802.11协议详解

802.11协议详解
WLAN协议详解
802.11b/g/n定义在2.4GHz频段中，802.11a/n/ac⼯作在5GHz频段中。

802.11：⼯作在2.4G频段，提供了每秒1兆或2兆的传输速率
802.11b：
* 最⾼11Mbps吞吐量
* ⼯作在2.4GHz，采⽤直序扩频（DSSS）
* 802.11b是所有⽆线局域⽹标准中最著名，也是普及最⼴的标准。

在2.4GHz ISM频段中共有14个频宽为22MHz的频道可供使⽤，3个信道不重叠。

802.11g：
* 最⾼速率54Mbps
* 802.11g⼯作在2.4GHz频段
* 802.11g采⽤正交频分复⽤（OFDM），⽀持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps数据速率及802.11b速率⽀持13个信道
802.11a：
* 最⾼速率达54Mbps
* 802.11a⼯作在5GHz
* 802.11a采⽤正交频分复⽤（OFDM），⽀持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps数据速率
802.11n：
* 最⾼速率可达600Mbps
* 802.11n协议为双频⼯作模式，⽀持2.4GHz和5GHz，兼容802.11a/b/g标准兼容
* 802.11n采⽤MIMO与OFDM相结合
* 传输距离⼤⼤增加
* 提⾼⽹络吞吐量性能
802.11n优势：
* 速率提升-更多的⼦载波
802.11a/g在20MHz模式下有48个可⽤⼦载波，速度可达54Mbps
802.11n在20MHz模式下有52个可⽤⼦载波，速度可达58.5Mbps
* 速率提升-编码率
* 速率提升-Short GI
在⽆线收发过程中收/发间或多次传发过程中，需要若⼲间隔时间，⽽这个间隔时间就成为Guard Interval，简称GI
Short Guard Interval 更短的帧间保护间隔
802.11a/b/g标准要求在发送数据时，必须保证在数据之间存在800ns的时间间隔，802.11n仍缺省使⽤800ns，当多径效应不严重时，可以将该间隔配置为400ns，可以将吞吐量提升近10%
Short GI使⽤⽤于多径情况较少、射频环境较好的应⽤场景。

速率提升-40M频宽模式
802.11n同时定义了2.4GHz频段和5GHz频段的WLAN标准，与802.11a/b/g每信道只⽤20MHz频宽不同的是802.11n定义了两种频带宽度：20MHz频宽、40MHz频宽。

使⽤40MHz频宽模式，可以成倍的增加⽆线⽹络的⽀持速率
MINO技术
采⽤802.11a/b/g技术的⽆线接⼊点和客户端是通过单个天线单个空间信道（SISO）来实现数据传送的
采⽤802.11n技术的⽆线接⼊点和客户端可以利⽤两个或更多空分信道同时传输数据，如果终端也⽀持MIMO技术的话，能够采⽤多个接收天线和⾼级信号处理技术来重建从多个信道发送过来的数据
MIMO（Multiple in，Multiple out）技术就是利⽤其他技术来改进接收端的信噪⽐
在⽆线通信系统中，发射机。

接收机上使⽤多个天线开辟了⼀个新的维度空间。

如果能够正确利⽤这⼀技术，可以极⼤提⾼性能，它现在被⼴泛地称为MIMO。

发射机的多个天线意味着有多个信号输⼊到⽆线信道中，接收端的多个天线是指多个信号从⽆线信道输出，多天线
接收机利⽤先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据⼦流，从⽽实现最佳处理，并有效抵抗空间选择性衰落。

波束成形技术：当发射端有多个发射天线时，调整从各个天线发出的信号使得接收端信号强度有显著改善的技术。

MIMO的天线配置通常表⽰成 “ M *N "，其中M和N均为整数
M表⽰传输天线的数量
N表⽰接收天线的数量
802.11nMAC层改进
802.11MAC层协议耗费了相当多效率⽤作链路的维护，从⽽⼤⼤降低了系统的吞吐量。

802.11n通过改善MAC层来减少固定的开销及拥塞造成的损失。

帧聚合技术和块确认技术
帧聚合
802.11n引⼊帧聚合技术，提⾼MAC层效率，报⽂帧聚合技术包括：
MAC服务数据单元聚合 A-MSDU
MAC协议数据单元聚合 A-MPDU
两种聚合⽅式的共同点：减少负荷，且只能聚合同⼀QoS级别对的帧，但因为要等待需要聚合的报⽂，可能造成延时。

另外只有MPDU才能使⽤块确认。

MSDU聚合
MAC服务数据单元 MSDU-Mac Service Data Units聚合：
* 收集以太⽹帧汇聚
* 转成802.11⽆线帧
A-MSDU允许对⽬的地及应⽤都相同的多个包进⾏聚合，聚合后的多个包只有⼀个共同的MAC帧头。

当多个帧聚合到⼀起后，包头的负载、传播的时间及确认包都会减少，从⽽提⾼⽆线传输效率。

A-MSDU最⼤的⼤⼩是7935字节。

MPDU聚合
MAC协议数据单元MPDU聚合：
* 转成802.11⽆线帧
* 将802.11⽆线帧汇聚
MPDU允许对⽬的地相同但是应⽤不同的多个包进⾏聚合，其效率不如MSDU，但还是会减少报⽂负载及空⽓传播时间。

A-MPDU
的最⼤的包为65535字节。

块确认：
为保证数据传输的可靠性，802.11协议规定每收到⼀个单播数据帧，都必须⽴即回应⼀个ACK帧。

A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每⼀个MPDU进⾏处理，因此需要对每⼀个MPDU发送应答帧。

块确认机制通过使⽤⼀个ACK来完成对多个MPDU 的应答，以降低这种情况下ACK帧的数量。

802.11ac
* 802.11ac⼯作频段为5GHz频率
* 保持与旧的协议的兼容性。

改进了物理层帧结构，考虑不同信道带宽共存时的信道管理等
* 安全性⽅⾯，它将完全遵循802.11i安全标准的所有内容
* 802.11ac将可以帮助企业或家庭实现⽆缝漫游
* 802.11可⽀持20M、40M、80M、80+80M（不连续，⾮重叠）、160M带宽，其中20M、40M、80M是必选的。

802.11ac的优势：
* 更⾼的吞吐量，802.11ac wave2最⼤可⽀持3.47Gbps
* 更少的⼲扰，主流的承载频率是5G频段
* 更多的接⼊，提供了更⼤的吞吐率和多⽤户MIMO在客观上提⾼了更多的⽤户接⼊能⼒
MU-MIMO
MU-MIMO （ Multi-User Multiple-Input Multiple-Output ）多⽤户-多输⼊多输出，其采⽤显⽰波束成形技术，实现信号的传播⽅向和接受控制，向多个终端发送数据，同时保证终端彼此不受⼲扰。

MU-MIMO之后，可以将AP空间流灵活分配给多个终端进⾏数据传送，缓解了AP和终端空间流能⼒不匹配的问题，充分发挥了AP的性能。

　
单⽤户MIMO可以⼤⼤增加单⽤户的吞吐量，但现⽹中⼤量终端仍然单流。

单流的终端相对于多流的终端传输相同的⼤⼩的数据需要占⽤更多的空⼝时间，因此单流提升终端也成了提升⽤户数的⼀个瓶颈。

多⽤户MIMO是解决这问题的好办法，在不改变⽤户带宽和频率的情况下，在同⼀时刻，⼀个AP同时给多个⽤户（最多⽀持4个⽤户）发送不同的数据。

A-MPDU扩展
802.11ac中，为了进⼀步提⾼效率和可靠性，增加了MPDU帧的⼤⼩和A-MPDU帧的⼤⼩，长度限制从64k到1。

802.11ac只⽀持A-MPDU
RTS/CTS
（Request To Send/Clear To Send，请求发送/允许发送）握⼿协议，可以避免信道冲突导致的数据传输失败。

当AP向某个客户端发送数据的时候，AP会向客户端发送⼀个RTS报⽂，这样在AP覆盖范围内的所有设备在收到RTS后都会在指定时间内不发送数据。

⽬的客户端收到RTS后，发送⼀个CTS报⽂，这样在客户端覆盖范围内所有的设备都会在指定时间内不发送数据。

802.11ac中，增强定义了RTS/CTS机制，⽤来协调什么时候信道可⽤和哪些信道可⽤，具体机制如下：
* 802.11ac设备在其使⽤的信道内，以20MHz为单位的⼦信道内发送RTS。

当信道带宽为80M时，再复制3份充满80MHz；当信道带宽为160MHz时，复制7份，充满160MHz。

这样做的号出是，不管周边设备的主信道是80M或者是160M信道中的任意20M都可以侦听到RTS报⽂，每个收到RTS报⽂的设备将虚拟载波侦听设为忙
* 收到RTS报⽂的设备会检测其主信道或者80M带宽内的其他⼦信道是否繁忙。

如果信道带宽的⼀部分被使⽤，则接收设备只会在CTS帧内响应可⽤的20MHz的⼦带宽，并报告重复的带宽。

* 在每个可⽤的20M的⼦信道上回复CTS报⽂，这样发送设备就知道哪些信道可⽤，哪些信道不可⽤。

最终只在可⽤的信道上发送数据。

* RTS和CTS⽀持动态频宽模式，在此模式下假如部分频宽已被占⽤则只在主⽤道上发送CTS帧。

发送RTS帧的客户STA则可以回落到⼀个较低频宽模式。