网工 无线标准及调制技术

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1G通信主要以语音为主，调制方式FDMA;2G通信发展了短信传输，调制方式是CDMA、TDMA；3G通信也主要采用了CDMA、TDMA；4G需要传输视频信息，主要采用了OFDMA；5G则提出了SCMA稀疏码分多址接入。

WiFi标准的演进

Wi-Fi标准的演进主要是通过IEEE（电气和电子工程师协会）提出的一系列802.11协议来实现的。这些协议定义了无线局域网（WLAN）技术的规范，以确保不同设备之间的互操作性和性能提升。

  1. 802.11: 最早的Wi-Fi标准，于1997年发布，支持最高传输速率为2 Mbps。这个标准使用了2.4 GHz频段，并采用了频移键控（FSK）和调制解调器（QPSK）技术。
  2. 802.11b: 于1999年发布，提高了最大传输速率至11 Mbps。与802.11相比，802.11b使用了相同的2.4 GHz频段，但采用了更先进的调制技术（康斯特编码）。
  3. 802.11a: 也于1999年发布，但采用了5 GHz频段。它支持更高的最大传输速率，达到了54 Mbps，但由于频段不同，与802.11b不兼容。
  4. 802.11g: 于2003年发布，结合了802.11b和802.11a的特点，支持2.4 GHz频段，并提供最高传输速率为54 Mbps。与802.11b兼容，但由于频段相同，与802.11a不兼容。
  5. 802.11n: 于2009年发布，引入了多天线技术（MIMO），可同时传输多个数据流，提高了传输速率和覆盖范围。它在2.4 GHz和5 GHz频段均可工作，最高传输速率可达600 Mbps或更高。
  6. 802.11ac: 于2013年发布，主要在5 GHz频段上工作，引入了更多的MIMO流，波束成形技术和更高的调制技术，最高传输速率可达几千兆比特每秒（Gbps）。
  7. 802.11ax（Wi-Fi 6）: 于2019年发布，旨在提高网络容量和效率。它引入了更多的改进，如OFDMA（正交频分多址），MU-MIMO（多用户多输入多输出）等，以适应越来越多的连接设备和高密度环境。
  8. 802.11be（Wi-Fi 7）: 这是一个尚未正式发布的标准，但预计将在未来几年内出现。它将进一步提高速度和性能，以满足不断增长的无线通信需求，同时提供更好的安全性和可靠性。

各个标准对比

WiFi标准WiFi版本协议标准频段PHY技术调制方式空间流数信道带宽数据速率
802.11Wi-Fi 119972.4 GHzDSSSBPSK, QPSK120 MHz2 Mbps
802.11bWi-Fi 119992.4 GHzDSSSCCK, QPSK120 MHz11 Mbps
802.11aWi-Fi 219995 GHzOFDMBPSK, QPSK, 16-QAM120 MHz54 Mbps
802.11gWi-Fi 320032.4 GHzOFDMBPSK, QPSK, 16-QAM120 MHz54 Mbps
802.11nWi-Fi 420092.4 GHz, 5 GHzMIMO-OFDMBPSK, QPSK, 16-QAMUp to 420/40 MHzUp to 600 Mbps
802.11acWi-Fi 520135 GHzMIMO-OFDMBPSK, QPSK, 16-QAMUp to 820/40/80/160 MHzUp to 3.47 Gbps
802.11axWi-Fi 620192.4 GHz, 5 GHzOFDMA, MU-MIMOBPSK, QPSK, 16-QAMUp to 820/40/80/160 MHzUp to 9.6 Gbps
802.11beWi-Fi 72021 年定了草案，2024 年最终版本2.4、5、6 GHzOFDMA, 上下行MU-MIMO4096-QAM820/40/80/160/320 MHzUp to 23Gbps

OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

MU-MIMO (Multi-User MIMO) 和 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

其他无线标准和技术

Bluetooth

  • 频率：2.4 GHz
  • 技术：使用跳频扩频技术 (FHSS)。
  • 用途：短距离无线通信，如耳机、键盘等。

Zigbee

  • 频率：2.4 GHz, 915 MHz, 868 MHz
  • 技术：低功耗无线技术，适合智能家居和物联网设备。
  • 用途：智能家居自动化、传感器网络等。

Z-Wave

  • 频率：908.42 MHz (北美), 868.42 MHz (欧洲)
  • 技术：低功耗无线技术，专为家庭自动化设计。
  • 用途：家庭自动化、智能照明等。

NFC (Near Field Communication)

  • 频率：13.56 MHz
  • 技术：近距离无线通信技术，用于数据交换。
  • 用途：支付、门禁、数据传输等。

频段概述

  • 2.4 GHz频段:
    • 目前最常用的频段之一。
    • 由于频率较低，穿透力较强，但容易受到干扰。
    • 包括802.11b/g/n标准。
  • 5 GHz频段:
    • 提供更高的数据传输速率和更低的干扰。
    • 包括802.11a/ac/ax标准。
    • 由于频率较高，穿透力相对较弱。
  • 6 GHz频段:
    • 新兴的频段，主要用于Wi-Fi 6E和未来的Wi-Fi 7。
    • 提供更大的带宽和更低的干扰。

无线信道

无线信道是指用于传输无线电信号的空间介质，它没有物理形态，但允许信号从发射端传播到接收端。

无线信道的划分

无线信道可以根据其频率范围进行划分，不同的频段具有不同的特性和应用场景。以下是一些常见的无线信道划分：

  1. 极低频 (VLF)：3 kHz 至 30 kHz
    • 主要用于海底通信和某些军事用途。
  2. 低频 (LF)：30 kHz 至 300 kHz
    • 用于导航、水下通信等。
  3. 中频 (MF)：300 kHz 至 3 MHz
    • 用于AM广播和远程导航。
  4. 高频 (HF)：3 MHz 至 30 MHz
    • 用于远程无线电通信、短波广播和业余无线电。
  5. 甚高频 (VHF)：30 MHz 至 300 MHz
    • 用于电视广播、FM广播、陆地移动通信等。
  6. 超高频 (UHF)：300 MHz 至 3 GHz
    • 用于电视广播、移动通信、无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙等。
  7. 微波：3 GHz 至 300 GHz
    • 用于卫星通信、移动通信、雷达系统、点对点链路等。
  8. 毫米波 (mmWave)：30 GHz 至 300 GHz
    • 用于5G通信、高分辨率雷达和成像系统。

频段特点

  • 频率越高，波长越短，通常可以支持更高的数据传输速率。
  • 频率越低，波长越长，信号穿透能力和覆盖范围通常更好。
  • 较高频率的信号更容易受到障碍物的阻挡，而较低频率的信号则更容易绕过障碍物。

在同一场所部署多个接入点（Access Points, AP）时，合理划分无线信道对于避免干扰、提高网络性能至关重要。下面是针对同一场所AP无线信道划分的一些建议：

1. 选择合适的频段

首先，需要确定使用哪个频段。目前最常用的频段是2.4 GHz和5 GHz。

  • 2.4 GHz频段：这个频段较为拥挤，共有14个信道（在大多数国家），但实际可用的互不干扰的信道只有3个（1、6、11）。因此，在2.4 GHz频段中，需要特别注意信道的分配。
  • 5 GHz频段：这个频段拥有更多的可用信道（根据地区不同，通常有20多个），并且每个信道之间相隔更远，减少了干扰的可能性。

2. 信道规划原则

  • 最小化干扰：尽量减少相邻AP之间的信道重叠。
  • 最大化带宽：利用可用信道的最大带宽。
  • 覆盖范围：确保每个区域都能得到良好的信号覆盖。

3. 信道分配策略

3.1 2.4 GHz频段

  • 非重叠信道：选择1、6、11三个非重叠信道进行分配。
  • 覆盖范围：确保相邻AP使用不同的信道，避免信道重叠造成的干扰。
  • 密度：在高密度部署环境中，可能需要减少2.4 GHz AP的数量，以免过多的AP造成严重的干扰。

3.2 5 GHz频段

  • 更宽的信道宽度：5 GHz频段支持更宽的信道宽度（如20 MHz、40 MHz、80 MHz等），这可以提高数据传输速率。
  • 动态信道选择：使用自动信道选择功能（如DFS – Dynamic Frequency Selection），让设备自动选择最不拥挤的信道。
  • 信道间隔：确保相邻AP使用至少相隔20 MHz以上的信道，以避免邻近信道干扰。

4. 使用专业工具

  • Wi-Fi分析工具：使用专业的Wi-Fi分析工具来检测现场环境中的信道使用情况，以便做出合理的信道分配决策。
  • 网络规划软件：利用网络规划软件进行模拟和预测，以优化AP的布局和信道配置。

5. 实施建议

  • 现场测试：安装后进行现场测试，观察实际效果，并根据需要调整信道。
  • 持续监控：定期监控网络性能，根据需要调整AP位置或信道配置。

6. 注意事项

  • 干扰源：注意来自其他无线设备（如微波炉、蓝牙设备等）的干扰。
  • 法规要求：遵守当地的无线通信法规和规定，特别是在使用5 GHz频段时要注意DFS信道的要求。

示例

假设在一个小型办公室环境中，需要部署3个AP：

  • 如果使用2.4 GHz频段，可以将AP配置为使用信道1、6和11。
  • 如果使用5 GHz频段，可以将AP配置为使用不同的非重叠信道，例如149、153和157（这取决于所在地区的可用信道）。

总结

合理划分无线信道可以帮助减少干扰，提高网络性能。对于2.4 GHz频段，重点是选择非重叠信道；对于5 GHz频段，则可以利用更多的信道资源来提高带宽和减少干扰。使用专业工具进行规划和监测，可以确保最佳的网络性能。

无线发射功率与增益天线

无线发射功率指的是无线设备（如无线路由器、手机、基站等）在发送信号时所能输出的最大电能。这个功率通常以毫瓦（mW）或分贝毫瓦（dBm）来表示。在实际应用中，发射功率的大小决定了信号的覆盖范围和穿透能力：

  • 覆盖范围： 较高的发射功率意味着信号能够传播得更远，覆盖更大的区域。
  • 穿透能力： 更高的发射功率有助于信号穿透障碍物（如墙壁、金属结构等），从而改善信号质量。

然而，发射功率并不是越高越好，因为它还涉及到以下几个方面的问题：

  • 能耗： 较高的发射功率会消耗更多的能量。
  • 干扰： 大的发射功率可能会对周围的无线设备造成干扰。
  • 法规限制： 各国和地区对无线设备的发射功率有严格的规定，以确保电磁兼容性和人体健康安全。

增益天线

增益天线是指那些具有方向性或集中辐射特性的天线，能够在特定方向上集中发射或接收信号，从而增强信号强度。天线增益通常以分贝（dBi）为单位来衡量，表示相对于各向同性辐射器（理想点源）的增益。天线增益越高，信号在特定方向上的强度就越大：

  • 方向性： 增益天线通常具有方向性，意味着它们在特定的方向上集中发射信号，而非均匀地向四周发射。
  • 信号强度： 增益天线可以使信号在特定方向上更强，从而改善远程通信的效果。
  • 减少干扰： 因为信号集中在特定方向上，增益天线能够减少来自其他方向的干扰。

结合使用

在实际应用中，无线发射功率和增益天线常常结合使用，以达到最佳的通信效果。例如，在家庭无线网络中，可能需要覆盖较大的区域，这时候可以适当提高无线设备的发射功率，并使用具有增益特性的天线来改善信号质量。而在专业通信场景中，如移动基站，通常会使用高增益天线来覆盖更广阔的地理范围，并且根据实际情况调整发射功率，以满足服务质量和覆盖范围的要求。

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