WiFi基础知识概述

  • IEEE802.11各个版本
  • 1 基本概念
  • 2 信道分配
    • 2.4GHz信道
    • 5GHz信道
    • 信道分配示例
  • 3 MAC基本功能
    • 3.1 信标 Beacon
    • 3.2 扫描
    • 3.3 认证
    • 3.4 关联
    • 3.5 重关联
    • 3.6 去关联
    • 3.7 分布式信道接入
    • 3.8 数据/ACK帧交换
    • 3.9 RTS/CTS帧交换
  • 4 MAC帧结构
  • 5 PHY基本功能
  • 6 PHY帧结构

IEEE802.11各个版本

802.11ax的PHY的主要创新技术：

1 基本概念

802.11是无线协议，与有线的802.3以太网协议都在802协议家族中，都是报文交换通信方式。
有线以太网是使用网线点对点全双工收发，无线802.11是以无线发射和接收的方式通信，优点是比有线更方便，缺点是空口数据只能以半双工、收发时分复用的方式进行传输，且多个设备存在发送数据竞争，以及要对数据进行加密防止被窃听 等等。

802.11网络的一般工作方式为AP+STA，协议层次如下

2 信道分配

WiFi使用2.4GHz和5GHz频段。其中2.4GHz频段是ISM频段，与蓝牙、Zigbee等设备共用，容易受到干扰；5GHz频段的频谱较为纯净，且信道更多，只是需要避免与雷达冲突，要进行雷达监测。

2.4GHz信道

2.4GHz信道中心频率范围为2.412GHz~2.484GHz，其中一共有14个信道，我们国家使用了1-13共13个信道。

5GHz信道

5GHz信道中心频率范围为4.915GHz~5.865GHz，一共约200个信道，但是每个国家和地区分配的信道一般只有十几个。
信道分配图可以参考：https://blog.csdn.net/qq_29373285/article/details/88858827

信道分配示例

802.11ac只工作在5GHz频段，下面为802.11ac信道分配的一个示例。

图中,每个AP使用的频带由“条形”表示，最短的条形是20MH主信道，第二长的是40MHz主信道，最长的是80MHz主信道，当两个AP共用一个信道时，条形的颜色使用混合色。

(1)第一个AP上电时，选择了信道40作为20MHz主信道，信道36、40作为40MHz主信道，信道36-48作为80MHz主信道；
(2)第二个AP上电时，选择了信道52-64，主、辅信道分配如图中所示；
(3)第三个AP上电时，没有空闲的80MHz信道，要选择干扰最小的信道因此选择信道44、48的40MHz信道；
(4)第四个AP上电时，同样为了选择干扰最小的信道，选择了信道52、56的40MHz信道；
(5)第五个AP上电时，已经没有空闲的40MHz信道，因此选择了信道48的20MHz信道。
在这种分配方式下，可以使各个设备冲突避让的程度达到最小，这样的分配使网络整体达到最优。

802.11ac中，多个网络可以通过动态带宽协商机制共享同一个宽信道，如下图所示。

图中两种颜色表示两个网络信道，20MHz主信道分别是56和60。在20/40MHz信道，两个设备是独立的，可以通过FDD方式同时使用两个信道；在80MHz信道，两个设备不能同时使用，是TDD，但是这个80MHz信道的存在使没有竞争情况下，一个设备的传输速率加倍。

3 MAC基本功能

通过扫描，也就是被动地寻找“信标”（Beacon帧）传输或者利用“试探请求”/“试探响应”交换来主动探测AP的存在，STA就能知道一个BSS的存在。
STA在BSS中的成员身份是动态的。STA可能上电打开或关闭，或者STA可能是移动的，并移进或移出BSS所覆盖的区域。站点通过“关联”到BSS来成为BSS的成员。当离开BSS时，STA则变成“去关联”。在一个由多个基础 BSS组成的ESS中，STA可以通过“重关联”在ESS中从一个BSS迁移到另一个BSS。

3.1 信标 Beacon

基础BSS中的AP定期广播“信标”帧。“信标”时段定义了目标信标传输时间(TBTT)的固定时刻表。在媒体空闲的前提下，“信标”帧本身则在TBTT时刻或者尽量靠近TBTT的时刻发送，如下图所示。

“信标”帧带有管制信息、能力信息以及用来管理BSS的信息。

3.2 扫描

3.3 认证

3.4 关联

3.5 重关联

3.6 去关联

3.7 分布式信道接入

802.11MAC中所使用的的特定的CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避让）机制被称为分布式协调功能（DCF）。CSMA/CA机制通过CCA（空闲信道评估）实现。



3.8 数据/ACK帧交换

3.9 RTS/CTS帧交换

RTS（request to send,请求发送）和CTS（clear to send,允许发送）帧交换可以保护一个STA的传输不受隐藏节点的影响。

4 MAC帧结构

MAC帧的一般格式如下。

通过这样的帧结构，可以构成MAC的控制帧、数据帧、管理帧，这些帧通过PHY的DATA字段在无线媒介中传输、交互。

5 PHY基本功能


6 PHY帧结构

802.11a/g (non-HT)

802.11n (HT)

802.11ac (VHT)

802.11ax (HE)



参考资料：
（1）IEEE802.11各版本协议
（2）802.11ac A Survival Guide
（3）下一代无线局域网 802.11N呑吐率、强健性和可靠性

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