聊聊WiFi的前世與今生

2022.06.29
聊聊WiFi的前世與今生

WiFi改善了5G通信在室內場景穿透性差、覆蓋率低、功耗高等問題,5G也改善WiFi 在室外場景下無法實現大量設備遠距傳輸的問題。WiFi技術與廣域網技術的優勢互補長期共存的態勢明顯。

說到WiFi的發展不得不說兩個組織:一是電氣和電子工程師協會(IEEE)另一個則是WiFi 聯盟。電氣和電子工程師協會的全稱是:Institute of Electrical and Electronics Engineers,簡稱IEEE,他將自己定義為“世界上最大的技術專業協會”。IEEE負責開發和維護802.11 無線局域網(WLAN)通信標準,同時還在維護1200多種技術和通信標準。

WiFi 聯盟(WiFi Alliance,簡稱:WFA )是一個由多家企業和組織參與的商業化聯盟。包括了WiFi 生態系統中的多家公司、客戶、運營商和其他組織。該聯盟成立的目的是共同致力於使用基於標準的無線網絡技術實現和促進開放式無線通信技術的發展。

也是就是說, IEEE只負責編寫、規定WiFi 必須遵守的技術規範的標準。這些標準以文檔的形式發布,但對於製造商而言,不可能會或可能不會將所有的規範都集成到產品中,這會導致各家企業的產品性能、指標參差不齊。而WiFi 聯盟的出現,就是為這些廣泛的規範而製定測試計劃、服務和認證計劃,以推動產品通過驗證以滿足規範要求。通過驗證產品的兼容性並提供預期的性能和功能使這些產品在市場上建立起信任。

IEEE作為標準組織,1990年就成立了802.11工作組來製定無線局域網的相關標準。無線局域網(Wireless Local Area Network,簡稱:WLAN)有廣義和狹義兩種涵義。廣義的WLAN是以各種無線電波如激光、紅外線等無線信道來代替有線局域網中的部分或全部傳輸介質所構成的網絡;狹義的定義是基於IEEE 802.11系列標準,利用高頻無線射頻如2.4GHz或5GHz頻段的無線電磁波作為傳輸介質的無線局域網。

隨著WiFi技術的實現相對簡單、其通信的可靠行、靈活性和以及低成本等優勢,逐漸成為了無線局域網的主流技術標準,WiFi目前也就成了WLAN技術標準的代名詞。

802.11 協議非常多。從1997年至今,平均每年超過2個協議發布。這對於消費者而言則是個災難——毫無意義的一段數字和字母組合很難記住。於是WiFi聯盟提出了新的命名系統,使供應商更容易向消費者表名他們的設備支持哪些標準,服務提供商可以解釋他們的網絡提供什麼,用戶也更便於了解哪些產品使用了哪種每種標準。

如第6代WiFi的802.11ax技術被稱為WiFi 6。WiFi 1/2/3/4/5/6對應的都是一版協議,表示的是對協議進行了一次大的補充,或是將全新的通信技術引入到協議中。

WiFi各代的特性與缺點:

WiFi的前世與今生

IEEE 802.11-1997 : 

特點:傳輸速率達到每秒1 Mb/s 或2 Mb/s,並規定了三種可選擇的物理層技術:

  • 以1 Mbit/s 速度工作的散射紅外線
  • 以1 Mbit/s 或2 Mbit/s 工作的跳頻擴頻技術
  • 以1 Mbit/s 或2 Mbit/s 速率工作的直序擴頻技術

後兩種無線電技術通過2.4 GHz工業、科學、醫療(ISM)頻段採用微波進行傳輸。其規定的數據速率是通過紅外(IR) 信號或通過跳頻或直序擴頻(DSSS) 無線電信號進行傳送。紅外傳輸雖然是標準的一部分但並沒有真正實現。

缺點:由於有太多的傳輸選擇,造成了互操作性差。

IEEE 802.11b(WiFi 1):

特點: 速度大幅提升:數據速率為11 Mbit/s。並且實現了價格大幅度下降。

缺點: 與同在2.4 GHz 頻段內工作的其他產品如微波爐、無繩電話、藍牙設備帶來相互干擾的問題。

IEEE 802.11a(WiFi 2):

特點: 首次將5 GHz 頻段放入標準。採用52 個副載波正交頻分複用(OFDM)技術,數據速率提升為54 Mbit/s。抗干擾性較好。

缺點: 傳輸的有效範圍略低, 802.11a 信號的穿透力不如802.11b。

WiFi的前世與今生

2.4G和5G WiFi比較

IEEE 802.11g(WiFi 3):

特點:在2.4 GHz 頻段中工作使用與802.11a 相同的基於OFDM 的傳輸方式,最大傳輸速率為54 Mbit/s。硬件完全向下兼容802.11b。

缺點:2.4 GHz 仍然存在干擾問題。如果在802.11g 網絡中有802.11b 設備則會明顯降低整個802.11g 網絡的速度。

IEEE 802.11n(WiFi 4):

特点:利用MIMO 多入多出的技术, 并绑定40 MHz 信道, 信道捆绑技术可以将临近两个频段捆绑在一起使用,理论上可以使速率成倍增加,此外,MAC 层增加了帧汇总功能。由此单个流数据速率提升到最高600Mbps,比802.11g的速率提高了10倍。

缺点:信道捆绑技术的缺点也很明显,信号都会互相产生干扰,争用频谱资源。同时,当使用大带宽进行传输时,需要保证其所有需要使用的信道都处于空闲状态,由于干扰的存在导致会退到较低带宽,造成信道使用率不高。

IEEE 802.11ac(WiFi 5):

特点:

  • 802.11ac(超高吞吐量或 VHT 标准)采用多用户MIMO技术(MU-MIMO),允许一个无线接入点在一个时间内使用相同的频向多个用户发送数据。MU模式最多支持4个用户,每个用户最多支持4条流,流的总署不超过8条。
  • 支持更大的带宽绑定。802.11ac支持绑定4个信道 80MHz的频宽。支持更高密度的调制,实现最高256-QAM。

缺点:由于5GHz频段的频率分配方面各国还有很大的差别,从而导致了高带宽频道的可用性和数量的区别。这将显著增加设备商向全球销售的设备的生产复杂性。

IEEE 802.11ax(WiFi 6):

特点:

  • 802.11ax,也称为高效无线网络(High-Efficiency Wireless-HEW),802.11ax子载波间隔更窄正交频域复用(OFDM)的符号持续时间更长,在同一信道带宽内传输更多数据的同时,能够在室外环境和有衰落的场景中提供更好的性能和覆盖范围。
  • 802.11 ax 同时使用2.4和5GHz 频段,使得WLAN 设备在这两个频段中拥有更高的性能和效率,802.11 ax 任务组定义了新的 6 GHz 频段。
  • 采用基于1024-QAM的新调制方案和编码集。通过MU-MIMO和正交频分多址(OFDMA)技术指定下行链路和上行链路多用户操作,提升数据速率的同时降低了时延。优化了流量和信道访问,拥有了更好的电源管理。

缺点:采用5GHz频段的802.11ax在传输距离上只有2.4GHz信号的一半,同时802.11ax的信号覆盖有效范围大致和802.11ac差不多。

随着智能终端的普及以及智能家居、元宇宙、虚拟现实、高清视频等新应用需求的驱动,对无线局域网的性能要求也不断提升。无线网络需满足用户更加极致快速的体验,更加安全、以及更为健壮的整体网络性能——实现自动部署、自动优化以及自动故障排除。

在物联网的场景下WiFi技术也面临来自NB-IoT、LoRa、Zigbee等无线传输技术的竞争。WiFi技术相比NB-IoT、LoRa等技术无论在接入终端数量、设备功耗等指标上还是价格降低幅度上均处于不低的地位。

然而与广域网5G技术形成成了良好的互补。WiFi改善了5G通信在室内场景穿透性差、覆盖率低、功耗高等问题,5G也改善WiFi 在室外场景下无法实现大量设备远距传输的问题。WiFi技术与广域网技术的优势互补长期共存的态势明显。