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80211(b/a/n/ac)速率介绍

2018-09-25  袁先森lem...

参考书籍为《802.11无线网络权威指南》,网上可以下载到
一些wifi的基础知识可以参考这个系列帖子http://support.huawei.com/ecommunity/bbs/10219401.html

1.第一代wifi标准 80211(80211b)(2.4G)

1997年完成,传输速率支持1Mbps 和 2Mbps。支持采用FHSS(跳频)和DSSS(直接序列扩频),采用不同技术的设备是无法兼容的,下面只讲解DSSS技术。

DSSS技术将 2.4G 频段划分为 14个信道(不同国家支持的信道不同,具体查看 国家信道表.xlsx 上面网址中包含)
2.4G信道划分

首次定义了的 1Mbps和2Mnps的DSSS属于 80211协议,后续80211b中又定义了达5.5 与11Mbps 的物理层,因此通常的说法中 80211b速率包括 1、2、5.5、11Mbps

DSSS的运作方式,乃是以展频码(chipping sequence,或译为缀片序列)对数据串流作处理。
这里写图片描述
代传送的数据为1, 则用 展频码“01001000111”代替1,展频码自身都够冗余校验,提升抗干扰能力。

1.1 Mbps速率传输

在用射频载波信号进行传输时,采用DBPSK方法,DBPSK(差分二进制相移键控)用两种载波分别表示数字信号0 与 1,两种载波相位相差180°,一个波称为参考波
(reference wave),所对应的编码为0。偏移半个周期的波,所对应的编码为1。当讯符为0,波形如同上一个讯符。如果讯符为1,就会偏移半个周期。
这里写图片描述
下图是传输1001101时的波形
这里写图片描述

当按协议要求的1Mbps传输数据时,无线电波实际上是每秒传输11M bit(需要先进行展频),那么载波的频率是2.4G hz,那么每段载波保持的周期是(1/11M)/(1/2.4G)=218个。(不知道这了需要不需要考虑ack回复和竞争的时间)
(具体这里怎么和信道的带宽相对应起来,还不清楚)

1.2 2Mbps传输

采用DQPSK(差分正交相移键控),共有4中相位的载波,每个载波相差45°,这样射频信号中携带的信息比DBPSK增加了一杯,每种载波代表了两个bit的数据。
这里写图片描述

同样传输 01001101, DQPSK只需要一半的时间(每种载波的保持周期不变)
这里写图片描述

1.3 5.5Mbps 和 11Mbps

在DQPSK的基础上采用了CCK编码,CCK编码有两种方式可以将射频信号中8bit数据压缩为2bit或者4bit(CCK 采用了复杂的数学转换函数,可以使用若干8-bit 序列,在每个编码字中编码4或8个位元)

2. 80211a速率(5G)

起初,802.11a 是专门针对美国所做的设计,使用 5-GHz 的国家免照信息基础建设频段。 802.11a 是以正交分频多工(orthogonal frequency division multiplexing,简称OFDM)为基础。OFDM 设备会将一个较宽的频道(frequency channel)切割成几个子频道(subchannel)。每个子频道均用来传输数据。所有这些「较慢」的子频道随后会被多工的方式组合成「较快」的频道。 所以速率会比单纯的一个频道要快。

802.11a 中作业频道的频宽为 20 MHz,OFDM 物理层将频谱区分为作业频道·每个频宽 20-MHz 的频道由 52个副载波所组成。副载波之问彼此相距 0.3125MHz 频道编号从 -26至26,其中有4个副载波充当导波(pilot carrier),副载波-21 、-7 、7以及21 被指定为导波,0号未使用。(去掉副载波之间的间隔,每个信道的宽度只有0.072Mhz,真的有这么窄???)
这里写图片描述

802.11a 在每个子频道上使用「正交调幅」(quadrature amplitude modulation,简称QAM)技术来传送数据。QAM 是在单一载波(single carrier wave)上编码数据,不过该载波是由「同相」(in-phase)与下正交:(quadrature)两种信号组成QAM 会同时对这两种信号进行调幅;亦即根据输入信号的大小调整载波波形·主载波是以同相信号为名,简写为I。正交信号落后四分之一周期,简写为Q。正交是为了保证同时传输两个信号(I和Q)的时候不受干扰。

当两个 正交波 I和Q 的幅度变化分别为 2 4 8 时,分别可形成 QPSK 16QAM 64QAM 的调制方式。BPSK可以当做一个 特殊的正交波,只有I波没有Q波。当幅度变化越多时,抗干扰能力越低,设备科通过对环境的监测灵活选用不同的幅度调制。此处的BPSK和QPSK只是调制方式和80211b中一致,实际上信道宽度和其他物理参数是完全不同的。

注:为什么没有幅度变化为6的调制,猜测可能是6 和 8 的调制,对硬件的需求是一样(或者更高,因为6不是2的幂,解调时麻烦),所以没有6的调制方式
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为了保证数据传输时的准确性,需要加入错误更正码,根据环境干扰不同,加入的错误更正码有多又少,80211a中规定了3种加入更正码后的(有效数据)编码率为 1/2 2/3 3/4.
802.11a 标准规定 6、12与 24 Mbps是必要的(required)数据率。802.11 MAC 要求每个帧均必须得到正面回应。传送正面回应时,必须采用已连接工作站均支持的数据率。大多数设备是以 24 Mbps 的数据率传送正面回应讯息,如此不仅可以符合上述要求,也可以将网络的负担(overhead)降至最低。下图为不同编码方式和编码率下的传输速率
这里写图片描述
注:最后的72Mbps速率没有加入错误更正码。48个子信道的信息组合起来算作一个讯符。

还有个疑问,80211a中的BPSK和80211b中BPSK,调制方式一样,前者每个子信道带宽仅0.072MHz,速率有0.25Mbps,后者带宽20MHz,速率仅有1Mbps,80211a中在每个子信道中又采取了何种技术就不得而知了。

80211a 的频道分配
根据下列公式,可以为 5-GHz 频段中的频道指定编号,频道间相距 5 MHz:
中心频率(MHz)= 5,000+5 x n;n = 0,1,2,..199
中心频率(MHz)= 5,000 – 5*(256 - n),n=240,241,.. 255

每个频宽为 20-MHz 的 802.11a 频道占用四个频道。频道中心频率的示意图如下

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3 80211g,80211a在2.4G频段上的应用(2.4G)

80211g将80211a中的技术(OFDM和QAM)应用到2.4g中,同时对2.4g上原有的80211b进行了兼容,其最高速率和80211a相同为54Mbps,

4 80211n(2.4G/5G)

80211n协议同时规定了2.4g和5g上的实施,为了提升速率,80211n使用了新增加了其他几项技术(80211a中多种编码方式同样要沿用):

4.1 MIMO (多输入多输出)

AP(路由器)的一根天线和STA(手机)的一根天线可以组成一个空间流,当AP和STA同时拥有N根天线时,可以组成N个空间流,传输速率是单个空间流的N倍。80211n中规定N的纸最高为4
注意当STA只有一根天线时,就算AP拥有4根天线,也只能形成1个空间流看维基的时候看到有3x2:2的MIMO说法,还不太理解这个定义,以后补充

4.2 更宽的带宽

之前的协议中规定带宽只能为20Mhz,80211n中带宽可以有40Mhz和20Mhz两种。 带宽变大了,OFDM的子载波也会变多。注意不需要两个互不重叠的相邻信道才可以组合成40M的带宽。

4.3 SHORT GI(防护时间)

GI(Guard Interval)只两个码流(symbols (the smallest unit of data sent at once))之间的间隔。当存在多个空间流,空间流之间会有干扰,STA需要一段时间将多个空间流中的数据组合成一个码流,因此需要增加一个防护时间,防止下一个码流对上一个产生干扰
80211n中规定了800ns和400ns的两种GI

下表摘自维基百科(中国最近又能上维基了),第一列MCS(Modulation and Coding Scheme)值不同的调制编码方式,可以看到80211n的最高速率是600Mbps(2.4G和5G下均如此),单天线(大多数手机)下的最高速率为150Mhz。
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5 80211ac (5G)

80211ac只工作在5G频段。在80211n的基础上采用以下新技术:
1 更大的带宽 80MHz和160Mhz,
2 更高的MIMO值,80211n中为4, 11ac增加到8
3 最高为254QAM

下图为MIMO值为1时的,11ac的速率值,当空间流为8时,最高速率为866*8=6928Mbps
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