无线局域网（WIFI）基础知识简介

自从无线局域网诞生以后，我们便摆脱了有线网络的束缚。越来越多的数据信息穿越重重空间自由传输，再也不必先用物理线缆-铜绞线或光纤组建一个电子运行的通路，使得我们传输信息少费了不少周折。大大丰富了人民群众的学习生活，人们不仅在机场、车站、地铁、学校、商场等公共场所使用WIFI，回到家里也离不开WIFI。有了无处不在WIFI我们就实现了“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

那么WIFI到底是一个什么样的技术呢？今天我们就来跟大家聊聊与WIFI相关的基础知识吧。

首先我们先来了解一下“射频基础”，射频基础一共有3个部分：

一、射频定义

射频（RF）是Radio Frequency的缩写，也即射频信号，表示可以辐射到空间的拥有一定发射频率的电磁波，依照波长的长短、频率以及波源的不同、电磁波谱可大致分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

我们现在使用的无线局域网的信号频率就是工作在2.4GHz和5GHz两个频段的电磁波。

二、射频特性

与电磁波有关的4个物理特性分别是“波长、频率、振幅和相位”。

波长：射频信号在一个周期内传播的距离，即信号的波长；

频率：特定时间间隔内某个特定事件重复的次数，单位Hz；

振幅：即为无线信号强度或者功率；

相位：表示两个同频信号的关系，即相对位置，相位差为0°则强度增强，相位差180°则信号抵消；

注：波长和频率关系：λ=c×t = c/f （电磁波在空中传播速度大约为c=3*10^8m/s ，固定值），故波长和频率成反比。

也就是说频率越高，波长越小，通过不同物理介质衰减越快, 5G比2.4G信号的覆盖范围更小，更容易衰减。

三、射频传播行为

1.衰减

理论上射频信号可以在真空中永久传播，但实际上射频信号是在空气或者其他媒介中传播，将会有一部分能量转换成热能或者被传输介质吸收导致信号强度（振幅）下降，这种现象称为衰减。

不同的障碍物有不同的吸收，所形成的信号衰减也不一样

这里有一个有趣的现象：“就是我们在大型礼堂、会议室、体育场馆等环境中部署无线局域网，部署完毕后在测试时往往在没有人或人少的时候测试时信号都很好很稳定。但是一到开会、演出活动时信号就变得很差了呢！为什么无线信号会在空旷和满座的时候会大相径庭！原因就是人体也是一个信号吸收体，当无线信息穿过人体的时候也会造成一定的信号衰减。 所以当人越多的时候整个会议室和场馆的无线信号就会因人体的阻碍造成很大的衰减，从而导致我们的终端上不了网或者传输不稳定。

2.增益

增益也称为放大，振幅增强或信号增强，分为有源增益和无源增益。

有源增益：在发射器和天线之间安装一个放大器，同时放大接收和发送的信号强度，有源增益要求使用外部电源；

无源增益：利用天线把信号集中，天线是无源设备，无需外部电源，天线可以使信号更集中在某个方向；

无线电磁波在不同的物理介质传播时有不同的行为方式，包括：吸收、反射、散射、折射、衍射、多径现象、自由空间路径损耗。

3.反射

反射是最重要的射频传播行为之一。当电磁波撞击到一个比波自身更大的光滑物体时，波可能会往另一个方向传递。这种行为就是反射(Reflection)。容易产生一种被称为多径现象的干扰。而多径现象是导致802.11a/b/g无线局域网性能下降的主要原因。

大自然中的很多物体都会造成电磁波的反射现象，比如室内的金属家具、文件柜和金属门、墙体会造成反射，室外的信号遇到水面和大气层也会发生反射等。反射有时会造成信号覆盖的干扰，但是有时我们也可以利用反射来对信号传输，比如用网桥桥接两栋建筑物，中间有一栋建筑物挡住了两个网桥的直线路径，那么可以利用旁边一幢有玻璃幕墙的办公大楼进行反射，并测试经玻璃表面反射的信号足够可靠的传输我们的无线信号。

4.散射

散射分为两种方式，分别为第一类散射和第二类散射。

第一类散射：个别电磁波被颗粒中的微小颗粒反射，如大气中的烟雾、沙漠中的尘暴，对信号质量和强度影响不大；

第二类散射：入射到某些粗糙不平的表面时，将被反射到多个方向，入射到粗糙表面的主信号被分解为多路反射信号，这将导致信号质量下降，甚至破坏信号，如铁丝网围栏、树叶及岩石地形 ；

5.折射

射频信号还会发生弯曲，即折射(Refraction)。折射的直接定义就是射频信号在穿越不同密度媒介时发生弯曲，致使波传播方向发生变化。射频信号常常会受到大气影响，导致射频折射现象经常发生。折射行业会对室外无线覆盖项目影响较大。

射频信号折射现象，对室外无线覆盖项目影响较大，由于室外一些天气情况，比如雨、雾等产生的衰减、室外桥接链路在射频接收灵敏度上预留10dB到25dB，比如接收灵敏度-80dbm，预留10dbm，则要求接受端（手机、无线设备等）收到的信号强度至少要-70dbm。

6.衍射

衍射是射频信号在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象，会改变传输的方向和速度。衍射与折射不一样的地方在于衍射是射频信号在物体周边发生的弯曲现象，折射是信号穿过媒介产生的弯曲。

7.多径现象

无线的射频信号在传播的过程中不断的发生反射、折射、散射、衍射现象，那么当信号到达接收端设备（手机、平板等无线终端）的时候就往往就是多个不同相位、振幅的叠加耦合，那么就会导致接收到的射频信号和发射信号相比出现随机的变化。造成接收端对信号的识别不清。

打个形象的比喻，当我们在峡谷中，A向B大喊:“hello,how are you”，每1s喊出一个单词，B听到A的声音0.5s后听到回声，B将听到：“HELLO  hello HOW how ARE are YOU you”（大写单词为主信号，小写单词为回声），这时B不难理解A的话。

如果B听到A的声音1s后才听到回声，单词“HELLO”的回声（“hello”）将与单词“HOW”同时进入到B的耳朵，则B无法分辨A在说什么了。

8.自由空间路径损耗

射频信号除了障碍物、吸收、反射、衍射等造成的衰减外，还会因为传播导致衰减，自由空间路径损耗是指射频信号因自然扩散导致信号强度下降。也就是离信号源越远的地方信号也就越弱的原因。

以上我们了解了有关射频的相关知识，我们再来看一下无线局域网的802.11协议标准。

802.11协议

802.11为IEEE（美国电气和电子工程师协会，The Institute of Electrical and Electronics Engineers）于1997年公告的无线区域网路标准，适用于有线站台与无线用户或无线用户之间的沟通连结。

我们看一下802.11协议的发展历史

从1997年第一个WIFI标准802.11诞生以来，无线局域网走过了20多年，速率也从11Mbps提升到了9607Mbps接近了万兆的门口，在速度方面已经可以与有线网络并驾齐驱了。无线局域从只能传输文本和低质量的视频到如今各色各样的移动应用，包括3D游戏、吃鸡、农药、小视频、微信、抖音都离不开WIFI，而且经过不断的技术进步，无线局域网在安全和稳定上也有了质得提高，在不远的将来无线局域以其移动灵活、便捷高效的特性，一定会成为网络通讯的主流之一。

802.11b

802.11b无线局域网的带宽最高可达11Mbps，比两年前刚批准的IEEE 802.11标准快5倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，也可根据实际情况采用5.5Mbps、2 Mbps和1 Mbps带宽，实际的工作速度在5Mb/s左右，与普通的10Base-T规格有线局域网几乎是处于同一水平。作为公司内部的设施，可以基本满足使用要求。IEEE 802.11b使用的是开放的2.4GHz频段，不需要申请就可使用。既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用户摆脱网线的束缚，实现真正意义上的移动应用。

802.11a

802.11a规范的网络运行于无线频率在5.725GHz到5.850GHz之间的环境下。这个规范使用正交频分复用技术，这种技术尤其适合应用于办公室局域网。在802.11a规范中，数据速率可以达到54Mb/s，在干扰方面，它要优于802.11b规范，这是因为802.11a提供更多的可用信道，并且802.11b的使用频率和各种各样的家用器具及医疗设备的使用频率是共享的。

802.11g

使命就是兼顾802.11a和802.11b，为802.11b过渡到802.11a铺路修桥。802.11g中规定的调制方式包括802.11a中采用的OFDM与802.11b中采用的 CCK。通过规定两种调制方式，既达到了用2．4GHz频段实现IEEE 802.11a 54Mbit/s的数据传送速度，也确保了与IEEE802.11b产品的兼容。

802.11n

802.11n是在802.11g和802.11a之上发展起来的一项技术，最大的特点是速率提升，理论速率最高可达600Mbps。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz两个频段。

802.11ac

802.11ac是802.11n的继承者。它采用并扩展了源自802.11n的空中接口(air interface)概念，包括:更宽的RF带宽(提升至160MHz)，更多的MIMO空间流(spatial streams)(增加到 8)，多用户的 MIMO，以及更高阶的调制(modulation)(达到 256QAM)

802.11ax

802.11ax，也称为高效无线网络(High-Efficiency Wireless - HEW)，通过一系列系统特性和多种机制增加系统容量，通过更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi网络的工作方式，使用户获得最佳体验；尤其在密集用户环境中，为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量，其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4倍。展现出单台AP承载10Gbps网络接入速率的震撼力。

我们再来介绍一下主流的802.11ac和未来802.11ax的关键技术

一、802.11ac关键技术

1.802.11ac-多用户MIMO技术

MU-MIMO(多用户的多输入输出)允许一个无线接入点在一个时间点使用相同的频带向多个用户发送数据，也就是说，1个4流AP可以同时和3个STA进行通信；802.11ac可以通过不同的空间流将A-MPDUs同时发送给四个STA。这里一个AP就起到了4个AP的作用。不过，对于MU模式，最多只支持4个用户，每个用户最多支持4条流，并且流的总数量不超过8条。

2.802.11ac-更高的频宽绑定

802.11ac支持80MHz的频宽（绑4信道），未来最大支持160MHz的频宽；频宽的提升带来了可用数据子载波的增加。80MHZ可用的子载波数量达到234个，而40MHZ只有108个，这样80MHZ就可以带来2.16倍的增速。

3.更密的调制模式

802.11ac继续采用802.11a中OFDM调制方法，但是将阶数从802.11n中的64阶提高到了256阶。256-QAM使得每个子载波的数据比特数从6提到8，从而使得速率增加了将近33%。由于256-QAM对干扰更加敏感，适合于信噪比高的环境，因此256阶正交调幅主要在64阶正交调幅已经可靠覆盖的范围内才有帮助。虽然256-QAM提供了更高的速率，但是它并没有增加有效的覆盖距离。

4.波速成形

任何使用多天线的设备都能够在任意时间内对任何其他设备进行波速成形。802.11ac定义了一种探测协议(VHT Sounding protocol)。该协议可以让接收端有机会帮助发送到更好地进行波速成形工作。

二、802.11ax关键技术

1.OFDMA（正交频分复用多址接入）

OFDMA是通过将子载波子集分配给不同用户在OFDM系统中添加多址的方法。迄今为止，它已被许多无线技术采用，例如3GPP LTE。 802.11ax是第一个将OFDMA引入WLAN网络的WLAN标准。此外，802.11ax标准也仿效LTE专有名词，将最小的子信道称为“资源单位(RU)”，每个RU当中至少包含26个子载波。

2.多用户上链作业

在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技术可以分别使用。在多用户作业模式中，标准会根据情况指定两种方式来为特定区域内更多用户进行多任务操作：即多用户多入多出(MU-MIMO)或正交频分复用多址接入 (OFDMA)。无论为上述何种方式，无线接入点都会充当多用户作业的中央控制器，这点与LTE基站用来控制多用户多任务的方式相似。

3.1024-QAM

QAM编码是用星座图（点阵图）来做数据的调制解调，实际应用中是2的N次方的关系。比如说16-QAM ，16是2的4次方，一次就可以传输4个bit的数据；802.11n是64-QAM ，是2的6次方，因此在64个点阵的一个星座集合里面，用任意一个点可以携带六个bit的数据信息。到了802.11ac，就变成了256-QAM，是2的8次方，802.11ac相对于802.11n在编码上面的速率提升了33%。802.11ax之后引入了更高阶的编码，就是2的10次方，1024-QAM。我们都知道从8到10的提升是25%，也就是相对于802.11ac来说，802.11ax的性能又提高了25%，变成了1024-QAM，一个符号可以携带10个bit的数据。

4.Spatial Reuse（空间复用）

为了在密集部署方案中提高系统级性能和频谱资源的有效使用，802.11ax标准实现了空间重用技术。 STA可以识别来自重叠基本服务集（BSS）的信号，并基于该信息做出关于介质争用和干扰管理的决定。

当主动侦听介质的STA检测到802.11ax帧时，它会检查MAC头中的BSS颜色位或MAC地址。但是，利用现有的介质访问规则，来自一个BSS的设备将推迟到另一个同频道BSS，而不会增加网络容量。

BSS着色是802.11ah中引入的一种机制，用于为每个BSS分配不同的“颜色”，将其扩展到11ax，根据检测到的颜色分配新的频道访问行为。

无线网络拓扑的分类

从无线网络的覆盖范围来看，主要有这么几种形式：

WWAN（wireless wide area network）: 无线广域网是指覆盖全国或全球范围内的无线网络，提供更大范围内的无线接入。比如:移动电话3G/4G/5G网络。

WMAN（wireless metropolitan area network）:主要用于解决城域网的接入问题，覆盖范围为几千米到几十千米，除提供固定的无线接入外，还提供具有移动性的接入能力。

WLAN（Wireless Local Area Networks）: 无线局域网，典型的无线局域网包括多个802.11接入点，这些接入点通过骨干网相连。

WPAN（wireless personal area network）:无线个人域网，现通常指覆盖范围在10米半径以内的短距离无线网络，比如：蓝牙、红外线。

我们日常使用的无线局域网指的就是WALN,WLAN广泛应用于学校、医院、小区、企业、写字楼及家庭无线等。

WLAN的组网有两种方式：FAT（胖AP）组网模式和FIT(瘦AP)组网模式。

FAT(胖AP)组网模式：FAT AP是传统的WLAN组网方案，AP本身承担了认证终结、漫游切换、动态密钥产生等复杂功能，相对来说AP的功能较重因此称为FAT AP。

1、AP通过边缘L2交换机接入有线网络， AP作为认证终结点 ；

2、小规模WLAN网络应用，组网简单，成本低廉；

3、AP作为边缘接入设备，类似有线网络接入层交换机，管理简单；

4、常用于家庭或soho网络组网；小型企业网络组网；

FIT(瘦AP)组网模式：采用无线控制器AC作为中央集中控制管理设备，原先在FAT AP自身上承载的认证终结、漫游切换、动态密钥等复杂业务功能转移到无线控制器AC上来进行，AP与无线控制器AC之间通过隧道方式进行通信，AP与AC之间可以跨越L2、L3网络甚至广域网进行连接，因此减少了单个AP的负担，提高了整网的工作效率。

1、增加无线控制器AC作为中央控制管理单元、认证终结点，适合大规模WLAN组网；

2、无线控制器AC与AP之间跨越L2、L3、广域网的灵活组网；

3、快速漫游切换、基于用户的权限管理、无线射频环境监控、语音视频等增值业务的满足；

4、常用于大型无线网络的组建，比如无线校园、无线医院、无线商场等大规模的应用。

Fat AP与Fit AP组网模式优劣势比较

总结

无线网络的信号发送和接收离不开电磁波的承载，在此我们跟大家一起回顾的”射频“相关的知识，了解了射频信号传播中特有的行为，以及影响”射频信号“传播的因素。同时也知道了无线局域协议的发展历程，从第一个标准协议802.11b开始，一直到万兆无线局域网802.11ax。最后还跟大家分享了典型的无线组网方案FAP模式与FIT模式的特点及适用场合。大家如果对无线相关的知识有什么疑问，可以给我留言一起互相讨论。