WiFi技术原理-课件.ppt
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1、1目录三家庭组网原则与方案二相关技术介绍2Wi-Fi主要技术原理n Wi-Fi概念lWi-Fi是WLAN(无线局域网,Wireless Local Area Network)目前最主流的一种技术,基于IEEE 802.11系列协议。lWi-Fi的原意是一种认证标志,通过认证的设备保证能按照802.11协议相互兼容。全球的认证机构是Wi-Fi联盟(WFA),其前身是WECA(无线以太网兼容性联盟,Wireless Ethernet Compatibility Alliance)。n Wi-Fi基本工作原理l半双工时分系统:同一区域、同一频点/信道、同一时间只有一个设备能发送报文l工作模式:主要采
2、用DCF(分布式协调,Distributed Coordination Function),即通过CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)技术来实现信道共享。类似于以太网802.3协议中的CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),由于Wi-Fi是半双工的,所以进行了调整。CSMA/CD能检测冲突,但不能“避免”;CSMA/CA在发送是不能检测冲突,只能尽量“避免”l环境
3、中的Wi-Fi设备/终端多了,整体的传输效率就会急速降低,所有时间都被用来传信令报,无法进行正常的数据通信。因此,能搜索到的Wi-Fi信号越多,Wi-Fi环境就越差。尽管不可能控制终端数量,但至少应该尽量少部署Wi-Fi设备,降低功率(减小其影响范围),尽量不要发布过多的SSID!3Wi-Fi主要技术参数频段(1)n 频段:两个主要频段2.4GHz,5GHz频段l2.4GHz 中国开放了13个信道(2.4022.483 GHz),但北美只开放11个信道,所以建议只使用111信道 适用协议:802.11b/g/n,其中802.11n支持双频工作 2.4GHz是ISM频段(工业/科学/医学用频段,
4、Industrial Scientific and Medical Band)中的一段,各国都开放,因此许多无线技术都采用该频段(主要有:微波炉、蓝牙和ZigBee、Wi-Fi、车库门控制器、无绳电话、无线鼠标、一些无线家用设备)2.4GHz频段上存在许多非Wi-Fi的干扰源子信道划分间隔是5MHz,Wi-Fi的工作频宽是22MHz,所以相邻信道的Wi-Fi信号之间有干扰,必须至少间隔5个子信道才相互无干扰4Wi-Fi主要技术参数频段(2)n 频段:两个主要频段2.4GHz,5GHz频段(续1)l5GHz:中国开放了5.8GHz和5.1GHz两个频段 5.8GHz(5.7255.850GHz)
5、频段:含5个互不干扰的子信道(149,153,157,161,165),也属于ISM频段 5.1GHz(5.1505.350GHz)频段:含8个互不干扰的子信道(36,40,44,48,52,56,60,64)适用协议:802.11a/n/ac,其中802.11n支持双频工作上图是美国5GHz频段的信道划分;中间的频段,中国尚未开放。5Wi-Fi主要技术参数频段(3)n 频段:两个主要频段2.4GHz,5GHz频段(续2)l2.4GHz和5GHz频段 无线信号衰减公式:Los=32.4+20lg(F)+20lg(R)其中:Los(dB)是衰减,F(MHz)是频率,R(km)是距离所以:2.4G
6、Hz的衰减慢,穿墙性能好;5GHz的衰减快,穿墙性能差 最早的802.11a/b,分别工作在5GHz和2.4GHz,但考虑到覆盖能力,之后主要在2.4GHz频段发展。直到802.11n开始追求高速率,才又转向5GHz发展。穿墙性能好,意味着覆盖范围大,但同时也意味着接受干扰源的范围大l其它频段 60GHz:802.11ad(WiGig),最高可达7Gbps,覆盖距离只有几米,一般用于邻近设备间的超高速传输 470710MHz:802.11af(White-Fi/超级Wi-Fi),使用“在电视频率之间使用频率较低的白色空间”即为电视频道保留的缓冲频段,占用空间带宽与现有的广电频道带宽一致,速率可
7、达426.7Mbps(6/7MHz)和568.9Mbps(8MHz)(采用MIMO+STBC技术,4空间流与4广电频道),覆盖距离可达1.6公里,缺点是需要广电放开该频段 900MHz:802.11ah(Wi-Fi HaLow/Sensor-Fi),使用900MHz(非电视空白频段),速率为100kbps,覆盖距离为1公里,低功耗,用于WSN(无线传感器网络,Wireless Sensor Networks)和IoT(物联网,Internet of Things)6Wi-Fi主要技术参数速率(1)n 关联速率和实际吞吐量l以下描述的都是Wi-Fi的关联速率l在实际传输时,由于有Beacon帧(
8、信标)类的短报文、传输延迟、竞争避让等因素,最大的有效吞吐量只有关联速率的50%!l2、3个设备以最大关联速率发送数据时,整个无线网络利用率最高;设备数量再增加,无线网络总体的吞吐量会急速下降!n 802.11:只有1、2Mbps两种速率l采用FHSS(跳频扩频,Frequency Hopping Spread Spectrum)和DSSS(直接序列扩频,Direct Sequence Spread Spectrum)技术,发送频率为1MSps,即每秒发送1M个 Symbol(符号)lSymbol为11bit的Barker码 采用BPSK(二进制相移键控,Binary Phase Shift
9、Keying)编码方式,此时每个Symbol代表1bit,速率为1Mbps 采用QPSK(正交相移键控,Quadrature Phase Shift Keying)编码方式,此时,每个Symbol代表2bit,速率为2Mbpsn 802.11b:共4种速率,增加5.5、11Mbps两种速率,向下兼容802.11l采用HR-DSSS(高速直接序列扩频,High Rate Direct Sequence Spread Spectrum),发送频率提高到1.375MSpslSymbol为8bit的CCK(补码键控,Complementary Code Keying)码 采用4序列时,加上四种相位调制
10、,每个Symbol代表4bit,速率为5.5Mbps 采用64序列时,加上四种相位调制,每个Symbol代表8bit,速率为11Mbps7Wi-Fi主要技术参数速率(2)n 802.11a/g:支持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps八种速率;802.11g向下兼容802.11b,共12种速率。l采用OFDM(正交频分复用,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术 总频宽20MHz 划分成64个子载波前6个、后5个作为保护中间1个DC不工作实际工作有52个子载波,其中4个用作导频(PS,Pilot Signal),48个传数据 工
11、作周期为4s120MHz=0.05s0.0564=3.2s3.2+0.8=4s,其中0.8s为循环前缀(CP,Cyclic Prefix),用于保护,称为GI(保护间隔,Guard Interval)8Wi-Fi主要技术参数速率(3)n 调制方式(Modulation)编码效率(Coding rate)数据速率(Rate)BPSK1/26MbpsBPSK3/49MbpsQPSK/4-QAM1/212MbpsQPSK/4-QAM3/418Mbps16-QAM1/224Mbps16-QAM3/436Mbps64-QAM2/348Mbps64-QAM3/454Mbps9Wi-Fi主要技术参数速率(4
12、)n 802.11n引入了更多的无线参数l双频工作,在2.4GHz和5GHz采用相同的参数l用MCS(调制和编码策略,Modulation and Coding Scheme)值标识一组参数集l引入信道绑定技术,频宽可从20MHz扩展到40MHz(详见后)l子载波数:20MHz有52个子载波,40MHz有108个子载波l编码效率:最高支持5/6l引入MIMO技术,可用多空间流(spatial streams)同时传输数据(详见后)l引入短保护间隔(Short GI),从标准的0.8s缩短为0.4s,工作周期为3.6s 无线传输存在多径效应,即通过不同途径的传输时延不同 为防止前后两个Symbo
13、l间产生干扰,需要通过GI进行保护 多径效应明显时不建议使用Short GI 由设备和终端协商,不用设定l计算示例(以450Mbps为例):(6bit 5/6 1083.6s)3=450MbpsMCS IndexSpatial streamsModulation typeCoding rateGI=800nsGI=400ns20MHz40MHz20MHz40MHz01BPSK1/26.513.57.215.011QPSK1/213.027.014.430.021QPSK3/419.540.521.745.03116-QAM1/226.054.028.960.04116-QAM3/439.081
14、.043.390.05164-QAM2/352.0108.057.8120.06164-QAM3/458.5121.565.0135.07164-QAM5/665.0135.072.2150.082BPSK1/213.027.014.430.092QPSK1/226.054.028.960.0102QPSK3/439.081.043.390.011216-QAM1/252.0108.057.8120.012216-QAM3/478.0162.086.7180.013264-QAM2/3104.0216.0115.6240.014264-QAM3/4117.0243.0130.0270.0152
15、64-QAM5/6130.0270.0144.4300.0163BPSK1/219.540.521.745.0173QPSK1/239.081.043.390.0183QPSK3/458.5121.565.0135.019316-QAM1/278.0162.086.7180.020316-QAM3/4117.0243.0130.0270.021364-QAM2/3156.0324.0173.3360.022364-QAM3/4175.5364.5195.0405.023364-QAM5/6195.0405.0216.7450.0244BPSK1/226.054.028.860.0254QPSK
16、1/252.0108.057.6120.0264QPSK3/478.0162.086.8180.027416-QAM1/2104.0216.0115.6240.028416-QAM3/4156.0324.0173.2360.029464-QAM2/3208.0432.0231.2480.030464-QAM3/4234.0486.0260.0540.031464-QAM5/6260.0540.0288.8600.0321BPSK1/2N/A6.5N/A7.2802.11n关联速率表10Wi-Fi主要技术参数速率(5)n 802.11ac进一步扩展l调制方式:增加256-QAMl信道绑定:频宽为
17、20MHz、40MHz、80MHz、80+80MHz(非连续信道绑定)、160MHz(详见后)l子载波数:20MHz有52个,40MHz有108个,80MHz有234个,160MHz和80+80MHz都有468=2342个lMIMO:空间流数量可达8条(详见后)l计算示例(以1.3Gbps为例):(8bit 5/62343.6s)3=1300Mbpsn 小结l关联速率由设备与终端自动协商得到,与支持能力和无线环境确定l评价指标主要是支持的频段,以及各频段支持的空间流数量l可在设备侧配置的与速率相关的参数:频宽l主要提速手段:增加频宽和空间流数量 调制方式目前最高能达到1024-QAM(10bi
18、t),编码效率最高能达到5/6,提升空间已经很小(802.11ac的MCS9和802.11n相对MCS7仅提升1/3)MCS indexModulation typeCoding rateGI=800nsGI=400ns20MHz40MHz80MHz160MHz20MHz40MHz80MHz160MHz1 Spatial StreamData Rate(Mbps)0BPSK1/26.513.529.358.57.215.032.565.01QPSK1/213.027.058.5117.014.430.065.0130.02QPSK3/419.540.587.8175.521.745.097.5
19、195.0316-QAM1/226.054.0117.0234.028.960.0130.0260.0416-QAM3/439.081.0175.5351.043.390.0195.0390.0564-QAM2/352.0108.0234.0468.057.8120.0260.0520.0664-QAM3/458.5121.5263.3526.565.0135.0292.5585.0764-QAM5/665.0135.0292.5585.072.2150.0325.0650.08256-QAM3/478.0162.0351.0702.086.7180.0390.0780.09256-QAM5/
20、6N/A180.0390.0780.0N/A200.0433.3866.72 Spatial StreamData Rate(Mbps)0BPSK1/213.027.058.5117.014.430.065.0130.01QPSK1/226.054.0117.0234.028.960.0130.0260.02QPSK3/439.081.0175.5351.043.390.0195.0390.0316-QAM1/252.0108.0234.0468.057.8120.0260.0520.0416-QAM3/478.0162.0351.0702.086.7180.0390.0780.0564-QA
21、M2/3104.0216.0468.0936.0115.6240.0520.01040.0664-QAM3/4117.0243.0526.51053.0130.0270.0585.01170.0764-QAM5/6130.0270.0585.01170.0144.4300.0650.01300.08256-QAM3/4156.0324.0702.01404.0173.3360.0780.01560.09256-QAM5/6N/A360.0780.01560.0N/A400.0866.71733.33 Spatial StreamData Rate(Mbps)0BPSK1/219.540.587
22、.8175.521.745.097.5195.01QPSK1/239.081.0175.5351.043.490.0195.0390.02QPSK3/458.5121.5263.3526.565.0135.0292.5585.0316-QAM1/278.0162.0351.0702.086.7180.0390.0780.0416-QAM3/4117.0243.0526.51053.0130.0270.0585.01170.0564-QAM2/3156.0324.0702.01404.0173.3360.0780.01560.0664-QAM3/4175.5364.5N/A1579.5195.0
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