移动WLAN基础培训

1WLAN网络概览2WLAN根底知识〔物理层〕3WLAN根底知识〔MAC层〕4802.11n技术介绍WLAN使用无许可证的频段2.4GISM:工业,科学和医疗频段5.8G无授权的国家信息根底实施频段IEEE802.11系列协议开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（QualityofService,QoS）的支持已批准802.11g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MIMOOFDM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指定中WLAN物理层和数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层LLC

MACMACLayer载波侦听冲突避让机制CSMA/CA接入控制加密、漫游、节电PhysicalLayer2.4GHz&5.8GHzFHSSDSSSOFDMMIMO1-54Mbps600Mbps100-500m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极化PolarityAP

天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平行为水平极化频率Frequency频率越高提供的带宽越大频率越高,衰减越大，覆盖区域越小1second波长

Wavelength波长=光速/频率2.4GHz波长为12.24cm5.8GHz波长为5.19cm

AP100~

500mW网卡30~

50mW移动

200~

1000mW微波炉700~

1000W振幅

AmplitudePower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主信号同相90°异相180°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WavePropagation吸收Absorption反射Reflection折射Rafraction衍射Diffraction衰减Loss〔Attenuation〕自由空间损耗FreeSpacePathLoss多路径Multipath第一菲尼尔区域ThefirstFresnelzone传播WavePropagationAP天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天线馈线墙体反射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气层会发生反射AP天线馈线折射

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天线馈线AP天线馈线AP天线馈线AP天线馈线衍射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天线馈线衰减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134.5cm实木门64.5cm中空门44.5cm内部隔断墙49cm砖块645cm混凝土墙1870cm混凝土外墙451.5cm玻璃隔断8自由空间损耗

FreePathLoss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〕AP100mW

天线馈线Client天线馈线1000m衰减多少？距离每增加一倍衰减增加6dB5GHz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5G2.4G46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天线馈线Client天线馈线第一菲尼尔区域ThefirstFresnelzone菲涅尔区域是一个椭圆球体，如以下图。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π/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例如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WmW表示困难10W=10000mWdBm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〕=20dBm10W=40dBmdB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7dB20dBm-27dBm=-7dB减少-7dBdBmmW对应表dBmmWdBmmW0dBm1mW0dBm1mW1dBm1.25mW-1dBm0.8mW3dBm2mW-3dBm0.5mW6dBm4mW-6dBm0.25mW7dBm5mW-7dBm0.20mW10dBm10mW-10dBm0.10mW12dBm16mW-12dBm0.06mW13dBm20mW-13dBm0.05mW15dBm32mW-15dBm0.03mW17dBm50mW-17dBm0.02mw20dBm100mW-20dBm0.01mW30dBm1000mW(1W)-30dBm0.001mW40dBm10,000mW(10W)-40dBm0.0001mW+3db功率增加一倍、+10db功率增加10倍-3db功率减少一倍、-10db功率减少10倍等效全向辐射功率

EIRP(EquivalentIsotropicRadiatedPower)指射频发射机在指定方向上的辐射功率，单位为dBm。EIRPEIRP=36dBm=设备发射功率20dBm-线路衰减-1dB+发射天线增益+17dBi系统增益AP20dBm

天线(17dBi)馈线〔1dB〕Client接收灵敏度-90dB天线(17dBi)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+接收天线增益+17dBi-接收灵敏度-（-90dB）1000m

衰减100dB2WLAN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〔ReceiverSignalStrengthIndicator〕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-30dBmCCK-20dBm接收灵敏度ReceiverSensitivity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OFDMOFDMOFDMOFDMCCKCCKDQPSKDBPSK传输速率54Mb/s48Mb/s36Mb/s24Mb/s11Mb/s5.5Mb/s2Mb/s1Mb/s接收灵敏度dBm(forBER=10%)-68-69-75-79-83-87-91-94信噪比

SNR(Signal-to-noiseratio)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要求越高速率SNR成正比信干比

SIR(signal-to-interferenceratio)信号强度和干扰的比越大越好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2.4G2.4G5.8G2.4G2.4G5.8G非重叠信道33533、5调制传输技术BPSK/QPSKFHSSCCKDSSS64QAMOFDMCCK/64QAMOFDMMIMOOFDM物理发送速率1,21,2,5.5,116,9,12,18,

24,36,48,546,9,12,18,

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11abg802.11g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54Mbps1,2,5.5,11Mbps(DSSS/802.11b)6,9,12,18,24,36,48,54Mbps(OFDM)向后完全兼容802.11b标准单台APTCP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〔11bonly〕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)1234567891011121322Mhz2.402Ghz2.483Ghz142.4GHz频段信道分配表信道中心频率(MHz)信道低端/高端频率(MHz)124122401/2423224172406/2428324222411/2433424272416/2438524322421/2443624372426/2448724422431/2453824472426/2448924522441/24631024572446/24681124622451/24731224672456/24781324722461/2483信道间隔5MHz信道宽度22MHz，从中心频率左右扩展11MHz802.11b/g2.4GHz信道的重用水平部署垂直部署802.11a标准工作在5GHz频段采用正交频分复用(OFDM,orthogonalfrequency-divisionmultiplexing)中国使用5个信道149、153、157、161、165支持8种数据速率，最高速率为54Mbps6,9,12,18,24,36,48,54Mbps单台AP最大吞吐量约为24Mbps网络提供最大吞吐量120Mbps〔24*5〕5.8GHz频段信道分配表信道中心频率(MHz)信道低端/高端频率(MHz575515327655755/577515757855775/579516158055795/581516558255715/583514920Mhz5.745Ghz5.825Ghz1531571611655.8GHz信道的使用信道间隔20MHz信道宽度20MHz，从中心频率左右扩展10MHz802.11a5.8GHz信道的重用水平部署垂直部署802.11abg比照11bAP11gAP11aAPDSSS-CCK覆盖范围OFDM覆盖范围802.11n工作在2.4GHz和5GHz频段采用MIMO-OFDM单空间流最大速率为150Mbps1stream150Mbps2stream300Mbps3stream450Mbps4stream600Mbps向下兼容802.11abg3WLAN根底知识〔MAC层〕3.1WLAN网络术语3.2WLANMAC原理3.3WLAN平安机制无线根底架构AP〔AccessPoint〕负责802.11到802.3的数据桥接、转换BSA〔BasicServerArea〕AP的覆盖区域DS〔DistributionSystem〕分布式系统无线是一个半双工介质效劳集标识符SSID〔ServiceSetIdentity〕SSID用来逻辑划分WLAN客户端和AP上的SSID值必须匹配AP在beacon帧(一种管理帧)中播送SSID客户端可以不需要配置SSID单台AP组成的网络为BSS(BasicServiceSet)SSIDAUTELANBSS3WLAN根底知识〔MAC层〕3.1WLAN网络术语3.2WLANMAC原理3.3WLAN平安机制802.11帧概览管理帧参加和退出WLAN、AP间漫游BeaconProbeRequestProbeResponseAuthenticationDeauthenticationAssociationRequestAssociationResponseDisassociationReassociationRequestReassociationResponse控制帧获得信道使用权和收到数据确认ACKRTSCTS数据帧数据传递DATA发现网络认证关联及漫游确认预约信道802.11用户接入四部曲步骤1：扫描发现网络

步骤2：认证

步骤3:关联

步骤4:数据收发管理帧参加和退出WLAN、AP间漫游BeaconProbeRequestProbeResponseAuthenticationDeauthenticationAssociationRequestAssociationResponseDisassociationReassociationRequestReassociationResponse发现网络认证关联及漫游Scanning802.11MAC通过扫描来实现寻找和参加一个网络当STA漫游时寻找一个新的AP扫描分为两种ActiveScanningPassiveScanningActiveScanning①ProbeRequest②ProbeResponseSTA主动播送ProbeRequest,〔ssid为null〕，当前信道所有AP发送ProbeResponse响应，STA根据信号强度决定接入哪个APAP1AP2③AP1的信号强，我选择AP1PassiveScanningAP播送beacon帧〔默认100ms〕，终端通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络。Page60BeaconBeaconBeaconBeaconBeaconCMCCAuthenticationrequestAuthenticationResponse(success)AuthenticationrequestPlaintextchallengeCiphertextchallengeAuthenticationResponse(success)预置Key用Key加密明文密文解密和明文比较预置KeyOpen-systemAuthentication过程Shared-KeyAuthentication过程Authentication121234ReassociationRequestAssociationRequestAssociationResponseAssociationDisassociationReassociationResponseRSSINewAP位置OldAPt1t2t3t1t2STA接入APSTA在AP间漫游STA接入AP全过程〔Open-systemAuthentication〕Page63Null帧（通知进入节电状态）Beacon（TIM）Sleep缓存帧DATA（发送缓存帧）Beacon（TIM）Beacon（TIM）PS-poll（获取缓存帧）AssociattionrequestListenInternal3…………802.11节电ACK丧失收到单播数据帧后回复ACK确认播送数据帧不需要ACK确认单播帧ACK肯定确认机制单播帧ACK单播帧开始下一个单播帧发送数据重传Retry单播数据包丧失CSMA/CA载波侦听多路访问/冲突避让TxFrameSIFSRxACKDIFSSTA1随机竞争窗口DIFSTxFrameSTA2RxFrameStation1SIFSTxACKRxFrameStation2AP短帧间隔〔Shortinterframespace，简称SIFS〕SIFS用于高优先级的传输场合，例如RTS/CTS以及ACK。经过一段SIFS〔时间〕，即可进行高优先级的传输。一旦高优先级传输开始，介质即处于忙碌状态，因此相较于必须等待较长时间才能传输的帧，SIFS消逝后即可进行传输的帧优先级较高。分布式帧间隔〔DCFinterframespace，简称DIFS〕DIFS是竞争式效劳中最短的介质闲置时间。如果介质闲置时间长于DIFS，工作站可以立即对介质进行访问。DIFS随机竞争窗口随机竞争窗口随机竞争窗口DIFSSIFSRx

ACKSIFSTx

ACK隐藏节点HiddenNodeProblem

802.11bDSSS-CCK802.11gOFDM①由于距离原因，听不到对方发送数据②由于障碍物原因，听不到对方发送数据③由于协议原因，听不到对方发送数据STA-2APRTS/CTS〔RequestTOSend/ClearTOSend〕STA-1①RTS②CTS②CTS③Frame④ACK①STA1发送RTS帧启动发送数据帧过程。RTS作用：预约无线链路的使用权，并要求接收到这一消息的其他的工作站保持listen状态。②AP收到RTS，回复CTS。CTS作用，令附近的工作站保持listen状态。③等到RTS/CTS完成交换过程，STA1发送要传送的帧，无须担忧来自其他隐藏节点的干扰。④AP收到STA1的帧后，回复ACK予以确认，STA1数据帧发送完成。RTS/CTS应用场合隐藏节点问题较为严重场合，需要手动调低RTS/CTS阈值，默认为2347Byte802.11g混合模式802.11b工作站无法解码802.11gOFDM调制的无线信号。当网络中存在802.11b客户端时，802.11b/g接入点采用RTS/CTS或CTStoself来防止冲突。RTS/CTS或CTStoself携带传输OFDM数据所需要的时间，并以802.11b能够接受的调制解调方式发送。由于引入额外的开销，网络的总体吞吐量降低。802.11g混合模式网络性能MaxData(Mbps)Throughput(Mbps)802.11b116802.11g(nolegacysupport)5422802.11g(mixedmode,RTS/CTS)548802.11g(mixedmode,CTStoself)5414802.11a5425以下两种情况会使运行802.11g的AP启动802.11g保护功能：一、802.11b的客户端和运行802.11g的AP相关联；二、运行802.11g的AP探测到周边同一信道内的运行802.11b的AP或无线客户端整体网络性能大约降低一半3WLAN根底知识〔MAC层〕3.1WLAN网络术语3.2WLANMAC原理3.3WLAN平安机制传统有线网络

通过防火墙进行网络边界控制互联网效劳器用户平安的内部网络网络边缘模糊、穿透防火墙的新手段层出不穷无线技术改变了一切

用户停车场上的黑客非法接入点服务器互联网漏洞层出不穷WLAN平安机制要素Page74平安机制概览Page754802.11n技术介绍4.1802.11n技术概述4.2802.11n增强的物理层4.3802.11n高效的MAC层4.4802.11n网络部署802.11n的优势802.11n的优势11n技术概览OFDM改进FEC前向纠错40Mhz通道绑定数据包聚合BlockAck块确认增强的物理层高效的MAC层MIMO多输入多输出ShortGI短帧间隔4802.11n技术介绍4.1802.11n技术概述4.2802.11n增强的物理层4.3802.11n高效的MAC层4.4802.11n网络部署一、优化结构、提升速率

由“圆〞变成“方〞，装载的货物更多了，空间利用更合理802.11ag52个子载波〔48个数据子载波〕802.11n56个子载波〔52个数据子载波〕52*〔54/48〕=58.5MbpsAM-64的编码机制可以将编码率〔有效信息和整个编码的比率〕从3/4

〔802.11ag〕提高到5/658.5*〔5/6〕/〔3/4〕=65Mbps改进的OFDM

FEC前向纠错(ForwardErrorCorrection)二、短帧间距，加速发送每10分钟短帧保护间隔〔ShortGuardInterval〕802.11a/g采用800ns的保护间隔802.11n支持400ns的保护间隔，速率可以提升10%左右。65Mbps*〔1+10%〕=72.2Mbps平安第一800ns提高为400ns后因码间干扰导致数据损坏的可能性也增加了因此在反射过于强烈的环境不建议开启400ns三、信道绑定，双倍带宽40MHz信道绑定将两个相邻的20MHz信道绑定频宽增加一倍、速率提高为两倍多对于20MHz频宽，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小局部的带宽边界。而通过40MHz绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载波从104〔52×2〕提高到108。〔〔72.2*2〕/104〕*108=150Mbps四、多入多出，速率倍增装货区装货区装货区卸货区卸货区卸货区MIMO——T*R:ST：发送天线数量R：接收天线数量S：空间流数〔40MhzShortGI，每空间流150Mbps〕空间流数量可以和天线数量不一致，但必须不大于天线的数量11n最多定义了1、2、3、4路空间流，即150Mbps、300Mbps、450Mbps、600Mbps两路空间流常见的MIMO系统1*2:1一个发送两个接收一路空间流150Mbps2*2:2两个发送两个接收两路空间流300Mbps2*3:2两个发送三个接收两路空间流300Mbps不变，进一步改善接收效果3*3:2三个发送三个接收两路空间流300Mbps不变，进一步改善接收发送效果2*2:2→2*3:2→3*3:2可以明显的改善接收发送效果，同时大幅提高了设备的本钱和能耗，3*3:2以上对接收发送的改善效果不明显2*2:23*3:33*3:2比较大局部厂商都只实现了2路空间流MIMO——MRC最大合并比

(Maximal-RatioCombining)合并多路信号，增强了接收灵敏度，听的更好MIMO——波束赋形

〔transmitbeamforming〕无线信号传送到客户端无相差，增强了信号强度，说的更好。MIMO对各种STA的速率提升MRC最大合并比波束赋形空间复用MRC最大合并比波束赋形空间复用MRC最大合并比波束赋形空间复用802.11n的理论吞吐率注意:标准指定速率最多到600Mbps(4个空间流)–目前芯片不支持Keybenefits:1.第二空间流加倍速率2.通道绑定根本上加倍了速率3.短的数据间隔增加了大概10%的速率

MCS等级(ModulationCodingScheme)

4802.11n技术介绍4.1802.11n技术概述4.2802.11n增强的物理层4.3802.11n高效的MAC层4.4802.11n网络部署五、聚合发送，效率更高帧聚合——A-MSDUA-MSDUMAC效劳数据单元聚合，对网络层的数据做合并传送A-MPDUMAC协议单元聚合对802.11帧进行合并传送帧聚合——A-MPDU大局部厂商采用了A-MPDU实现帧聚合块确认〔blockACK〕BlockAck机制通过使用一个ACK帧来完成对多个聚合帧的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。

没有帧聚合帧聚合+块确认BACK4802.11n技术介绍4.1802.11n技术概述4.2802.11n增强的物理层4.3802.11n高效的MAC层4.4802.