无线网络知识、WiFi原理

无线网络

B站链接

一、电磁波的传输

1. 电磁波传播方式

   1. 地波（低于2MHZ）

   2. 天波(2MHZ–30MHZ)

   3. 直线波(30MHZ以上)

2. 电磁波的发射与接收装置——天线

   • 作用：将电磁波辐射到空间中或收集电磁波

   • 辐射模式：全向天线、有向天线

   • 天线类型：

     1. 抛物面反射天线

     2. 偶极天线

   • 天线增益：主要与天线有效面积有关：

     G = 4 π A e λ 2 = 4 π f 2 A e c 2 G : 增益 A e : 有效面积 F : 载波频率 λ : 载波波长 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:有效面积\\ F:载波频率\\ \lambda:载波波长\\ C:光速 G=λ24πAe​​=c24πf2Ae​​G:增益Ae​:有效面积F:载波频率λ:载波波长C:光速

   • 天线高度与传输距离：

     d = 3.57 ( K h 1 + K h 2 ) h 1 , h 2 分别为接收发送天线的高度 K = 4 3 d=3.57(\sqrt{Kh_1}+\sqrt{Kh_2})\\ h_1,h_2分别为接收发送天线的高度\\ K=\frac{4}{3} d=3.57(Kh1​ ​+Kh2​ ​)h1​,h2​分别为接收发送天线的高度K=34​

二、 无线信号接收

1. 电磁信号成功接收条件

   • 接收端信号强度足够大（声音足够大）

   • 信噪比足够大（不能背其他人说话盖过）

   • 信号不失真（不能怪腔怪调）

2. 无线传输过程中收到的各类影响

   • 衰减和衰减失真

   • 自由空间损耗
     P t P r = ( 4 π d ) 2 λ 2 = ( 4 π f d ) 2 c 2 P t : 发送功率 P r : 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:发送功率\\ P_r:接收功率\\ Pr​Pt​​=λ2(4πd)2​=c2(4πfd)2​Pt​:发送功率Pr​:接收功率

     L b f = 32.5 + 20 l g F + 20 l g D L b f : 自由空间损耗 ( d B ) D : 距离 ( k m ) F : 频率 ( M H z ) Lbf = 32.5+20lgF+20lgD\\ Lbf:自由空间损耗(dB)\\ D:距离(km)\\ F:频率(MHz)\\ Lbf=32.5+20lgF+20lgDLbf:自由空间损耗(dB)D:距离(km)F:频率(MHz)

     ​ 频率越高，衰减越明显

   • 信号接收强度
     R S S = P t + G t + G r − L c − L b f R S S : 接收信号强度 P t : 发射功率 G t : 接收天线增益 G r : 发射天线增益 L c : 电缆的损耗 L b f : 自由空间损耗 RSS=P_t+G_t+G_r-L_c-Lbf\\ RSS:接收信号强度\\ P_t:发射功率\\ G_t:接收天线增益\\ G_r:发射天线增益\\ L_c:电缆的损耗\\ Lbf:自由空间损耗 RSS=Pt​+Gt​+Gr​−Lc​−LbfRSS:接收信号强度Pt​:发射功率Gt​:接收天线增益Gr​:发射天线增益Lc​:电缆的损耗Lbf:自由空间损耗

   • 噪声

   • 大气吸收

   • 多径

   • 折射（反射、散射、衍射）

   • 移动中的信号衰退

     • 快速衰退
       • 当收发双方逐渐远离，总体而言，接收端接收到的信号强度呈下降趋势，在小范围内，会出现剧烈抖动
       • 原因：多径现象。由于同一信号多个分量抵达时间不同，信号强度的叠加，将带来小范围内的剧烈抖动。
     • 慢速衰退
     • 非选择性衰退
       • 不同频率的电磁波呈现不同的衰减特性
     • 选择性衰退
       • 特定频率（高频）的电磁波衰减严重
     • 多普勒效应

3. 差错控制技术

   • 前向纠错与后向纠错

     • 差错检测码：奇偶校验、循环冗余校验（CRC），只能检测，不能纠错
     • 自动重发请求协议ARQ

     一般这两个搭配使用，因为是在错误发生之后，又叫后向纠错

     • 差错纠错码：不就可以发现错误，还能纠错，也称前向纠错码，海明码、汉明码

   • 差错补偿机制

     • 自适应均衡
     • 分集技术
       • 时间分集：比如把多径不同时间到达信号汇集起来
       • 空间分集：抛物面天线，把很大空间的信号汇集起来，以达到增强信号的作用
       • 频率分集：将要传输的信号放在很宽的频带上传输，接收端汇集起来

三、数据与信号的相互转化

• 编码技术

  1. 数据：需要传递的信息

     • 模拟数据对应连续
     • 数字数据对应离散

  2. 信号：数据的电气或电磁表示

     • 连续波（模拟信号）vs脉冲序列（数字信号）

       脉冲信号：单极性双极性脉冲

  3. 传输：信号的传播和处理过程

• 模拟数据转化为数字信号

  奈奎斯特采样，工程上采样频率取原始信号最大频率的5—10倍。

• 数字数据转化为模拟信号

  调幅、调频、调相（ask,fsk,psk）

四、无线局域网

• 无线广域网、无线城域网、无线局域网、无线个域网

  类似的结构：蜂窝结构。

  按照基站假设高度：大蜂窝（Megacell）、宏蜂窝(Macrocell)、微蜂窝(Microcell)、微微蜂窝（Picocell）毫微微蜂窝（Femtpcell）

• 无线局域网

  只作为接入使用，骨干网依旧是LAN。（稳定性、安全性不够）

  • 相关术语：

    • 2.4g、5g ：5g频段下速率更快，频率越高，能够提供的潜在带宽越大。
    • 增益：dBi/dBd：功率增益单位，dBi参考基准是全向天线；dBd参考基准是偶极天线。
    • MIMO/SISO：家用路由器都有多根天线，将要传输的信息分成多个部分并行传输（空分编码），在接收端分别接收，合并处理。规定最多分成4个（即最多“四根”天线），对于5根、6根天线的路由器，其实每根天线工作频率不同，分别间隔的工作在2.4gHz和5gHz。因此工作在同一频率下的天线数目没有超过4根。

  • WLAN(wireless local area network) = WI-FI (wireless fidelity)?

    Wi-Fi: 主要采用802.11b协议。 WIFI 属于 WLAN。（下一章介绍，很多工作需要！！！）

  • 分类

    • 有线
      • 总线网
      • 环型网
      • 树型网
      • 星型网（现在主流）
    • 无线

五、WiFi原理

无线局域网的一个标准

802协议是网络协议，

• 802.11：WiFi协议

• 802.3：以太网协议

• 802.15：蓝牙协议

• WiFi发展史：
  WiFi的标准不是为了满足当时的网络 需求，是为给接下来几年铺路
  WiFi发展史

WiFi 6 已经开始使用蜂窝网络里的技术，WiFi逐渐向蜂窝网络靠近，多年后可能室内WiFi设备被毫微微蜂窝（Femtpcell）替代。

• 奈奎斯特准则
  带宽为W的无噪声低通信道，极限信息传输速率（信道容量） C m a x = 2 W l o g 2 M C_{max}=2Wlog_2M Cmax​=2Wlog2​M(b/s), M编码方式的码元状态数，即一个码元表示的符号数。

• 香农定理

  有噪声情况， C = B l o g 2 ( 1 + S N ) C = Blog_2(1+\frac{S}{N}) C=Blog2​(1+NS​)

• WiFi 5和WiFi 6对比
  

• 2.4G频谱
  
  

  • 802.11b/g 工作在2.4G频段，范围在2.4—2.4835GHz，共83.5M带宽

  • 划分为14个子信道

  • 每个子信道22MHz，与常说的20M相差2M，这2M是隔离频带

  • 相邻信道的中心频点间隔5MHz

  • 相邻的多个信道存在频率重叠

  • 互不干扰的信道，有4组，1/6/11, 2/7/12，3/8/13，4/9/14.最常用的是第一组，1、6、11