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WiFi全部知識點(diǎn)分享

電子工程師 ? 來源:架構(gòu)師技術(shù)聯(lián)盟 ? 作者:架構(gòu)師技術(shù)聯(lián)盟 ? 2022-07-28 15:15 ? 次閱讀

Wi-Fi這個(gè)術(shù)語經(jīng)常被誤以為是指無線保真(Wireless Fidelity),類似歷史悠久的音頻設(shè)備分類:長期高保真(1930年開始采用)或Hi-Fi(1950年開始采用)。即便是Wi-Fi聯(lián)盟本身也經(jīng)常在新聞稿和文件中使用“Wireless Fidelity”這個(gè)詞,事實(shí)上,Wi-Fi一詞是沒有任何意義。

WiFi技術(shù)

1999年,幾家富有遠(yuǎn)見的公司聯(lián)合起來組成了一個(gè)全球性非營利性協(xié)會——無線以太網(wǎng)兼容性聯(lián)盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA),其目標(biāo)是使用一種新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),無論品牌如何,都能帶來最佳的用戶體驗(yàn)。在2000年,該小組采用術(shù)語“Wi-Fi”作為其技術(shù)工作的專有名稱,并宣布了正式名稱:Wi-Fi Alliance。

無線頻率

無線是通過電磁波來傳輸數(shù)字信號的一種方式。使用網(wǎng)線上網(wǎng),是有物理的網(wǎng)線,使用無線上網(wǎng),可以想象成是你的手機(jī)電腦與無線路由器之間有一條(或者幾條)虛擬的網(wǎng)線。

主要的無線分類和頻率和用途

2.4G工作在UHF頻段,屬于分米波。2.4G非常擁擠,藍(lán)牙,微波爐,zigbee物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備),業(yè)余無線電等都在這個(gè)頻段,所以日常生活中,2.4G的WiFi干擾非常嚴(yán)重。但是2.4G的覆蓋范圍比5G要大,這也就是在家里,可以搜到左右鄰居的無線信號的原因。能搜到的信號基本都是2.4G信號。

5G工作在SHF頻段,屬于厘米波。日常生活中干擾較少。主要的干擾源是雷達(dá)等。5G的覆蓋范圍相對2.4G小很多。 無線在傳輸過程中。會被不同的材質(zhì)吸收,導(dǎo)致信號的衰減,這是無線衰減的主要形式。一般來說,材質(zhì)的密度越高,含有的金屬越多,對無線信號的吸收越強(qiáng)烈。會造成無線信號損耗的,還包括反射,散射,折射,衍射等。 我國房屋周中,大部分是承重墻,鋼筋水泥結(jié)構(gòu),對無線的損耗非常強(qiáng),所以在家中使用的無線路由器,號稱的穿墻能力,在承重墻面前是不堪一擊的。

電磁波穿透不同材質(zhì)的損耗情況

因?yàn)殡姶挪扔胁ǖ膶傩?,也有粒子的屬性,在傳輸?shù)倪^程中,遇到障礙物,會發(fā)生穿透,反射,衍射,折射,散射等現(xiàn)象,我們連接的無線信號,是經(jīng)過這些復(fù)雜過程之后的綜合結(jié)果。

802.11標(biāo)準(zhǔn)

Wi-Fi與IEEE 802.11常常被混淆,兩者的區(qū)別可以概述為IEEE 802.11是一種無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),而Wi-Fi是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的一種實(shí)現(xiàn)。 802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定周期大概是4,5年左右,基本在最新一代標(biāo)準(zhǔn)出臺的時(shí)候,上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仍然是目前的主流。 技術(shù)上不需要立刻的追求新,需要根據(jù)的自己的實(shí)際需求。目前的路由器,主要還是WIFI5和WIFI6。WIFI標(biāo)準(zhǔn)向下兼容。

802.11標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展大事記

現(xiàn)在支持802.11a,802.11b的設(shè)備已經(jīng)非常少了。 WiFi1:802.11b 1999年 2.4G 11Mbps WiFi2:802.11a 1999年 5G 54Mbps WiFi3:802.11g 2003年 2.4G 54Mbps

WiFi4,WiFi5,WiFi6對比表

2.4G頻段信道

各國對2.4G頻段的支持情況,我們國家支持的2.4G頻段是1到13。

每個(gè)信道之間的中心頻率都是相隔5MHz的整數(shù)倍。 部分的終端,無法支持超過11的信道,設(shè)置的時(shí)候需要注意。 2.4G互不干擾的信道少,而且很多民用設(shè)備也在使用2.4G的頻段,這就是2.4G信道擁擠的原因。 所以2.4G信道中的干擾非常大,很多人的手機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)無線滿格,但是實(shí)際上根本不能上網(wǎng)就是這樣的原因。 工信部規(guī)定的2.4G頻段的最大功率是EIRP≤500mw或者EIRP≤27dBm。

傳統(tǒng)的802.11標(biāo)準(zhǔn)中,每20MHz預(yù)留小部分帶寬,可以綁定為40MHz帶寬,增強(qiáng)帶寬,但是2.4G頻段中干擾大,不是很建議使用40MHz。 2.4G中互不干擾的信道是1,6 ,11,但是因?yàn)?.4G的傳播范圍廣,經(jīng)常在家中可以搜索到很多附近鄰居家的2.4G信號,很多信道占用很多,幾乎找不到干凈的信道可以使用,而且大多數(shù)路由器都可以自己優(yōu)化信道,所以手工給2.4G設(shè)置一個(gè)信道的意義并不大,不會對網(wǎng)絡(luò)性能起到明顯的改善作用。 5G可以使用20MHz,40MHz,80MHz,160MHz,具體可以支持什么頻率,由路由器使用的SOC決定。

5G頻段信道

我國支持的5G頻段是:36,38,40,42,44,46,48,149,153,157,161。 如果購買了日版的電子設(shè)備,想連接5G的無線,就需要將5G的頻段,改為日本和中國都支持的頻段(36,40,44,48),設(shè)備才能搜索到5G信號,正常連接。還有一些老舊的設(shè)備,也許無法支持149以上的5G信道,也需要進(jìn)行信道調(diào)整。

與路由器的距離相同時(shí),5G信號相對2.4G信號較弱,這是由電磁波的物理特性決定的:波長越長衰減越少,也更容易繞過障礙物繼續(xù)傳播。5G信號頻率高、波長短,而2.4G信號頻率低、波長長,所以5G信號穿過障礙物時(shí)衰減更大,穿墻能力比2.4G信號弱,所有雙頻無線路由器都存在這樣的情況。 如下是2.4G和5.8G在自由空間傳播的損耗公式(其中F是頻率,單位是MHz;D是距離,單位是km)

無線電磁波在自由空間的衰減公式:L=32.5+20lgF+20lgD。

2.4G頻段的衰減公式:L1=100+20lgD;

5.8G頻段的衰減公式:L2=108+20lgD。

以上公式可以看出5.8G的衰減相對于2.4G要高,相應(yīng)的覆蓋的距離要小一些。

2.4G與5G的優(yōu)缺點(diǎn)

如果終端(電視等)距離路由器比較近,周圍障礙物少,建議連接5G,如果終端(手機(jī)等)距離路由器很遠(yuǎn),障礙物多,根據(jù)情況可以選擇2.4G。

無線傳播示意圖

可以看到墻體對無線的阻隔作用。

無線功率和天線

我們看到的路由器,經(jīng)常將【穿墻】和多個(gè)碩大的外置天線作為賣點(diǎn),很多人在買路由器的時(shí)候,覺得天線多,粗,長,信號就好。沒有外置天線的路由器信號就不好。那么實(shí)際上,天線數(shù)量的多少對無線的覆蓋有多大的影響呢? 根據(jù)木桶原理,終端的無線速度,取決于終端和路由器的協(xié)商,根據(jù)終端的類型,無線的衰減等,無線終端會與路由器之間,最終協(xié)商為一個(gè)合適的速率,這個(gè)協(xié)商速率通常會小于路由器支持的最大速率。上限是路由器支持的最大速率。所以單純的提高路由器的無線功率,并不一定可以取得好的效果,同時(shí)各個(gè)國家也對路由器的無線功率有嚴(yán)格的規(guī)定。

無線功率

毫瓦(mW)

功率單位,2.4G的最大功率是100mW。5G的最大功率是500mw。 無線路由器的功率很低,而且嚴(yán)格受到國家的管控,只要是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,都是安全的,可以放心使用。認(rèn)為路由器的無線有危險(xiǎn)的同學(xué),都是心理作用了。

分貝毫瓦(dBm)

無線功率絕對值單位是dBm。 dbm的計(jì)算公式 :10lgP P=無線功率/1mw 0dBm=1mw 17dBm=50mw 20dBm=100mw [例1] 如果發(fā)射功率P為1mw,折算為dBm后為0dBm。 [例2] 對于40W的功率,按dBm單位進(jìn)行折算后的值應(yīng)為: 10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=46dBm

dBi

dBi為無線天線的增益大小單位。高dBi不是將WiFi信號增強(qiáng)了,而是將信號更集中的發(fā)射和接收。dBi數(shù)值越大,增益越高,垂直角度越小,傳輸距離相對越遠(yuǎn)。

無線增益示意圖

等效全向輻射功率(EIRP)

無線電通信領(lǐng)域的一個(gè)常見概念,它指的是衛(wèi)星或地面站在某個(gè)指定方向上的輻射功率,理想狀態(tài)下等于功放的發(fā)射功率乘以天線的增益。通常理解配置EIRP就是配置發(fā)射的功率。體現(xiàn)為最強(qiáng)點(diǎn)的功率。單位是dBW EIRP=有效功率+天線增益-天線饋線線路損耗

天線和增益

路由器的天線的作用是收發(fā)無線電波。 無線路由器上,外置的天線,常見的是鞭狀全向天線,內(nèi)置的天線,也是全向天線。室外的基站等,會使用全向天線和定向天線。

天線在進(jìn)行輻射的時(shí)候,與電磁場強(qiáng)度的方向,一般為垂直極化和水平極化兩種。 水平極化由于受大地磁場影響,損耗較大,較少采用,單極化天線一般采用垂直極化天線。

在相同功率下,增益越多,天線的定向性越強(qiáng),定向角度越小。

增益值的單位是dbi。天線的增益,在最大的輻射方向上,與無方向的理想點(diǎn)源相比,把輸入功率放大的倍數(shù)。 全向天線的信號強(qiáng)度圖,面包圈的樣子。

增益后,面包圈變得更扁平,增加了覆蓋的范圍。能量更集中,水平方向上信號越強(qiáng),抗干擾能力越強(qiáng),在某些方向上信號減弱。

天線的數(shù)量實(shí)際上要與路由器支持的MIMO技術(shù)匹配,無論是外置天線,還是內(nèi)置天線。 如果是2*2的MIMO,則只需要2根天線,因?yàn)楹芏嗦酚善魇?.4和5G的雙頻路由器,可以使用獨(dú)立天線來分別傳輸2.4G信號和5G信號,則天線數(shù)量更多一些。 比如Redmi AX6,有6根天線,其中2根負(fù)責(zé)2.4G,4根負(fù)責(zé)5G。

路由器的擺放位置

正是基于前面的天線,無線的特定,路由器在擺放的時(shí)候,位置盡量高一些,盡量擺放在房間 中央,周圍少遮擋,路由器的天線與地面垂直90度擺放。這樣水平方向的無線信號最強(qiáng),覆蓋范圍最廣。如果路由器的天線多余2個(gè),其他天線也可以調(diào)整一些角度,讓覆蓋更均勻。

華碩路由器天線示意圖

MIMO技術(shù)

MIMO(multiple input multiple output)(多輸入多輸出) MIMO是更能提升無線性能的關(guān)鍵技術(shù),在802.11n標(biāo)準(zhǔn)中首次提出。 在發(fā)送端和接收端,都使用多天線的MIMO技術(shù),則可以極大的提高信道容量。提高傳輸?shù)目煽啃?,傳輸范圍和吞吐量?在MIMO之前是SISO(Single-Input Single-Output)(單輸入單輸出)

我們在使用網(wǎng)線上網(wǎng)的時(shí)候,網(wǎng)線就是一個(gè)物理上的信道。當(dāng)使用無線上網(wǎng)的時(shí)候,要想網(wǎng)速更快,就需要將虛擬的網(wǎng)線(信道)合并到一起進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。 MIMO的寫法是AxB MIMO,A表示發(fā)送端的天線數(shù)量,B表示接收端的天線數(shù)量。 MIMO又細(xì)分為SU-MIMO和MU-MIMO SU-MIMO(Single-User Multiple-InputMultiple-Output)(單用戶多輸入多輸出) MU-MIMO( Multi-User Multiple-Input Multiple-Output )(多用戶多輸入多輸出) 其中,MU-MIMO,可以進(jìn)一步的提升速率。MU-MIMO在WIFI5中首次提出。

MU-MIMO

WIFI6

2020年1月3日的802.11ax標(biāo)準(zhǔn),Wi-Fi聯(lián)盟,采用新的命名Wi-Fi6。便于記憶和推廣。 Wifi6向下兼容11a/b/g/n/ac

WIfi6的主要功能點(diǎn)

wifi6與wifi5的對比

WIFI6的主要功能增強(qiáng)的特性

WIFI6支持上下行的MU-MIMO,WIFI5只支持下行,

WIFI6支持OFDMA(正交頻分多址)。WIFI5支持OFDM(正交頻分復(fù)用)

OFDM與OFDMA的區(qū)別

因?yàn)閃IFI6的理論速度達(dá)到9.6Gbps。適合內(nèi)網(wǎng)有大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍?。因?yàn)槟壳暗募矣脤拵е髁鬟€在1G以內(nèi)。WIFI6支持的外網(wǎng)帶寬,達(dá)到10G的時(shí)候,WIFI6才會是瓶頸。但是WIFI6帶來的新特性,與支持WIFI6的終端配合,會帶來更好的無線體驗(yàn)。

CPU和無線芯片

對于無線路由器來說,功能的多少和性能的強(qiáng)弱,主要取決于CPU和無線功放芯片。路由器的系統(tǒng)更多是錦上添花。如果追求特殊的OS層面的需求,可以考慮可以進(jìn)行刷新系統(tǒng)的路由器型號。

CPU

CPU決定著路由器可以提供的功能。CPU也會進(jìn)行大量的計(jì)算,所以高端路由器的發(fā)熱都會較大。 目前路由器上,主要使用高通博通,MTK的CPU。之前還有華為海思的CPU。 以高通芯片為例。高通的WiFi6芯片方案,最高端的平臺是Qualcomm Networking Pro 1200 Platform,可以有12個(gè)空間流;后面依次是Pro 800、Pro 600和Pro 400,分別最多帶8、6和4個(gè)空間流,具體規(guī)格如下:

NETGEAR的RAX120 AX6000M的拆解圖,源自koolshare,最重要的就是這個(gè)CPU芯片。

無線芯片

與CPU配合工作,分為2.4G芯片和5G芯片。高端路由器,可以采用多個(gè)無線芯片,倍數(shù)增加無線的帶寬。 下圖是NETGEAR的RAX120 AX6000M的拆解圖,源自koolshare 其中的無線芯片是高通的QCN5024,2.4G芯片,支持4x4MIMO,支持802.11ax,最高速率為1200Mbps

下圖中的無線芯片是高通的QCN5054,5G芯片,支持802.11ax,支持4x4 MU-MIMO,80MHz。

路由器的芯片拓?fù)鋱D

MESH技術(shù)

MESH分布式技術(shù),在路由器之間,生成一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),不同接入點(diǎn)可以以星狀、樹狀、串聯(lián)和總線方式,混合組成一整張網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在這張大網(wǎng)中不僅SSID統(tǒng)一,無線設(shè)備還可以自由尋找信號最好的節(jié)點(diǎn)去連接傳輸數(shù)據(jù),用戶手持設(shè)備在不同節(jié)點(diǎn)穿梭時(shí)連接是無縫切換的。 對于大面積的無線覆蓋,MESH具有部署簡單,靈活,同時(shí)兼顧漫游體驗(yàn)。但是大部分產(chǎn)品的MESH組網(wǎng),都需要占用無線帶寬,為了使用體驗(yàn),最佳的狀態(tài)是使用有線進(jìn)行MESH組網(wǎng),或者選擇三頻路由器,三頻路由器有無線MESH的專用頻段,終端的網(wǎng)速不會受到影響,體驗(yàn)會更好一些。

MESH組網(wǎng)適合同時(shí)滿足下面需求的用戶

1、需要無線覆蓋面積在100平米以上,或者覆蓋范圍內(nèi)有大量的承重墻 2、裝修的時(shí)候,沒有預(yù)留網(wǎng)線 3、需要良好的無線漫游體驗(yàn)

MESH聯(lián)網(wǎng)示意圖

MESH組網(wǎng)示意圖

AC+AP

AC+AP介紹

對于大戶型,復(fù)式的建筑,別墅,酒店,商場,企業(yè)來說,需要多個(gè)路由器進(jìn)行覆蓋,并且需要很好的漫游體驗(yàn)。這個(gè)時(shí)候,最佳的體驗(yàn)是AP方式組網(wǎng),搭配AC進(jìn)行統(tǒng)一管理。AC可以是獨(dú)立硬件,或者使用軟件來實(shí)現(xiàn)。一些品牌的產(chǎn)品,所有的數(shù)據(jù)都需要AC進(jìn)行處理,AC的性能決定著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。一些品牌的產(chǎn)品,AC僅是管理作用,不進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。AP需要配合支持POE交換機(jī)進(jìn)行供電,所以在部署AC+AP的網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候,不僅需要預(yù)先部署網(wǎng)線,同時(shí)涉及到的設(shè)備比較多,需要對使用人的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求較高。 AP是無線接入點(diǎn)(Wireless AccessPoint),負(fù)責(zé)釋放無線信號,轉(zhuǎn)發(fā)無線數(shù)據(jù)的作用,無線覆蓋范圍,依靠多個(gè)AP來實(shí)現(xiàn)。AP因?yàn)榘惭b方式的原因,AP的天線都是內(nèi)置天線。AP的安裝類型又分為吸頂式AP和面板式AP。吸頂式AP可以做的比較大,性能更強(qiáng)。面板式AP,受限于體積和安裝的位置,無論是性能,散熱,信號覆蓋范圍,都會差一些。只要條件允許,盡量選擇吸頂式AP。

吸頂式AP示意圖

面板式AP示意圖

AC無線控制器(Wireless AccessPoint Controller)

負(fù)責(zé)控制AP的所有設(shè)置。有的品牌,AC會集中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),有的品牌,AC只進(jìn)行管理,不參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。對于集中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的AC,AC的性能會是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)瓶頸,一定要選擇性能強(qiáng)的AC。AC與AP的品牌要一致。 常見的AC與交換機(jī)的形狀類似

POE交換機(jī)

POE(Power Over Ethernet)(基于局域網(wǎng)供電系統(tǒng)) 基于網(wǎng)線,可以為基于IP的終端進(jìn)行供電(攝像頭,IP電話,AP等),在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí),可以提供直流電的供電。可以減少額外的電線需求,節(jié)省成本。需要注意的是POE的供電標(biāo)準(zhǔn)和供電功率,供電標(biāo)準(zhǔn)需要與AP支持的標(biāo)準(zhǔn)一致,供電功率需要大于AP的功率。 POE交換機(jī)示意圖

POE系統(tǒng)架構(gòu)圖

POE供電有802.3af(PoE)、802.3at(PoE+)、802.3bt(PoE++)三種標(biāo)準(zhǔn)。 不同的標(biāo)準(zhǔn),供電的電壓,功率都不同。POE供電,最好6類網(wǎng)線起步。

AC+AP組網(wǎng)的設(shè)備清單

AC:必須,有的品牌是硬件AC,有的是軟件AC,軟件AC,需要安裝在一個(gè)主機(jī)上或者其他系統(tǒng)上。 AP:必須,無線的性能和覆蓋就靠他了,性能越高越好,注意AP和AC必須是同一個(gè)品牌。 POE交換機(jī):必須,需要是千兆POE交換機(jī),注意POE的協(xié)議與AP支持的協(xié)議一致。有些品牌會將AC和POE集成在一起,可以節(jié)省費(fèi)用,高端產(chǎn)品一般都是獨(dú)立型號??梢允瞧渌放?。 網(wǎng)關(guān)設(shè)備:必須,用來接入寬帶,不需要釋放無線信號,注重網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能。可以是其他品牌。 網(wǎng)線:必須,需要提前進(jìn)行布線,網(wǎng)線至少6類。確保施工的網(wǎng)線質(zhì)量。保障網(wǎng)線8芯都需要連通。 機(jī)柜:非必須,如果用到的設(shè)備眾多,需要配置一個(gè)小型機(jī)柜,用來安裝設(shè)備,綜合布線和散熱。如果是少量的設(shè)備,根據(jù)設(shè)備的大小和多少,可以安裝在弱電箱內(nèi),但是為了系統(tǒng)穩(wěn)定,一定要注意散熱問題。

無線漫游

當(dāng)使用AP或者M(jìn)ESH方式組網(wǎng)的時(shí)候,多個(gè)路由器,提供一個(gè)相同的無線信號,終端在移動的過程中,實(shí)現(xiàn)無縫的漫游,終端自動連接到合適的路由器上,漫游時(shí)候不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟包,或者有少量的數(shù)據(jù)丟包。

無線漫游示意圖

漫游的前提是沒有無線信號覆蓋的盲區(qū),如果存在盲區(qū),那么終端在移動到盲區(qū)的時(shí)候,無法連接到無線信號,肯定是斷網(wǎng)的狀態(tài)。或者處在信號覆蓋的邊緣,即使可以聯(lián)網(wǎng),但是性能很差。 終端在進(jìn)行漫游的時(shí)候,越是復(fù)雜的認(rèn)證方式,比如Radius認(rèn)證,需要的重新認(rèn)證的步驟越多,重新連接的時(shí)間就越長。為了加快認(rèn)證速度,有3個(gè)與快速漫游有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)推出。 和快速漫游有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要是三個(gè):802.11k、802.11v、802.11r。 STA:終端

802.11k負(fù)責(zé)讓STA了解附近的AP分布狀況。

802.11v負(fù)責(zé)讓AC引導(dǎo)STA切換AP,而不是由STA自行決定,從而更好的切換。

802.11r負(fù)責(zé)讓STA在AP間切換時(shí),不用重新認(rèn)證,加速連接。

蘋果官網(wǎng)上明確說明了哪些產(chǎn)品支持802.11kvr協(xié)議,但是安卓手機(jī)品牌眾多,三星的一些型號有明確的標(biāo)識,一般安卓手機(jī)可能并不支持。如果AP開啟了kvr協(xié)議的支持,但是終端不支持的時(shí)候,有可能會引起終端的漫游異常。這個(gè)功能在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,建議不要開啟。網(wǎng)絡(luò)的兼容和穩(wěn)定最重要。

結(jié)束語

WiFi的相關(guān)知識就介紹完了,這是一個(gè)比較概括的描述,每個(gè)小的知識點(diǎn),都可以寫一篇文章,希望對大家了解WiFi技術(shù)有所幫助,在您選擇路由器的時(shí)候,多一些技術(shù)參考。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:一文搞懂WiFi全部知識點(diǎn)

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