无线通信基础原理

一般我们网络工程师接触比较多的是交换机、路由器，很少涉及到WiFi和无线设置，但是呢在实际工作中一般企业也是有这些需求的，这就需要我们对于无线的一些基本配置也要有独立部署能力，今天来简单了解一下。

## 一、无线网络基础

### 1.1 无线电波概念

无线电波是电磁波的一种。

电磁波又称为电磁辐射，是指同相振荡，且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向，前进速度为光速。
![无线电波](/media/202401/2024-01-30_115900_9778470.4005287389663469.png)

每秒内的变化次数就是频率，就是一秒10次和一秒5次就是两种频率。
![频率与波长](/media/202401/2024-01-30_115920_3370780.41693755555643075.png)

按照频率的快慢可以划分不同的无线电波，WLAN使用的是相对较慢的无线电波。
![WLAN无线电波](/media/202401/2024-01-30_115938_8389600.029730439740811687.png)

电磁波的频率越高，能量越大，直射能力越强，传输过程中能量衰减越快，传输距离越短，反之亦然。WLAN技术就是通过无线电磁波在空间中传输信息的，使用的频段是2.4 GHz频段 (2.4 GHz~2.4835 GHz)和5 GHz频段 (5.15 
GHz~5.35 GHz，5.725 GHz~5.85 GHz)。也就是5G频段信号强但是距离短，2.4G信号相对较弱但是距离长。
![频谱](/media/202401/2024-01-30_120003_3909840.8948357727827473.png)

### 1.2 无线通信系统
在无线通信系统中，信息可以是图像、文字、声音等。信息需要先经过信源编码转换为便于电路计算和处理的数字信号，再经过信道编码和调制，转换为无线电波发射出去。其中发送设备和接收设备使用接口和信道连接，对于有线通信很容易理解，设备上的接口是可见的，连接可见的线缆，而对于无线通信，接口是不可见的，连接着不可见的空间，称为空口（空间接口）。
![无线通信系统](/media/202401/2024-01-30_133247_7240440.922796319631556.png)

在实际中我们想要发送的文字和图片通过手机编码调制之后通过信道传输到无线接入点(AP)接收，然后经过转换为有线数据包进行转发，最后进行正常的路由转发。

**编码：**
![编码](/media/202401/2024-01-30_133307_2885170.11254648825496583.png)

信源编码:将最原始的信息，经过对应的编码，转换为数字信号的过程。保证不失真的情况下，最大限度压缩信息。

信道编码:
- 信道编码是一种对信息纠错、检错的技术，可以提升信道传输的可靠性。
- 引入信道编码能够在接收设备上最大程度地恢复信息，降低误码率。
- 信道编码需在原始信息中增加冗余信息，所以经过信道编码后，信息长度会有所增加。
- 原始信息的占比可以用编码效率表示，简称码率，即编码前后的比特数量比。
- 信道编码不能提升有效信息的传输速率，反而会有所降低，但提高了有效信息传输的成功率。所以通信协议选择合适的编码，就可以在性能和有效中获得最佳的效果。

信源编码将文字、图像转换为数字信号，然后通过增加整理格式、添加校验提高接收端接收正确率。

**调制与解调**：

• 调制：将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号。分为：调幅、调频和调相。

• 解调：在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。

将数字0和1格式转换成无线波段信号，反之亦然。
![调制解调技术](/media/202401/2024-01-30_133327_7530540.6497464507336398.png)

**载波**

载波，是一个特定频率的无线电波，单位Hz，是一种频率、振幅或相位被调制用以传输语言、音乐、图象或其它信号的电磁波。

无线通信的基础是载波，基本的载波如下图所示，这个信号在发射器部分产生，并不带有任何信息，在接收器部分也作为
不变的信号出现。类似于一条数据流。
![载波](/media/202401/2024-01-30_133345_2572190.9645379178994072.png)

**子载波**
一个信道就是一个特定频率的无线电波，每个用户用来收/发信息的时候都是用一频率承载信息。

子载波，就是多载波通信中的一个子信道。类似于TCP分片，将一个数据包分片，然后再组合。
![子载波](/media/202401/2024-01-30_133404_2627150.6312047579247251.png)

**信道：**
![信道](/media/202401/2024-01-30_133422_4058770.6173006884576548.png)

信道的概念：信道是传输信息的通道，无线信道就是空间中无线电波传输信息的通道。无线电波无处不在，如果随意使用频谱资源，那将带来无穷无尽的干扰问题，所以无线通信协议除了要定义出允许使用的频段，还要精确划分出频率范围，每个频率范围就是信道。

前面我们已经知道2.4G和5G使用不同频率的频段，然后这些频段被分为不同的信道，每个信道一段范围，如果相邻信道就可能产生干扰，由此也产生了一些范围不会冲突的信道：重叠信道和非重叠信道。

在传统认知上，2.4 GHz只有1、6和11才是非重叠信道，但是由于802.11b（频宽22 MHz）已经淡出WLAN网络，不考虑兼容性问题，通常情况下，可以认为1、5、9和13信道也是非重叠信道。
![同一空间的信道](/media/202401/2024-01-30_133439_2343070.05867997137689318.png)

**2.4G和5G频段**

2.4 GHz频段被划分为14个有重叠的、频率宽度是20 MHz的信道（802.11b除外），现网常用的非重叠信道为1、5、9和
13。

对于5G频段，频率资源更为丰富，有大量的非重叠信道，各国对Wi-Fi可用的5 GHz的频段范围略有不同，在中国，可以使用的信道的非重叠信道由13个。(36,40,44,48,52,56,60,64,149,153,157,161,165)。5G信道都是不重叠的，频款、宽就是一个信道的范围。频宽越大带宽越大，和带宽速率差不多。
![2.4G和5G频段](/media/202401/2024-01-30_133457_8742020.7526202306090448.png)

**信道绑定：**

通过将相邻的两个甚至多个不重叠信道绑定到一起，作为一个信道来使用，可以使传输速率成倍提高。因为每个信道之间不是一点空间都没有预留的，两个信道绑定实际是1+1>2的关系。

对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。就好比是马路变宽了，车辆的通行能力自然提高。
![信道绑定](/media/202401/2024-01-30_133518_1279090.05282983037256139.png)

将多个信道绑定实现频宽也更大，速率更快。但是频宽增大了会导致非重叠信道减少，需要自行权衡考虑。

**射频、频段、天线**

WLAN使用的电磁波是无线电波。无线电波是由振荡电路的交变电流产生的，能够通过天线发射和接收，也称为无线电、电波、射频、射频电波或射电。

射频的频率范围称为频段。

天线是一种变换器，把传输线上传播的导行波，变换成在空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换，是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。

![射频](/media/202401/2024-01-30_133534_2115330.8583255448214804.png)

无线：电磁波-->无线电波-->频段，天线是一个调制解调设施。

**什么是空间流**

![空间流](/media/202401/2024-01-30_133551_0141570.4615929709879807.png)
无线电在同一时间发送多个信号，每一份信号都是一个空间流。

空间流使用发射端的天线进行发送，每个空间流通过不同的路径到达接收端。无线系统能够发送和接收空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。

通常情况下，一个发送天线和一个接收天线间可以建立一个空间流，比如说AP有4个天线，接受的STA也有4个天线，那么同时就有4个空间流。

简单讲就是早期的设备是半双工，一根天线只能接收或只能发送，虽然看起来是很多人同时使用但是因为时间采用毫秒级别计算体验没有什么感觉，然后逐渐从半双工发展到全双工，一个空间流发展到多空间流，实现一个空间流可以实现同时收发，而多空间流实现了多终端同时收发。

**射频与无线AP**
也就是我们讲的双频，一般现在都是支持双频，企业级部分支持3射频。
![ap](/media/202401/2024-01-30_133612_9985490.9456156274630897.png)

**干扰**

在通信领域中，信号是表示消息的物理量，如电信号可以通过幅度、频率、相位的变化来表示不同的消息。干扰是指对有用信号的接收造成损伤。

![干扰](/media/202401/2024-01-30_133630_7125060.04429811065142519.png)

实际中干扰受其他电器设备、距离、相同环境下其他设备的影响，金属、水等介质也会有较大影响。

## 二、802.11标准介绍

802.11是IEEE在1997年为WLAN定义的一个无线网络通信的工业标准。此后这一标准又不断得到补充和完善，形成802.11的标准系列，例如802.11、802.11a、802.11b、802.11e、802.11g、802.11i、802.11n、802.11ac以及802.11ax。802.11协议标准规定了无线网络所需的物理层和数据链路层协议。

**协议的发展**
每一个标准的发展都是对于无线速率大大的提升。802.11协议是在增强原有技术的情况下不断发展新的技术以提高传输速率和降低延迟等功能。

![协议发展](/media/202401/2024-01-30_133654_4711810.10709702083588701.png)

常见的就是Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6。
![发展时代](/media/202401/2024-01-30_133717_3028660.04714031859980472.png)

**概述各标准的特点**

![802.11a/b/g](/media/202401/2024-01-30_133752_5454200.8359596501684406.png)

![802.11n](/media/202401/2024-01-30_133811_9658670.7239275442016954.png)

![802.11n关键技术](/media/202401/2024-01-30_133831_1319520.14321689514011005.png)

![802.11ac](/media/202401/2024-01-30_133851_0290260.7897345201847048.png)

![802.11ax](/media/202401/2024-01-30_133908_7937960.8662779271140307.png)

![速率计算](/media/202401/2024-01-30_133927_2814870.14836769010326034.png)

每一代标准基本都兼容旧标准，然后在旧基础上增加新功能或者增加了原有技术，使得无线速率不断提升。

简单概括总结：无线电波是电磁波的一种，WLAN使用无线电波进行传输信息。频率是每秒传输的次数，无线电波分为不同的频段，无线网络使用2.4 GHz频段 (2.4 GHz~2.4835 GHz)和5 GHz频段 (5.15 GHz~5.35 GHz，5.725 GHz~5.85 GHz)进行数据传输。2.4G和5G频段又划分为多个信道，相邻信道可能产生冲突和干扰，都有特定的不重叠信道。无线通信系统包括信源、信道、信宿，技术包括编码解码、调制解调，用于将数字信号转换为无线电波信号，从信源传输到信宿。IEEE 802.11协议族规范了无线网络在物理层和数据链路层的传输协议，每一个标准都是速率的提升，常见的如Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6。

![](/media/202401/2024-01-30_133737_9827950.015122586362592894.jpeg)