无线射频专题《协议类,IEEE 802.11/802.11b/802.11a/802.11g/802.11n/802.11ac标准简介》_物联网研究室-BBC的博客-程序员秘密

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IEEE 802.11 标准和格式

IEEE 802 是指处理局域网和城域网的一系列IEEE 标准。IEEE 802 家族标准由IEEE 802 局域网/ 广域网标准委员会(LMSC) 维护。各个工作小组重点放在各自的领域。IEEE 802.11 是用来实现无线局域网(WLAN) 通信的一套介质访问控制(MAC) 和物理层(PHY) 规范。802.11 家族是共享相同的基本协议的一系列空中调制技术( 表2)。这些标准为使用Wi-Fi 品牌的无线网络产品奠定了基础。802.11 使用的无线频谱段在各个国家是不同的。

IEEE 802.11-1997 或传统模式
最早版本的标准IEEE 802.11 于1997 年发布,但目前已经基本淘汰。它规定了每秒1 Mb/s 或2 Mb/s 的信息速率,并规定了三种可以选择的物理层技术:

  • 以 1 Mbit/s 速度工作的散射红外线
  • 以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 工作的跳频扩频技术
  • 以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 速率工作的直序扩频技术

后两种无线电技术通过2.4 GHz工业、科学、医疗(ISM)频段采用微波进行传输。其规定的数据速率是通过红外线(IR) 信号或通过跳频或直序扩频(DSSS) 无线电信号进行传送的。红外线一直都是标准的一部分,但并没有实际实现。这种最初规范的缺点是,它提供了太多的选择,因此有时候面临着互操作能力挑战。它实际上更多的是“公测规范”,而不是硬性规范,在开始时各个产品厂商能够灵活地展现产品特色,但很少或没有厂商之间的互操作能力。

1999 年,DSSS 版本的传统802.11 迅速得到802.11b 修订版补充(和普及),修订版把信息速率提高到11 Mbit/s。在802.11b 发布之后,802.11 网络才得到了广泛采用。结果,使用最初的802.11-1997 标准实现的网络非常少。

IEEE 802.11b
802.11b 的最大原始数据速率为11 Mbit/s,使用的介质访问方法与原来的传统标准规定的方法相同。802.11b 产品于2000 年初面市,是最初标准规定的调制技术的直接延伸。802.11b 的吞吐量大幅度提高( 与原来的标准相比) 及价格大幅度下降,导致802.11b 成为无可争议的无线局域网技术,并被迅速接受。

802.11b 设备的一个缺点是,它们可能会给在2.4GHz 频段内工作的其他产品带来干扰问题。在2.4GHz 范围内工作的设备包括微波炉、无绳电话、蓝牙设备、婴儿监护器和其他业余爱好者无线设备。随着Wi-Fi 日益流行,2.4 GHz 频段内的干扰问题和用户密度问题已经成为主要问题。

IEEE 802.11a
802.11a 标准于1999 年被增加到最初标准中,并得到批准。802.11a 标准采用的核心协议与最初标准相同,是802.11 家族里第一个在5 GHz 频段中运行的标准。它采用52 个副载波正交频分复用(OFDM),最大原始数据速率为54 Mbit/s,一般会实现20 Mbit/s左右的吞吐量。今天,世界上许多国家正允许在5.47~ 5.725 GHz 频段内运行。这将在整个5 GHz 频段中增加更多的信道,明显提高整体无线网络容量。802.11a 不能与802.11b 互操作,因为它们在不同的频段上运行。但是,大多数企业级接入点目前都有多频功能。

使用5 GHz 频段为802.11a 提供了一个明显优势,因为2.4 GHz ISM 频段用量繁重。这些冲突导致的劣化会经常引发掉线和服务劣化。但是,更高的5 GHz 频率也有一些小的劣势,因为802.11a 的有效范围略低于802.11b/g。802.11a 信号的穿透力不如802.11b,因为它们更容易被路径中的墙壁和其他固体物体吸收,同时信号强度的路径损耗与信号频率的平方成正比。另一方面,在高度多径环境中,如室内办公室中,较高的频率可以建立RF 系统增益较高的小型天线,从而抵消较高工作频段的劣势,在这种情况下,OFDM拥有基础传播优势。可用信道数量更高及附近没有其他干扰系统( 微波炉、无绳电话、婴儿监护器) 为802.11a 提供了明显优于802.11b/g 的带宽和可靠性。

人们经常弄混802.11a 和802.11b 的发布时间。802.11a 产品出货时间晚,要滞后于802.11b 产品,因为5 GHz 元器件制造难度要更大。此外,第一代产品性能很差,有许多问题。在第二代产品开始出货时,802.11a 在消费者领域还没有得到广泛采用,主要原因是价格较低的802.11b 已经被广泛采用。尽管存在前期成本劣势,但802.11a 后来明显渗透到企业网络环境中,特别是要求的容量和可靠性高于纯802.11b/g 网络的企业。

EEE 802.11g
802.11g 标准从2003 年1 月起迅速被消费者采用,这个时间远远早于其被批准的时间,因为市场渴望更高的速度及降低制造成本。到2003 年夏天,大多数双频802.11a/b 产品变成双频/ 三模,在一张移动适配器卡或一个接入点中支持802.11a 和b/g。802.11g 在2.4 GHz 频段中工作( 与802.11b 一样),但使用与802.11a 相同的基于OFDM 的传输方式。它的最大物理层信息速率为54 Mbit/s,不包括前向纠错代码。802.11g 硬件完全向下兼容802.11b 硬件。但在802.11g 网络中有802.11b 设备会明显降低整个802.11g 网络的速度

尽管是被接受的主要标准,但802.11g 与802.11b 一样在已经很拥挤的2.4 GHz 范围内存在着干扰问题。此外,该标准的成功导致与市区拥挤有关的使用/ 密度问题。为防止干扰,美国及拥有类似法规的其他国家只有三条不重叠的可用信道( 信道1、6、11,相距25 MHz),欧洲只有四条信道( 信道1、5、9、13,相距仅20 MHz)。即使是这样的距离,仍存在某些旁瓣导致的干扰,当然干扰相当弱。

IEEE 802.11n
802.11n 修订案包括许多增强功能,改善了WLAN 范围、可靠性和吞吐量。它在物理层(PHY) 增加了高级信号处理和调制技术,以利用多台天线和更宽的信道。在介质访问控制(MAC) 层,协议扩展可以更高效地利用可用带宽。这些高吞吐量(HT) 增强功能相结合,可以把数据速率提升到最高600 Mbps ,比54 Mbps 802.11a/g 提高了10 倍,802.11n 同时在2.4 GHz 频段和5 GHz 频段运行。可以选择支持5 GHz 频段。IEEE 802.11n 在原来的802.11 标准基础上,在物理层增加了多输入多输出(MIMO) 和40 MHz 信道,在MAC 层增加了帧汇总功能(40 MHz 带宽工作的信道提供的物理层数据速率是一条20 MHz 通道的两倍)

大多数802.11n 增强功能的背后是能够通过多台天线同时接收和/ 或发送信息。802.11n 规定了多种"M x N" 天线配置,从"1 x 1" 到"4 x 4"。MIMO 使用多台天线,以相干方式解析的信息数量要超过使用一台天线。其实现方式之一是空分复用,即在空间中复用多条独立的数据流,并在一条频谱信道的带宽内同时传送这些数据流。随着解析的空间数据流数量提高,MIMO 可以明显提高数据吞吐量。每条空间流要求在发射机和接收机同时有一台离散天线。

IEEE 802.11ac
早期的无线局域网标准主要是为连接家中、办公室中的笔记本电脑及实现“路上”连接设计的。WLAN 的广泛接受和成功创造了全新使用模式需求,这些使用模式要求更高的吞吐量。

 

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