WiFi无线网络技术浅析

刘涌+胡庆峰+韩伟

摘要：与传统的有线网络相比，无线局域网具有更加灵活，运维成本更低等特点。IEEE802.11系列标准详细地描述了其相关的物理规范，向人们展示了无线网的发展历程的同时，也指引了无线网的发展方向。目前在无线网相关技术中，比较重要的有CCK、OFDM、MIMO和MIMO-OFDM等，而这些技术也正是人们生活中经常用到的IEEE902.11a、b、g、n的核心技术，有了这些技术的保障，加上诸如控制发射功率、调节接收器灵敏度、天线的方向和工作环境的影响等因素，才使得无线网能够很快地应用在人们生活中，而这些也正是无线网进一步发展的研究方向。

关键词：IEEE802.11；WiFi；AP；OFDM

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0037-02

1 概述

无线局域网（Wireless Local Area Networks）简称WLAN，指通过无线连接的方式组建的局域网，和传统有线局域网相比，它具有安装简便、运行灵活、维护成本低、扩展能力强等特点。WLAN的核心标准之一是由电气电子工程师协会（IEEE）802标准化委员会第十一标准工作组制定，即IEEE802.11体系，IEEE802.11系列标准由WiFi（Wireless Fidelity）联盟进行推广，这也就是人们俗称的WiFi网络的由来。

生活中常见的IEEE802.11a、b、g、n均为该体系中修正案的编号，编号从a排至z，其中F和T大写，表示这两个仅为操作规程建议，再之后制定的修正案用两个字母标注，如aa，ae，ai等。IEEE802.11-1997于1997年通过后，1999年9月通过了IEEE802.11a，从而引入了正交频分复用技术（OFDM）并定义了5GHz频段高速物理层的规范；同年802.11b引入了补码键控技术（CCK）并对2.4GHz频段的物理层进行扩展；802.11g将a中OFDM PHY扩展到了2.4GHz，并同b保持了设备的向后兼容性和互操作性；802.11n则同时支持2.4GHz和5GHz，通过使用多入多出（MIMO）进行空分复用和40MHz带宽操作特性，使传速速率达到300Mbit/s，最高速可达600Mbit/s，同时兼容802.11b和g。

2 WiFi的组成

无论采用哪种IEEE802.11标准，一个完整的WiFi网络主要由无线介质（WM）、站点（STA）、分布式系统（DS）和接入点（AP）组成：无线介质，顾名思义，就是除了传输线之外的传输介质，通常指的就是大气；无线网络中的站点简言之就是带有无线网卡的计算设备，可以是手机，也可以是带有无线网卡的电脑，是WiFi网络的基本组成单元，一个最小的无线网络可以仅由两个站点组成，这种形式的网络称为Ad Hoc，通常用于临时搭建的网络，而两个以上STA组合在一起互相通信，可以构成一个基本服务集（BSS）；单个BSS的地理覆盖范围十分有限，利用分布式系统（DS）可以将多个BSS连接在一起，从而组成扩展服务集（ESS）；在一个无线网络中，为了更加有效地传输信号，需要设置一些具有桥接与控制功能的站点，这些站点被称为接入点（AP），从某种角度讲，AP决定了WiFi的各种组网方式，如：点对点模式、多AP模式、基础架构模式、无线网桥模式和无线中继器模式等。

3 WiFi的关键技术

WiFi出现短短几年之内，就得到了市场的认可，除了其连接灵活方便的优点外，更重要的原因是，WiFi的传输速度正在变得越来越快。常见的WiFi技术主要有DSSS/CCK技术、OFDM技术、MIMO技术等。

3.1 DSSS/CCK技术

IEEE802.11b标准的数据调制方式是基于CCK的QPSK，它采用DSSS和CCK技术，是一种单载波的调制技术，最高可达到11Mbit/s。在这种标准下，CCK技术能够有效地克服多径效应，但也正因为如此，当速率超过11Mbit/s时，需要引入更复杂的均衡调制技术，非常难以实现。

3.2 OFDM技术

正交频分复用技术（OFDM）是一种多载波调制技术，通过子载波互相正交的方式，使可用频谱划分的各个子载波互不干扰，从而提高频谱的使用效率。相对CCK而言这种技术虽然更加高效，但也更加复杂，需要采用快速傅里叶逆变换（IFFT）和快速傅里叶变换（FFT）来分别实现正交的调制与解调，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，这两种变换才得以快速实现，从而真正发挥OFDM的作用。

OFDM技术是超三代（B3G）和第四代移动通信（4G）的核心技术。为了提高数据的传输速度，IEEE802.11a、g、n都采用了这种技术，由于一般的网络业务中下载量的需求远大于上传量，OFDM通过控制上传于下载的子载波数量，实现非对称传输，从而提高下载速度。

3.3 MIMO技术

多入多出（MIMO）技术可以说是下一代通信系统的关键技术，通过在收发两端都采用多天线和多通道的方式，有效地解决了多径效应引起的信号衰落问题；同时，由于各发射信号使用同一频带，利用MIMO技术创造多个并行空间通道，有效地提高了数据的传输速率。在带宽和功率都固定的情况下，一般天线系统所提供的容量会随天线数的增加而对数增长，而MIMO技术提供的容量会随天线数的增加呈线性增加，即更加有效地提高系统的最大传输率。值得一提的是，MIMO技术与OFDM技术并不冲突，甚至已经有了MIMO-OFDM技术，有效地整合了两者的优势，使无线系统对噪声、干扰、多径的容量大大增加。

4 WiFi通信距离

除了更快速地传输数据，WiFi的覆盖范围也是其重要指标之一，即AP的覆盖范围。通常AP的覆盖范围会受发射机输出功率、接收机灵敏度、工作频率、工作环境和天线特性几方面影响：

1）数据的传输速率越低，则 接收机的灵敏度越高，通信距离越远；

2）室外通信距离比室内通信距离更远；

3）相同发射功率下，2.4GHz比5GHz覆盖范围更大；

4）天线的方向、增益与极化等会对通信距离产生很大影响。

5 结束语

无线WiFi作为互联网络建设的一个分支，因其实用性和便捷性，在人们的生活中起着越来越重要的作用，可以预见，随着无线网络的技术不断更新，未来的无线网络将更加高速，覆盖范围更广，以更有效的方式利用资源，而这也正是绿色网络的目标与宗旨。

参考文献：

[1] 吴湛击.无线网络编码——原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2014：1-200.

[2] 王建平，余根堅，李晓颖. 无线网络技术[M].北京：清华大学出版社，2013：1-260.

[3] 段利国.网络编程实用教程[M].3版.北京：人民邮电出版社，2016：20-270.