IEEE 802.11 概览

关于无线网络，我们常提到 WLAN、Wi-Fi、IEEE 802.11 a/b/g/n/ac 等名词，它们似乎都可以指无线网络，这里先了解它们的概念和区别：

WLAN

Wireless LAN，即无线局域网，一种局域网形式，物理介质为无线电波

IEEE 802.11

由 IEEE 制定的无线网络标准，a/b/g/n/ac 是该标准的几个迭代版本，IEEE 802.11 是现今 WLAN 的通用标准

Wi-Fi

一种基于 IEEE 802.11 标准的技术实现，是现今 WLAN 最常采用的技术，它也是 Wi-Fi 联盟的商用标志，用于产品的 WLAN 技术认证。

一、背景

1. 技术族谱¹

IEEE 802 家族由一系列局域网标准组成，主要对 OSI 参考模型的最下面两层作出规范，涵盖了物理层和数据链路层组件。IEEE 802.11 是无线局域网标准，提供了物理层和 MAC 的规范。IEEE 802.11 与以太网有较深的渊源，被称为“无线以太网”，在配置 IEEE 802.11 网络时，不需要对传统的以太网做很多调整便可以将服务扩展至无线网络中，为网络设备带来了可移动性。

下图是部分 IEEE 802 家族的成员，可以看到家族成员之间的关系及其在 OSI 模型中的角色定位：

IEEE 802 家族

IEEE 802.11 涵盖了 OSI 模型的物理层和数据链路层，将物理层进一步细分为 PLCP 和 PMD 两个子层，PLCP（Physical Layer Convergence Procedure）负责将 MAC 映射到传输媒介，PMD（Physical Medium Dependent）负责帧的传送。分层结构如下图：

IEEE 802.11 物理层结构

目前 IEEE 802.11 已被淘汰，由 IEEE 802.11a/b/g/n/ac 等修订标准替代，各修订版本主要是针对物理层做优化。下表是各版本的特性及差异：

IEEE 802.11 版本比较

标准	频段	最大带宽	调制方式	最大传输速率
802.11	2.4 GHz	20 MHz	FHSS DSSS	2 Mbps
802.11a	5 GHz	20 MHz	OFDM	54 Mbps
802.11b	2.4 GHz	20 MHz	HR-DSSS	11 Mbps
802.11g	2.4 GHz	20 MHz	OFDM	54 Mbps
802.11n	2.4 GHz 5 GHz	40 MHz	MIMO-OFDM	150 Mbps (40 MHz 1x1) 600 Mbps (40MHz 4x4)
802.11ac Wave 1	5 GHz	80 MHz	MIMO-OFDM	433.3 Mbps (80 MHz 1x1) 1.3 Gbps (80 MHz 3x3)
802.11ac Wave 2	5 GHz	160 MHz	MIMO-OFDM	866.7 Mbps (160 MHz 1x1) 6.9 Gbps (160 MHz 8x8)

IEEE 802.11ac 有两个细分版本，Wave 1 于 2014 年发布，支持 80 MHz 带宽和 3x3 SU-MIMO，Wave 2 于2016 年发布，增加了对 160 MHz 带宽和 8x8 MU-MIMO 的支持，提供更高吞吐量。

2. 有关组织

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

电气电子工程师协会，是一个非营利性的电子技术和信息工程师的协会，被国际标准化组织授权为可以指定标准的组织，设有众多标准委员会，其中最为著名的是IEEE 802委员会，致力于局域网标准的制定。

Wi-Fi Alliance

Wi-Fi 联盟，是由行业众多公司组建的商业联盟，拥有 Wi-Fi 商标，主要负责建立和执行无线网络标准、优化互操作性与兼容性，并推动无线网络技术，主要业务是无限相容性认证，通过认证的需要符合 IEEE 802.11 无线标准、WPA/WPA2 安全标准、EAP 认证标准。

二、一些物理层的概念

1. 频段和信道

802.11 工作组为 WLAN 划分了 4 个独立的频段：2.4 GHz、3.6 GHz、4.9 GHz 和 5.8 GHz，每个频段又划分为若干信道。对于这些频段和信道的使用，各个国家制定的政策有所不同，内容包括最大发射功率、调制方式等。

WLAN 2.4 GHz 信道

WLAN 在 2.4 GHz 频段可以使用的具体频率是 2.412 GHz ~ 2.472 GHz（信道中心频率），总共是 80 MHz 的带宽，这个频段划分出 13 个相互重叠的信道，在 OFDM 调制中，每个信道的带宽是 20 MHz（DSSS调制是 22 MHz），换言之，2.4 GHz频段工作时只有三个互不干扰的信道，分别为 1、6、11。

5 GHz 频段的频率是 4.915GHz ~ 5.825GHz，一共划分了 32 个信道，每个信道带宽有 10 MHz、20 MHz、40 MHz、80 MHz 和 160 MHz 不等，有 22 个互不干扰的信道。

2. 调制方式

802.11 常用调制方式有 DSSS 和 OFDM。

DSSS（直接序列展频）是利用 10 个以上的 chip 来表示原来的 0 和 1，使原本高频率、窄频的信号转换为低功率的宽频信号，完成扩频，接收方再以同样的规则解扩，从各 chip 中恢复原信号。

OFDM（正交频分复用）将一整段频段分割成数个子载波，而且让每个子载波相互正交，使得他们在频谱上并不互相重叠，可以降低干扰，传输端将信号摆置在频域上，透过反傅里叶转换转换至时域，增加循环前缀后传送出去，接收端去除信号循环前缀，再将时域信号转换回频域，解出原信号。

3. MIMO

SISO 和 MIMO 是 WLAN 天线发送和接收信号的两种方式。SISO (Single Input Single Output) 即单输入单输出，顾名思义是通信时一根发射天线对应一根接收天线；MIMO (Multiple Input Multiple Output) 即多输入多输出，表示多根发射天线和多跟接收天线的通信；除此之外还有 SIMO 和 MISO 等。早期的 802.11 采用 SISO，传输速率较慢，MIMO 通过增加天线数量大幅提高传输速率。

MIMO 传输如下图，假设有 m 根发射天线，n 根接收天线，那么可以得到 m × n 的传输矩阵，即可以产生 m × n 个信道。理论上信道容量和天线数量成正比。

MIMO 传输示意

MIMO 工作时，发射端将高速率的数据流拆分为几个低速率的子数据流，这些子数据流在不同天线上以相同频段发射，接收端将同时来自多根天线的信号以一定方式复原为原数据流。发射端使用多根天线平行发射子数据流，这种方式被称为空分复用，可以成倍提高信道容量；同时接收端多根天线接收到相同的信号，这被称为空间分集，提升信道的可靠性。此外MIMO还有波束成形、预编码等技术，它们并不互斥，可以互相配合应用。

802.11ac Wave 2 引入了 MU-MIMO，即多用户多输出多输入，与单用户不同的是，发射端可以同时与多个接收端通信，各接收端互不干扰。

三、WLAN 网络的组织方式¹

1. WLAN 网络组成

一个 WLAN 网络中，有工作站（STA）、接入点（AP）、基本服务集（BSS）、扩展服务集（ESS）、骨干网络等成员。如下图：

WLAN 组网示意

AP 是 WLAN 存在的基础，STA 通过与 AP 关联加入 WLAN。BSS 是 802.11 网络组网的基本单元，一个 BSS 对应于一个 AP，它的服务范围也就是 AP 的信号覆盖范围。一个 AP 的信号覆盖范围有限，802.11 允许将多个 BSS 串联为一个 ESS，隶属于同一个 ESS 的 STA 可以相互通信。ESS 中各 BSS 连接至同一个骨干网络，为了在 ESS 中实现跨 BSS 通信，相应的 AP 之间要能够在骨干网络中建立 OSI 第二层的连接，骨干网络通常是以太网。

在安全方面，802.11i 提供了 WLAN 安全机制，使用 802.11i 所定义和改良的身份验证协议和机密性协议的网络，被称为 RSN（Robust Security Network），其中的连接则为RSNA（RSN Associations）。

2. WLAN 网络类型

BSS 根据组网结构不同分为两类，一类是集中于 AP 的基础结构型网络（BSS），一种是无 AP 的独立型网络（IBSS）。

独立型与基础结构型网络的基本服务集

基础结构性网络（Infrastructure BSS）是有 AP 参与的无线网络。AP 是基础结构型网络的关键，它向外界周期性地广播 Beacon 帧，宣告网络的存在，STA 在连入基础结构型网络时，必须先与 AP 建立关联。AP 负责处理网络中所有通信，STA1 与 STA2 通信时，发往 STA2 的数据必须从 STA1 发至 AP，然后由 AP 转发至 STA2。基础结构型网络服务集被界定在 AP 的传输范围之内。

独立型网络（Independent BSS，简称 IBSS）是没有 AP 参与的无线网络。在 IBSS 中，STA 之间可以直接通信。IBSS 由两个或更多的 STA 组成，服务集覆盖范围不固定，由各 STA 轮流广播 Beacon 帧来宣告网络的存在。

3. WLAN 网络的运作方式

与以太网相比，WLAN 为设备提供了可移动性，为了让网络能够正确追踪移动节点及帧传递，802.11 定义了 9 种服务，见下表，其中前 3 种用来传送数据，其余 6 种均属管理操作。

WLAN 服务

服务	用途
分布式	传递帧时，可使用此服务来决定目的地在网络上的地址
整合	用来将帧传递至无线网络以外的 IEEE 802 LAN
MSDU 传送	用来传递数据至接收端
关联	用来建立 AP（作为网关使用）于特定移动式工作站间的关联
重新关联	用来变更 AP（作为网关使用）于特定移动式工作站间的关联
取消关联	用来从网络移除无线工作站
身份验证	建立关联之前用来进行身份验证（利用 MAC 地址）
解除身份验证	用来终结一段身份验证关系，其副作用是终止当前关联
机密性	用来防止窃听
传输功率控制（TPC）	频谱管理，降低工作站传输功率以减少干扰
动态频率选择（DFS）	频谱管理，避免在 5 GHz 频段干扰雷达操作

1. Gast, M. S. 802.11® 无线网络权威指南[M]. 第 2 版. O’Reilly Taiwan 公司. 南京 - 东南大学出版社, 2007.12: 24-37 ↩ ↩²