无线通信的基本概念
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無線電波
- 無線電波是電磁波的一種。
- 電磁波又稱為電磁輻射，指同相振蕩，且互相垂直的電場與磁場，在空間中以波的形式傳遞能量和動量，其傳播方向垂直于電場與磁場的振蕩方向，前進速度為光速。
無線電波的頻率與波長
- 頻率是單位時間內完成周期性變化的次數，可通俗理解為在單位時間內通過的波的數量。
- 波長是波在兩個相鄰周期上的相同點的距離，即一個震動周期內傳輸的距離，通常用兩個波峰或波谷之間的距離來表達。
無線電波的頻率與頻段
頻率的分布就是頻道，射頻的頻率范圍為頻段，WLAN使用的是電磁波是無線電波。
電磁波頻譜與無線電波 - 電磁波的頻率越高，能量越大，直射能力越強，傳輸過程中能量衰減越快，傳輸距離越短。
- 無線電波是由振蕩電路的交變電流產生的，能夠通過天線發射和接收，也稱為無線電、電波、射頻、射頻電波或射電。
- 無線電磁波是頻率介于3赫茲和300G赫茲之間的電磁波，也叫作射頻電波，或簡稱射頻、射電。無線電技術將聲音訊號或其他信號經過轉換，利用無線電磁波傳播。
- WLAN技術就是通過無線電磁波在空間中傳輸信息的，使用的頻段是2.4GHz頻段（2.4GHz-2.4835GHz）和5GHz頻段（5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.85GHz）
無線電波的相位 - 相位是對于一個波特定的時刻在它循環中的位置，一種對于它是否在波峰、波谷或它們之間的某點的標度，通常以度（角度）或弧度作為單位，也稱相位角。
- 波形循環一周即為360°，53.7°為一弧度。
- 兩個頻率相同的無線信號在到達接收端的是時候彼此相位相同，則兩個信號會疊加，信號增強。兩個頻率相同的無線信號在到達接收端的時候彼此相位相反，則兩個信號會衰減，信號減弱。
無線通信系統 - 在無線通信系統中，信息可以是圖像、文字。聲音等
- 信息需要先經過信源編碼轉變為便于電路計算的處理的數字信號，在經過信號編碼和調制，轉換為無線電波發射出去。
- 其中發送設備和接收設備使用接口和信道鏈接，對于無線通信，接口是不可見的，連接著不可見的空間，稱為空口（空間接口）。
編碼
信源編碼 - 將原始的信息，經過對應的編碼，轉換為數字信號的過程。
- 保證不失真的情況下，最大限度壓縮信息。
- 在不同類型的信息，需要不同的編碼方式處理，例如H.264就是視頻的一種編碼方式。
信道編碼 - 信道編碼是一種對信息糾錯、檢錯的技術，可以提升信道傳輸的可能性。
- 引入信道編碼能夠接受在設備上最大程度地恢復信息、降低誤碼率。
信道編碼需在原始信息中增加冗余信息，所以經過信道編碼后，信息長度會有所增加。 - 原始信息真的占比可以用編碼效率表示，簡稱碼率，即編碼前后的比特數量比。
- 信道編碼不能提升有效信息的傳輸速率，反而會有所降低，但提高了有效信息傳輸的成功率。
調制與解調
調制：將各種數字基帶信號轉換為適于信道傳輸的數字調制信號。分為：調幅、調頻和調相。
解調：在接收端將收到的數字頻帶信號還原成數字基帶信號。
載波 - 載波是一個特定頻率的無線電波，單位Hz，是一種頻率、振幅或相位被調制用以傳輸語言、音樂、圖像或其他信號的電磁波。
- 無線通信的基礎是載波，這個信號在發射器部分產生，并不帶有任何信息，在接收器部分也作為不變的信號出現。
子載波 - 一個信道就是一個特定頻率的無線電波，每個用戶用來收/發信息的時候都是用一頻率承載信息。
- 子載波，就是多載波通信中的一個子信道。
- OFDM是一種多載波調制技術，主要將指定信號分成若干子信道在每個子信道上使用子載波進行調制，并且各子載波是并行傳輸，可以有效提高信道的頻譜利用率。
信道的概念 - 信道：信道是傳輸信息的通道，無線信道就是空間中無線電波傳輸信息的信道。
- 重疊信道：在一個空間內同時存在重疊信道，則會產生干擾問題。
- 非重疊信道：頻段范圍不重疊的信道，在傳統認知上2.4GHz只有1.6.11才是非重復信道。相鄰的AP，在同一個空間中，須使用不重疊信道
2.4GHz & 5GHz頻段的信道 - 2.4GHz頻段被劃分為14個有重疊的、頻率寬度是20MHz的信道（801.11b除外），現常用的的非重疊信道為1、5、9和13。
- 對于5G頻段，頻率資源更為豐富，有大量的非重疊信道，在中國，可以使用的信道的非重疊信道有13個。
信道的綁定 - 將相鄰的兩個甚至多個不重疊信道綁在一起，作為一個信道來使用，可以使用，可以使傳輸速率成倍提高。
- 802.11標準，空口大部分都工作在20MHz頻寬。
射頻、頻段、天線
- WLAN 使用的電波是無線電波。無線電波是由由震蕩電路的交變電流產生的，能夠通過天線發射和接收。
- 射頻的頻率范圍為頻段
- 天線是一種變換器，把傳輸線上傳輸的導線波，變換為在空間內傳播的電磁波，或者進行相反地變換，是在無線電設備中用來發射或者接收電磁波的部件。
空間流
- 無線電在同一時間發送多個信號，每個信號都是一個空間流。
- 空間流使用發射端的天線進行發送，每個空間流通過不同的路徑接收端。
- 通常情況下，一個發送天線和一個接受天線可以建立一個空間流。
- 由于802.11ac及8022.11ax協議規定一個射頻最大8個空間流，在這種情況下，就算有12個天線，也只有8個空間流。
單射頻、雙射頻、三射頻
- 單射頻AP：射頻工作在2.4GHz或者5GHz,適用于終端統一的使用場景。
- 雙射頻AP：射頻工作在2.4GHz以及5GHz,目前主流使用于各大WLAN場景。
- 三射頻AP：兩個射頻工作在5GHz,一個射頻工作在2.4GHz,主要使用于普教電子教室、高密、高超等場景。
干擾
干擾是指對有用的信號接收造成損傷。分為WiFi設備干擾和非WiFi設備干擾。
干擾與信道利用率
- 信道利用率
對發送方而言，發送方在一個發送 周期內，有效的發送數據所需要的的時間占整個發送周期的比率。
信道利用率=信道繁忙的時間/周期時間 - WLAN干擾加強了沖突與退避：多個設備同時傳輸造成空口碰撞時，接收端無法正常解析報文，發送端重傳退避使得空閑等待時長拉長，降低信道占用率。
理論速率與實現速率 - WLAN理論速率指的是在某個協議標準下，理論計算出的該標準能夠到達的最高傳輸速率。比如820.11ac Wave 2的理論速率可以達到6.9Gbps。
- WLAN實現速率指的是廠商基于某個協議標準，開發出的產品能夠到達的最高速率。
| WiFi 4 | 801.11n | √ | √ | 2.4Ghz：450Mbps | 2.4GHz：450Mbps |
| WiFi 4 | 801.11n | √ | √ | 5Ghz：600Mbps | 5GHz：600Mbps |
| WiFi 5 | 802.11ac Wave1 | √ | 3.14Gbps | 1.3Gbps | |
| WiFi 5 | 802.11ac Wave2 | √ | 6.9Gbps | 1.73Gbps | |
| WiFi 6 | 802.11ax | √ | √ | 2.4GHz：1.15Gbps | 2.4GHz：1.15Gbps |
| WiFi 6 | 802.11ax | √ | √ | 5GHz:9.6Gbps | 5GHz：9.6Gbps |
802.11標準
| 802.11e | Qos |
| 802.11h | 動態調制DFS，傳輸功率TPC |
| 802.11i | 無線安全標準 |
| 802.11r | 無線漫游技術 |
| 802.11s | Mesh |
| 802.11n | 600Mbps |
| 802.11ac | 6.9Gbps |
| 802.11ax | 9.6Gbps |
802.11n-WiFi4
| 2.4GHz | 450Mbps |
| 5GHz | 600Mbps |
全新技術：
- OFDM改進FEC前向糾錯
- 40MHz信道綁定
- Short GI短幀間隔
- MIMO多輸入多輸出
- 增強的物理層
關鍵技術：
- 更多子載波：在20MHz信道下，子載波由48 -->52
- 更高編碼率：編碼率由3/4 -->5/6
- 更短GI ：GI由0.8us–>0.4us
- 更寬的信道：頻寬可由20MHz–>40MHz,子載波由52–>108
- 更多的空間流：空間流可由但空間流–>2/3/4空間流
802.11ac–WiFi5
| 2.4GHz | 不支持 |
| 5GHz | 802.11 ac wave2 6.9Gbps |
全新技術：
- 160MHz信道綁定
- MU-MIMO下行
- 增強的物理層
802.11ax WiFi 6
| 2.4GHz | 1.15Gbps |
| 5GHz | 9.6Gbps |
全新技術：
- OFDMA DL/UL
- 8*8 MU-MIMO DL/UL
- 1024-QAM
- 增強的物理層
WLAN的關鍵模型
- WLAN是一種基于IEEE 802.11標準的無線局域網技術。
- 802.11標準聚焦在TCP/IP對等模型的下兩層
數據鏈路層：主要負責信道接入、尋址、數據幀校驗、錯誤檢測、
物理層：主要負責空口中傳輸比特流。
| 物理層 | MAC層 |
| OFDM正交頻分復用 | CSMA/CA |
| OFDMA正交頻分多址 | RTS/CTS |
| MIMO | 幀間間隔 |
| |信道綁定 | |
| \ | 幀聚合技術 |
| \ | 塊確認技術 |
802.11物理層技術
802.11所采用的的無線電物理層使用的三種不同的技術：跳頻（FH或FHSS）、直接序列（DS或DSSS）、正交頻分復用（OFDM）。
OFDM-正交頻分復用
- OFDM是一種特殊的多載波調制技術，其主要思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行 傳輸。各子載波相互正交，擴頻調制后的頻譜可以相互重疊，不但減少了子載波的相互干擾，還提高了頻譜利用率。
- 當一個子載波達到波峰時，另一個子載波復讀為0，即為兩個子載波正交無干擾
- OFDM之所以能夠使用相互重疊的子載波，是因為定義了副載波，因此可以輕易區分彼此。
- 如圖:信號分為三個副載波，每個副載波的波峰均作為數據編碼之用，如圖中上方標示的圓點。這些副載波之間經過刻意設計，彼此之間保持正交關系。注意每個副載波的波峰，此時其他兩個副載波的振幅均為0。
OFDM子信道調制技術
OFDM調制方式：BPSK（二進制相位鍵控）、QPSK（正交相移鍵控）、QAM（正交幅度調制）
總結
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