MIMO天线
  • -OFDM正交频分复用
  • -信道捆绑技术
  • - Short Gl。

MAC层:

  • 帧聚合(Frame Aggregation)
  • 块确认(( Block ACK)

OFDM-更多的子载波

FDMA技术的演进

将个高速的较宽的信道划分成多个低速并行并且正交的窄带子信道,这些子信道称为子载波。

从48个增加到52个,它的带宽增加了1/12。

802.11a/g在20M模式有52个子载波(48个可用);802.11n在20M模式有56个子载波(52个可用)

在20M带宽下, 802.11a/g子载波有48个,速率可达到54Mbps; 802.11n子载波有52个,速率可达到58.5Mbps。

编码率

在无线传输系统中,每个数据都会通过前向纠错码FEC(Forward Error Correction),将数据更正、还原成正确的数据。

为了提高吞吐率,需要将出现错误的比例降至最低,让纠错码不会太耗占带宽,但却能维持相同的纠错能力,而这个比例就称为编码比率或者码率(Code Rate)。

如:802.11g的码率为3/4,即有效数据占3/4,纠错码占1/4,通过物理技术,802.11n把有效数据传输比率提高,从3/4提升至5/6。

Guard lnterval

  • 由于多径效应的影响,信息符号(Information Symbol将通过多条路径传递,可能会发生彼此碰撞,导致ISI干扰。
  • 为此,11a/g标准要求在发送信息符号时,必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔,这个间隔被称为Guard Interval (GI)。

Short Guard Interval (Short Gl)

  • 11n仍然缺省使用800 ns。当多径效应不严重时,可以将该间隔配置为400ns,可以将吞吐提高近10%,此技术称为Short Gl。

有了更多的时间去传用户的数据,OFDM符号的长度为4000ns,在无线收发过程由收/势问击多 dancuoqin程中,需要若干间隔时间,而这个间隔时间就称为Guard lnterval,简称GI。以往GI的时间约为800ns,11n标准中有项选用功效,允许使用仅400nS的保护问隔时间。原有800ns减少一半,若使用这项功能,则11n的传输率可以从65M bps拉升到 72.2M bps左右。

信道捆绑将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通讯带宽,一个是主通道也是公共通道,供所有站点使用。一个是辅助通道,供高吞吐量的站点使用。经过信道捆绑可以大带宽增加到108个进行传数据,所以这一系列的技术使得802.11 n 的速率提升到600M。

802.11n同时定义了2.4GHz频段和5GHz频段的WLAN标准,与11a/blg每信道只用20MHz频宽不同的是11n定义了两种频带宽度:20MHz频宽40MHz频宽,采用40MHz频宽模式可以让无线网络获得高于2倍的传输速率。

MIMO-空分复用技术

在接收端和发射端使用多幅天线,充分利用空间传播的多径分量,在同一频带上使用N个数据通道(MIMO子信道)发射信号,从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。2*2MIMO下,数据速率提升至原先的两倍。

空分复用技术是复用四层服务,四层需要有四个天线去接收,我们往往在pc端都是两个天线,手机端现在的旗舰机都是10个天线接受的,所以速率到了很大的提升。

四、Wi-Fi6技术介绍

Wi-Fi 6标准演进,产业链趋于成熟

Wi-Fi 6是下一代802.11ax标准的简称。随着Wi-Fi标准的演进,WFA为了便于Wi-Fi 用户和设备厂商轻松了解其设备连接或支持的Wi-Fi型号,选择使用数字序号来对Wi-Fi重新命名。另一方面,选择新一代命名方法也是为了更好地突出Wi-Fi 技术的重大进步,它提供了大量新功能,包括增加的吞吐量和更快的速度、支持更多的并发连接等。根据 WFA的公告,现在的 Wi-Fi命名分别对应如下802.11技术标准:

Wifi-6是在2019年发布的,WiFi-4的特征是4个天线,40M Hz的带宽、400ns的保护间隔,可以达到600M的峰值速率。WiFi-6首先它的峰值速度从600M提升到9600M。

Wi-Fi6相比Wi-Fi5覆盖好,容量大。越小的子载波信道带宽,更远的覆盖范围。Wi-Fi 6相比Wi-Fi 5速度提升38.3%左右,包括1024QAM提升25%,减少帧间隔开销提升6%,更多的子载波数提升5%。

WiFi 6速度有多快?

4G是移动网络高速率的代名词,同样,Wi-Fi 6是无线局域网高速率的代名词,但这个高速率是怎么来的,由以下几个因素决定。

WiFi-6 (802.11ax) 新标准,助力企业数字化

Wi-Fi 6(802.11ax)继承了Wi-Fi 5(802.11ac)的所有先进MIMO特性,并新增了许多针对高密部署场景的新特性。

OFDMA频分复用技术

802.11ax之前,数据传输采用的是OFDM模式,用户是通过不同时间片段区分出来的。每一个时间片段,一个用户完整占据所有的子载波,并且发送一个完整的数据包。802.11ax中引入了一种更高效的数据传输模式,叫 OFDMA(因为802.11ax支持上下行多用户模式,因此也可称为MU-OFDMA),它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。

影响Wi-Fi速率的三大因素:空间流、子载波数量和信号传输时间、编码方式。

空间流数量:空间流其实就是AP的天线,天线数越多,整机吞吐量也越大,就像高速公路的车道一样,8车道一定会比4车道运输量更大。

编码方式:编码方式就是调制技术,即1个Symbol里面能承载的bit数量。从 Wi-Fi1到Wi-Fi 6,每次调制技术的提升,都能至少给每条空间流速率带来20%以上的提升。

有效子载波数量:载波类似于频域上的 Symbol,一个子载波承载一个Symbol,不同调制方式及不同频宽下的子载波数量不一样。

WiFi-6网络并发容量提升

在Wi-Fi 4的年代MIMO就已经出现,可以称为SU-MIMO, 在SU-MIMO情境下,每次路由器发包只能给同一个设备,其他设备在此时只能暂停,也就是所谓的排队,带来一定的网络延迟。

这相当于一个人用一双手去处理多项任务,这种情况下最多只能有一双手的能力。而随着天线数量迅速增多,需要更高效率的并发能力,这时候我们就利用MU-MIMO,就像千手观音一般用更多的手同时去处理大量终端发起的网络需求。

802.11ax标准将引入上行 MU-MIMO、OFDMA 频分复用、1024-QAM高阶编码等技术,将从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题。目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量相比如今的 Wi-Fi5提高至少4倍,并发用户数提升3倍以上,因此,Wi-Fi 6(802.11ax)也被称为高效无线(HEW)。

WiFi-6网络时延降低,通过OFDMA又效减少冲突,提升频谱利用率。WiFi-6终端功耗降低,影响终端电池使用时间的主要因素:非工作状态保持连接的高能耗。

WiFi-6核心技术点(VS WiFi 5)

拥有了大带宽,速率高达9.6Gbps,带宽提升了4倍;高并发,每AP接入1024终端,并发用户数提升了4倍;低时延,业务时延低至20ms,平均时延降低50%;低耗电,目标时间唤醒机制,终端功耗降低了30%。

Wi-Fi 6的核心新特性:

  • OFDMA频分复用技术
  • DL/UL MU-MIMO技术
  • 更高阶的调制技术(1024-QAM)
  • 空分复用技术(SR)&BSS Coloring着色机制
  • 扩展覆盖范围(ER)

802.11ax标准本身没有指定任何新的安全增强功能或要求,但是Wi-Fi 6 AP中会很快支持WPA3加密功能,这是一种更安全的加密方式,新增如下4项新功能:

  • 对使用弱密码的人采取“强有力的保护”。如果密码多次输错,将锁定攻击行为,屏蔽Wi-Fi身份验证过程来防止暴力攻击。
  • WPA3将简化无显示接口设备的安全设置流程。能够使用附近的Wi-Fi设备作为其他设备的配置面板,为物联网设备提供更好的安全性。用户将能够使用他的手机或平板电脑来配置另一个没有屏幕的设备(如智能锁、智能灯泡或门铃)等小型物联网设备设置密码和凭证,而不是将其开放给任何人访问和控制。
  • 在接入开放性网络时,通过个性化数据加密增强用户隐私的安全性,它是对每个设备与AP之间的连接进行加密的一个特征。
  • WPA3的密码算法提升至192位的CNSA 等级算法,与之前 WPA2的128位加密算法相比,增加了字典法暴力密码破解的难度。

WTA新推出的安全考虑:

WTA2:—些公共场所嫌输入密码麻烦,干脆使用open的SSID,WPA2对此无能为力

WPA3:即使是open的SSID也能提供用户无感知的数据传输加密

WPA2-personal:对个人加密采用PSK方式容易遭受字典攻击破解密码

WPA3-personal:使用SAE替换PSK,使用4次握手提供更高安全

WPA2:没有UI的I0T设备无法输入密码

WPA3:通过扫描二维码/密码/NFC/蓝牙等方式,轻松添加IOT设备

WPA2:128位安全模式

WPA3-enterprise :增加位数,192位安全模式

WiFi 6安全 --WPA3

802.11协议中沿用13年的WPA2加密协议漏出破绽,于2017年10月被完全破解.2018年6月26日, WiFi联盟宣布推出WPA3安全协议。11ax的协议标准里不包括wpa3,从2020年开始,WFA会强制要求Wi-Fi 6支持WPA3。

WPA3-personal,采用SAE (对等同步认证)替代了PSK,同时需要支持PMF (802.11w),有两种工作模式:

  • 单独的WPA3-SAE模式,终端必须支持WPA3,且要协商PMF
  • WPA3-SAE Transition Mode模式,可以与以前的加密方式共存在同一SSID里,但是不能使用TKIP及WEP算法
  • WPA3-enterprise,对于安全要求高的企业&政府,可以选用WPA3-enterprise,192位安全模式

华为Air Engine WiFi 6产品背后的技术

华为AirEngine系列产品将是业界最完整的Wi-Fi 6产品线,也将是业界Wi-Fi 6标准实现程度最完备和最高的产品,从而100%发挥出Wi-Fi 6标准在性能、容量、体验保障、物联上的独特优势。相比于业界的Wi-Fi 6产品,华为AirEngine Wi-Fi 6突破10Gbps网络速率,以非一般的速度和流畅体验,为企业的办公、生产、公共服务场景构建一张全无线的高品质网络。
华为AirEngine Wi-Fi 6新产品,是构建在Wi-Fi 6标准基础上,在天线技术、基带技术、射频算法技术上做了显著的创新,为企业带来超越10Gbps的极速移动办公体验,零丢包的移动作业体验,以及每时每刻、无处不在的100Mbps网络体验。

  • 突破10Gbps网络速率:

华为AirEngine AP拥有业界独家16条空间流,高达10.75Gbps的吞吐速率,为AR/VR,4K高清视频等大流量业务提供光纤一样的网络体验。

  • 独家双10GE和光口上行:

华为AirEngine AP是业界独家支持双10GE上行(向下兼容2.5GE,5GE多速率),且支持10G SPF+光纤上行,100%释放华为AirEngine的极速性能。

  • 零死角网络覆盖,让覆盖更稳:

华为AirEngine AP内置多达16条独特设计的智能天线和源自5G的波束成型算法,使得覆盖半径比传统天线远20%,信号更强,为用户提供零死角的网络覆盖。

  • 应用体验保障,让应用更稳:

华为AirEngine AP独家的SmartRadio智能应用加速技术,动态感知应用类型,层次化动态QoS策略,保证关键应用时延低至10ms,让AR/VR、语音等实时类应用体验无卡顿。

  • “零”丢包无损漫游,让漫游更稳:

华为AirEngine AP独家的SmartRadio 无损漫游技术,对传统漫游过程进行了主动优化,使得拥有华为EMUI/MagicUI系统的移动终端可实现毫秒级快速无损漫游,保障视频会议、语音电话等办公应用在移动中无卡顿。

  • 软件定义射频(Software Defined Radio)

华为AirEngine AP拥有业界首创的软件定义射频能力,使得AirEngine AP可以在双射频、三射频以及双射频+扫描模式间自由切换,以满足高带宽场景、高并发场景,以及高干扰场景的体验要求。

  • 多物联(Multi-IoT)融合:

华为AirEngine AP通过独特的内置物联网卡槽设计,实现多种物联网应用的融合部署,统一接入,降低TCO。可支持包括:BLE、RFID、ZigBee等多种物联网协议的终端。

  • 灵活的RTU(Right-to-use)模式,保护投资:

华为AirEngine AP在高端和标准款型上,可以通过启用RTU的模式,实现空间流数的升级,从而通过软件定义射频(SDR)实现2射频切3射频,或者通过RTU增加额外的独立扫描射频,以满足安装部署后不断增加的用户和终端对于性能的需求,帮助企业节省TCO。

  • 源自华为5G技术,打造业界首创随时随地100Mbps Wi-Fi 连续组网:

华为AirEngine AP在Wi-Fi 6标准的基础上,业界首个实现OFDMA与MU-MIMO整网联合调度,在高密接入下整网的性能大幅提升。同时,基于AI的智能运维,主动探测网络环境,预测网络状态,持续的动态优化网络,保持整网100Mbps无处不在的最优性能。

  • 业界首个16空间流室外型AP,极速超远距离覆盖:

华为AirEngine 8760R拥有业界独家的16空间流,其中2.4GHz频段拥有8空间流,有效提升信号的接收灵敏度,实现高达700米的超远距离的覆盖,满足无线城市、乡村在空旷区域部署的需求,节省投资。

总结:

WiFi是一种基于IEEE802.11系列协议标准实现的无线通信技术,该通信协议于1996年由澳洲的研究机构CSIRO提出,WiFi 凭借其独特的技术优势,被公认为是目前最为主流的WLAN技术标准。随着WiFi无线通信技术的不断优化和发展,当前主要有4种通信协议标准,即802.11g、802.11b、802.11n和802.11a,根据不同的协议标准主要有两个工作频段,分别为2.4GHz和5.0GHz。

Wi-Fi (Wireless Fidelity)又称“行动热点”,是创建于IEEE 802.11标准的无线局域网的技术,基于两套系统的密切相关,有人把Wi-Fi当做lEEE 802.11标准的同义术语。Wi-Fi由Wi-Fi联盟(成立于1999年,2002年10月正式改名为Wi-Fi Alliance)所持有,目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。IEEE 802.11的设备已安装在市面上的许多产品,如打印机、笔记本电脑以及其他可以无线上网的周边设备。

WiFi6从 DL/UL MU-MIMO、OFDMA、1024-QAM三大最重要的核心技术上实现了设定的目标,另外,华为通过自己的软件算法优化实现了对802.11ac及之前标准的老终端性能提升。

 

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感觉部分语句不太通顺的感觉
2021/11/29 17:30
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