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Wi-Fi技術早已被個人電腦、手持設備（如pad、手機）等終端廣泛使用，我們的生活也離不開這項無線連接技術。但是關于Wi-Fi的標準演進、物理層技術、關鍵技術你了解嗎？本文將一一進行介紹。
1 概述
WLAN是無線局域網(wǎng)絡的簡稱，全稱為Wireless Local Area Networks，是一種利用無線技術進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，該技術的出現(xiàn)能夠彌補有線局域網(wǎng)絡之不足，以達到網(wǎng)絡延伸之目的。
Wi-Fi是無線保真的縮寫，英文全稱為Wireless Fidelity，在無線局域網(wǎng)才對范疇是指“無線兼容性認證”，實質(zhì)上是一種商業(yè)認證，同時也是一種無線聯(lián)網(wǎng)技術，與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。同藍牙技術相比，它具備更高的傳輸速率，更遠的傳播距離，已經(jīng)廣泛應用于筆記本、手機、汽車等廣大領域中。
WIFI是無線局域網(wǎng)聯(lián)盟的一個商標，該商標僅保障使用該商標的商品互相之間可以合作，與標準本身實際上沒有關系，但因為WIFI 主要采用802.11b協(xié)議，因此人們逐漸習慣用WIFI來稱呼802.11b協(xié)議。從包含關系上來說，WIFI是WLAN的一個標準，WIFI包含于WLAN中，屬于采用WLAN協(xié)議中的一項新技術。
在WiFi使用之初，在安全性方面非常脆弱，很容易被別有用心的人截取數(shù)據(jù)包，所以在安全方面成了政府和商業(yè)用戶使用WLAN的一大隱患。WAP（無線應用協(xié)議）是由我國制定的無線局域網(wǎng)中的安全協(xié)議，它采用國家密碼管理委員會辦公室批準的公開密鑰體制的橢圓曲線密碼算法和秘密密鑰體制的分組密碼算法，實現(xiàn)了設備的身份鑒別、鏈路驗證、訪問控制和用戶信息在無線傳輸狀態(tài)下的加密保護。2009年6月15日，在國際標準組織ISO/IECJTC1/SC6會議上，WAPI國際提案首次獲得包括美、英、法等10余個與會國家成員體一致同意，將以獨立文本形式推進其為國際標準，目前在中國加裝WAPI功能的WIFI手機等終端可入網(wǎng)檢測并獲進網(wǎng)許可證。
2 WiFi標準的演進
IEEE 802.11是針對WIFI技術制定的一系列標準，第一個版本發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞剑倲?shù)據(jù)傳輸速率設計為2Mbps。1999年加上了兩個補充版本：802.11a定義了一個在5GHz ISM頻段上的數(shù)據(jù)傳輸速率可達54Mbps的物理層，802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但數(shù)據(jù)傳輸速率高達11Mbps的物理層。802.11g在2003年7月被通過，其載波的頻率為2.4GHz（跟802.11b相同），傳輸速率達54Mbps。802.11g的設備向下與802.11b兼容。其后有些無線路由器廠商因應市場需要而在IEEE 802.11g的標準上另行開發(fā)新標準，并將理論傳輸速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。IEEE 802.11n是2004年1月時IEEE宣布組成一個新的單位來發(fā)展的新的802.11標準，于2009年9月正式批準，最大傳輸速度理論值為600Mbps，并且能夠傳輸更遠的距離。IEEE 802.11ac是一個正在發(fā)展中的802.11無線計算機網(wǎng)絡通信標準，它通過5GHz頻帶進行無線局域網(wǎng)（WLAN）通信，在理論上，它能夠提供高達1Gbps的傳輸速率，進行多站式無線局域網(wǎng)（WLAN）通信。
除了上述的標準，另外有一個被稱為IEEE 802.11b+的技術，通過PBCC（Packet Binary Convolutional Code）技術在IEEE 802.11b（2.4GHz頻段）基礎上提供22Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。但這事實上并不是一個IEEE的公開標準，而是一項產(chǎn)權私有的技術，產(chǎn)權屬于德州儀器。IEEE的一個工作組TGad與無線千兆比特聯(lián)盟聯(lián)合提出802.11ad的標準，即在60GHz的頻段上面使用大約2GHz的頻譜帶寬，實現(xiàn)近距離范圍內(nèi)高達7Gbps的傳輸速率。
3 WiFi物理層技術
WiFi是由無線接入點AP（Access Point） 、站點（Station）等組成的無線網(wǎng)絡。AP一般稱為網(wǎng)絡橋接器或接入點，它是當作傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)絡與無線局域網(wǎng)絡之間的橋梁，因此任何一臺裝有無線網(wǎng)卡的PC均可透過AP去分享有線局域網(wǎng)絡甚至廣域網(wǎng)絡的資源。它的工作原理相當于一個內(nèi)置無線發(fā)射器的HUB或路由，而無線網(wǎng)卡則是負責接收由AP所發(fā)射信號的CLIENT端設備。
802.11發(fā)布之初，只支持1Mbps和2Mbps兩種速率，工作于2.4GHz頻段上面，兩個設備之間的通信可以自由直接的方式進行，也可以在基站（BS）或者訪問點（AP）的協(xié)調(diào)下進行。
802.11a標準采用了與原始標準相同的核心協(xié)議，工作頻率為5GHz，使用正交頻分多路復用副載波，最大原始數(shù)據(jù)傳輸率為54Mb/s。如果需要的話，數(shù)據(jù)率可降為48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。它不能與IEEE 802.11b進行互操作，除非使用了對兩種標準都采用的設備。由于2.4GHz頻帶已經(jīng)被到處使用，采用5GHz的頻帶讓802.11a具有更少沖突的優(yōu)點。然而，高載波頻率也帶來了負面效果。802.11a幾乎被限制在直線范圍內(nèi)使用，這導致必須使用更多的接入點；同樣還意味著802.11a不能傳播得像802.11b那么遠，因為它更容易被吸收。
802.11g的調(diào)制方式和11a類似，但其載波的頻率為2.4GHz（跟802.11b相同），共14個頻段，原始傳送速度也可達為54Mbps，802.11g的設備向下與802.11b兼容。
802.11n引入了MIMO的技術，使用多個發(fā)射和接收天線來允許更高的數(shù)據(jù)傳輸率，并增加了傳輸范圍；并支持在標準帶寬20MHz和雙倍帶寬40MHz，使用4×4 MIMO時的速度最高可達600Mbps。
802.11ac采用并擴展了源自802.11n的空中接口概念，包括高達160MH的射頻帶寬，最多8個MIMO空間流以及最高可達256QAM的調(diào)制方式。以下是這幾種標準的主要屬性對比。
| 802.11 | 802.11b | 802.11g | 802.11a | 802.11n | 802.11ac | |
| 頻率范圍? | 2.4 | 2.4 | 2.4 | 5 | 2.4/5 | 5 |
| (GHz) | ||||||
| 調(diào)制技術 | FHSS | CCK | CCK | OFDM | OFDM | OFDM |
| /DSSS | / DSSS | /OFDM | ||||
| 物理速率 | 1月2日 | 1月2日 | 6/9/12/18 | 6/9/12/18 | 高達600 | 高達1000以上 |
| (Mbps) | /5.5/11 | /24/36/48/54 | /24/36/48/54 | |||
| 信道帶寬 | N/A | 22MHz | 20MHz | 20MHz | 20MHz | 20MHz |
| 40MHz | 40MHz | |||||
| 80MHz | ||||||
| 160MHz | ||||||
| 數(shù)據(jù)子載波 | N/A | N/A | Apr-52 | Apr-52 | 108/6 | 108/6 |
| /導頻個數(shù) | 234/8 | |||||
| 空間流 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1~4 | 1~8 |
4 WiFi關鍵技術
為了盡量減少數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送，防止各站點無序地爭用信道，無線局域網(wǎng)中采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免協(xié)議。CSMA/CA通信方式將時間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來，保證某一時刻只有一個站點發(fā)送，實現(xiàn)了網(wǎng)絡系統(tǒng)的集中控制。送出數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽媒體狀態(tài)，等沒有人使用媒體，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間后依然沒有人使用，才送出數(shù)據(jù)。由于每個設備采用的隨機時間不同，所以可以減少沖突的機會。
直接序列擴頻技術是802.11b所采取的主要調(diào)制技術。直接序列擴頻技術是把使用11位的Chipping Barker序列來將數(shù)據(jù)編碼并發(fā)送的技術。發(fā)送端通過spreader把chips（就是一串的二進制碼）添加入要傳輸?shù)谋忍亓髦校Q為編碼；然后在接收端用同樣的chips進行解碼，就可以得到原始數(shù)據(jù)了。在相同的吞吐量下，直接序列擴頻技術需要比跳頻技術更多的能量；但以消耗能量為代價，它也能達到比跳頻技術更高的吞吐量，802.11b能達到5.5Mbps和11Mbps就是采用HR/DSSS技術。
正交頻分復用OFDM（Orthogonal frequency-division multiplexing）是一種基于正交多載波的頻分復用技術，它是802.11a/g/n/ac中都采取的調(diào)制技術，它將高速串行數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后，分割成大量的低速數(shù)據(jù)流，每路數(shù)據(jù)采用獨立載波調(diào)制并疊加發(fā)送，接收端依據(jù)正交載波特性分離多路信號。
OFDM與傳統(tǒng)頻分復用FDM的區(qū)別在于：傳統(tǒng)的頻分復用技術需要在載波間保留一定的保護間隔，結(jié)合濾波來減少不同載波間領譜的重疊，從而避免各載波間的相互干擾；而OFDM技術的不同載波間的頻譜是重疊在一起的，各子載波間通過正交特性來避免干擾，有效地減少了載波間的保護間隔，提高了頻譜利用率。
擴展綁定技術是802.11n中所引入的新技術，并在802.11ac中得以繼承和發(fā)展，它能夠提高所用頻譜的寬度從而提高傳輸速率。802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來使用。而當頻寬是20MHz的時候，為了減少相鄰信道的干擾，在其兩側(cè)預留了一小部分的帶寬邊界。而通過40MHz綁定技術，這些預留的帶寬也可以用來通訊，可以將子載體從104（52×2）提高到108。在802.11ac中頻寬進一步的可以擴展到80MHz和160MHz，使得傳輸速率進一步的提升。
多輸入多輸出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術是802.11n和802.11ac采用的關鍵技術。傳統(tǒng)單輸入輸出無線傳輸SISO（Single Input Single Output），接收的無線信號中攜帶的信息量的多少取決于接收信號的強度超過噪聲強度的多少，即信噪比。信噪比越大，信號能承載的信息量就越多，在接收端復原的信息量也越多。MIMO結(jié)合復數(shù)的射頻鏈路和復數(shù)的天線，即同時在多個天線上發(fā)送出不同的信號，而接收端則通過不同的天線將在不同的射頻鏈路的信號獨立的解碼出來。MIMO在802.11n通常定義為M*N，其中M為發(fā)射機天線數(shù)，N為發(fā)射機天線數(shù)。空間流數(shù)是決定最高物理傳輸速率的參數(shù)，在802.11n中定義了最高的流數(shù)為4，流數(shù)越多速率就越高。在802.11n中，在其他參數(shù)確定后，最高速率按空間流的倍數(shù)變化，如1個獨立空間流最高可達150Mbps， 4個獨立空間流可達600Mbps。空間流數(shù)與天線數(shù)，一般是一致的。但也可采用不對稱的天線數(shù)和空間流數(shù)，天線數(shù)量必須不小于空間流數(shù)，如2個空間流的至少需要兩個天線來支持。
智能天線技術也是802.11n采用的一個新的技術，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可以動態(tài)調(diào)整波束，保證讓WLAN用戶接收到穩(wěn)定的信號，并可以減少其它信號的干擾。因此其覆蓋范圍可以擴大到好幾平方公里，使WLAN移動性極大提高。在兼容性方面，802.11n采用了一種軟件無線電技術，它是一個完全可編程的硬件平臺，使得不同系統(tǒng)的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現(xiàn)互通和兼容，這使得WLAN的兼容性得到極大改善。這意味著WLAN將不但能實現(xiàn)802.11n向前后兼容，而且可以實現(xiàn)WLAN與無線廣域網(wǎng)絡的結(jié)合。
5 總結(jié)
經(jīng)過10多年的發(fā)展，WiFi的應用已經(jīng)得到極大的發(fā)展，目前市場上面有超過30億臺電子設備使用Wi-Fi技術，涉及到的領域越來越廣泛。相比較傳統(tǒng)的物理連接布線而言，它的使用非常簡便，非常適合移動辦公的需要，同時它比藍牙技術等傳統(tǒng)無限通信技術具備更高的傳輸速率，更遠的傳送距離。但同時也具備一些缺點，如無線信號容易受到建筑物墻體的阻礙，傳播時容易受到同頻段的其他信號的干擾，另外網(wǎng)絡的安全性也差強人意，容易受到非法用戶對網(wǎng)絡進行竊聽、攻擊和入侵。相信隨著無線通信技術的發(fā)展，這些問題會得到解決和完善。
工商網(wǎng)監(jiān)
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