802.11abgn协议学习总结-阿里云开发者社区

1 提笔

自己从事WiFi行业多年，说来惭愧，竟然没有静下心来给个总结。最近由于工作关系，又再次涉及WiFi相关内容，故而花了些时间总结出此文档。分享给同学们，同时也算是给自己一个交代。一杯敬明天，一杯敬过往？哈！

当然，还是那句话，如有不准确之处，还望各位同学批评指正。

2 802.11家族演进史

IEEE 802.11是现今无线局域网通用的标准，它是由电气和电子工程师协会(IEEE)所定义的无线网络通信的标准。从1997最初版发展到现在，历经20多年，俨然已是一个庞大的协议家族。从命名上就可以看出：a一直到z，单字母用完，aa一直到目前的ax，双字母继续发展。所以个人认为802.11是迄今为止局域网领域最为复杂的数据链路层协议，没有之一。

如此庞大的协议家族，每个都可以拿出来细谈，本文主要集中在802.11a/b/g/n上，也就是重要的几个milestone，WiFi5(11ac)和WiFi6(11ax)会后续另论。

协议重要的几个版本演进史：

图表 1 802.11版本演进

那大家可能会问，发展的幕后推手是什么呢？答案是速度。对，就是为了满足人类不断对速度的追求。这算不算是一种欲望呢？哈！不扯淡，看图，看看速度是怎么变快的。

图表 2 802.11物理层技术演进

上面这张图很重要，下面很大篇幅其实都是来解释这张图。

对了，有个小概念澄清下。虽然经常将Wi-Fi与802.11混为一谈，但两者并不等同。1999年工业界成立了Wi-Fi联盟，致力解决匹配802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。

3 802.11abgn物理层

我的经验是，要学习掌握某一数据通信协议，先找出其OSI模型，然后从底层（物理层）向上层层剥离。对于802.11来说，就2层：物理层和MAC层。

3.1 最初的802.11(July 1997)

主要提供三种物理层：红外技术，跳频扩频和直接序列扩频

红外技术，没有实际使用，不在讨论范围内
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

何为FHSS跳频扩频呢？看如下图：

图表3 跳频

跳频为啥得到1Mbps和2Mbps数据速率呢？原因是GFSK调制解调技术。GFSK是调频，也就是说依靠不同频率的载波来传递二进制1和0。分为二阶式和4阶式：

1M的符号symbol率(每秒传输1M个symbol)，采用二阶GFSK调制，每个symbol携带一个bit信息，对应就是1Mbps
采用四阶GFSK，每个symbol可以携带2个bit信息，对应就是2Mbps

图表4 二阶式GFSK

图表5 二阶式GFSK频域图

图表6 四阶式GFSK

图表7 四阶式GFSK频域图

3.1.2 DSSS和BPSK/QPSK

802.11最初版也定义了另外一种物理层DSSS，速率也可以达到1Mbps和2Mbps。同时定义了2.4G频段的频道分布。如图：

图表8 2.4GHz频谱图

那么何为DSSS直接序列扩频？如下图：

图表9 Barker码扩频原理1

图表10 Barker码扩频原理2

可以看出，DSSS就是利用扩频码(图中是11位的Barker码)承载要传输的二进制信息。这样做的目的其实就是把窄带信号分布在较宽的频带上，提高抗干扰能力。

编码好了，那就开始载波调制，空中传输了。DSSS采用PSK调相技术，即用载波的不同相位来传输二进制0和1. 具体又分为BPSK和QPSK。如下图：

图表11 BPSK

图表12 QPSK

可以看出，同样的载波，同样的周期里BPSK能携带1bit信息，QPSK能携带2bit信息。

那么 ==速率=符号速率x 单个符号编码位数/扩频码位数==

符号率固定为11M。

单个符号编码位数，BPSK=1，QPSK=2。

Barker码为11位。

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

3.2 802.11b物理层

提供4种物理层：

DSSS+BPSK/QPSK+Barker，没有变化，继续提供1Mbps和2Mbps物理层
DSSS+QPSK+4-Bits CCK，引进5.5Mbps物理层
DSSS+QPSK+8-Bits CCK，引进11Mbps物理层

可以看出，新增了5.5Mbps和11Mbps物理层。那怎么实现的呢？这就要谈到CCK扩频，区别于Barker 11位扩频，CCK采用8位扩频，配合QPSK调制，可以做到每个symbol携带4bit和8bit信息。

Again, 依然是这个公式：速率=符号速率x 单个符号编码位数/扩频码位数

不难得出，==4 bit CCK对应的速率=11MHz x 4 bit / 8 = 5.5Mbps== ==8 bit CCK对应的速率=11MHz x 8 bit / 8 = 11Mbps==

3.3 802.11a物理层

工作在5GHz，速率最高达到54Mbps，划重点：

开辟了新的频段5G
采用了OFDM
更高阶的QAM编码

我们来一一介绍。首先是频谱发生了变化。如下图：

图表13 802.11a频谱与频道

OFDM，正交频分复用。基本原理：

将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。OFDM 物理层将每个频宽20MHz 的频道划分52个子载波。其中有4 个子载波充当导波（pilot carrier），用以监控路径偏移与 ICI。至于其余 48 个子载波则是用来传递数据。子载波之问彼此相距0.3125MHz ，频道编号从-26 至 26。这就好比同样宽的马路，以前是单车道，现在变成了48个车道，马路没变，但通行能力增大了。

图表14 频域中的正交性

QAM，正交幅度调制。也就是同时利用了载波的振幅和相位来传递信息。如下图：

图表15 16 QAM和64 QAM

可以看出，16 QAM可以做到每个符号symbol携带4位二进制信息；64 QAM可以携带6位二进制信息。

至此，我们来算笔账，看看11a速率的组成和由来。

==物理层速率Mbps=子载波数x调制阶数x编码效率/OFDM符号发送间隔==

图表16 802.11a速率表

==举个栗子，对应调制方式16-QAM，编码效率为1/2。速率怎么算呢？在802.11a中，数据子载波是48个，16QAM调制对应的每个symbol可以携带4位信息，R=1/2是编码率(为了能抗干扰增加纠错能力，就要增加冗余度，即1/2可以理解为1个bit用2个bit来传输)，一个OFDM symbol的传输时间是4us(可以理解为每秒传输0.25M个OFDM symbol)。即48x4x(1/2)x0.25M=24Mbps。==

讲到这儿，歇会儿，喝口水，让我们在54Mbps的速率上躺会儿。

3.4 802.11g物理层

与11a的技术相同，区别是工作在2.4GHz频段。==故最高速率也是54Mbps==。

但有一点要注意，11b也工作在2.4G频段，那11g就要兼容11b(CCK DSSS)。如何做到呢？方法有二：

类似隐藏节点的解决办法 RTS/CTS机制
CTS to Self机制

关于这两点，涉及到MAC层，在此先记住就行了，后面MAC章节会讲到。
3.5 802.11n物理层
革命尚未成功，同志还需努力，让我们继续攀升速率。802.11n关键技术：

MIMO
40MHz信道
Short Guard Interval
OFDM改进
编码率的改进

啥？这么多新名词！淡定，让我们一个个来讲。

MIMO，多输入多输出。**MIMO是802.11n物理层的核心，指的是一个系统采用多个天线进行无线信号的收发。它是当今无线最热门的技术，无论是3G、IEEE 802.16e WIMAX，还是802.11n，都把MIMO列入射频的关键技术。MIMO主要有以下典型作用：

提高吞吐量

通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐。如图17.

提高无线链路的健壮性和改善SNR

通过多条通道，无线信号通过多条路径从发射端到达接收端多个接收天线。由于经过多条路径传播，每条路径一般不会同时衰减严重，采用某种算法把这些多个信号进行综合计算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，这里是同一条流在多个路径上传递了多份，并不能够提高吞吐。如图18.

图表17 并发2条空间流

图表18 MIMO利用多径传输数据

OFDM 改进。OFDM在802.11a/g时代已经成熟使用，到了802.11n时代，它将MIMO支持的子载体从52个提高到56个。需要注意的是，无论802.11a/g，还是802.11n，它们都使用了4个子载体作为pilot子载体，而这些子载体并不用于数据的传递。所以802.11n MIMO将物理速率从传统的 ==54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54*52/48)==。

编码率的改进

按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接收端能够恢复原始信息。802.11n所采用的QAM-64的编码机制可以将编码率(有效信息和整个编码的比率)从3/4 提高到5/6。所以，对于一条空间流，在MIMO-OFDM基础之上，==物理速率从58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)==。

Short Guard Interval

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，802.11a/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)。802.11n仍然使用缺省使用800 ns GI。当多径效应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400ns，即每个OFDM符号连续时间从4us缩短为3.6u。对于一条空间流，可以将吞吐提高近10%，即从 ==65Mbps提高到72.2 Mbps==。对于多径效应较明显的环境，不建议使用Short Guard Interval (GI)。

图表19 SGI减小帧间距

40MHz 信道

这个比较好理解，对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。就好比马路拓宽了，车辆同行能力自然提高。传统的802.11a/g使用的频宽是20MHz，而802.11n支持将相邻两个频道绑定为40MHz来使用，所以可以最直接地提高吞吐。

图表20 40MHz信道

需要注意的是：对于一条空间流，并不是仅仅将吞吐从72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2 )Mbps。对于20MHz频宽，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过40MHz绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载体从104(52×2)提高到108。按照 ==72.2x2x108/104进行计算，所得到的吞吐能力达到了150Mbps==。

总之，11n的速率就是这样一步步提上来的。汇总如下图：

图表21 11n速率攀升图