80211（b/a/n/ac）速率介绍

1.第一代wifi标准 80211（80211b）（2.4G）

1997年完成，传输速率支持1Mbps 和 2Mbps。支持采用FHSS（跳频）和DSSS（直接序列扩频），采用不同技术的设备是无法兼容的，下面只讲解DSSS技术。

DSSS技术将 2.4G 频段划分为 14个信道（不同国家支持的信道不同，具体查看 国家信道表.xlsx 上面网址中包含）

 

首次定义了的 1Mbps和2Mbps的DSSS属于 80211协议，后续80211b中又定义了达5.5 与11Mbps 的物理层，因此通常的说法中 80211b速率包括 1、2、5.5、11Mbps

 

DSSS的运作方式，乃是以展频码（chipping sequence，或译为缀片序列）对数据串流作处理。

代传送的数据为1， 则用 展频码“01001000111”代替1，展频码自身都够冗余校验，提升抗干扰能力。

Mbps速率传输

在用射频载波信号进行传输时，采用DBPSK方法，DBPSK（差分二进制相移键控）用两种载波分别表示数字信号0 与 1，两种载波相位相差180°，一个波称为参考波（reference wave），所对应的编码为0。偏移半个周期的波，所对应的编码为1。当讯符为0，波形如同上一个讯符。如果讯符为1，就会偏移半个周期。

下图是传输1001101时的波形

 

 

当按协议要求的1Mbps传输数据时，无线电波实际上是每秒传输11M bit（需要先进行展频），那么载波的频率是2.4G hz，那么每段载波保持的周期是（1/11M）/（1/2.4G）=218个。（不知道这了需要不需要考虑ack回复和竞争的时间）
（具体这里怎么和信道的带宽相对应起来，还不清楚）

2Mbps传输

采用DQPSK（差分正交相移键控），共有4中相位的载波，每个载波相差45°，这样射频信号中携带的信息比DBPSK增加了一杯，每种载波代表了两个bit的数据。

 

 

同样传输 01001101， DQPSK只需要一半的时间（每种载波的保持周期不变）

 

 

5.5Mbps 和 11Mbps

在DQPSK的基础上采用了CCK编码，CCK编码有两种方式可以将射频信号中8bit数据压缩为2bit或者4bit（CCK 采用了复杂的数学转换函数，可以使用若干8-bit 序列，在每个编码字中编码4或8个位元）

2. 80211a速率（5G）

起初，802.11a 是专门针对美国所做的设计，使用 5-GHz 的国家免照信息基础建设频段。 802.11a 是以正交分频多工（orthogonal frequency division multiplexing，简称OFDM）为基础。OFDM 设备会将一个较宽的频道（frequency channel）切割成几个子频道(subchannel）。每个子频道均用来传输数据。所有这些「较慢」的子频道随后会被多工的方式组合成「较快」的频道。 所以速率会比单纯的一个频道要快。

802.11a 中作业频道的频宽为 20 MHz，OFDM 物理层将频谱区分为作业频道?每个频宽 20-MHz 的频道由 52个副载波所组成。副载波之问彼此相距 0.3125MHz 频道编号从 -26至26，其中有4个副载波充当导波（pilot carrier），副载波-21 、-7 、7以及21 被指定为导波，0号未使用。（去掉副载波之间的间隔，每个信道的宽度只有0.072Mhz，真的有这么窄？？？）

 

802.11a 在每个子频道上使用「正交调幅」(quadrature amplitude modulation，简称QAM）技术来传送数据。QAM 是在单一载波（single carrier wave）上编码数据，不过该载波是由「同相」（in-phase）与下正交：（quadrature）两种信号组成QAM 会同时对这两种信号进行调幅；亦即根据输入信号的大小调整载波波形?主载波是以同相信号为名，简写为I。正交信号落后四分之一周期，简写为Q。正交是为了保证同时传输两个信号（I和Q）的时候不受干扰。

当两个 正交波 I和Q 的幅度变化分别为 2 4 8 时，分别可形成 QPSK 16QAM 64QAM 的调制方式。BPSK可以当做一个 特殊的正交波，只有I波没有Q波。当幅度变化越多时，抗干扰能力越低，设备科通过对环境的监测灵活选用不同的幅度调制。此处的BPSK和QPSK只是调制方式和80211b中一致，实际上信道宽度和其他物理参数是完全不同的。

注：为什么没有幅度变化为6的调制，猜测可能是6 和 8 的调制，对硬件的需求是一样（或者更高，因为6不是2的幂，解调时麻烦），所以没有6的调制方式

 

为了保证数据传输时的准确性，需要加入错误更正码，根据环境干扰不同，加入的错误更正码有多又少，80211a中规定了3种加入更正码后的（有效数据）编码率为 1/2 2/3 3/4.
802.11a 标准规定 6、12与 24 Mbps是必要的（required）数据率。802.11 MAC 要求每个帧均必须得到正面回应。传送正面回应时，必须采用已连接工作站均支持的数据率。大多数设备是以 24 Mbps 的数据率传送正面回应讯息，如此不仅可以符合上述要求，也可以将网络的负担（overhead）降至最低。下图为不同编码方式和编码率下的传输速率

注：最后的72Mbps速率没有加入错误更正码。48个子信道的信息组合起来算作一个讯符。

 

还有个疑问，80211a中的BPSK和80211b中BPSK，调制方式一样，前者每个子信道带宽仅0.072MHz，速率有0.25Mbps，后者带宽20MHz，速率仅有1Mbps，80211a中在每个子信道中又采取了何种技术就不得而知了。

80211a 的频道分配
根据下列公式，可以为 5-GHz 频段中的频道指定编号，频道间相距 5 MHz：
中心频率（MHz）= 5，000＋5 x n；n = 0，1，2，..199
中心频率（MHz）= 5，000 – 5*（256 - n），n＝240，241，.. 255

每个频宽为 20-MHz 的 802.11a 频道占用四个频道。频道中心频率的示意图如下

 

3 80211g，80211a在2.4G频段上的应用（2.4G）

80211g将80211a中的技术（OFDM和QAM）应用到2.4g中，同时对2.4g上原有的80211b进行了兼容，其最高速率和80211a相同为54Mbps，

4 80211n（2.4G/5G）

80211n协议同时规定了2.4g和5g上的实施，为了提升速率，80211n使用了新增加了其他几项技术（80211a中多种编码方式同样要沿用）：
1 MIMO （多输入多输出）
AP（路由器）的一根天线和STA（手机）的一根天线可以组成一个空间流，当AP和STA同时拥有N根天线时，可以组成N个空间流，传输速率是单个空间流的N倍。80211n中规定N的纸最高为4
注意当STA只有一根天线时，就算AP拥有4根天线，也只能形成1个空间流
看维基的时候看到有3x2:2的MIMO说法，还不太理解这个定义，以后补充
2 更宽的带宽
之前的协议中规定带宽只能为20Mhz，80211n中带宽可以有40Mhz和20Mhz两种。 带宽变大了，OFDM的子载波也会变多。注意不需要两个互不重叠的相邻信道才可以组合成40M的带宽。
3 SHORT GI（防护时间）
GI（Guard Interval）只两个码流（symbols (the smallest unit of data sent at once)）之间的间隔。当存在多个空间流，空间流之间会有干扰，STA需要一段时间将多个空间流中的数据组合成一个码流，因此需要增加一个防护时间，防止下一个码流对上一个产生干扰
80211n中规定了800ns和400ns的两种GI

下表摘自维基百科（中国最近又能上维基了），第一列MCS（Modulation and Coding Scheme）值不同的调制编码方式，可以看到80211n的最高速率是600Mbps（2.4G和5G下均如此），单天线（大多数手机）下的最高速率为150Mhz。

 

 

5 80211ac （5G）

80211ac只工作在5G频段。在80211n的基础上采用以下新技术：
1 更大的带宽 80MHz和160Mhz，
2 更高的MIMO值，80211n中为4, 11ac增加到8
3 最高为254QAM

下图为MIMO值为1时的，11ac的速率值，当空间流为8时，最高速率为866*8=6928Mbps