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

• 作用：將電磁波輻射到空間中或收集電磁波

• 輻射模式：全向天線、有向天線

• 天線類型：

• 拋物面反射天線

• 偶極天線

• 天線增益：主要與天線有效面積有關：

  $$\begin{gathered} G=\frac{4\pi A_e}{{\lambda }^2}=\frac{4\pi f^2{A}_e}{c^2} \\ G:增益 \\ {A}_e:有效面積 \\ F:載波頻率 \\ \lambda :載波波長 \\ C:光速 \end{gathered}$$

• 天線高度與傳輸距離：

  $$\begin{gathered} d=3.57(\sqrt{K{h}_1}+\sqrt{K{h}_2}) \\ {h}_1,h_2分別為接收發送天線的高度 \\ K=\frac{4}{3} \end{gathered}$$

二、 無線信號接收

電磁信號成功接收條件

• 接收端信號強度足夠大（聲音足夠大）

• 信噪比足夠大（不能背其他人說話蓋過）

• 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

• 衰減和衰減失真

• 自由空間損耗
  $$\begin{gathered} \frac{P_t}{P_r}=\frac{(4\pi d{)}^2}{{\lambda }^2}=\frac{(4\pi fd{)}^2}{c^2} \\ {P}_t:發送功率 \\ {P}_r:接收功率 \end{gathered}$$

  $$\begin{gathered} Lbf=32.5+20lgF+20lgD \\ Lbf:自由空間損耗(dB) \\ D:距離(km) \\ F:頻率(MHz) \end{gathered}$$

  ? 頻率越高，衰減越明顯

• 信號接收強度
  $$\begin{gathered} RSS=P_t+G_t+G_r?L_c?Lbf \\ RSS:接收信號強度 \\ {P}_t:發射功率 \\ {G}_t:接收天線增益 \\ {G}_r:發射天線增益 \\ {L}_c:電纜的損耗 \\ Lbf:自由空間損耗 \end{gathered}$$

• 噪聲

• 大氣吸收

• 多徑

• 折射（反射、散射、衍射）

• 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

差錯控制技術

• 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

• 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

• 編碼技術

• 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

• 信號：數據的電氣或電磁表示

  • 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

• 傳輸：信號的傳播和處理過程

• 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。

• 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

• 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）

• 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）

  • 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。

  • 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！！！）

  • 分類

    • 有線
      • 總線網
      • 環型網
      • 樹型網
      • 星型網（現在主流）
    • 無線

五、WiFi原理

無線局域網的一個標準

802協議是網絡協議，

• 802.11：WiFi協議

• 802.3：以太網協議

• 802.15：藍牙協議

• 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

Re.Dateprotocolfrequencydata ratenotes

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。

• 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）$C_{max}=2Wlo{g}_{2}M$(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，$C=Blo{g}_2(1+\frac{S}{N})$

• WiFi 5和WiFi 6對比
  

• 2.4G頻譜
  
  

  • 802.11b/g 工作在2.4G頻段，范圍在2.4—2.4835GHz，共83.5M帶寬

  • 劃分為14個子信道

  • 每個子信道22MHz，與常說的20M相差2M，這2M是隔離頻帶

  • 相鄰信道的中心頻點間隔5MHz

  • 相鄰的多個信道存在頻率重疊

  • 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

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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