无线网络知识、WiFi原理
無線網絡
B站鏈接
一、電磁波的傳輸
電磁波傳播方式
地波(低于2MHZ)
天波(2MHZ–30MHZ)
直線波(30MHZ以上)
電磁波的發射與接收裝置——天線
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作用:將電磁波輻射到空間中或收集電磁波
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輻射模式:全向天線、有向天線
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天線類型:
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拋物面反射天線
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偶極天線
天線增益:主要與天線有效面積有關:
G=4πAeλ2=4πf2Aec2G:增益Ae:有效面積F:載波頻率λ:載波波長C:光速G = \frac{4 \pi A_e}{\lambda^2} = \frac{4 \pi f^2 A_e}{c^2}\\ G:增益\\ A_e:有效面積\\ F:載波頻率\\ \lambda:載波波長\\ C:光速 G=λ24πAe??=c24πf2Ae??G:增益Ae?:有效面積F:載波頻率λ:載波波長C:光速
天線高度與傳輸距離:
d=3.57(Kh1+Kh2)h1,h2分別為接收發送天線的高度K=43d=3.57(\sqrt{Kh_1}+\sqrt{Kh_2})\\ h_1,h_2分別為接收發送天線的高度\\ K=\frac{4}{3} d=3.57(Kh1??+Kh2??)h1?,h2?分別為接收發送天線的高度K=34?
二、 無線信號接收
電磁信號成功接收條件
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接收端信號強度足夠大(聲音足夠大)
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信噪比足夠大(不能背其他人說話蓋過)
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信號不失真(不能怪腔怪調)
無線傳輸過程中收到的各類影響
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衰減和衰減失真
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自由空間損耗
PtPr=(4πd)2λ2=(4πfd)2c2Pt:發送功率Pr:接收功率\frac{P_t}{P_r}=\frac{(4\pi d)^2}{\lambda^2}=\frac{(4\pi fd)^2}{c^2}\\ P_t:發送功率\\ P_r:接收功率\\ Pr?Pt??=λ2(4πd)2?=c2(4πfd)2?Pt?:發送功率Pr?:接收功率Lbf=32.5+20lgF+20lgDLbf:自由空間損耗(dB)D:距離(km)F:頻率(MHz)Lbf = 32.5+20lgF+20lgD\\ Lbf:自由空間損耗(dB)\\ D:距離(km)\\ F:頻率(MHz)\\ Lbf=32.5+20lgF+20lgDLbf:自由空間損耗(dB)D:距離(km)F:頻率(MHz)
? 頻率越高,衰減越明顯
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信號接收強度
RSS=Pt+Gt+Gr?Lc?LbfRSS:接收信號強度Pt:發射功率Gt:接收天線增益Gr:發射天線增益Lc:電纜的損耗Lbf:自由空間損耗RSS=P_t+G_t+G_r-L_c-Lbf\\ RSS:接收信號強度\\ P_t:發射功率\\ G_t:接收天線增益\\ G_r:發射天線增益\\ L_c:電纜的損耗\\ Lbf:自由空間損耗 RSS=Pt?+Gt?+Gr??Lc??LbfRSS:接收信號強度Pt?:發射功率Gt?:接收天線增益Gr?:發射天線增益Lc?:電纜的損耗Lbf:自由空間損耗 -
噪聲
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大氣吸收
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多徑
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折射(反射、散射、衍射)
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移動中的信號衰退
- 快速衰退
- 當收發雙方逐漸遠離,總體而言,接收端接收到的信號強度呈下降趨勢,在小范圍內,會出現劇烈抖動
- 原因:多徑現象。由于同一信號多個分量抵達時間不同,信號強度的疊加,將帶來小范圍內的劇烈抖動。
- 慢速衰退
- 非選擇性衰退
- 不同頻率的電磁波呈現不同的衰減特性
- 選擇性衰退
- 特定頻率(高頻)的電磁波衰減嚴重
- 多普勒效應
- 快速衰退
差錯控制技術
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前向糾錯與后向糾錯
- 差錯檢測碼:奇偶校驗、循環冗余校驗(CRC),只能檢測,不能糾錯
- 自動重發請求協議ARQ
一般這兩個搭配使用,因為是在錯誤發生之后,又叫后向糾錯
- 差錯糾錯碼:不就可以發現錯誤,還能糾錯,也稱前向糾錯碼,海明碼、漢明碼
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差錯補償機制
- 自適應均衡
- 分集技術
- 時間分集:比如把多徑不同時間到達信號匯集起來
- 空間分集:拋物面天線,把很大空間的信號匯集起來,以達到增強信號的作用
- 頻率分集:將要傳輸的信號放在很寬的頻帶上傳輸,接收端匯集起來
三、數據與信號的相互轉化
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編碼技術
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數據:需要傳遞的信息
- 模擬數據對應連續
- 數字數據對應離散
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信號:數據的電氣或電磁表示
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連續波(模擬信號)vs脈沖序列(數字信號)
脈沖信號:單極性雙極性脈沖
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傳輸:信號的傳播和處理過程
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模擬數據轉化為數字信號
奈奎斯特采樣,工程上采樣頻率取原始信號最大頻率的5—10倍。
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數字數據轉化為模擬信號
調幅、調頻、調相(ask,fsk,psk)
四、無線局域網
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無線廣域網、無線城域網、無線局域網、無線個域網
類似的結構:蜂窩結構。
按照基站假設高度:大蜂窩(Megacell)、宏蜂窩(Macrocell)、微蜂窩(Microcell)、微微蜂窩(Picocell)毫微微蜂窩(Femtpcell)
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無線局域網
只作為接入使用,骨干網依舊是LAN。(穩定性、安全性不夠)
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相關術語:
- 2.4g、5g :5g頻段下速率更快,頻率越高,能夠提供的潛在帶寬越大。
- 增益:dBi/dBd:功率增益單位,dBi參考基準是全向天線;dBd參考基準是偶極天線。
- MIMO/SISO:家用路由器都有多根天線,將要傳輸的信息分成多個部分并行傳輸(空分編碼),在接收端分別接收,合并處理。規定最多分成4個(即最多“四根”天線),對于5根、6根天線的路由器,其實每根天線工作頻率不同,分別間隔的工作在2.4gHz和5gHz。因此工作在同一頻率下的天線數目沒有超過4根。
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WLAN(wireless local area network) = WI-FI (wireless fidelity)?
Wi-Fi: 主要采用802.11b協議。 WIFI 屬于 WLAN。(下一章介紹,很多工作需要!!!)
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分類
- 有線
- 總線網
- 環型網
- 樹型網
- 星型網(現在主流)
- 無線
- 有線
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五、WiFi原理
無線局域網的一個標準
802協議是網絡協議,
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802.11:WiFi協議
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802.3:以太網協議
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802.15:藍牙協議
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WiFi發展史:
WiFi的標準不是為了滿足當時的網絡 需求,是為給接下來幾年鋪路
WiFi發展史
| 1997 | 802.11 1997 / 802.11 legacy | 提出標準。DSSS(直接序列擴頻)、FHSS(跳頻) | |||
| 1999 | 802.11b 802.11a | 2.4GHz 5GHz | 11Mbps 54Mbps | 802.11a設備昂貴,民用主要還是以802.11b為主,并迅速普及。實現無線從無到有 | |
| 2003 | 802.11g | 2.4GHz 帶寬20M | 54Mbps | 提高2.4GHz的速率(OFDM)、向下兼容(但此時我國帶寬速率不到10Mbps) | |
| 2009 | 802.11n | 2.4GHz 5GHz 帶寬40M | 288Mbps 600Mbps(條件苛刻,比如需要多根天線) | 雙頻通信,多根天線,MIMO,向下兼容 2.4GHz是由802.11g演化而來 5GHz是由802.11a演化而來 2.4GHz信道帶寬20MHz 5GHz信道帶寬40MHz | iPhone 4發布。 此時無線局域網速率遠超寬帶速率,溢出的速率,iPhone使用D2D airdrop通信,利用藍牙對頻,使用手機上支持802.11n協議的WiFi模塊實現數據發送和接收 |
| 2013 | 802.11ac | 5GHz 帶寬160M | 1.6Gbps | 是由802.11a演化而來,信道160MHz,MIMO, beamforming, 256QAM | |
| 2019 | 802.11ax WiFi 6 | 2.4GHz 5GHz 6GHz | 3.5GHz | 使用了4G LTE蜂窩手機的OFDMA | WiFi的應用開始 WiFi direct 點對點的通信: 手機熱點、airdrop、airplay |
WiFi 6 已經開始使用蜂窩網絡里的技術,WiFi逐漸向蜂窩網絡靠近,多年后可能室內WiFi設備被毫微微蜂窩(Femtpcell)替代。
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奈奎斯特準則
帶寬為W的無噪聲低通信道,極限信息傳輸速率(信道容量)Cmax=2Wlog2MC_{max}=2Wlog_2MCmax?=2Wlog2?M(b/s), M編碼方式的碼元狀態數,即一個碼元表示的符號數。 -
香農定理
有噪聲情況,C=Blog2(1+SN)C = Blog_2(1+\frac{S}{N})C=Blog2?(1+NS?)
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WiFi 5和WiFi 6對比
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2.4G頻譜
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802.11b/g 工作在2.4G頻段,范圍在2.4—2.4835GHz,共83.5M帶寬
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劃分為14個子信道
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每個子信道22MHz,與常說的20M相差2M,這2M是隔離頻帶
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相鄰信道的中心頻點間隔5MHz
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相鄰的多個信道存在頻率重疊
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互不干擾的信道,有4組,1/6/11, 2/7/12,3/8/13,4/9/14.最常用的是第一組,1、6、11
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的无线网络知识、WiFi原理的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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