无线局域网讲解

1、无线网络 1WLAN网络概览 2WLAN基础知识（物理层） 3WLAN基础知识（MAC层） 4802.11n技术介绍 WLAN属于LAN的范畴 PAN (Personal Area Network) LAN (Local Area Network) WAN (Wide Area Network) MAN (Metropolitan Area Network) PANLANMANWAN StandardsBluetooth IEEE 802.11b, 11a, 11g，11n 802.16 MMDS, LMDS GSM, GPRS, CDMA, 2.53G-4G Speed1 Mbps1600

2、Mbps22+ Mbps1-7Mbps-100Mbps Range小中等中等-大大 Applications 点到点 设备到设备 企业、园区、高校、 酒店等网络 最后一公里接入 PDA、 移动电话,接入 WLAN使用无许可证的频段 l 2.4G ISM: 工业, 科学和医疗频段 l 5.8G 无授权的国家信息基础实施频段 ITU-R国际电联无线电通信部门 FCC（Federal Communications Commission）美国联邦通讯委员会 中国无线电管理局 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers )美国电气和电子

3、工程师协会 Wi-Fi联盟 (Wi-Fi Alliance) 是一家全球及非营利性的行业协会，致力于通过其测试和认证方 案确保基于IEEE 802.11标准的无线局域网产品的可互操作性。 WLAN标准化组织及相关机构 IEEE 802.11系列协议发展概况 标准描述备注 802.11工作在2.4G频段，采用FHSS调制解调技术，2Mbps已批准 802.11a工作在5G频段，采用OFDM调制解调技术，54Mbps已批准 802.11b工作在2.4G频段，采用DSSS调制解调技术，11Mbps已批准 802.11e对服务等级（Quality of Service, QoS）的支持已批准 802.

4、11g工作在2.4G频段,采用OFDM调制解调技术, 54Mbps已批准 802.11h传输功率控制(TPC),动态频率选择（DFS）欧洲要求 802.11i强健安全网络已批准 802.11k该协议规范规定了无线局域网络频谱测量规范制定中 802.11n工作在2.4G、5.8G采用MIMO OFDM最大速率600Mbps已批准 802.11sMesh网状网标准制定中 802.11ac工作在5GHz，目标1Gbps制定中 WLAN物理层和数据链路层 应用层应用层 表示层表示层 会话层会话层 传输层传输层 网络层网络层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 LLCLLC MACMAC MAC Lay

5、er l 载波侦听冲突避让机制载波侦听冲突避让机制CSMA/CA l 接入控制接入控制 l 加密、漫游、节电加密、漫游、节电 Physical Layer l 2.4GHz&5.8GHz l FHSS DSSS OFDM MIMO l 1-54 Mbps 600Mbps l 100-500m 覆盖范围覆盖范围 2WLAN基础知识（物理层） 2.1RF射频属性 2.2RF射频行为特性 2.3RF相关计算 2.4WLAN 物理层重要参数 2.5802.11abgn介绍 RF属性 极化 POLARITY 波长 WAVELENGTH 频率 FREQUENCY 振幅 AMPLITUDE 相位 PHASE

6、 极化 Polarity AP 天线天线 馈线馈线 电场电场电场 电波传输方向 磁场磁场 电场和地面垂直为垂直极化电场和地面垂直为垂直极化 电场和地面平行为水平极化电场和地面平行为水平极化 频率 Frequency 频率频率越高越高 提供的提供的带宽越大带宽越大 频率频率越高越高,衰减越大衰减越大，覆盖区域越小覆盖区域越小 1 second 波长 Wavelength 波长=光速/频率 2.4GHZ 波长为12.24CM 5.8GHZ 波长为5.19CM AP 100 500mW 网卡网卡30 50mW 移动电话移动电话 200 1000mW 微波炉微波炉 700 1000W 振幅 Ampli

7、tude Power 振幅越大、能量越大 网卡功率小于AP功率，AP和网卡功率不对称 微波炉工作在2.4G，功率大，对WLAN影响大 相位 Phase 主信号主信号 同相同相 90异相异相 180 异相异相 同相提高振幅异相降低振幅 2WLAN基础知识（物理层） 2.1RF射频属性 2.2RF射频行为特性 2.3RF相关计算 2.4WLAN 物理层重要参数 2.5802.11abgn介绍 RF行为特性 传播 WAVE PROPAGATION 吸收 ABSORPTION 反射 REFLECTION 折射 RAFRACTION 衍射 DIFFRACTION 衰减 LOSS（ATTENUATION）

8、 自由空间损耗 FREE SPACE PATH LOSS 多路径 MULTIPATH 第一菲尼尔区域 THE FIRST FRESNEL ZONE 传播 Wave Propagation AP 天线天线 馈线馈线 无线电磁波在传播过程中，不断扩散，能量逐渐减小 吸收 Absorption 振幅减小，能量减弱 信号穿过水分时，将会被吸收。 水分可能包含在无线传输路径中的树叶和人体中 体育馆、会展中心等人群密集区域需要考虑人体的吸收 AP 天线天线 馈线馈线 墙墙 体体 反射 Reflection 改变无线信号的传播方向 室内的物体，金属家具、文件柜和金属门、墙体会造成反射 室外的信号遇到水面和大

9、气层会发生反射 AP 天线天线 馈线馈线 折射 Refraction 无线信号从一个介质到达另一个介质时发生折射,改变传播方向 信号在穿透密度不同的大气和墙体时会发生折射 AP 天线天线 馈线馈线 AP 天线天线 馈线馈线 AP 天线天线 馈线馈线 AP 天线天线 馈线馈线 冷空气 湿润空气 衍射 Diffraction 无线电波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象 会改变传输的方向和速度 散射 Scattering 细小粗糙的颗粒造成无线信号发散 无线信号在穿过充满灰尘或沙砾的环境时会发生散射 散射对波长较短的无线信号（例如2.4GHZ和5.8GHZ）影响比较大 AP

10、天线天线 馈线馈线 衰减 Loss（Attenuation） -30dbm-45dbm -30dbm-60dbm -30dbm-45dbm -30dbm -60dbm 材质厚度 角度 障碍物 衰减量 2.4GHz衰减量 （dB) 4.5cm厚金属门13 4.5cm实木门6 4.5cm中空门4 4.5cm内部隔断墙4 9cm砖块6 45cm混凝土墙18 70cm混凝土外墙45 1.5cm玻璃隔断8 自由空间损耗 Free Path Loss 计算公式 LP=32.4+（20log10F）+（20log10D） LP 自由空间损耗 F 电磁波频率 D 传播距离（km） AP 100mW 天线天线

11、馈线馈线 Client 天线天线 馈线馈线 1000m衰减多少？衰减多少？ 0 20 40 60 80 100 120 124101001000 dB 距离（m） 距离每增加一倍衰减增加 6dB 5GHz比2.4GHz衰减高6dB 结合1m、10m、100m、 1000m的衰减可以估算实 际的衰减 5G2.4G 46 自由空间衰减图 多路径 Multipath 信号在传播链路中发生反射、散射、衍射，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同 的信号的耦合，接收信号与原始信号相比出现随机变化。 AP 天线天线 馈线馈线 Client 天线天线 馈线馈线 第一菲尼尔区域 The first Fr

12、esnel zone 菲涅尔区域是一个椭圆球体，如下图。实际传播中，如果椭圆球体内存在阻挡物，直 射波和反射波（绕射波）的路径差小于半个波长，相位差的影响小于/2，这样会大 大影响无线电波的传播效果，这个椭圆球体的半径就是第一菲尼尔区域半径。 电磁波主要通过第一菲涅尔区域传播，近似于自由空间传播 菲尼尔区域示例 2WLAN基础知识（物理层） 2.1RF射频属性 2.2RF射频行为特性 2.3RF相关计算 2.4WLAN 物理层重要参数 2.5802.11abgn介绍 RF计算 RF功率表示 EIRP计算 系统增益计算 RF功率表示 WMW 常用的功率单位 功率的范围非常大，用W MW表示困难

13、10W=10000MW DBM 是一个表示功率绝对值的值（也可以认为是以1MW功率为基准的一个比值） 容易表示大的功率的范围，容易计算 10LG（P/1MW）P为功率值 100MW=10LG（100/1MW）=20DBM 10W=40DBM DB 是一个表示功率相对值，表示功率增加多少和减少多少 27DBM-20DBM=7DB 增加7DB 20DBM-27DBM=-7DB 减少-7DB dBm mW对应表 dBmmWdBmmW 0 dBm1 mW0 dBm1 mW 1 dBm1.25 mW-1 dBm0.8 mW 3 dBm2 mW-3 dBm0.5 mW 6 dBm4 mW-6 dBm0.2

14、5 mW 7 dBm5 mW-7 dBm0.20 mW 10 dBm10 mW-10 dBm0.10 mW 12 dBm16 mW-12 dBm0.06 mW 13 dBm20 mW-13 dBm0.05 mW 15 dBm32 mW-15 dBm0.03 mW 17 dBm50 mW-17 dBm0.02 mw 20 dBm100 mW-20 dBm0.01 mW 30 dBm1000 mW (1 W)-30 dBm0.001 mW 40 dBm10,000 mW (10 W)-40 dBm0.0001 mW +3db 功率增加一倍、功率增加一倍、+10db功率增加功率增加10倍倍 -3db

15、 功率减少一倍、功率减少一倍、 -10db功率减少功率减少10倍倍 等效全向辐射功率 EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) 指射频发射机在指定方向上的辐射功率，单位为dBm。 EIRP EIRP=36dBm= 设备发射功率20dBm -线路衰减-1dB +发射天线增益+17dBi 系统增益 AP 20dBm 天线天线 (17dBi) 馈线（馈线（1dB） Client 接收灵敏度 -90dB 天线天线 (17dBi) 馈线馈线 系统增益=43dB= 设备发射功率20dBm -线路衰减-1dB +发射天线增益+17dBi -传输损耗-100dB +

16、接收天线增益+17dBi -接收灵敏度-（-90dB） 1000m 衰减衰减 100dB 2WLAN基础知识（物理层） 2.1RF射频属性 2.2RF射频行为特性 2.3RF相关计算 2.4WLAN 物理层重要参数 2.5802.11abgn介绍 WLAN 物理层重要参数 接收信号强度 RSSI 最大接收电平 接收灵敏度 信号噪声比 SNR 信号干扰比 SIR 是指接收机处基频信号的功率大小。 接收信号强度指示 RSSI （Receiver Signal Strength Indicator） TX:20dBmRSSI:-30dBm 最大接收电平 指接收机在满足PER（错包率）小于10的条 件

17、下，天线口能够接收的最大接收信号电平， 一般用DBM表示。 最大接收电平反映了接收机接收强信号的能力， 超过最大接收电平将导致接收机饱和，误码率 明显升高 调制解调方式最大接收电平 OFDM-30dBm CCK-20dBm 接收灵敏度 Receiver Sensitivity 接收灵敏度是指接收机在满足PER（错包率）小于10的条件 下，天线口能够接收到的最小接收信号电平，用DBM表示。 它反映了设备接收弱信号的能力，在发射功率一定的情况下， 灵敏度越高，覆盖范围越大 调制方式调制方式OFDMOFDMOFDMOFDMCCKCCKDQPSKDBPSK 传输速率传输速率54 Mb/s48 Mb/s

18、36 Mb/s24 Mb/s11 Mb/s5.5 Mb/s2 Mb/s1 Mb/s 接收灵敏度接收灵敏度 dBm (for BER = 10 %) -68-69-75-79-83-87-91-94 信噪比 SNR (Signal-to-noise ratio) 衡量系统解调处理能力的指标。 它是在接收机接收到信号经各级放大、解调后的信号与噪声的比值。 提供的带宽越高，SNR要求越高 0 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 123456 速率速率 SNR成正比成正比 信干比 SIR (signal-to-interference ratio) 信号强度和干扰的比 越大

19、越好 2WLAN基础知识（物理层） 2.1RF射频属性 2.2RF射频行为特性 2.3RF相关计算 2.4WLAN 物理层重要参数 2.5802.11abgn介绍 802.11系列协议 802.11802.11b802.11a802.11g802.11n 标准发布时间19971999199920032009 频率范围 2.4G2.4G5.8G2.4G 2.4G 5.8G 非重叠信道 33533、5 调制传输技术 BPSK/QPSK FHSS CCK DSSS 64QAM OFDM CCK/64QAM OFDM MIMO OFDM 物理发送速率1, 21,2,5.5, 11 6, 9, 12,

20、18, 24, 36, 48, 54 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 协议规范 最高600Mbps 兼容性N/A与11g产品可互通 与11b/g不能互 通 与11b产品可互通兼容11abg 802.11g标准 与802.11b类似，工作在2.4GHz频段 3个非重叠信道: 1, 6, 11 采用直接序列扩频-补偿码键控(DSSS-CCK)和正交频分复 用(OFDM)传输 支持12种数据速率，最高速率为54 Mbps 1, 2, 5.5, 11 Mbps (DSSS / 802.11b) 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps (OFDM)

21、向后完全兼容802.11b标准 单台AP TCP最大吞吐量约为24Mbps，网络最大吞吐量72Mbps（3*24） 2.4 GHz信道的使用 北美地区: 1-11 中国、欧洲: 1-13 日本、1-13，14（11b only） 1、6、11为完全无重叠信道 在同一个区域可以存在3个接入点(AP) 1 1 2345 6 6 78910 1111 12 13 22Mhz2.402Ghz2.483Ghz 14 2.4GHz频段信道分配表 信道中心频率 (MHz)信道低端/高端频率 (MHz) 124122401/2423 224172406/2428 324222411/2433 424272416/2438 524322421/2443 624372426/2448 724422431/2453 824472426/2448 924522441/2463 1024572446/2468 1124622451/2473 1224672456/2478 1324722461/2483 信道间隔5MHz 信道宽度22MHz，从中心频率左右扩展11MHz 802.11b