802.11abgn協議學習總結 – 小科科的春天

1 提筆

自己從事WiFi行業多年，說來慚愧，竟然沒有靜下心來給個總結。最近由於工作關係，又再次涉及WiFi相關內容，故而花了些時間總結出此文檔。分享給同學們，同時也算是給自己一個交代。一杯敬明天，一杯敬過往？哈！

當然，還是那句話，如有不準確之處，還望各位同學批評指正。

2 802.11家族演進史

IEEE 802.11是現今無線局域網通用的標準，它是由電氣和電子工程師協會(IEEE)所定義的無線網絡通信的標準。從1997最初版發展到現在，歷經20多年，儼然已是一個龐大的協議家族。從命名上就可以看出：a一直到z，單字母用完，aa一直到目前的ax，雙字母繼續發展。所以個人認為802.11是迄今為止局域網領域最為複雜的數據鏈路層協議，沒有之一。

如此龐大的協議家族，每個都可以拿出來細談，本文主要集中在802.11a/b/g/n上，也就是重要的幾個milestone，WiFi5(11ac)和WiFi6(11ax)會後續另論。

協議重要的幾個版本演進史：

圖表 1 802.11版本演進

那大家可能會問，發展的幕後推手是什麼呢？答案是速度。對，就是為了滿足人類不斷對速度的追求。這算不算是一種慾望呢？哈！不扯淡，看圖，看看速度是怎麼變快的。

圖表 2 802.11物理層技術演進

上面這張圖很重要，下面很大篇幅其實都是來解釋這張圖。

對了，有個小概念澄清下。雖然經常將Wi-Fi與802.11混為一談，但兩者並不等同。1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟，致力解決匹配802.11標準的產品的生產和設備兼容性問題。

3 802.11abgn物理層

我的經驗是，要學習掌握某一數據通信協議，先找出其OSI模型，然後從底層（物理層）向上層層剝離。對於802.11來說，就2層：物理層和MAC層。

3.1 最初的802.11(July 1997)

主要提供三種物理層：紅外技術，跳頻擴頻和直接序列擴頻

紅外技術，沒有實際使用，不在討論範圍內
FHSS+GFSK，得到1Mbps和2Mbps速率
DSSS+BPSK/QPSK，得到1Mbps和2Mbps速率

3.1.1 FHSS和GFSK

何為FHSS跳頻擴頻呢？看如下圖：

圖表3 跳頻

跳頻為啥得到1Mbps和2Mbps數據速率呢？原因是GFSK調製解調技術。GFSK是調頻，也就是說依靠不同頻率的載波來傳遞二進制1和0。分為二階式和4階式：

1M的符號symbol率(每秒傳輸1M個symbol)，採用二階GFSK調製，每個symbol攜帶一個bit信息，對應就是1Mbps
採用四階GFSK，每個symbol可以攜帶2個bit信息，對應就是2Mbps

圖表4 二階式GFSK

圖表5 二階式GFSK頻域圖

圖表6 四階式GFSK

圖表7 四階式GFSK頻域圖

3.1.2 DSSS和BPSK/QPSK

802.11最初版也定義了另外一種物理層DSSS，速率也可以達到1Mbps和2Mbps。同時定義了2.4G頻段的頻道分佈。如圖：

圖表8 2.4GHz頻譜圖

那麼何為DSSS直接序列擴頻？如下圖：

圖表9 Barker碼擴頻原理1

圖表10 Barker碼擴頻原理2

可以看出，DSSS就是利用擴頻碼(圖中是11位的Barker碼)承載要傳輸的二進制信息。這樣做的目的其實就是把窄帶信號分佈在較寬的頻帶上，提高抗干擾能力。

編碼好了，那就開始載波調製，空中傳輸了。DSSS採用PSK調相技術，即用載波的不同相位來傳輸二進制0和1. 具體又分為BPSK和QPSK。如下圖：

圖表11 BPSK

圖表12 QPSK

可以看出，同樣的載波，同樣的週期裡BPSK能攜帶1bit信息，QPSK能攜帶2bit信息。

那麼 ==速率=符號速率x 單個符號編碼位數/擴頻碼位數==

符號率固定為11M。

單個符號編碼位數，BPSK=1，QPSK=2。

Barker碼為11位。

至此，==BPSK 速率=11x1/11=1Mbps== ==QPSK 速率=11x2/11=2Mbps==

3.2 802.11b物理層

提供4種物理層：

DSSS+BPSK/QPSK+Barker，沒有變化，繼續提供1Mbps和2Mbps物理層
DSSS+QPSK+4-Bits CCK，引進5.5Mbps物理層
DSSS+QPSK+8-Bits CCK，引進11Mbps物理層

可以看出，新增了5.5Mbps和11Mbps物理層。那怎麼實現的呢？這就要談到CCK擴頻，區別於Barker 11位擴頻，CCK採用8位擴頻，配合QPSK調製，可以做到每個symbol攜帶4bit和8bit信息。

Again, 依然是這個公式：速率=符號速率x 單個符號編碼位數/擴頻碼位數

不難得出，==4 bit CCK對應的速率=11MHz x 4 bit / 8 = 5.5Mbps== ==8 bit CCK對應的速率=11MHz x 8 bit / 8 = 11Mbps==

3.3 802.11a物理層

工作在5GHz，速率最高達到54Mbps，劃重點：

開闢了新的頻段5G
採用了OFDM
更高階的QAM編碼

我們來一一介紹。首先是頻譜發生了變化。如下圖：

圖表13 802.11a頻譜與頻道

OFDM，正交頻分複用。基本原理：

將信號分割為N個子信號，然後用N個子信號分別調製N個相互正交的子載波。OFDM 物理層將每個頻寬20MHz 的頻道劃分52個子載波。其中有4 個子載波充當導波（pilot carrier），用以監控路徑偏移與 ICI。至於其餘 48 個子載波則是用來傳遞數據。子載波之問彼此相距0.3125MHz ，頻道編號從-26 至 26。這就好比同樣寬的馬路，以前是單車道，現在變成了48個車道，馬路沒變，但通行能力增大了。

圖表14 頻域中的正交性

QAM，正交幅度調製。也就是同時利用了載波的振幅和相位來傳遞信息。如下圖：

圖表15 16 QAM和64 QAM

可以看出，16 QAM可以做到每個符號symbol攜帶4位二進制信息；64 QAM可以攜帶6位二進制信息。

至此，我們來算筆賬，看看11a速率的組成和由來。

==物理層速率Mbps=子載波數x調製階數x編碼效率/OFDM符號發送間隔==

圖表16 802.11a速率表

==舉個栗子，對應調製方式16-QAM，編碼效率為1/2。速率怎麼算呢？在802.11a中，數據子載波是48個，16QAM調製對應的每個symbol可以攜帶4位信息，R=1/2是編碼率(為了能抗干擾增加糾錯能力，就要增加冗餘度，即1/2可以理解為1個bit用2個bit來傳輸)，一個OFDM symbol的傳輸時間是4us(可以理解為每秒傳輸0.25M個OFDM symbol)。即48x4x(1/2)x0.25M=24Mbps。==

講到這兒，歇會兒，喝口水，讓我們在54Mbps的速率上躺會兒。

3.4 802.11g物理層

與11a的技術相同，區別是工作在2.4GHz頻段。==故最高速率也是54Mbps==。

但有一點要注意，11b也工作在2.4G頻段，那11g就要兼容11b(CCK DSSS)。如何做到呢？方法有二：

類似隱藏節點的解決辦法 RTS/CTS機制
CTS to Self機制

關於這兩點，涉及到MAC層，在此先記住就行了，後面MAC章節會講到。
3.5 802.11n物理層
革命尚未成功，同志還需努力，讓我們繼續攀升速率。802.11n關鍵技術：

MIMO
40MHz信道
Short Guard Interval
OFDM改進
編碼率的改進

啥？這麼多新名詞！淡定，讓我們一個個來講。

MIMO，多輸入多輸出。**MIMO是802.11n物理層的核心，指的是一個系統採用多個天線進行無線信號的收發。它是當今無線最熱門的技術，無論是3G、IEEE 802.16e WIMAX，還是802.11n，都把MIMO列入射頻的關鍵技術。MIMO主要有以下典型作用：

提高吞吐量

通過多條通道，併發傳遞多條空間流，可以成倍提高系統吞吐。如圖17.

提高無線鏈路的健壯性和改善SNR

通過多條通道，無線信號通過多條路徑從發射端到達接收端多個接收天線。由於經過多條路徑傳播，每條路徑一般不會同時衰減嚴重，採用某種算法把這些多個信號進行綜合計算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這裡是同一條流在多個路徑上傳遞了多份，並不能夠提高吞吐。如圖18.

圖表17 併發2條空間流

圖表18 MIMO利用多徑傳輸數據

OFDM 改進。OFDM在802.11a/g時代已經成熟使用，到了802.11n時代，它將MIMO支持的子載體從52個提高到56個。需要注意的是，無論802.11a/g，還是802.11n，它們都使用了4個子載體作為pilot子載體，而這些子載體並不用於數據的傳遞。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統的 ==54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54*52/48)==。

編碼率的改進

按照無線通信的基本原理，為了使信息適合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發射端將把信息進行編碼並攜帶冗餘信息，以提高系統的糾錯能力，使接收端能夠恢復原始信息。802.11n所採用的QAM-64的編碼機制可以將編碼率(有效信息和整個編碼的比率)從3/4 提高到5/6。所以，對於一條空間流，在MIMO-OFDM基礎之上，==物理速率從58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)==。

Short Guard Interval

由於多徑效應的影響，信息符號(Information Symbol)將通過多條路徑傳遞，可能會發生彼此碰撞，導致ISI干擾。為此，802.11a/g標準要求在發送信息符號時，必須保證在信息符號之間存在800 ns的時間間隔，這個間隔被稱為Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用缺省使用800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時，用戶可以將該間隔配置為400ns，即每個OFDM符號連續時間從4us縮短為3.6u。對於一條空間流，可以將吞吐提高近10%，即從 ==65Mbps提高到72.2 Mbps==。對於多徑效應較明顯的環境，不建議使用Short Guard Interval (GI)。

圖表19 SGI減小幀間距

40MHz 信道

這個比較好理解，對於無線技術，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。就好比馬路拓寬了，車輛同行能力自然提高。傳統的802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個頻道綁定為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。

圖表20 40MHz信道

需要注意的是：對於一條空間流，並不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2 )Mbps。對於20MHz頻寬，為了減少相鄰信道的干擾，在其兩側預留了一小部分的帶寬邊界。而通過40MHz綁定技術，這些預留的帶寬也可以用來通訊，可以將子載體從104(52×2)提高到108。按照 ==72.2x2x108/104進行計算，所得到的吞吐能力達到了150Mbps==。

總之，11n的速率就是這樣一步步提上來的。彙總如下圖：

圖表21 11n速率攀升圖