Wi-Fi的起源與誕生

第一個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代末期，21世紀(jì)初進(jìn)入快速發(fā)展時期。現(xiàn)如今，人們使用移動智能終端越來越頻繁，而大多數(shù)移動設(shè)備沒有以太網(wǎng)接口，這使得Wi-Fi已成為移動通信的首選接入技術(shù)。Wi-Fi不僅用于家庭，還用于全球的企業(yè)和公共場所。Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)名稱是IEEE 802.11，這也意味著IEEE在維護(hù)這個標(biāo)準(zhǔn)。接下來我們來看看Wi-Fi的由來。

1971年6月，第一個數(shù)據(jù)包以9600bps的速率在一個名為ALOHAnet無線網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送成功，該網(wǎng)絡(luò)采用的ALOHA通信協(xié)議就是后面IEEE 802.11協(xié)議的先行者。為了支撐無線網(wǎng)絡(luò)通信，在1985年，美國政府機(jī)構(gòu)聯(lián)邦通信委員會（FCC）開放了幾個無線射頻（RF）頻段，無需許可即可使用，包括 900 MHz、2.4 GHz和5 GHz。這些被稱為“垃圾帶”無線頻段取自工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段（ISM），以及未經(jīng)許可的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施頻段（U-NII）。

后來電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）成立了802.11委員會，負(fù)責(zé)開發(fā)和發(fā)布無線局域網(wǎng)（WLAN）標(biāo)準(zhǔn)。該委員會于1997年6月發(fā)布了第一個IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使用了未經(jīng)許可的2.4 GHz頻段，采用跳頻（FHSS）及前向糾錯碼（FEC）實(shí)現(xiàn)2Mbps的傳輸速率。之后在1999年對802.11原始標(biāo)準(zhǔn)修訂后，發(fā)布802.11a與802.11b。

為了實(shí)現(xiàn)Wi-Fi產(chǎn)品及終端的兼容和互通，在1999年，成立了行業(yè)協(xié)會Wi-Fi Alliance®，負(fù)責(zé)Wi-Fi產(chǎn)品的互操作性測試和認(rèn)證。同時，它創(chuàng)造了Wi-Fi ®的名稱并對其進(jìn)行了商標(biāo)注冊。

下圖為Wi-Fi協(xié)議發(fā)展歷程。

▲圖1：Wi-Fi協(xié)議發(fā)展歷程

以下將會以歷代協(xié)議發(fā)布的時間順序，對每一代Wi-Fi協(xié)議展開描述。

Wi-Fi協(xié)議的發(fā)展

802.11b

IEEE于1999年發(fā)布了802.11b標(biāo)準(zhǔn)。802.11b使用與原始802.11標(biāo)準(zhǔn)相同的2.4 GHz頻率，采用高速直接序列擴(kuò)頻（HR/DSSS）的簡單調(diào)制技術(shù)，并且使用了補(bǔ)充代碼鍵控（CCK）編碼，它支持的最大理論速率為11 Mbps，是802.11正式標(biāo)準(zhǔn)中傳輸速率最慢的標(biāo)準(zhǔn)。由于802.11b工作在2.4 GHz，家用電器或其他使用2.4 GHz的網(wǎng)絡(luò)可能會對其造成干擾。

▲圖2：802.11b主要特性

802.11和向后兼容性

從一開始，各種802.11標(biāo)準(zhǔn)就是為了向后兼容而設(shè)計(jì)的，因此傳統(tǒng)設(shè)備可以在與新一代設(shè)備相同的網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。然后網(wǎng)絡(luò)管理員可以慢慢改進(jìn)他們的設(shè)備，而無需在每個新標(biāo)準(zhǔn)版本上進(jìn)行徹底替換。這有助于802.11技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。但是，802.11b在易于向后兼容方面是個例外。802.11b是唯一不使用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)。因此使用OFDM的802.11標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備必須確保802.11b設(shè)備知道將要傳輸?shù)乃辛髁浚o法解碼的流量。

這是通過使用請求發(fā)送（RTS）/清除發(fā)送（CTS）消息作為保護(hù)機(jī)制來完成的。每次設(shè)備準(zhǔn)備好發(fā)送流量時，它首先發(fā)送RTS消息，該消息由CTS消息進(jìn)一步確認(rèn)。這意味著對于每個數(shù)據(jù)幀，必須傳輸另外兩個管理幀。這會在網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生大量流量開銷并且顯得比較低效率。某些網(wǎng)絡(luò)管理員選擇從無線AP上禁用802.11b速率（1,2,5.5和11 Mbps）以避免此問題。目前僅使用802.11b的客戶端在目前變得越來越罕見，停止支持802.11b速率是有道理的。但是，這個選擇會限制Wi-Fi的覆蓋范圍。當(dāng)信號質(zhì)量較低時，非802.11b設(shè)備可能會回退到802.11b速率。因此，在無線AP上禁用1,2,5.5和11 Mbps速率將阻止邊緣客戶端連接。

802.11a

802.11a標(biāo)準(zhǔn)也在1999年由IEEE發(fā)布。802.11a工作在不太擁擠的5 GHz頻段，使其不易受到干擾。該標(biāo)準(zhǔn)使用與原始標(biāo)準(zhǔn)相同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和幀格式，但采用了新的基于OFDM調(diào)制的空口物理層及最高64-正交振幅調(diào)制（QAM）編碼，理論最高速率54 Mbps，帶寬遠(yuǎn)高于802.11b。OFDM是一種在20MHz頻寬上可以擴(kuò)展52個數(shù)據(jù)子載波的調(diào)制方法，通過并行傳輸大大提升傳輸速率。但由于802.11a設(shè)備的實(shí)施成本和復(fù)雜性，在當(dāng)時首批商業(yè)部署的Wi-Fi大都使用802.11b標(biāo)準(zhǔn)，這就是早期802.11a設(shè)備在市面上少見的原因。

▲圖3：802.11a主要特性

802.11g

IEEE于2003年發(fā)布了802.11g標(biāo)準(zhǔn)，802.11g結(jié)合了修正案802.11a和802.11b的功能。802.11g標(biāo)準(zhǔn)采用與802.11a相同的OFDM調(diào)制技術(shù)，使用64-QAM編碼技術(shù)，與802.11a一樣，它支持最高理論速率54 Mbps。但是802.11g與802.11b一樣，它工作在擁擠的2.4 GHz頻段，因此容易遇到與802.11b相同的干擾問題。802.11g向后兼容802.11b設(shè)備，802.11b終端可以連接到802.11g接入點(diǎn)（但是工作在802.11b的速度），這使用戶更容易過渡到這種新技術(shù)，因?yàn)樗麄兛梢栽谇袚Q到新標(biāo)準(zhǔn)的同時保留一些舊終端。

▲圖4：802.11g主要特性

802.11n（Wi-Fi 4）

IEEE于2009年發(fā)布802.11n修正案。802.11n帶來了許多新的功能。802.11n支持2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，向后兼容802.11a/b/g，并允許使用更高的40MHz帶寬（捆綁2條20MHz信道）。802.11n仍然使用OFDM和64-QAM，但在天線部分中引入了一個重要特性——多輸入多輸出（MIMO），即設(shè)備可以使用多個天線同時收發(fā)，發(fā)射器和接收器中最多4個天線，從而提高了系統(tǒng)吞吐量和穩(wěn)健性，而不需要更高的帶寬或發(fā)射功率。利用所有這些特性和一些額外的改進(jìn)（對802.11標(biāo)準(zhǔn)的單一MAC層協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化等），使用802.11n標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備整機(jī)可以達(dá)到600Mbps的吞吐量，與之前的協(xié)議相比增加了10倍。憑借802.11n標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi變得更快，更可靠。

▲圖5：802.11n主要特性

802.11ac（Wi-Fi 5）

802.11ac技術(shù)工作在5 GHz頻段，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)分為兩個階段，包括802.11ac Wave1與802.11ac Wave2，分別在2014年和2015年發(fā)布，向后兼容802.11a/b/g/n。支持802.11ac Wave1的設(shè)備能夠以3.4 Gbps的速度進(jìn)行傳輸，而Wave 2設(shè)備則能夠以6.9 Gbps進(jìn)行傳輸，設(shè)備的速度幾乎是802.11n的8倍。802.11ac增加了MIMO流的數(shù)量（從4條到8條），并通過進(jìn)一步編碼性能（高達(dá)256-QAM）來提高信道利用率，能夠在高達(dá)160 MHz的信道上運(yùn)行。它還引入了下行鏈路多用戶-多輸入多輸出（DL MU-MIMO）技術(shù)提升空口利用率，MU-MIMO允許設(shè)備同時向多個終端進(jìn)行下行傳輸，最多4個終端同時傳輸。

▲圖6：802.11ac主要特性

802.11ax（Wi-Fi 6）

802.11ax標(biāo)準(zhǔn)于2019年發(fā)布。802.11ax工作在2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，并且也能夠兼容以前的Wi-Fi設(shè)備。802.11ax從兩個大方面實(shí)現(xiàn)了高速率、大并發(fā)的性能目標(biāo)，其中MU-MIMO和正交頻分多址（OFDMA）是802.11ax成功的關(guān)鍵。OFDMA機(jī)制可以同時為多個終端提供較小但專屬的子信道，進(jìn)而改善每個終端的平均傳輸速率；上行和下行方向多用戶-多輸入多輸出(UL/DL MU-MIMO)，實(shí)現(xiàn)上行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務(wù)，容量是802.11ac的8倍，下行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務(wù)，容量是802.11ac的2倍。另外采用1024-QAM、空間復(fù)用（Spatial Reuse）、基本服務(wù)集著色（BSS Coloring）、網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV）、目標(biāo)喚醒時間（TWT）等功能機(jī)制，802.11ax可以提供高達(dá)9.6Gbps的傳輸速率。

▲圖7：802.11ax主要特性

全新的Wi-Fi命名規(guī)則

在2018年，Wi-Fi聯(lián)盟采取措施使Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)名稱更容易識別和理解。他們將已推出的802.11ax標(biāo)準(zhǔn)改為Wi-Fi 6，并且還將之前發(fā)布的兩個標(biāo)準(zhǔn)802.11n與802.11ac分別重命名為Wi-Fi 4和Wi-Fi 5。 下面表格為歷代Wi-Fi協(xié)議的對比。

▲表1：歷代Wi-Fi協(xié)議對比

銳捷網(wǎng)絡(luò)在新一代Wi-Fi場景下的探索

近20年來，Wi-Fi改變了大家工作和生活方式。新一代的Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步降低智能設(shè)備的電池消耗，使其成為更多場景（包括智能家居和物聯(lián)網(wǎng)-IoT）可使用的堅(jiān)實(shí)選擇。而銳捷網(wǎng)絡(luò)通過十多年來扎根場景、自主創(chuàng)新，提供全場景無線解決方案，目前在中國企業(yè)級WLAN市場中多行業(yè)占有率排名第1位（數(shù)據(jù)來源：IDC數(shù)據(jù)報(bào)告2018年12月）。從第一代無線產(chǎn)品的面世到業(yè)界首發(fā)Wi-Fi 6產(chǎn)品，銳捷網(wǎng)絡(luò)近期又推出了旗艦級Wi-Fi 6無線AP——RG-AP880-I，以及一站式物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺HOLO，不斷用新技術(shù)和新產(chǎn)品讓大家的交流變得更加順暢。

本期作者：范景昊

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●【第一期】淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之通信協(xié)議的紛爭

●【第九期】第七代無線技術(shù)802.11ax詳解

●【第十七期】淺談UWB（超寬帶）室內(nèi)定位技術(shù)

●【第二十四期】Wi-Fi 6真的很“6”（概述篇）——不只是更高的傳輸速率

●【第二十五期】 Wi-Fi 6真的很“6”（技術(shù)篇） ——前方高能，小白慎入