802.11协议的发展

802.11协议的命名

802.11协议的命名是由IEEE（电子与电气工程师协会）提出来的

802.11协议相关标准

802.11物理层标准定义了无线的工作频段、调制编码方式以及最高速度支持

802.11 MAC层标准定义了如何优化802.11基站之间的传输；控制和维护802.11基站之间在共享信道上的通信

802.11物理层协议与WiFi世代

802.11协议物理层关键技术

关于信道的基础概念

载波：就是传输信道（信道）

子载波：就是一个子信道（把载波划分为多个子载波）

空间流基本概念

无线电在同一时间发送多个信号，每个信号就是一个空间流；不同空间流表示每个天线都传输不同的数据

如果两根天线传输不同的数据，则称为2空间流；如果两根天线传输相同的数据，则不能称为2空间流

即：3空间流表示必须要3条天线，但是3条天线并不一定是3条空间流

注意事项

2.4GHz频段最多只支持4个空间流

5GHz频段最多只支持8个空间流

即：就算5GHz频段有12个天线，但是也只能有8个空间流

802.11协议物理层的关键技术

信道捆绑、OFDM/OFDMA、Short-Gi、MIMO/MU-MIMO、QAM、BSS等技术

车间距（Short-Gi）和信道捆绑是可以做修改的；空间流数是硬件参数，设备出厂之后无法更改

信道捆绑技术

一个标准的信道是20MHz，包含52个子载波

可以将两个相邻的信道捆绑起来，使得信道翻倍、子载波翻倍，速率也翻倍

哪些协议支持信道捆绑

802.11n/ac/ax支持信道捆绑

对于802.11n和802.11ac Wave 1协议，只支持捆绑到40MHz

对于802.11ax和802.11ac Wave 2协议，支持捆绑到160MHz

将两个相邻的20MHz捆绑起来

OFDM/OFDMA技术

OFDM正交频分复用技术

在OFDMA出现之前，使用FH(FHSS)和DS(DSSS)技术，目前这两个技术已经不使用了

OFDM的作用

OFDM将信道分成若干正交子信道，每个子信道使用一个子载波进行调制，并行同时传输数据；提高频谱利用率

哪些协议使用OFDM

802.11a/g/n/ac

OFDMA 正交频分多址技术

OFDM和OFDMA的区别

相比于OFDM同一时刻只有一台STA和AP通信（每一个时间片段一个用户完整占据全部的子载波(这个时间段很小，用户少时基本感觉不到延迟)）

OFDMA支持同一时刻多台STA与AP通信（每一个时间片段，根据用户需求来分配子载波）

注意事项

最大支持74个用户并发来连接（当频宽为160MHz时 160MHz通过20MHz进行带宽绑定得到）

哪些协议使用OFDMA

目前只有802.11ax（WiFi6）使用OFDMA协议

Short-Gi短保护间隔技术

保护间隔是OFDM技术所必须的，必须在数据块之间有GI来保护数据可靠性，避免彼此发生碰撞

在802.11a/g使用的是normal GI，保护间隔为800ns

802.11n针对其做了改进，将保护间隔从800nx缩短为400ns，在规避干扰的同时提高了传输速率

哪些协议使用了Short-Gi

802.11n、802.11ac使用Short-Gi

802.11a/g使用的normal GI

802.11ax的GI间隔更小

MIMO/MU-MIMO技术

SISO/MISO/SIMO/MIMO——多入多出

MIMO技术是由SISO、MISO、SIMO演化而来的

MIMO技术同一时刻只允许一个用户使用多天线进行数据多入多出，使得传输速率翻倍

MIMO技术也可以称为SU-MIMO技术（单用户多入多出技术）

哪些协议使用到了MIMO、SU-MIMO技术

802.11n、802.11ac Wave1、802.11ac Wave2的上行

上行和下行的区别

上行：终端发给AP的数据

下行：AP发给终端数据

MU-MIMO 多用户多入多出技术

允许同一时刻多个用户使用多个天线进行多入多出通信

也支持同一时刻单个用户使用多天线进行多入多出

哪些协议使用到了MU-MIMO技术

802.11ac Wave2的下行、802.11ax的上下行

MIMO——波束成形

MIMO技术和MU-MIMO技术通过相位差，可以实现波束成形技术，提高抗干扰能力

什么是波束成形

当发射端有多个发射天线时，调整从各个天线发出的信号使得接收端信号强度有显著改善的技术（通过相位实现；波峰和波峰、波谷对波谷使得信号强度更高；波峰对波谷使得信号减弱）

哪些协议使用到了波束成形

波束成形起源于802.11n协议，并沿用与802.11ac、ax协议

QAM技术

QAM技术用于将数字信号通过调制的方式传输到载波上传输，可以改变每个子载波承载的数据量，更改传输的数据量，更改传输速率

例如：256-QAM，256是2的6次方，所以每个子载波可以承载6bit数据

QAM的弊端

当QAM越大时，它的传输范围就越小（举例：单个空间携带的数据越多，数据越密集，离的越远越难以看清）

BSS Color快速识别

BSS是区别相同信道的技术；目前只有802.11ax支持BSS技术

在Phy报文头中添加BSS color字段对来自不同BSS的数据进行“染色”

为每个通道分配一种颜色，该颜色标识一组不应干扰的基本服务集（BSS）

802.11MAC层关键技术CSMA/CD机制

为什么无线提出了CSMA/CD机制

有线网络使用的CSMA/CA机制

先听后发、边发边听、冲突停发、随机延迟后重发

即：发送数据之前先检测此链路有没有使用；发送数据的时候也检测此链路是否有其它数据发送，如果冲突则停止发送；停止发送之后等待一定的随机时间，时间过后再检测链路是否使用；如果空闲则发送，如果不空闲则再等待一定的随机时间

无线能够直接使用有线的CSMA/CA机制吗？

无线无法使用CSMA/CA机制，具体原因如下

1、对于无线来说，无线处于半双工的工作状态，无线客户端没有同时进行发送和接受数据的能力；即无线客户端在发送数据时无法接受侦听到的数据

2、由于站点（AP）的覆盖范围是有线的，无法检测到其它的站点（如下图：STA同时存在于站点A和站点B，但是站点都互相检测不到对方—这就是隐藏节点）

CSMA/CD的工作机制

因此无线无法检测到冲突，只可以尽量的去避免冲突，保证冲突不发生，保证同一时刻只有一个客户端发送数据；这也就是CSMA/CD的机制

主要组成

CS：载波侦听；在发送数据之前进行侦听，以确保线路空闲，减少冲突的机会

MA：多址访问；每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收

CA： Collision Avoidance 冲突避免；尽量减少碰撞发生的概率

CSMA/CD的工作原理

RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send，请求发送/允许发送）

通过次来减少节点问题所造成的冲突机制；节点主要有隐藏节点、暴露节点

RTS帧—广播

发送方想要发送数据时，会先发送RTS信号，向接收方预约链路使用权；

使得发送方范围内的其它设备收到此RTS后在指定时间内不向此发送者发送数据

可以是AP→STA，也可以是STA→AP；一般来说RTS由STA发送，CTS由AP发送

CTS帧—广播

接收方收到RTS后，如果同意则发送CTS信号答复发送方；

使得接收方范围内的其它设备收到此CTS后在一定时间内不向此接收者发送数据

NAV条状图表示NAV计时器，是由RTS和CTS帧的报文头来携带的

CSMA/CD的关键技术

802.11MAC层主要包含两个子层

分布式协调功能DCF（Distributed Coordination Function）

使用CSMA/CA机制，每个STA通过争用信道来获取数据帧的发送权。

点协调功能PCF（Point Coordination Function）

使用集中控制的接入算法，用类似于探询的方法把数据帧的发送权轮流交给各STA，从而避免碰撞冲突

802.11协议中必须有DCF机制，PCF是可选的

帧间间隔IFS

SIFS (短帧时间间隔)

用于分隔一次会话

AP和终端发送RTS和CTS之间的帧间间隔、以及CTS和数据和ACK之间的间隔

PIFS (PCF 帧间间隔)

在PCF中用于用于发送数据帧和管理帧

DIFS (DFS帧间间隔)

在DCF中用于用于发送数据帧和管理帧

当一个数据帧发送完成后，发送下一个数据帧要等待的时间

EIFS

在前一帧出错的情况下，发送节点不得不延EIFS时间段，再发送下一帧

退避时间

如果有多台STA需要发送数据，都检测到信道忙，需要执行退避算法（如果检测到信道不忙，也需要执行退避时间，方式冲突）

每个STA随机退避一段时间再发送数据（退避时间是时隙的整数倍）

STA每经历一个时隙的时间就检测一次信道，信道如果空闲则退避时间继续倒计时

如果信道忙则冻结退避计时器；重新等待信道变为空闲并再等待DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时，知道退避计时器减少为0，STA才开始发送数据帧

隐藏节点和暴露节点

通过RTS/CTS解决隐藏节点和暴露节点的冲突问题

802.11m的RTS/CTS无法解决隐藏节点问题，只有802.11ac和ax的RTS/CTS可以解决（通过携带带宽指示）

隐藏节点—两个STA都在同一个AP的覆盖范围内，但是两个STA互相检测不到

(STA1和STA2都属于AP1，但是互相检测不到；从STA1的角度看，STA2属于隐藏节点)

如果没有RTS/CTS机制，STA1和STA2无法感知到对方是否在发送数据，可能会冲突

如果有了RTS/CTS机制

STA1发送RTS预约信道

AP收到RTS后广播CTS

STA1收到CTS后准备发送数据；STA2收到CTS后进入静默状态

暴露节点—两个STA可以检测到，但是另一个STA属于不同的AP覆盖范围

（STA1和STA2可以相互检测到，但是STA1属于AP1，STA2属于AP2）

AP1和AP2属于同一个信道，当PC1向AP1发送数据时，PC2也希望向AP2发送数据

如果没有RTS/CTS，PC2侦听信道时它将听到PC1正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向AP2发送数据，但实际上它的发送不会影响AP1的数据接收，这就导致PC2所谓暴露节点问题的出现

有了RTS/CTS机制后

PC1发送RTS，PC2收到后，PC2不向PC1发送数据

AP1发送CTS给PC1，但是PC2没有收到AR1发送的CTS；此时PC2可以向此信道发送数据