802.11 介紹及歷史

點擊次數：2619 發布時間：2012-9-6

 ：黃惠

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IEEE 802.11是現今無線局域網通用的標準，它是由電機電子工程學會（IEEE）所定義的無線網絡通信的標準。

雖然有人將Wi-Fi與802.11混為一談，但兩者并不一樣。（見IEEE 802.11b）

歷史

自第二次世界大戰，無線通訊因在軍事上應用的成果而受到重視，無線通訊一直發展，但缺乏廣泛的通訊標準。于是，IEEE在1997年為無線局域網制定了*個版本標準──IEEE 802.11。其中定義了媒體訪問控制層（MAC層）和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種展頻作調頻方式和一種紅外傳輸的方式^[1]，總數據傳輸速率設計為2Mbit/s。兩個設備之間的通信可以設備到設備（ad hoc）的方式進行，也可以在基站（Base Station, BS）或者訪問點（Access Point，AP）的協調下進行。為了在不同的通訊環境下取得良好的通訊質量，采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access／Collision Avoidance）硬件溝通方式。

1999年加上了兩個補充版本：802.11a定義了一個在5GHz ISM頻段上的數據傳輸速率可達54Mbit/s的物理層，802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但數據傳輸速率高達11Mbit/s的物理層。 2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數國家通用，因此802.11b得到了的應用。蘋果公司把自己開發的802.11標準起名叫AirPort。1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟，致力解決符合802.11標準的產品的生產和設備兼容性問題。 802.11標準和補充。

• IEEE 802.11，1997年，原始標準（2Mbit/s，播在2.4GHz）。
• IEEE 802.11a，1999年，物理層補充（54Mbit/s，播在5GHz）。
• IEEE 802.11b，1999年，物理層補充（11Mbit/s播在2.4GHz）。
• IEEE 802.11c，符合802.1D的媒體接入控制層橋接（MAC Layer Bridging）。
• IEEE 802.11d，根據各國無線電規定做的調整。
• IEEE 802.11e，對服務等級（Quality of Service, QoS）的支持。
• IEEE 802.11f，基站的互連性（IAPP，Inter-Access Point Protocol），2006年2月被IEEE批準撤銷。
• IEEE 802.11g，2003年，物理層補充（54Mbit/s，播在2.4GHz）。
• IEEE 802.11h，2004年，無線覆蓋半徑的調整，室內（indoor）和室外（outdoor）信道（5GHz頻段）。
• IEEE 802.11i，2004年，無線網絡的安全方面的補充。.
• IEEE 802.11j，2004年，根據日本規定做的升級。
• IEEE 802.11l，預留及準備不使用。
• IEEE 802.11m，維護標準；互斥及極限。
• IEEE 802.11n，更高傳輸速率的改善，基礎速率提升到72.2Mbit/s，可以使用雙倍帶寬40MHz，此時速率提升到150Mbit/s。支持多輸入多輸出技術（Multi-Input Multi-Output，MIMO）。
• IEEE 802.11k，該協議規范規定了無線局域網絡頻譜測量規范。該規范的制訂體現了無線局域網絡對頻譜資源智能化使用的需求。
• IEEE 802.11p，這個通信協定主要用在車用電子的無線通信上。它設置上是從IEEE 802.11來擴充延伸，來符合智能型運輸系統（Inligent Transportation Systems，ITS）的相關應用。
• IEEE 802.11ac，802.11n的潛在繼承者,更高傳輸速率的改善，當使用多基站時將無線速率提高到至少1Gbps，將單信道速率提高到至少500Mbps。使用更高的無線帶寬（80MHz-160MHz）（802.11n只有40MHz）,更多的MIMO流（zui多8條流）,更好的調制方式（QAM256）。目前是草案標準（draft），預計正式標準于2012年晚些時間推出。Quantenna公司在2011年11月15日推出了世界上*只采用802.11ac的無線路由器。Broadcom公司于2012年1月5日也發布了它的*支支持802.11ac的芯片。
• IEEE 802.11ae-2012

除了上面的IEEE標準，另外有一個被稱為IEEE 802.11b+的技術，通過PBCC技術（Packet Binary Convolutional Code）在IEEE 802.11b（2.4GHz頻段）基礎上提供22Mbit/s的數據傳輸速率。但這事實上并不是一個IEEE的公開標準，而是一項產權私有的技術，產權屬于德州儀器。

 IEEE 802.11a

IEEE 802.11a是802.11原始標準的一個修訂標準，于1999年獲得批準。802.11a標準采用了與原始標準相同的核心協議，工作頻率為5GHz，使用52個正交頻分多路復用副載波，zui大原始數據傳輸率為54Mb/s，這達到了現實網絡中等吞吐量（20Mb/s）的要求。如果需要的話，數據率可降為48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。802.11a擁有12條不相互重疊的頻道，8條用于室內，4條用于點對點傳輸。它不能與IEEE 802.11b進行互操作，除非使用了對兩種標準都采用的設備。

由于2.4GHz頻帶已經被到處使用，采用5GHz的頻帶讓802.11a具有更少沖突的優點。然而，高載波頻率也帶來了負面效果。802.11a幾乎被限制在直線范圍內使用，這導致必須使用更多的接入點；同樣還意味著802.11a不能傳播得像802.11b那么遠，因為它更容易被吸收。

盡管2003年的世界無線電通信會議讓802.11a在的應用變得更容易，不同的國家還是有不同的規定支持。美國和日本已經出現了相關規定對802.11a進行了認可，但是在其它地區，如歐盟，管理機構卻考慮使用歐洲的HIPERLAN標準，而且在2002年中期禁止在歐洲使用802.11a。在美國，2003年中期聯邦通信委員會的決定可能會為802.11a提供更多的頻譜。

在52個OFDM副載波中，48個用于傳輸數據，4個是引示副載波（pilot carrier），每一個帶寬為0.3125MHz（20MHz/64），可以是二相移相鍵控（BPSK），四相移相鍵控（QPSK），16-QAM或者64-QAM。總帶寬為20MHz，占用帶寬為16.6MHz。符號時間為4毫秒，保護間隔0.8毫秒。實際產生和解碼正交分量的過程都是在基帶中由DSP完成，然后由發射器將頻率提升到5GHz。每一個副載波都需要用復數來表示。時域信號通過逆向快速傅里葉變換產生。接收器將信號降頻至20MHz，重新采樣并通過快速傅里葉變換來重新獲得原始系數。使用OFDM的好處包括減少接收時的多路效應，增加了頻譜效率。

802.11a產品于2001年開始銷售，比802.11b的產品還要晚，這是因為產品中5GHz的組件研制成功太慢。由于802.11b已經被廣泛采用了，802.11a沒有被廣泛的采用。再加上802.11a的一些弱點，和一些地方的規定限制，使得它的使用范圍更窄了。802.11a設備廠商為了應對這樣的市場匱乏，對技術進行了改進（現在的802.11a技術已經與802.11b在很多特性上都很相近了），并開發了可以使用不止一種802.11標準的技術。現在已經有了可以同時支持802.11a和b，或者a、b、g都支持的三頻，以及a、b、g、n都支持的四頻的無線網卡，它們可以自動根據情況選擇標準。同樣，也出現了移動適配器和接入設備能同時支持所有的這些標準。

IEEE 802.11b

IEEE 802.11b是無線局域網的一個標準。其載波的頻率為2.4GHz，可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重傳送速度。^[2]它有時也被錯誤地標為Wi-Fi。實際上Wi-Fi是Wi-Fi聯盟的一個商標，該商標僅保障使用該商標的商品互相之間可以合作，與標準本身實際上沒有關系。^{[來源請求]}在2.4-GHz的ISM頻段共有11個頻寬為22MHz的頻道可供使用，它是11個相互重疊的頻段。IEEE 802.11b的后繼標準是IEEE 802.11g，其傳送速度為54Mbit/s。

 IEEE 802.11g

IEEE 802.11g在2003年7月被通過。其載波的頻率為2.4GHz（跟802.11b相同），共14個頻段，原始傳送速度為54Mbit/s，凈傳輸速度約為24.7Mbit/s（跟802.11a相同）。802.11g的設備向下與802.11b兼容。

其后有些無線路由器廠商因應市場需要而在IEEE 802.11g的標準上另行開發新標準，并將理論傳輸速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。

IEEE 802.11i

IEEE 802.11i是IEEE為了彌補802.11脆弱的安全加密功能（WEP，Wired Equivalent Privacy）而制定的修正案，于2004年7月完成。其中定義了基于AES的全新加密協議CCMP（CTR with CBC-MAC Protocol）。

無線網絡中的安全問題從暴露到zui終解決經歷了相當的時間，而各大廠通信芯片商顯然無法接受在這期間什么都不出售，所以迫不及待的Wi-Fi廠商采用802.11i的草案3為藍圖設計了一系列通信設備，隨后稱之為支持WPA（Wi-Fi Protected Access）的，這個協定包含了向前兼容RC4的加密協議TKIP（Temporal Key Integrity Protocol），它沿用了WEP所使用的硬件并修正了一些缺失，但可惜仍然不是毫無安全弱點的；之后稱將支持802.11izui終版協議的通信設備稱為支持WPA2（Wi-Fi Protected Access 2）的。

IEEE 802.11n

IEEE 802.11n，是2004年1月時IEEE宣布組成一個新的單位來發展的新的802.11標準，于2009年9月正式批準。傳輸速度理論值為300Mbit/s，因此需要在物理層產生更高速度的傳輸率。此項新標準應該要比802.11b快上50倍，而比802.11g快上10倍左右。802.11n也將會比目前的無線網絡傳送到更遠的距離。

802.11n增加了對于MIMO的標準，使用多個發射和接收天線來允許更高的數據傳輸率，并使用了Alamouti coding coding schemes來增加傳輸范圍。 802.11n支持在標準帶寬（20MHz）上的速率包括有 （單位Mbit/s）：7.2, 14.4, 21.7, 28.9, 43.3, 57.8, 65, 72.2 （短保護間隔，單數據流）。使用4*MIMO時速度zui高為300Mbit/s。 802.11n也支持雙倍帶寬（40MHz）,當使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度zui高可達600Mbit/s。

IEEE 802.11k

IEEE 802.11k闡述了無線局域網中頻譜測量所能提供的服務，并以協議方式規定了測量的類型及接收發送的格式。此協議制定了幾種有測量價值的頻譜資源信息，并創建了一種請求／報告機制，使測量的需求和結果在不同終端之間進行通信。協議制定小組的工作目標是要使終端設備能夠通過對測量信息的量讀做出相應的傳輸調整，為此，協議制定小組定義了測量類型^[3]。

這些測量報告使在IEEE 802.11規范下的無線網絡終端可以收集臨近AP的信息（信標報告）和臨近終端鏈路性質信息（幀報告，隱藏終端報告和終端統計報告）。測量終端還可以提供信道干擾水平（噪聲柱狀報告）和信道使用情況（信道負荷報告和媒介感知柱狀圖）。

 IEEE 802.11ac

IEEE 802.11ac是一個正在發展中的802.11無線計算機網絡通信標準，它通過6GHz頻帶（也就是一般所說的5GHz頻帶）進行無線局域網（WLAN）通信。理論上，它能夠提供zui少每秒1 Gigabit帶寬進行多站式無線局域網（WLAN）通信，或是zui少每秒500 megabits（500 Mbit/s）的單一連接傳輸帶寬。

它采用并擴展了源自802.11n的空中接口（air interface）概念，包括：更寬的RF帶寬（提升至 160 MHz），更多的MIMO空間流（spatial streams）（增加到 8），多用戶的 MIMO，以及高密度的解調變（modulation，zui高可達到256 QAM）。它是IEEE 802.11n的潛在繼任者。

各國適用頻道

802.11b和802.11g將2.4 GHz的頻段區分為14個重復，標記的頻道;每個頻道的中心頻率相差5兆赫茲（MHz）.一般常常被誤認的是頻道1，6和11（還有有些地區的頻道14）是互不重迭所以利用這些不重迭的頻道，多組無線網絡的互相涵蓋，互不影響，這種看法太過簡單。802.11b和802.11g并沒有規范每個頻道的頻寬，規范的是中心頻率和頻譜屏蔽（spectral mask）。802.11b的頻譜屏蔽需求為：在中心頻率±11 MHz處，至少衰減30 dB，±22 MHz處要衰減50 dB.

由于頻譜屏蔽只規定到±22 MHz處的能量限制，所以通常認定使用頻寬不會超過這個范圍。實際上，當發射端距離接收端非常近時，接收端接受到的有性能量頻譜，有可能會超過22 MHz的區域。所以，一般認定頻道1，6和11互不重迭的說法。應該要修正為：頻道1，6和11，三個頻段互相之間的影響比使用其它頻段來得小。然而，要注意的是，一個使用頻道1的高功率發射端，可以輕易的干擾到一個使用頻道6的，功率較低的發射站。在實驗室的測試中發現，當使用頻道11來傳遞檔案時，一個使用頻道1的發射臺也在通訊時，會影響到頻道11的檔案傳輸，讓傳輸速率稍稍降低。所以，即使是頻段相差zui遠的頻道1和11，也是會互相干擾的。

雖然頻道1，6和11互不重迭的說法是不正確的，但是這個說法至少可以用來說明：頻道距離在1，6和11之間雖然會對彼此造成干擾，而卻不會大大地影響到通訊的傳輸速率。

高功率AP為了因應較高的振幅，將中心頻率±11 MHz處的頻譜屏蔽提高到-40dB，所以才會由ch1干擾到ch6，ch6干擾到ch11。至于ch1干擾到ch11是因為AP功率放大到非線性飽和區，某些廠商制造的AP確實全蓋臺（Ch1－Ch11）。而正好那些產品又是賣zui多的，也就是號稱功率zui高的。只要符合FCC規范壓在±11 MHz -30dB、±22 MHz -50dB就不會出現互相干擾問題。某些芯片制造商在量產或技術上接近ACPR（Adjacent Channel Power Ratio 鄰近通道功率比例）不合格邊緣，透過放大器放大會導致上述情形出現。^{[原創研究？]}

2.4 GHz頻段802.11g規范中第1-14頻道的頻譜遮罩

 總結