WiFi背景与信道划分

  • 背景
  • 信道划分
    • 2.4GHz频段
    • 5GHz频段

背景

WiFi又称WLAN（无线局域网）。你可能不会相信——它起源于澳大利亚悉尼大学一个学生研究小组的毕业实践成果。领导者是工程系毕业生Dr John O’Sullivan。由于成果影响重大，澳大利亚政府马上于1996年申请了专利。WiFi的灵活性和移动性给人们带来了极大的便利，得到了广泛的应用，基于这个考虑，国际组织IEEE曾多次要求澳大利亚政府免收专利费，但都遭到拒绝。因此，WiFi也让澳大利亚政府挣得盆满钵满。

一个行业起来，通常都有一些大厂出来制定规则。就在WiFi被申请专利的同年，美国网络通讯设备大佬——朗讯率先发起成立无线以太兼容性联盟（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA），志在推动无线局域网的商业化。起初发展不顺，声势远落后于蓝牙。直到1999年，WECA改名为Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）才慢慢有了起色。Wi-Fi联盟一方面不断推动无线网络技术的发展；一方面出台一系列的测试规范，保证了各厂商设备的兼容与互连互通。到目前为止，已经有超过45000种产品拿到了Wi-Fi联盟的认证（https://www.wi-fi.org），覆盖电脑，游戏设备，手机，无线路由器，智能家居，平板，电视等各个领域。

信道划分

有线网信号是通过网线传输；无线网是通过什么传输呢？答案是无线电。早期也用过红外线传输（Infrared Ray），但是，它对非透明物体的穿透性极差，传输距离受限；同时还容易受日光、荧光灯的干扰，最终没有被广泛应用。

无线电技术早在第二次世界大战期间就有使用。当时，美国陆军研发出了一套无线电传输技术，采用无线电信号进行资料的传输。这项技术令许多学者产生了灵感。

2.4GHz频段

无线电的使用受到各国法规的限制，比较麻烦，好在有ISM（Industrial Scientific Medical Band）频段可以使用。ISM由ITU-R（ITU Radiocommunication Sector），即国际通信联盟无线电通信局定义。ITU-R要求各国挪出某一段频段，开放给工业、科学和医学机构使用。应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。但恰好2.4GHz是各国共同的ISM频段，因此，WiFi就选到了这个频段。

现在问题来了：如果所有的WiFi设备都使用同一个频段，那么会很容易相互干扰。这就要求在一个WiFi设备信号覆盖的范围内，最好不要有其他的WiFi设备使用，而这是很难保证的，所以需要划分多个channel来分散Loading；另一方面，早期人们对WiFi吞吐量的要求不高，也用不着很大的带宽；于是经过权衡，WiFi的2.4GHz频段被划分为14个channel。

Channel 14不常使用。Channel 1~13每个channel之间的间隔是5MHz，而每个channel的带宽是22MHz，所以2.4GHz频段最多只能容纳3个完全没有干扰的channel（1/6/11）。对频谱这样的稀缺资源来说，已经相当不错了。在启动热点时，有些厂商会自动计算所有channel的利用情况，让热点启动在相对空闲的channel上，以此优化WiFi的表现。这在2.4GHz上显得尤为重要。

Channel 1与channel 2之间只隔5MHz，那channel 2的信号会影响channel 1吗？当然会。所以按Spec（IEEE802.11协议，后面简称Spec）规定channel 2的信号应该在channel 1的2.412GHz的地方衰减3dB以上。那会有怎样的影响呢？现在我们简单描述这个过程：当channel 1上的设备要发包之前，它会启动EDCCA机制检测信道是否繁忙，很不巧它会发现channel 2上有设备正在发包（有能量），因此它会等待，直到检测到信道空闲再将这包发出去。所以影响就是当channel 2上的设备正在发包时，channel 1上的设备会卡住一小段时间。这个问题对初学者有点超前了，可以先跳过。

不同的国家使用的2.4GHz的channel也是不相同的。比如，中国是channel 1~13，美国是channel 1~11。通常WiFi厂商都会集成这些对应关系，用户只用配置Country Code就足够了。这块容易出一些小插曲，通常都与支持的channel有关。比如，日本的笔记本电脑来中国可能会搜不到某些热点，出货印度的手机连不上某些笔记本电脑。

5GHz频段

2.4GHz频段较窄，而且与各种家用电器和医疗设备共享频段，易受干扰。最终大家还是把目光聚交到了更为波澜壮阔的5GHz频段。5GHz频段划分了更多的信道，而且channel的中心频率间隔由2.4GHz频段的5MHz改为20MHz，可以看出设计者对2.4GHz频段频谱交叠的愤怒。不同国家支持的channel也有所不同，参看下表。

5GHz频段什么都好，但不幸的是，雷达信号也在这个频段。雷达信号通常是军队或是航空用的，怎么看都比WiFi重要，所以各国在定义5GHz频段信道时都会把雷达可能出现的频段标记为DFS channel。控制松点的，也会标记为Indoors。

DFS channel，全称Dynamic Frequency Selection，处在这个channel上的设备需要有能力检测雷达信号，一旦检测到，就需要跳到其他channel去。通过这种方式，既保证了雷达信号不被干扰，又可以充分利用频谱资源。

Indoors又是什么意思呢？它是说这个设备如果确认是部署在室内的，就可以启动在这个channel上。比如家用的无线路由器，可以确定它是部署在室内，所以它可以启动在这个channel上。又比如手机，它有可能在室内，也有可能在户外，所以它通常不能启动在这个channel上。除非这个手机可以识别出当前是否在户外，当测检到是在户外时禁用这个channel（虽然当前还没有这样的手机）。

我不遵守这个规定又怎么样呢？很抱歉，您的产品不能在本国销售。凡是想销售的无线电产品，都需要过国家无线电委员会的认证。上面说的规则都有对应的测试项。

802.11n引入了channel绑定技术，会把2个相邻的channel绑定成一个channel传输数据，以提高吞吐量。对应40MHz带宽的channel中心频率会有些变化。802.11ac又将带宽增加到80MHz/160Mhz。这些后面再讲。

5GHz频段还有个Band1~Band4的说法，知道就好。

Band1: CH36、CH40、CH44、CH48 (5180MHz~5240MHz)

Band2: CH52、CH56、CH60、CH64 (5260MHz~5320MHz)

Band3: CH100、CH104、CH108、CH112、CH116、CH120、CH124、CH128、 CH132、CH136、CH140 (5500MHz~5700MHz)

Band4: CH149、CH153、CH157、CH161、CH165 (5745MHz~5825MHz)

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