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802.11协议介绍

2023-05-16

8、802.11协议介绍
8.1 802.11标准

802.11：工作在2.4G（2.4000—2.4835GHz 频段，提供了每秒1M或2M的传输速率
802.11a：工作在5G频段，提供每秒54M的传输速率，平均吞吐量20—36M/s,平均范围10—100米。
802.11b:工作在2.4G频段，提供每秒11M速率，平均范围50多米。
802.11g:工作在2.4G频段，每秒大于20M带宽，平均每秒20—30M，平均范围50多米。
802.11e：QoS
802.11i：WLAN安全标准
802.11r：WLAN漫游标准
802.11s：802.11 Mesh
802.11n：工作在2.4/5G频段，采用MIMO技术。
802.11ac：工作在5G频段。信道绑定可达160MHz，最高速率可达3.47G

8.2 细讲802.11a/802.11b/802.11g/802.11n/802.11ac：
802.11a

  1. 54Mbps 吞吐能力，采用正交频分复用技术（OFDM），6,9,12,18,24,36,48&54Mbps数据速率。
  2. 工作在无需许可证的5G频段UNII频段，支持23个非重叠信道，在中国支持5个非重叠信道（149/153/157/161/165）
  3. 802.11a在1999年成为标准，但是经过很长一段时间后相关产品才开始出现；802.11a的硬件最早出现在2001年底。

802.11b

  1. 11Mbps吞吐能力，采用直接序列（DSSS），支持1,2,5.5&11Mbps数据速率；
  2. 工作在2.4G非许可频段ISM频段，支持14个信道，3个信道不重叠；（日本支持14信道仅仅是802.1b使用，其他国家不支持）。
    在这里插入图片描述
    802.11g
  3. 54Mbps吞吐能力，采用正交频分复用（OFDM），支持6,9,12,18,24,36,48&54Mbps数据速率以及802.11b速率；
  4. 兼容802.11b终端；
  5. 工作在2.4G非许可频段ISM频段，支持13信道，3个信道不重叠；

802.11n

  1. 最高速率可达600Mbps，采用MIMO与OFDM相结合,是传输速率成倍提高；
  2. 802.11n协议为双频工作模式，支持2.4G和5G；
  3. 传输距离增加，提供网络吞吐性能;
  4. 天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里(并且能够保障100Mbps的传输速率）。
  5. IEEE802.11n标准全面改进了802.11标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升MAC层的性能，优化数据帧结构，提高网络的吞吐量性能.
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

8.3 如何提升速率？？
1、 更多的子载波
802.11a/g在20MHz模式下有52个子载波，可用的子载波有48个，速度可达54M；
802.11n在20MHz模式下有56个子载波，可用的子载波有52个，速率可达58.5M
在这里插入图片描述
802.11g/n 使用OFDM技术的特性就是会有多个子载波可供弹性调变运用，子载波数愈多整体传输速度越高。
802.11n即便也是SISO的单天线收发，也会比802.11g的单天线收发表现更为快。

2、 编码率
在这里插入图片描述
无线收发数据附前向错误更错码（Forward Error Correction-FEC），当实质传递数据在传递过程中因衰减、干扰等因素而导致数据错误时，透过更错码可将数据更正、还原成正确数据。
802.11n更错码不会太耗占频宽，但却能维持相同的错误更正能力，而这个比例就称为编码比率码率（Code Rate）

3、 Short GI（更短的帧间保护间隔）
在无线收发过程中/发间或多次传发过程中，需要若干间隔时间，而这个间隔时间就成为Guard Interval，简称GI。
在这里插入图片描述
802.11a/b/g标准要求在发送数据时，必须要保证在数据之间存在800 ns的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval (GI)。
802.11n仍然缺省使用800ns。当多径效应不严重时，可以将该间隔配置为400ns，可以将吞吐提高近10%，此技术称为Short GI。
使用场景： Short GI使用于多径情况较少、射频环境较好的应用场景。
在多径效应影响较大的时候，应该关闭Short GI功能。
如图所示，在多径环境中，前一个数据块还没有发送完成，后一个数据块可能通过不同的路径先到达，合理的GI长度能够避免相互干扰（如图所示）。如果GI时长不合理，会降低链路的有效SNR（信噪比）。
在这里插入图片描述

4、采用40M频宽模式
在这里插入图片描述

采用40MHZ频宽模式，可以成倍增加无线网络的支持速率，但是2.4G网络和5G网络支持的40M频宽的信道数量不同。
在2.4G模式上最多可以有一个40M信道，在5G模式上40M信道数目因国家不同而不同，理论上最多有11个40M信道。

8.3 MIMO技术介绍
SISO： Single Input Single Output。
MIMO： Multiple Input and Multiple Output。
802.11n网络融合了基于MIMO的接入点和无线客户端，从而能够提供极高的可靠性和数据吞吐量。即使只部署支持MIMO技术的无线接入点，而终端不支持MIMO技术，这项技术也能够提供高出802.11a/b/g 网络百分之三十的性能。
这种性能的提升是采用MIMO智能天线的结果，它能够允许无线接入点能在更长的距离间更可靠的接受数据，并且与标准的分集天线工作方式相比能够为客户端提供更高的数据传输率。
例如在同样距离上802.11a/b/g客户端和传统接入点通信，数据通常会从54Mbps降到48Mbps或者36Mbps，而相同的客户端同支持MIMO技术的802.11n无线接入点通信，还能够维持在54Mbps不变。
在这里插入图片描述
在无线通信系统中，在发射机和/或接收机上使用多个天线开辟了一个新的维度空间。如果能够正确利用这一技术，可以极大地提高性能，它现在被广泛地称为 MIMO（多路输入多路输出）系统（“输入”和“输出”指的是无线信道）。
发射机的多个天线意味着有多个信号输入到无线信道中；
接收机的多个天线是指有多个信号从无线信道输出，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理，并有效地抵抗空间选择性衰落。

MIMO命名：
MIMO的天线通常表示层M*N，其中M和N均为整数。
M：表示传输天线的数量；
N:表示接受天线的数量；
如图：在这里插入图片描述

例如： MIMO 22，即两组传输链路，两组接收链路以及两条经过多任务处理的以无线链路传送的空间信息流， AP可以通过不同的空间信息流来承载不同的信息，从而提高了数据传输速度。从MIMO 21到MIMO 4*4， AP每增加一个发射天线和接收天线都会提高AP的信噪比SNR。

8.4 801.11nMAC层改进技术
801.11 MAC层协议耗费了相当多效率用作 链路的维护，从而大大降低了系统的吞吐量，802.11n 通过改善MAC层来减少固定开销及拥塞造成的损失。

  1. 帧聚合技术：
  2. 块确认技术：
    例如： 802.11g理论传输速率为54Mbps，实际上却只有22Mbps，将近有一半多的速率浪费了。

帧聚合技术：
802.11n引入帧聚合技术，提高MAC层效率，报文帧聚合技术包括：

  1. MAC服务数据单元聚合（A-MSDU）

  2. MAC协议数据单元聚合（A-MPDU）

    两种不同的帧聚合技术会有不同的效率提升。
    MSDU和MPDU两种聚合的共同点：
    减少负荷，且只能聚合同一QoS级别的帧，但因为要等待需要聚合的报文，可能造成延时。另外，只有MPDU才使用块确认。

MSDU聚合：（MAC服务数据单元）

  1. 收集以太网帧汇聚；
  2. 转成802.11无线帧
    在这里插入图片描述
    MAC服务数据单元聚合全称是“Aggregate MAC Service Data Unit”，缩写A-MSDU”；
    A-MSDU 允许对目的地及应用都相同的多个包进行聚合，聚合后的多个包只有一个共同的MAC帧头。当多个帧聚合到一起后，报头的负载、传播的时间及确认包都会相应减少，从而提高无线传输效率。
    A-MSDU最大的大小是7935字节。

MPDU聚合：（MAC协议数据单元）

  1. 转成802.11 无线帧
  2. 将802.11无线帧汇聚；
    在这里插入图片描述
    MAC协议数据单元聚合全称是“Aggregate MAC Protocol Data Unit”，缩写为“A MPDU”。
    A-MPDU 允许对目的地相同但是应用不同的多个包进行聚合，其效率不如A-MSDU，但是还是会减少报头负载及空气传播时间。
    A-MPDU的最大的包为65535字节。

块确认技术：
在这里插入图片描述
为保证数据传输的可靠性， 802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应ACK帧。
A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，因此同样需要对每一个MPDU发送应答帧。
块确认机制通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。
仅仅对没有收到确认的成分帧进行选择性重发。在高错帧的环境下， MPDU汇聚的选择重传机制能够提供比MSDU汇聚更高效WLAN利用率，因为只有出错的成分帧会被重传，而不是重传整个汇聚帧，从而大大减少了需要重传的数据。

802.11ac
工作在5G频段；
保存与旧的协议的兼容性，改进了物理层帧结构，考虑的不同信道带宽共存时的信道管理等；
安全性方面，将完全遵守802.11i标准内容；
802.11AC将实现无缝漫游
优势：

  1. 802.11ac wave2最大支持3.47G的速率；
  2. 主流的承载频率是5G频段；
  3. 提供了更大的吞吐量多用户MIMO在客观上提高了更多用户的接入能力

802.11ac wave1和802.11ac wave2 特性比较：
在这里插入图片描述

信道带宽：
802.11ac引入了80MHz和160MHz的带宽：
在这里插入图片描述

802.11a/b/g/n/ac对比：
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