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无线基础📶

2019 年 08 月 01 日 • 默认分类

802.11协议(a/b/g/n)
IEEE(电子与电气工程师协会):负责创建和维护通信标准的专业组织。IEEE802.11工作组(制定无线局域网标准)。IEEE802.3工作组(制定以太网标准)。

802.11协议的发展

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802.11 WAVE1可达1.3Gbps

802.11 WAVE2可达6.9Gbps

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空间流:无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出(SISO)的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。

在MIMO系统中,空间流一般小于或等于天线的数目。如果收发数量不相等,则空间流数量小于或等于收发端最小的天线数目。例如,4x4的MIMO系统可以用于传送4个或者更少的空间流,而3x2的MIMO系统可以传送2个或者小于2个的空间流。

MIMO:MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)表示多输入多输出,由m个发射天线和n个接收天线组成的天线系统。MIMO技术使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。

MU-MIMO: MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)表示多用户多输入多输出,MIMO系统用于增加多个STA的速率,即占用相同时频资源的多个并行空间流发送给不同的STA,则该MIMO系统称为MU-MIMO系统即多用户MIMO。MU-MIMO由于用户间距离较大,更容易采用多流并行传输,从而提高频谱利用率和用户的速率。

SU-MIMO:SISO(Single-Input Single-Output)单输入单输出的系统一次只能发送或接收一个空间流,即一份信号。

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信道信道带宽:无线信号最常见的有两种调制方式,调幅、调频(当然还有调相),AM广播是调幅、FM是调频,调幅就是通过信号的发射强度的不同来传输信息,所以调幅只要给一个固定的单频率载波就ok了。而所谓的调频就是通过调整信号的频率来代表不同的信息元,所以要一次占用一段连续的频率,而为了多路通信,需要把可用的频率划分成多个小段,WiFi就是如此,花分的每个小段就是一个信道,这个信道的可变范围就是信道带宽

在不同的国家和地区,支持的信道数量也不同。在我们2.4GHz的频段合法信道为13个。2.4GHz可以使用的具体频率为2.412GHz-2.472GHz,总共是80MHz的带宽。这些带宽分别划出13个相互重叠的信道,每个信道的跨度(宽度)是20MHz(DSSS调制是22MHz)。

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802.11n中实现了信道捆绑的功能,可以将两个信道捆绑在一起使用,达到40MHz的信道带宽。在802.11ac wave2中最高可以达到160MHz的带宽。

802.11n主要技术

OFDM

OFDM主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可以消除码间串扰,而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

802.11a/g

  • 一次传输占用的时间固定为4微秒
  • 所采用的64-QAM编码方式,每个子载波信道通过一次传输过程携带6bit的数据位
  • 802.11g采用的OFDM能够提供52个子载波信道(其中只有48个用于数据传输,剩下的用于校验)
  • 64-QAM编码每次传输提供3/4的码率(即有效数据容量)

802.11a/g最大速率:(1秒/4微秒)x(6bitx48x3/4)=54Mbit/s

  • 802.11a/g

    • 子载波数为52(48个数据子载波,4个导频子载波)
    • 接入速率为54Mbps
  • 802.11n

    • 子载波数为56(52个数据子载波,4个导频子载波)
    • 速率提升至58.5Mbps(54*52/48=58.5Mbps)

向前纠错技术(FEC)

  • 802.11a/g 前向纠错码率为3/4
  • 802.11n 前向纠错码率为5/6,速率提高了11.11%

    • 速率提升至65Mbps((58.5*5/6)/(3/4)=65Mbps)

Short-Gi技术

  • 保护间隔是OFDM所必须的,需要在数据块之间有GI,保护数据可靠性,避免发生彼此碰撞
  • 802.11a/g的GI是800ns
  • 802.11n的Short GI特性,GI减少到400ns,提高传输速率,从65Mbps提高到72.2 Mbps(65*(4us/3.6us)=72.2Mbps)

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信道捆绑技术/40M捆绑

  • 一个标准信道是20Mhz频宽,包含52个子载波
  • 两个相邻信道捆绑起来就是40Mhz频宽,包含108(52*2+4=108)个子载波
  • 速率从原来的72.2Mbps提升为150Mbps(72.2*(108/52)=150Mbps)

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MIMO技术

速率从原来的150M变为150Mn(n为几条空间流),n最大为4,则最大速率为600M。(1504=600Mbps)

当每根天线传输不同的数据时,才能算做为一条空间流。三条空间流至少三根天线,但三根天线不一定就是三条空间流。

802.11n最大支持四条空间流。

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802.11n速率总结

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802.11ac主要技术

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A(关键技术) --> B(11ac wave1)
A(关键技术) --> C(11ac wave2)

B(11ac wave1) --> D(80Mhz信道捆绑)
B(11ac wave1) --> E(256QAM)
B(11ac wave1) --> F(MIMO)

C(11ac wave2) --> G(MU-MIMO)
C(11ac wave2) --> H(160/80+80Mhz捆绑)

Wave1-信道捆绑

wave在40M信道捆版的基础上,再将两个40M的信道捆绑到了80M。信道中的间隙也得到了利用,从原来的40M的108个子载波变成了234个,正常应该为216个。

速率达到:150Mbps*(234/108)=325Mbps

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Wave1-256QAM

802.11a/g/n都是64QAM,为26,也就是每个子载波承载的数据是6bit。而802.11ac用到的是256QAM,为28,也就是每个子载波承载的数据是8bit。

速率提升到:325Mbps*(8/6)=433.33Mbps

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Wave1-MIMO技术

wave1目前最大只支持3条空间流,速率为:433.33Mbps*3=1300Mbps

Wave1-速率总结

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SU-MIMO

无线技术属于时分复用,它时属于半双工的。在3x3MIMO技术下,当一个3x3终端连接时,可以使用三条空间流,跑满全速。当有多个终端连接时,每个终端平分空间流速率。

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MISO

当AP是3x3MIMO,而终端不支持MIMO技术时,终端只能享受到AP三分之一的速度,也就是只能使用一条空间流。

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当连接多终端时,每个终端平分一条空间流的速率

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Wave2-MU-MIMO

使得三个个1x1的终端分别能够使用三条空间流传输数据,从而提高传输速率。

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MU-MIMO还有预编码和波束形成的技术,来使终端互不干扰。

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Wave2-MU-MIMO-信道评估阶段

802.11AC通过NDP sounding来评估信道,AP向sta发送NDP数据帧,sta在收到NDP后,会向AP反馈一个波束形成压缩矩阵,通过该矩阵AP就能够获取当前的信道信息。

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Wave2-MU-MIMO-用户分组

每个用户(sta)都会根据当前的信道信息反馈给AP一个压缩波束形成矩阵,AP会根据该矩阵,将符合mu-mimo预编码传输条件的用户分在一个组,不同组之间的无限制终端可以同时进行传输数据,如下图所示:

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Wave2-MU-MIMO-预编码和波束形成

根据用户(sta)反馈的波束形成压缩矩阵,ap会计算一个位置偏移矩阵Q,使得需要的数据在用户处形成波峰,获得波束形成增益。而其他用户形成波谷,避免对其他用户的干扰,具体如下图所示:

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效果

wave2多用户MIMO的效果

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Wave1与Wave2的区别

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为什么有80+80:因为有些国家可能没有一个完整的信道, 需要把某一段信道80M频宽和另外一段80M频宽做一个叠加。

802.11ax主要技术

减少GI开销

最小子载波间隔(78.125KHz)减小为802.11ac(312.5KHz)的1/4;相应地,最长符号时间(12.8us)也延长为802.11ac(3.2us)的4倍,不过,802.11ax的帧间隔时间最短为0.8us,长于802.11ac 的0.4us。综合起来,GI开销从11.11%降到了5.88%,效率提升5.88%

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提升数据子载波占比

80MHz频宽时,802.11ac 有数据子载波234个,占所有256个子载波的91.41%802.11ax 有数据子载波980个,占所有1024个子载波的95.70%数据子载波占比从91.41%提升到95.70%,效率提升4.7%

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1024QAM调制技术

更高阶的调制方式,从802.11ac的256-QAM提升到了1024-QAM,大幅提升物理层协商速率25%。1024=210

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1024QAM调整技术

当QAM提升时,就相当于在同样大小的纸张内记录下更小的字体,虽然记录的内容提升了,但是当传输距离离的更远时,更加小的字体就难以看清。所以越大的QAM,在远距离传输时会更差。

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OFDMA多址技术

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多用户-MUMIMO

ac wave2的MU-MIMO技术只是下行的一个技术,也就是说从AP发送到终端的数据是同时进行发送的,但是从终端发送到AP的数据是没有做到进行同时发送。

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空间复用-BSS快速识别

802.11ax之前的协议里,数据帧不做区分,都需要完全解开数据帧,才知道是不是发给自己的,从而决定接收还是丢弃。

正如在茫茫一堆牛皮纸信封中找自己的邮件一样,费时费力,效率很低,有时甚至会错过邮件。

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802.11ax中引入了BSS COLOR,若侦听到的BSS COLOR与自己关联的AP不一致,则认为它来自其它AP,直接进行退避。

正如不同快递公司使用不同颜色的面单一样,在对应快递公司的快件中寻找自己的邮件,效率成倍提升。

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空间复用-动态CCA门限

802.11ax之前的协议,对于干扰处理类似于开大会,一旦听到有人在说话,大家就主动闭嘴注意倾听。

即无论CCA-SD门限以上收到任何信号,均视为信道非空闲,继而停止信号发送,退避等待信道空闲。

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802.11ax协议,对于干扰处理类似于小组讨论,对于邻近小组的讨论,只要音量不影响到本小组对话,则讨论照常进行。

即将OBSS与MYBSS的CCA门限区分对待,分别设置不同的CCA-门限,从而保证在重叠BSS的低干扰下仍然可以正常发射。

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ac技术总结

速率提升

长符号减小GI开销,提升5.88%;数据子载波占比有所提高,提升4.7%。1024-QAM较之256-QAM,提升25%,整体合计提升38.6%。即在80MHz频宽下,从433Mbps单流提升到600Mbps单流;160MHz单流可达1201Mbps,最大支持8条空间流超过9.6Gbps。

多用户传输

支持上下行MU-MIMO与上下行OFDMA两种多用户传输技术,减少多用户并行传输时的信道开销,提升多用户场景下的空间信道利用率。

抗干扰

利用BSS-COLOR快速识别提升数据同步、接收、解调效率,利用动态CCA门限调整减少数据发送时对信号干扰的退避。

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802.11n/ac/ax区别

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最后编辑于: 2019 年 10 月 12 日
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