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【科普】什么是WiFi,WiFi的前世與今生

來源:互聯(lián)網(wǎng)作者:強川科技閱讀量:1457

WiFi(Wi-Fi),是Wi-Fi聯(lián)盟的商標,也是一個基于IEEE 802.11標準的無線局域網(wǎng)(WLAN)技術。從1997年第一代IEEE 802.11標準發(fā)布至今,802.11標準經(jīng)歷了6個版本的演進,在Wi-Fi 6發(fā)布之前,Wi-Fi標準是通過從802.11b到802.11ac的版本號來標識的。隨著Wi-Fi標準的演進,Wi-Fi聯(lián)盟為了便于Wi-Fi用戶和設備廠商輕松了解Wi-Fi標準,選擇使用數(shù)字序號來對Wi-Fi重新命名。


Wi-Fi的歷史

在介紹Wi-Fi之前,先來了解兩個組織:一是電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)另一個則是WiFi 聯(lián)盟。電氣和電子工程師協(xié)會的全稱是:Institute of Electrical and Electronics Engineers,簡稱IEEE,他將自己定義為“世界上最大的技術專業(yè)協(xié)會”。IEEE負責開發(fā)和維護802.11 無線局域網(wǎng)(WLAN)通信標準,同時還在維護1200多種技術和通信標準。


WiFi 聯(lián)盟(WiFi Alliance,簡稱:WFA )是一個由多家企業(yè)和組織參與的商業(yè)化聯(lián)盟。包括了WiFi 生態(tài)系統(tǒng)中的多家公司、客戶、運營商和其他組織。該聯(lián)盟成立的目的是共同致力于使用基于標準的無線網(wǎng)絡技術實現(xiàn)和促進開放式無線通信技術的發(fā)展。


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也是就是說, IEEE只負責編寫、規(guī)定 WiFi 必須遵守的技術規(guī)范的標準。這些標準以文檔的形式發(fā)布,但對于制造商而言,不可能會或可能不會將所有的規(guī)范都集成到產(chǎn)品中,這會導致各家企業(yè)的產(chǎn)品性能、指標參差不齊。而WiFi 聯(lián)盟的出現(xiàn),就是為這些廣泛的規(guī)范而制定測試計劃、服務和認證計劃,以推動產(chǎn)品通過驗證以滿足規(guī)范要求。通過驗證產(chǎn)品的兼容性并提供預期的性能和功能使這些產(chǎn)品在市場上建立起信任。


IEEE作為標準組織,1990年就成立了802.11工作組來制定無線局域網(wǎng)的相關標準。無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,簡稱:WLAN)有廣義和狹義兩種涵義。廣義的WLAN是以各種無線電波如激光、紅外線等無線信道來代替有線局域網(wǎng)中的部分或全部傳輸介質(zhì)所構成的網(wǎng)絡;狹義的定義是基于IEEE 802.11系列標準,利用高頻無線射頻如2.4GHz或5GHz頻段的無線電磁波作為傳輸介質(zhì)的無線局域網(wǎng)。


隨著WiFi技術的實現(xiàn)相對簡單、其通信的可靠行、靈活性和以及低成本等優(yōu)勢,逐漸成為了無線局域網(wǎng)的主流技術標準,WiFi目前也就成了WLAN技術標準的代名詞。


802.11 協(xié)議非常多。從1997年至今,平均每年超過2個協(xié)議發(fā)布。這對于消費者而言則是個災難——毫無意義的一段數(shù)字和字母組合很難記住。于是WiFi聯(lián)盟提出了新的命名系統(tǒng),使供應商更容易向消費者表名他們的設備支持哪些標準,服務提供商可以解釋他們的網(wǎng)絡提供什么,用戶也更便于了解哪些產(chǎn)品使用了哪種每種標準。

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802.11標準的演進


如第6代WiFi的802.11ax技術被稱為WiFi 6。WiFi 1/2/3/4/5/6對應的都是一版協(xié)議,表示的是對協(xié)議進行了一次大的補充,或是將全新的通信技術引入到協(xié)議中。


WiFi各代的特性與缺點:

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標準的起源  IEEE 802.11-1997 (擊敗其他標準,成為業(yè)界WLAN標準)

特點:傳輸速率達到每秒 1 Mb/s 或 2 Mb/s,并規(guī)定了三種可選擇的物理層技術:

  • 以 1 Mbit/s 速度工作的散射紅外線

  • 以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 工作的跳頻擴頻技術

  • 以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 速率工作的直序擴頻技術

后兩種無線電技術通過2.4 GHz工業(yè)、科學、醫(yī)療(ISM)頻段采用微波進行傳輸。其規(guī)定的數(shù)據(jù)速率是通過紅外(IR) 信號或通過跳頻或直序擴頻 (DSSS) 無線電信號進行傳送。紅外傳輸雖然是標準的一部分但并沒有真正實現(xiàn)。

缺點:由于有太多的傳輸選擇,造成了互操作性差。



標準增強  IEEE 802.11b(WiFi 1):

特點: 速度大幅提升:數(shù)據(jù)速率為 11 Mbit/s。并且實現(xiàn)了價格大幅度下降。

缺點: 與同在 2.4 GHz 頻段內(nèi)工作的其他產(chǎn)品如微波爐、無繩電話、藍牙設備帶來相互干擾的問題。



標準增強  IEEE 802.11a(WiFi 2):

特點: 首次將5GHz 頻段放入標準。采用 52 個副載波正交頻分復用 (OFDM)技術,數(shù)據(jù)速率提升為 54 Mbit/s。抗干擾性較好。

缺點: 傳輸?shù)挠行Х秶缘停?802.11a 信號的穿透力不如 802.11b。



2.4G和5G WiFi比較

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標準的擴展與兼容  IEEE 802.11g(WiFi 3):

特點:在2.4 GHz 頻段中工作 使用與 802.11a 相同的基于 OFDM 的傳輸方式,最大傳輸速率為 54 Mbit/s。硬件完全向下兼容 802.11b。

缺點:2.4 GHz 仍然存在干擾問題。如果在 802.11g 網(wǎng)絡中有 802.11b 設備則會明顯降低整個802.11g 網(wǎng)絡的速度。



基于MIMO-OFDM的HT標準  IEEE 802.11n(WiFi 4):

特點:利用MIMO 多入多出的技術, 并綁定40 MHz 信道, 信道捆綁技術可以將臨近兩個頻段捆綁在一起使用,理論上可以使速率成倍增加,此外,MAC 層增加了幀匯總功能。由此單個流數(shù)據(jù)速率提升到最高600Mbps,比802.11g的速率提高了10倍。

缺點:信道捆綁技術的缺點也很明顯,信號都會互相產(chǎn)生干擾,爭用頻譜資源。同時,當使用大帶寬進行傳輸時,需要保證其所有需要使用的信道都處于空閑狀態(tài),由于干擾的存在導致會退到較低帶寬,造成信道使用率不高。



VHT標準  IEEE 802.11ac(WiFi 5):

特點:802.11ac(超高吞吐量或 VHT 標準)采用多用戶MIMO技術(MU-MIMO),允許一個無線接入點在一個時間內(nèi)使用相同的頻向多個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。MU模式最多支持4個用戶,每個用戶最多支持4條流,流的總署不超過8條。

支持更大的帶寬綁定。802.11ac支持綁定4個信道 80MHz的頻寬。支持更高密度的調(diào)制,實現(xiàn)最高256-QAM。

缺點:由于5GHz頻段的頻率分配方面各國還有很大的差別,從而導致了高帶寬頻道的可用性和數(shù)量的區(qū)別。這將顯著增加設備商向全球銷售的設備的生產(chǎn)復雜性。



HEW標準  IEEE 802.11ax(WiFi 6):

特點:802.11ax,也稱為高效無線網(wǎng)絡(High-Efficiency Wireless-HEW),802.11ax子載波間隔更窄正交頻域復用(OFDM)的符號持續(xù)時間更長,在同一信道帶寬內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)的同時,能夠在室外環(huán)境和有衰落的場景中提供更好的性能和覆蓋范圍。

802.11 ax 同時使用2.4和5GHz 頻段,使得WLAN 設備在這兩個頻段中擁有更高的性能和效率,802.11 ax 任務組定義了新的 6 GHz 頻段。

采用基于1024-QAM的新調(diào)制方案和編碼集。通過MU-MIMO和正交頻分多址(OFDMA)技術指定下行鏈路和上行鏈路多用戶操作,提升數(shù)據(jù)速率的同時降低了時延。優(yōu)化了流量和信道訪問,擁有了更好的電源管理。

缺點:采用5GHz頻段的802.11ax在傳輸距離上只有2.4GHz信號的一半,同時802.11ax的信號覆蓋有效范圍大致和802.11ac差不多。

隨著智能終端的普及以及智能家居、元宇宙、虛擬現(xiàn)實、高清視頻等新應用需求的驅(qū)動,對無線局域網(wǎng)的性能要求也不斷提升。無線網(wǎng)絡需滿足用戶更加極致快速的體驗,更加安全、以及更為健壯的整體網(wǎng)絡性能——實現(xiàn)自動部署、自動優(yōu)化以及自動故障排除。

在物聯(lián)網(wǎng)的場景下WiFi技術也面臨來自NB-IoT、LoRa、Zigbee等無線傳輸技術的競爭。WiFi技術相比NB-IoT、LoRa等技術無論在接入終端數(shù)量、設備功耗等指標上還是價格降低幅度上均處于不低的地位。

然而與廣域網(wǎng)5G技術形成成了良好的互補。WiFi改善了5G通信在室內(nèi)場景穿透性差、覆蓋率低、功耗高等問題,5G也改善WiFi 在室外場景下無法實現(xiàn)大量設備遠距傳輸?shù)膯栴}。WiFi技術與廣域網(wǎng)技術的優(yōu)勢互補長期共存的態(tài)勢明顯。



Wi-Fi和WLAN的區(qū)別

Wi-Fi指的是Wi-Fi聯(lián)盟的商標,也是一種基于IEEE 802.11標準的無線網(wǎng)絡通信技術,目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品之間的互通性。


WLAN的全稱是Wireless Local Area Network,中文含義是無線局域網(wǎng),WLAN的定義有廣義和狹義兩種:廣義上講WLAN是以各種無線電波(如激光、紅外線等)的無線信道來代替有線局域網(wǎng)中的部分或全部傳輸介質(zhì)所構成的網(wǎng)絡;WLAN的狹義定義是基于IEEE 802.11系列標準,利用高頻無線射頻(如2.4GHz或5GHz頻段的無線電磁波)作為傳輸介質(zhì)的無線局域網(wǎng)。我們?nèi)粘I钪械腤LAN,就是指的WLAN的狹義定義。在WLAN的演進和發(fā)展過程中,其實現(xiàn)技術標準有很多,如藍牙、Wi-Fi、HyperLAN2等。而Wi-Fi技術由于其實現(xiàn)相對簡單、通信可靠、靈活性高和實現(xiàn)成本相對較低等特點,成為了WLAN的主流技術標準,Wi-Fi技術也逐漸成為了WLAN技術標準的代名詞。


簡單來說就是,WLAN是一個網(wǎng)絡系統(tǒng),而Wi-Fi是這個網(wǎng)絡系統(tǒng)中的一種技術。所以,WLAN和Wi-Fi之間是包含關系,WLAN包含了Wi-Fi。



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