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Wi-Fi技術(shù)早已被個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如pad、手機(jī)）等終端廣泛使用，我們的生活也離不開這項(xiàng)無(wú)線連接技術(shù)。但是關(guān)于Wi-Fi的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)、物理層技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)你了解嗎？本文將一一進(jìn)行介紹。
1 概述
WLAN是無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱，全稱為Wireless Local Area Networks，是一種利用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，該技術(shù)的出現(xiàn)能夠彌補(bǔ)有線局域網(wǎng)絡(luò)之不足，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)延伸之目的。
Wi-Fi是無(wú)線保真的縮寫，英文全稱為Wireless Fidelity，在無(wú)線局域網(wǎng)才對(duì)范疇是指“無(wú)線兼容性認(rèn)證”，實(shí)質(zhì)上是一種商業(yè)認(rèn)證，同時(shí)也是一種無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無(wú)線技術(shù)。同藍(lán)牙技術(shù)相比，它具備更高的傳輸速率，更遠(yuǎn)的傳播距離，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本、手機(jī)、汽車等廣大領(lǐng)域中。
WIFI是無(wú)線局域網(wǎng)聯(lián)盟的一個(gè)商標(biāo)，該商標(biāo)僅保障使用該商標(biāo)的商品互相之間可以合作，與標(biāo)準(zhǔn)本身實(shí)際上沒有關(guān)系，但因?yàn)閃IFI 主要采用802.11b協(xié)議，因此人們逐漸習(xí)慣用WIFI來(lái)稱呼802.11b協(xié)議。從包含關(guān)系上來(lái)說(shuō)，WIFI是WLAN的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，WIFI包含于WLAN中，屬于采用WLAN協(xié)議中的一項(xiàng)新技術(shù)。
在WiFi使用之初，在安全性方面非常脆弱，很容易被別有用心的人截取數(shù)據(jù)包，所以在安全方面成了政府和商業(yè)用戶使用WLAN的一大隱患。WAP（無(wú)線應(yīng)用協(xié)議）是由我國(guó)制定的無(wú)線局域網(wǎng)中的安全協(xié)議，它采用國(guó)家密碼管理委員會(huì)辦公室批準(zhǔn)的公開密鑰體制的橢圓曲線密碼算法和秘密密鑰體制的分組密碼算法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的身份鑒別、鏈路驗(yàn)證、訪問控制和用戶信息在無(wú)線傳輸狀態(tài)下的加密保護(hù)。2009年6月15日，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO/IECJTC1/SC6會(huì)議上，WAPI國(guó)際提案首次獲得包括美、英、法等10余個(gè)與會(huì)國(guó)家成員體一致同意，將以獨(dú)立文本形式推進(jìn)其為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前在中國(guó)加裝WAPI功能的WIFI手機(jī)等終端可入網(wǎng)檢測(cè)并獲進(jìn)網(wǎng)許可證。
2 WiFi標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)
IEEE 802.11是針對(duì)WIFI技術(shù)制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，第一個(gè)版本發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無(wú)線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞?，總?shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計(jì)為2Mbps。1999年加上了兩個(gè)補(bǔ)充版本：802.11a定義了一個(gè)在5GHz ISM頻段上的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54Mbps的物理層，802.11b定義了一個(gè)在2.4GHz的ISM頻段上但數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)11Mbps的物理層。802.11g在2003年7月被通過(guò)，其載波的頻率為2.4GHz（跟802.11b相同），傳輸速率達(dá)54Mbps。802.11g的設(shè)備向下與802.11b兼容。其后有些無(wú)線路由器廠商因應(yīng)市場(chǎng)需要而在IEEE 802.11g的標(biāo)準(zhǔn)上另行開發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)，并將理論傳輸速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。IEEE 802.11n是2004年1月時(shí)IEEE宣布組成一個(gè)新的單位來(lái)發(fā)展的新的802.11標(biāo)準(zhǔn)，于2009年9月正式批準(zhǔn)，最大傳輸速度理論值為600Mbps，并且能夠傳輸更遠(yuǎn)的距離。IEEE 802.11ac是一個(gè)正在發(fā)展中的802.11無(wú)線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，它通過(guò)5GHz頻帶進(jìn)行無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）通信，在理論上，它能夠提供高達(dá)1Gbps的傳輸速率，進(jìn)行多站式無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）通信。
除了上述的標(biāo)準(zhǔn)，另外有一個(gè)被稱為IEEE 802.11b+的技術(shù)，通過(guò)PBCC（Packet Binary Convolutional Code）技術(shù)在IEEE 802.11b（2.4GHz頻段）基礎(chǔ)上提供22Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。但這事實(shí)上并不是一個(gè)IEEE的公開標(biāo)準(zhǔn)，而是一項(xiàng)產(chǎn)權(quán)私有的技術(shù)，產(chǎn)權(quán)屬于德州儀器。IEEE的一個(gè)工作組TGad與無(wú)線千兆比特聯(lián)盟聯(lián)合提出802.11ad的標(biāo)準(zhǔn)，即在60GHz的頻段上面使用大約2GHz的頻譜帶寬，實(shí)現(xiàn)近距離范圍內(nèi)高達(dá)7Gbps的傳輸速率。
3 WiFi物理層技術(shù)
WiFi是由無(wú)線接入點(diǎn)AP（Access Point） 、站點(diǎn)（Station）等組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。AP一般稱為網(wǎng)絡(luò)橋接器或接入點(diǎn)，它是當(dāng)作傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，因此任何一臺(tái)裝有無(wú)線網(wǎng)卡的PC均可透過(guò)AP去分享有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)的資源。它的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置無(wú)線發(fā)射器的HUB或路由，而無(wú)線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號(hào)的CLIENT端設(shè)備。
802.11發(fā)布之初，只支持1Mbps和2Mbps兩種速率，工作于2.4GHz頻段上面，兩個(gè)設(shè)備之間的通信可以自由直接的方式進(jìn)行，也可以在基站（BS）或者訪問點(diǎn)（AP）的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。
802.11a標(biāo)準(zhǔn)采用了與原始標(biāo)準(zhǔn)相同的核心協(xié)議，工作頻率為5GHz，使用正交頻分多路復(fù)用副載波，最大原始數(shù)據(jù)傳輸率為54Mb/s。如果需要的話，數(shù)據(jù)率可降為48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。它不能與IEEE 802.11b進(jìn)行互操作，除非使用了對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)都采用的設(shè)備。由于2.4GHz頻帶已經(jīng)被到處使用，采用5GHz的頻帶讓802.11a具有更少?zèng)_突的優(yōu)點(diǎn)。然而，高載波頻率也帶來(lái)了負(fù)面效果。802.11a幾乎被限制在直線范圍內(nèi)使用，這導(dǎo)致必須使用更多的接入點(diǎn)；同樣還意味著802.11a不能傳播得像802.11b那么遠(yuǎn)，因?yàn)樗菀妆晃铡?/p>
802.11g的調(diào)制方式和11a類似，但其載波的頻率為2.4GHz（跟802.11b相同），共14個(gè)頻段，原始傳送速度也可達(dá)為54Mbps，802.11g的設(shè)備向下與802.11b兼容。
802.11n引入了MIMO的技術(shù)，使用多個(gè)發(fā)射和接收天線來(lái)允許更高的數(shù)據(jù)傳輸率，并增加了傳輸范圍；并支持在標(biāo)準(zhǔn)帶寬20MHz和雙倍帶寬40MHz，使用4×4 MIMO時(shí)的速度最高可達(dá)600Mbps。
802.11ac采用并擴(kuò)展了源自802.11n的空中接口概念，包括高達(dá)160MH的射頻帶寬，最多8個(gè)MIMO空間流以及最高可達(dá)256QAM的調(diào)制方式。以下是這幾種標(biāo)準(zhǔn)的主要屬性對(duì)比。
| 802.11 | 802.11b | 802.11g | 802.11a | 802.11n | 802.11ac | |
| 頻率范圍? | 2.4 | 2.4 | 2.4 | 5 | 2.4/5 | 5 |
| (GHz) | ||||||
| 調(diào)制技術(shù) | FHSS | CCK | CCK | OFDM | OFDM | OFDM |
| /DSSS | / DSSS | /OFDM | ||||
| 物理速率 | 1月2日 | 1月2日 | 6/9/12/18 | 6/9/12/18 | 高達(dá)600 | 高達(dá)1000以上 |
| (Mbps) | /5.5/11 | /24/36/48/54 | /24/36/48/54 | |||
| 信道帶寬 | N/A | 22MHz | 20MHz | 20MHz | 20MHz | 20MHz |
| 40MHz | 40MHz | |||||
| 80MHz | ||||||
| 160MHz | ||||||
| 數(shù)據(jù)子載波 | N/A | N/A | Apr-52 | Apr-52 | 108/6 | 108/6 |
| /導(dǎo)頻個(gè)數(shù) | 234/8 | |||||
| 空間流 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1~4 | 1~8 |
4 WiFi關(guān)鍵技術(shù)
為了盡量減少數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送，防止各站點(diǎn)無(wú)序地爭(zhēng)用信道，無(wú)線局域網(wǎng)中采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免協(xié)議。CSMA/CA通信方式將時(shí)間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來(lái)，保證某一時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制。送出數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽媒體狀態(tài)，等沒有人使用媒體，維持一段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后依然沒有人使用，才送出數(shù)據(jù)。由于每個(gè)設(shè)備采用的隨機(jī)時(shí)間不同，所以可以減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)。
直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是802.11b所采取的主要調(diào)制技術(shù)。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是把使用11位的Chipping Barker序列來(lái)將數(shù)據(jù)編碼并發(fā)送的技術(shù)。發(fā)送端通過(guò)spreader把chips（就是一串的二進(jìn)制碼）添加入要傳輸?shù)谋忍亓髦校Q為編碼；然后在接收端用同樣的chips進(jìn)行解碼，就可以得到原始數(shù)據(jù)了。在相同的吞吐量下，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)需要比跳頻技術(shù)更多的能量；但以消耗能量為代價(jià)，它也能達(dá)到比跳頻技術(shù)更高的吞吐量，802.11b能達(dá)到5.5Mbps和11Mbps就是采用HR/DSSS技術(shù)。
正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal frequency-division multiplexing）是一種基于正交多載波的頻分復(fù)用技術(shù)，它是802.11a/g/n/ac中都采取的調(diào)制技術(shù)，它將高速串行數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后，分割成大量的低速數(shù)據(jù)流，每路數(shù)據(jù)采用獨(dú)立載波調(diào)制并疊加發(fā)送，接收端依據(jù)正交載波特性分離多路信號(hào)。
OFDM與傳統(tǒng)頻分復(fù)用FDM的區(qū)別在于：傳統(tǒng)的頻分復(fù)用技術(shù)需要在載波間保留一定的保護(hù)間隔，結(jié)合濾波來(lái)減少不同載波間領(lǐng)譜的重疊，從而避免各載波間的相互干擾；而OFDM技術(shù)的不同載波間的頻譜是重疊在一起的，各子載波間通過(guò)正交特性來(lái)避免干擾，有效地減少了載波間的保護(hù)間隔，提高了頻譜利用率。
擴(kuò)展綁定技術(shù)是802.11n中所引入的新技術(shù)，并在802.11ac中得以繼承和發(fā)展，它能夠提高所用頻譜的寬度從而提高傳輸速率。802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個(gè)頻寬綁定為40MHz來(lái)使用。而當(dāng)頻寬是20MHz的時(shí)候，為了減少相鄰信道的干擾，在其兩側(cè)預(yù)留了一小部分的帶寬邊界。而通過(guò)40MHz綁定技術(shù)，這些預(yù)留的帶寬也可以用來(lái)通訊，可以將子載體從104（52×2）提高到108。在802.11ac中頻寬進(jìn)一步的可以擴(kuò)展到80MHz和160MHz，使得傳輸速率進(jìn)一步的提升。
多輸入多輸出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術(shù)是802.11n和802.11ac采用的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)單輸入輸出無(wú)線傳輸SISO（Single Input Single Output），接收的無(wú)線信號(hào)中攜帶的信息量的多少取決于接收信號(hào)的強(qiáng)度超過(guò)噪聲強(qiáng)度的多少，即信噪比。信噪比越大，信號(hào)能承載的信息量就越多，在接收端復(fù)原的信息量也越多。MIMO結(jié)合復(fù)數(shù)的射頻鏈路和復(fù)數(shù)的天線，即同時(shí)在多個(gè)天線上發(fā)送出不同的信號(hào)，而接收端則通過(guò)不同的天線將在不同的射頻鏈路的信號(hào)獨(dú)立的解碼出來(lái)。MIMO在802.11n通常定義為M*N，其中M為發(fā)射機(jī)天線數(shù)，N為發(fā)射機(jī)天線數(shù)。空間流數(shù)是決定最高物理傳輸速率的參數(shù)，在802.11n中定義了最高的流數(shù)為4，流數(shù)越多速率就越高。在802.11n中，在其他參數(shù)確定后，最高速率按空間流的倍數(shù)變化，如1個(gè)獨(dú)立空間流最高可達(dá)150Mbps， 4個(gè)獨(dú)立空間流可達(dá)600Mbps?？臻g流數(shù)與天線數(shù)，一般是一致的。但也可采用不對(duì)稱的天線數(shù)和空間流數(shù)，天線數(shù)量必須不小于空間流數(shù)，如2個(gè)空間流的至少需要兩個(gè)天線來(lái)支持。
智能天線技術(shù)也是802.11n采用的一個(gè)新的技術(shù)，通過(guò)多組獨(dú)立天線組成的天線陣列，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整波束，保證讓W(xué)LAN用戶接收到穩(wěn)定的信號(hào)，并可以減少其它信號(hào)的干擾。因此其覆蓋范圍可以擴(kuò)大到好幾平方公里，使WLAN移動(dòng)性極大提高。在兼容性方面，802.11n采用了一種軟件無(wú)線電技術(shù)，它是一個(gè)完全可編程的硬件平臺(tái)，使得不同系統(tǒng)的基站和終端都可以通過(guò)這一平臺(tái)的不同軟件實(shí)現(xiàn)互通和兼容，這使得WLAN的兼容性得到極大改善。這意味著WLAN將不但能實(shí)現(xiàn)802.11n向前后兼容，而且可以實(shí)現(xiàn)WLAN與無(wú)線廣域網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。
5 總結(jié)
經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，WiFi的應(yīng)用已經(jīng)得到極大的發(fā)展，目前市場(chǎng)上面有超過(guò)30億臺(tái)電子設(shè)備使用Wi-Fi技術(shù)，涉及到的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。相比較傳統(tǒng)的物理連接布線而言，它的使用非常簡(jiǎn)便，非常適合移動(dòng)辦公的需要，同時(shí)它比藍(lán)牙技術(shù)等傳統(tǒng)無(wú)限通信技術(shù)具備更高的傳輸速率，更遠(yuǎn)的傳送距離。但同時(shí)也具備一些缺點(diǎn)，如無(wú)線信號(hào)容易受到建筑物墻體的阻礙，傳播時(shí)容易受到同頻段的其他信號(hào)的干擾，另外網(wǎng)絡(luò)的安全性也差強(qiáng)人意，容易受到非法用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行竊聽、攻擊和入侵。相信隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，這些問題會(huì)得到解決和完善。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論