WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

时间:2024-05-21 10:29:37

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802.11协议组是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准。

*IEEE 802.11,1997年,原始标准(2Mbit/s,工作在2.4GHz)。

* IEEE802.11a,1999年,物理层补充(54Mbit/s,工作在5GHz)。

*IEEE 802.11b,1999年,物理层补充(11Mbit/s工作在2.4GHz)。

* IEEE 802.11c,符合802.1D的媒体接入控制层桥接(MAC Layer Bridging)。

* IEEE 802.11d,根据各国无线电规定做的调整。

* IEEE802.11e,对服务等级(Quality of Service,QoS)的支持。

* IEEE 802.11f,基站的互连性(IAPP,Inter-Access Point Protocol),2006年2月被IEEE批准撤销。

* IEEE802.11g,2003年,物理层补充(54Mbit/s,工作在2.4GHz)。

* IEEE802.11h,2004年,无线覆盖半径的调整,室内(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz频段)。

* IEEE802.11i,2004年,无线网络的安全方面的补充。

* IEEE802.11j,2004年,根据日本规定做的升级。

* IEEE 802.11l,预留及准备不使用。

* IEEE 802.11m,维护标准;互斥及极限。

* IEEE 802.11n,2009年9月通过正式标准,WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps、108Mbps,提高达350Mbps甚至高达475Mbps。

* IEEE 802.11p,2010年,这个通讯协定主要用在车用电子的无线通讯上。它设定上是从IEEE 802.11来扩充延伸,来符合智慧型运输系统(Intelligent Transportation Systems,ITS)的相关应用。应用的层面包括高速率的车辆之间以及车辆与5.9千兆赫(5.85-5.925千兆赫)波段的标准ITS路边基础设施之间的资料数据交换。

* IEEE 802.11k,2008年,该协议规范规定了无线局域网络频谱测量规范。该规范的制订体现了无线局域网络对频谱资源智能化使用的需求。

* IEEE 802.11r,2008年,快速基础服务转移,主要是用来解决客户端在不同无线网络AP间切换时的延迟问题。

* IEEE802.11s,2007年9月.拓扑发现、路径选择与转发、信道定位、安全、流量管理和网络管理。网状网络带来一些新的术语。

* IEEE 802.11w,2009年,针对802.11管理帧的保护。

* IEEE 802.11x,包括802.11a/b/g等三个标准。[1]

* IEEE 802.11y,2008年,针对美国3650–3700 MHz 的规定。

* IEEE 802.11ac,802.11n之后的版本。工作在5G频段,理论上可以提供高达每秒1Gbit的数据传输能力。

除了上面的IEEE标准,另外有一个被称为IEEE802.11b+的技术,通过PBCC技术(Packet Binary Convolutional Code)在IEEE 802.11b(2.4GHz频段) 基础上提供22Mbit/s的数据传输速率。但这事实上并不是一个IEEE的公开标准,而是一项产权私有的技术,产权属于美国德州仪器公司。

 

标准号 IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.11g IEEE 802.11n
标准发布时间 1999年9月 1999年9月 2003年6月 2009年9月
工作频率范围 2.4-2.4835GHz

5.150-5.350GHz

5.475-5.725GHz

5.725-5.850GHz

2.4-2.4835GHz

2.4-2.4835GHz

5.150-5.850GHz

非重叠信道数 3 24 3 15
物理速率(Mbps) 11 54 54 600
实际吞吐量(Mbps) 6 24 24 100以上
频宽 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz/40MHz
调制方式 CCK/DSSS OFDM CCK/DSSS/OFDM MIMO-OFDM/DSSS/CCK
兼容性 802.11b 802.11a 802.11b/g 802.11a/b/g/n

 

 

WiFi总共有14个信道,如下图所示:

 WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

     1)IEEE 802.11b/g标准工作在2.4G频段,频率范围为2.400—2.4835GHz,共83.5M带宽

     2)划分为14个子信道

     3)每个子信道宽度为22MHz
     4)相邻信道的中心频点间隔5MHz 
     5)相邻的多个信道存在频率重叠(如1信道与2、3、4、5信道有频率重叠)

     6)整个频段内只有3个(1、6、11)互不干扰信道

 

接收灵敏度

 

误码率要求 速率 最小信号强度
PER(误码率)不超过8% 6Mbps -82dBm
9Mbps -81dBm
12Mbps -79dBm
18Mbps -77dBm
24Mbps -74dBm
36Mbps -70dBm
48Mbps -66dBm
54Mbps -65dBm

 

 

2.4GHz中国信道划分
 

     802.11b和802.11g的工作频段在2.4GHz(2.4GHz-2.4835GHz),其可用带宽为83.5MHz,中国划分为13个信道,每个信道带宽为22MHz

    北美/FCC      2.412-2.461GHz(11信道)

    欧洲/ETSI     2.412-2.472GHz(13信道)

    日本/ARIB    2.412-2.484GHz(14信道)

 

 

2.4GHz频段WLAN信道配置表

信道

中心频率(MHz)

信道低端/高端频率

1

2412

2401/2423

2

2417

2406/2428

3

2422

2411/2433

4

2427

2416/2438

5

2432

2421/2443

6

2437

2426/2448

7

2442

2431/2453

8

2447

2426/2448

9

2452

2441/2463

10

2457

2446/2468

11

2462

2451/2473

12

2467

2456/2478

13

2472

2461/2483

 

 5. SSID和BSSID

     1)基本服务集(BSS)

     基本服务集是802.11 LAN的基本组成模块。能互相进行无线通信的STA可以组成一个BSS(Basic Service Set) 。如果一个站移出BSS的覆盖范围,它将不能再与BSS的其它成员通信。

     2)扩展服务集(ESS)

    多个BSS可以构成一个扩展网络,称为扩展服务集(ESS)网络,一个ESS网络内部的STA可以互相通信,是采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS。连接BSS的组件称为分布式系统(Distribution System,DS)。
     3)SSID

     服务集的标识,在同一SS内的所有STA和AP必须具有相同的SSID,否则无法进行通信。

     SSID是一个ESS的网络标识(如:TP_Link_1201),BSSID是一个BSS的标识,BSSID实际上就是AP的MAC地址,用来标识AP管理的BSS,在同一个AP内BSSID和SSID一一映射。在一个ESS内SSID是相同的,但对于ESS内的每个AP与之对应的BSSID是不相同的。如果一个AP可以同时支持多个SSID的话,则AP会分配不同的BSSID来对应这些SSID。

     BSSID(MAC)<---->SSID

 WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

6. AP种类

FAT AP和FIT AP比较如下图所示:

WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

 

7. 无线接入过程三个阶段
      STA(工作站)启动初始化、开始正式使用AP传送数据帧前,要经过三个阶段才能够接入(802.11MAC层负责客户端与AP之间的通讯,功能包括扫描、接入、认证、加密、漫游和同步等功能):
      1)扫描阶段(SCAN)
      2)认证阶段 (Authentication)
      3)关联(Association)

WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

 

7.1 Scanning

       802.11 MAC 使用Scanning来搜索AP,STA搜索并连接一个AP,当STA漫游时寻找连接一个新的AP,STA会在在每个可用的信道上进行搜索。
       1)Passive Scanning(特点:找到时间较长,但STA节电)
            通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络,该帧提供了AP及所在BSS相关信息:“我在这里”…
       2)Active Scanning  (特点:能迅速找到)

            STA依次在13个信道发出Probe Request帧,寻找与STA所属有相同SSID的AP,若找不到相同SSID的AP,则一直扫描下去..

7.2 Authentication

     当STA找到与其有相同SSID的AP,在SSID匹配的AP中,根据收到的AP信号强度,选择一个信号最强的AP,然后进入认证阶段。只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问。AP提供如下认证方法:
     1)开放系统身份认证(open-system authentication)
     2)共享**认证(shared-key authentication)
     3)WPA PSK认证( Pre-shared key)
     4)802.1X EAP认证

WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

7.3 Association

   当AP向STA返回认证响应信息,身份认证获得通过后,进入关联阶段。
    1) STA向AP发送关联请求
    2) AP 向STA返回关联响应
    至此,接入过程才完成,STA初始化完毕,可以开始向AP传送数据帧。
WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

 7.4 认证和关联过程

WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

7.5 漫游过程

WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

 

 

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论坛上不少朋友很困惑,为什么小极的自动信道选择选到的信道只会在1、6、11这三个信道呢?WiFi不是一共有10几个信道吗?其他信道岂不是浪费了?

这个问题是个非常典型的问题,问100个人,几乎100个人不知道答案的。为了回答这个问题,我准备不少基础知识,但是,既解释原理,又让它不是那么深涩,是有难度的,所以,如果读不懂的朋友,请多看几遍,欢迎在此话题下讨论,我看到了给你讲的更细一点。

首先,需要肯定的一点,不是小极的工程师能力不行,搞出这样的算法...(某工程师掩面而泣),而是,这是一个通用作法,是符合协议和WiFi传输原理的设计,先看一幅图:

WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

从图中,我们很直观的看到,在一个典型的应用环境下,所有厂家的设备仿佛被某种力量牵引着,把设备的信道都设在了1、6、11这三个信道。这是为什么呢?因为,在WiFi的世界中,有一条原则雷打不动,那就是在信道范围内,同一时刻,只有一台设备可以发信号,其他设备都需要等待。

我们知道,WiFi的原理是把数据载到电磁波上,通过一定的算法来识别。那么,问题来了,如果空气中有两个设备同时发出WiFi数据,他们所在的信道又一样,这两束电磁波在空气中就会叠加(叠加原理),从而变形,变成谁都无法识别的错误数据。对我们百姓来说,不需要理解他们是如何叠加的,那是麦克斯韦、薛定谔、爱因斯坦那种级别的大佬关心的内容。所以,

结论一:因为WiFi是电磁波,所以在同一个频率范围内,某个时刻只能有一台设备工作,否则就会出错。

既然有上述特性,那么,靠大家自觉是不现实的。所以,WiFi的协议中给出了严谨的算法,来保证遵守WiFi802.11协议的设备,能够在相同的频率范围,不冲突,大家有秩序排队干活。因此,为了让各个芯片厂家有据可循,WiFi协议对频率与信道的对应做了规定,举例来说:1信道的中心频率是2.412GHz,信道有效带宽是20MHz,实际带宽是22MHz,其中的2MHz带宽是隔离带,防止某些厂商能力不足,精度无法控制的刚刚好,留点余量。如何直观的理解这个约定呢?我画了一幅图,如下所示:

WIFI 的 传输信道 与标准 WIFI的频道 传输能力

从图中,我们可以直观的看到,每个信道的中心频率是多少,它所能够覆盖的范围是多少。这里,简单解释有效频率的概念,涉及到无线电传输理论,我尽量言简意赅。电磁波之所以能够传输数据,是因为波的振幅,频率等信息可以唯一确定一个矢量,只要我们对这个矢量进行编解码,就可以对应010101数据串。与网线传输数据类似,网线传输数据时,高电压表示0,低电压表示1,所以,在网线上传输的数据,就是一堆的高低高低高低高低电压组合。用电磁波来传输数据有带宽的概念,即1束波可以传1位数据,还是2位数据,还是3位数据,是有讲究的。通常,我们把这束波叫子载波,一个子载波多了可以传3位数据,即(001,110,010,等等),少了只能传1位数据,如(1或者0),那么,同时能发出多少束子载波由有效带宽决定。【 WIFI 信道有一个中心频点, 有带宽(这里最好用频宽,即通信最高的频率减通信最低频率的差), 电磁波载波的编码 假设单位时间内能传递三位(一次编码),那么在这个频宽内,数字传输代码 = 单位时间内频带范围内能发出的最多的载波数量 X 单位时间内单个载波的数据携带能力 】在WiFi的协议中约定有效带宽是20MHz,802.11N协议中,有一种有效带宽是40MHz,802.11AC协议中,有一种有效带宽是80MHz。可以直观的理解,有效带宽越宽,单位时间传输的数据量就越大,为啥11AC那么牛逼哄哄,就这个道理。

回到本话题,我们知道有了有效带宽是20MHz(老实本分,不喧哗...),那就要知道有效信道。所谓有效信道是工作时,互不干扰的有效带宽所对应的的中心频率,从上图可以看出,我在图中也给出了结论,有效信道的组合也就3种。

那么,为什么业内都要有用1、6、11这种组合呢,为啥不用其他两种组合,这里,又要涉及到一个小知识点,开篇我有解释,中国支持1-13个信道,那么,中国之外呢?欧洲支持1-13信道,美国支持1-11信道,日本支持1-14信道,总的来看,子集是1-11信道。因此,把设备的自动信道设为1-6-11这三个信道,是即安全,又普遍且皆大欢喜的作法。因此,结论来了:

结论二:信道设为1、6、11由有效信道而来,并且,从各个国家的法规出发,选择1、6、11最稳妥。【因为这三个信道 频宽互不会干扰】

由此可以引出一个我们日常生活中常见的误区:

小王问:“张导,为啥我的小极朋友的手机搜索不到呢?是不是你家小极挫啊...”
答案:查了一下信道,发现他设了手动信道13,然后先不问为什么设13,直接告诉他,小王啊,你把信道设到1信道试试,他按照我的说法做了,他朋友的手机果然搜到小极。于是,他很困惑,丈二和尚摸不着头脑,这是为什么呢?我告诉他,不要急,我正在写一篇科普帖子,看看这篇帖子就明白原因了。(实际原因是他朋友的手机是国外行货,比如美国货,不支持12,13信道...)。

结束语,这不是结尾,这是开始,还有几篇科普的帖子会以这篇为理论依据,来解释你们看起来困惑,其实很原理很简单的现象。

谢谢大家支持~!相互学习,共同进步!

欢迎讨论。