【科普】什么是WiFi,WiFi的前世与今生

来源:互联网作者:强川科技阅读量:1226

WiFi(Wi-Fi),是Wi-Fi联盟的商标,也是一个基于IEEE 802.11标准的无线局域网(WLAN)技术。从1997年第一代IEEE 802.11标准发布至今,802.11标准经历了6个版本的演进,在Wi-Fi 6发布之前,Wi-Fi标准是通过从802.11b到802.11ac的版本号来标识的。随着Wi-Fi标准的演进,Wi-Fi联盟为了便于Wi-Fi用户和设备厂商轻松了解Wi-Fi标准,选择使用数字序号来对Wi-Fi重新命名。


Wi-Fi的历史

在介绍Wi-Fi之前,先来了解两个组织:一是电气和电子工程师协会(IEEE)另一个则是WiFi 联盟。电气和电子工程师协会的全称是:Institute of Electrical and Electronics Engineers,简称IEEE,他将自己定义为“世界上最大的技术专业协会”。IEEE负责开发和维护802.11 无线局域网(WLAN)通信标准,同时还在维护1200多种技术和通信标准。


WiFi 联盟(WiFi Alliance,简称:WFA )是一个由多家企业和组织参与的商业化联盟。包括了WiFi 生态系统中的多家公司、客户、运营商和其他组织。该联盟成立的目的是共同致力于使用基于标准的无线网络技术实现和促进开放式无线通信技术的发展。


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也是就是说, IEEE只负责编写、规定 WiFi 必须遵守的技术规范的标准。这些标准以文档的形式发布,但对于制造商而言,不可能会或可能不会将所有的规范都集成到产品中,这会导致各家企业的产品性能、指标参差不齐。而WiFi 联盟的出现,就是为这些广泛的规范而制定测试计划、服务和认证计划,以推动产品通过验证以满足规范要求。通过验证产品的兼容性并提供预期的性能和功能使这些产品在市场上建立起信任。


IEEE作为标准组织,1990年就成立了802.11工作组来制定无线局域网的相关标准。无线局域网(Wireless Local Area Network,简称:WLAN)有广义和狭义两种涵义。广义的WLAN是以各种无线电波如激光、红外线等无线信道来代替有线局域网中的部分或全部传输介质所构成的网络;狭义的定义是基于IEEE 802.11系列标准,利用高频无线射频如2.4GHz或5GHz频段的无线电磁波作为传输介质的无线局域网。


随着WiFi技术的实现相对简单、其通信的可靠行、灵活性和以及低成本等优势,逐渐成为了无线局域网的主流技术标准,WiFi目前也就成了WLAN技术标准的代名词。


802.11 协议非常多。从1997年至今,平均每年超过2个协议发布。这对于消费者而言则是个灾难——毫无意义的一段数字和字母组合很难记住。于是WiFi联盟提出了新的命名系统,使供应商更容易向消费者表名他们的设备支持哪些标准,服务提供商可以解释他们的网络提供什么,用户也更便于了解哪些产品使用了哪种每种标准。

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802.11标准的演进


如第6代WiFi的802.11ax技术被称为WiFi 6。WiFi 1/2/3/4/5/6对应的都是一版协议,表示的是对协议进行了一次大的补充,或是将全新的通信技术引入到协议中。


WiFi各代的特性与缺点:

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标准的起源  IEEE 802.11-1997 (击败其他标准,成为业界WLAN标准)

特点:传输速率达到每秒 1 Mb/s 或 2 Mb/s,并规定了三种可选择的物理层技术:

  • 以 1 Mbit/s 速度工作的散射红外线

  • 以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 工作的跳频扩频技术

  • 以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 速率工作的直序扩频技术

后两种无线电技术通过2.4 GHz工业、科学、医疗(ISM)频段采用微波进行传输。其规定的数据速率是通过红外(IR) 信号或通过跳频或直序扩频 (DSSS) 无线电信号进行传送。红外传输虽然是标准的一部分但并没有真正实现。

缺点:由于有太多的传输选择,造成了互操作性差。



标准增强  IEEE 802.11b(WiFi 1):

特点: 速度大幅提升:数据速率为 11 Mbit/s。并且实现了价格大幅度下降。

缺点: 与同在 2.4 GHz 频段内工作的其他产品如微波炉、无绳电话、蓝牙设备带来相互干扰的问题。



标准增强  IEEE 802.11a(WiFi 2):

特点: 首次将5GHz 频段放入标准。采用 52 个副载波正交频分复用 (OFDM)技术,数据速率提升为 54 Mbit/s。抗干扰性较好。

缺点: 传输的有效范围略低, 802.11a 信号的穿透力不如 802.11b。



2.4G和5G WiFi比较

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标准的扩展与兼容  IEEE 802.11g(WiFi 3):

特点:在2.4 GHz 频段中工作 使用与 802.11a 相同的基于 OFDM 的传输方式,最大传输速率为 54 Mbit/s。硬件完全向下兼容 802.11b。

缺点:2.4 GHz 仍然存在干扰问题。如果在 802.11g 网络中有 802.11b 设备则会明显降低整个802.11g 网络的速度。



基于MIMO-OFDM的HT标准  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。



VHT标准  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。



HEW标准  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。



Wi-Fi和WLAN的区别

Wi-Fi指的是Wi-Fi联盟的商标,也是一种基于IEEE 802.11标准的无线网络通信技术,目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。


WLAN的全称是Wireless Local Area Network,中文含义是无线局域网,WLAN的定义有广义和狭义两种:广义上讲WLAN是以各种无线电波(如激光、红外线等)的无线信道来代替有线局域网中的部分或全部传输介质所构成的网络;WLAN的狭义定义是基于IEEE 802.11系列标准,利用高频无线射频(如2.4GHz或5GHz频段的无线电磁波)作为传输介质的无线局域网。我们日常生活中的WLAN,就是指的WLAN的狭义定义。在WLAN的演进和发展过程中,其实现技术标准有很多,如蓝牙、Wi-Fi、HyperLAN2等。而Wi-Fi技术由于其实现相对简单、通信可靠、灵活性高和实现成本相对较低等特点,成为了WLAN的主流技术标准,Wi-Fi技术也逐渐成为了WLAN技术标准的代名词。


简单来说就是,WLAN是一个网络系统,而Wi-Fi是这个网络系统中的一种技术。所以,WLAN和Wi-Fi之间是包含关系,WLAN包含了Wi-Fi。



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