9 802.11物理层技术
9.1 802.11协议族成员
IEEE 802.11无线局域网工作组制定的规范分两部分：
1. 802.11物理层相关标准
2. 802.11MAC层相关标准
由上图看出：
802.11 物理层标准定义了无线协议的工作频段、调制编码方式及最高速度的支持:
IEEE 802.11（WIFI 1）：1990年IEEE 802标准化委员会成立IEEE 802.11无线局域网标准工作组。该标准定义物理层和媒体访问控制(MAC)规范。
物理层定义了数据传输的信号特征和调制，工作在2.4000～2.4835GHz频段。传输速率最高只能达到2Mbps.
IEEE 802.11a：1999年，IEEE 802.11a标准制定完成，该标准规定无线局域网工作频段在5.15～5.825GHz，数据传输速率达到54Mbps.
IEEE 802.11b（WIFI 2） ：1999年9月IEEE 802.11b被正式批准，该标准规定无线局域网工作频段在2.4～2.4835GHz，数据传输速率达到11Mbps。
IEEE 802.11g（WIFI 3） ：IEEE的802.11g标准是对流行的802.11b（即Wi-Fi标准）的提速（速度从802.11b的11Mb/s提高到54Mb/s）。802.11g接入点支持802.11b和802.11g客户设备。
IEEE 802.11n（WIFI 4）：IEEE 802.11n使用2.4GHz频段和5GHz频段， IEEE 802.11n标准的
核心是MIMO（multiple-input multiple-output，多入多出）和OFDM技术,传输速度300Mbps，最高可达600Mbps，可向下兼容802.11b、802.11g。
IEEE 802.11ac（WIFI 5）：802.11无线局域网（WLAN）通信标准，它通过5GHz频带（也是其得名原因）进行通信。理论上，它的最新版本能够提供最多3.47Gbps带宽进行多站式无线局域网通信，或是最少200Mbps的单一连接传输带宽。
IEEE 802.11ax（WIFI 6）：IEEE 802.11n使用2.4GHz频段和5GHz频段， IEEE 802.11n标准的核心是MU-MIMO（多用户多输入多输出）和OFDMA技术,传输速度600.4Mbps，最高可达9.6Gbps
802.11MAC层标准定义了无线网络在MAC层的一些常用操作：如QOS、安全、漫游等操作
IEEE 802.11e****标准对无线局域网MAC层协议提出改进，以支持多媒体传输，以支持所有无线局域网无线广播接口的服务质量保证QoS机制。
IEEE 802.11r，快速基础服务转移，主要是用来解决客户端在不同无线网络AP间切换时的延迟问题。
IEEE 802.11h用于802.11a的频谱管理技术。
IEEE 802.11i标准是结合IEEE 802.1X中的用户端口身份验证和设备验证，对无线局域网 MAC层进行修改与整合，定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善无线局域网的安全性。
9.2 802.11物理层介绍
WLAN传输技术：
1. 红外线（Infra Red，IR）
2. 无线电射频技术
无线电射频技术采用扩频技术，扩频技术又分为：
1. 跳频扩频技术
2. 直接序列扩频技术
红外系统的优点：
不受无线电干扰，视距传输，检测和窃听困难，保密性好。
缺点是：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。
相对红外技术而言，无线电射频技术传输距离更远，传输速度更高，并且通过特定的安全协议也可以保证通信的安全性。
物理层被分成两个子层（sub-layer）：
物理层汇聚过程（Physical Layer ConvergenceProcedure，简称PLCP）子层，负责将MAC帧映射到传输媒介；
另一个是物理媒体相关（Physical Medium Dependent，简称PMD）子层，负责传送这些帧PLCP的功能在于结合来自MAC的帧与空中所传输的无线电波。
PLCP同时会为帧加上自己的标头。
通常，帧中会包含前导码（preamble）以协助接收数据的同步操作。
不过，每种调制方式所采用的前导码均不相同，因此PLCP会为准备传送的所有帧加上自己的标头。接着由PMD负责将PLCP所传来的每个位利用天线传送至空中。
9.3 频宽
频宽的大小依据要传送的信息量而定
频宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度，以赫兹（Hz）为单位
9.4 扩频技术
目的：
扩频技术能够很好的防止干扰
扩频的工作原理：
是利用数学函数将信号功率分散至较大的频率范围。只要在接收端进行反向操作，就可以将这些信号重组为窄带信号。更重要的是，所有窄带噪声都会被过滤掉，因此信号可以清楚的重现
9.5 802.11物理层技术
802.11所采用的的无线电物理层使用了三种不同的技术：
跳频（Frequency hopping，简称FH或FHSS）：跳频系统是以某种随机样式在频率间不断跳换，每个子信道只进行瞬间的传输。
直接序列（Direct sequence，简称DS或DSSS）： 直接序列系统利用数学编码函数将功率分散于较宽的频带。
正交频分复（OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM）：OFDM将可用信道划分为一些子信道，然后对每个子信道所要传送的部分信号进行平行编码。
1、 跳频扩频
跳频扩频（ Frequency-hopping spread-spread，简称FH或FHSS ）：是以一种预定的伪随机模式快速变换传输频率。
如上图所示：图中的纵轴将可用频率划分为几个频隙（frequency slot），同样的，时间轴也被划分为一系列时隙（time slot）。
本图中所用的跳频模式为（3,8,5,7）。正确掌握跳频时机是关键，发送端与接收端必须同步，这样接收端才可以随时与发送端的频率保持一致。
跳频扩频传输技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS)只在IEEE 802.11中做了规定，在实际的应用中已经很少见，采用跳频扩频传输技术的无线局域网支持1Mbps和2Mbps两种速率。
跳频可以避免设备干扰某个频带（frequency band，简称band）的主要用户，跳频用户对主要用户只会造成瞬间干扰。
同样的，主要用户只会影响扩频设备的某个频隙，就像是瞬间的噪声一样。
图中显示了某个主要用户使用第7个频隙时所造成的影响，虽然第4个时隙的传送受损毁，但前3个时隙还是可以成功传送。
例如：第7个频隙为微波炉使用的频段，微波炉的使用只会对第7个频隙的信号造成干扰，其他频隙的信号还是能正常传输，所以跳频可以有效的防止干扰。
2、 直接序列扩频技术（DSSS）
1. 直接序列传输技术是通过精准的控制将RF能量分散至某个宽频带；
2.当无线电载波的变动被分散至较宽的频带时，接收器可以通过相关处理找出变动所在；
DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum直接序列展频技术最初定义在802.11原始标准中，工作频段为2.4GHz，数据率为1Mbps和2Mbps。
802.11b修正案也定义了DSSS技术，工作频段同样是2.4GHz，数据率为5.5Mbps和11Mbps。这两个数据率称为HR-DSSS（High-Rate DSSS，高速直接序列扩频）。
注意：802.11b设备不采用FHSS技术，因此无法向后兼容802.11 FHSS设备；
DSSS编码方式1：
DSSS采用11 chip barker编码方式；Barker码是一个11比特序列（例如10110111000），在无线传输方面存在优势，可以有效降低干扰，不过降低了效率
只要11位中的2位正确就能识别原来的数据
作用：防止干扰
DSSS编码方式2：
补码键控（CCK）；CCK采用了复杂的数学转换函数，可以使用若干个8-bit序列在每个码字中编码4或8个位，因此数据总吞吐量为5.5Mbps或11Mbps。此外，CCK所使用的数学转换函数可以让接收器轻易识别不同的编码，即便遇上干扰或者多径衰落的情况。
作用：有效防止噪声及多径干扰
802.11b使用补码键控来提高传输速率，最高可达11Mbps
缺点：补码键控为了对抗多径干扰，技术复杂，实现困难。
DSSS调制方式
调制方式有：BPSK、QPSK
BPSK：Binary Phase Shift Keying 二进制相移键控。
QPSK：Quadrature Phase Shift Keying 正交相移键控。
调制方式 相位差 编码
BPSK 0 0
BPSK 180 1
QPSK 0 00
QPSK 90 01
QPSK 180 10
QPSK 270 11
相比较于BPSK，QPSK所具备的明显优势为四级编码机制可以提供较高的吞吐量。采用QPSK的代价是，如果多径干扰十分严重，可能会导致它无法使用。
多径之所以发生，是因为信号从发送端分路抵达接收端。每个路径的距离不同，因此从每个路径所接收到的信号相对于其他路径有时间差。
在多径干扰十分严重的环境下，QPSK会比BPSK更早崩溃。
802.11b采用DSSS技术实现了四种不同的数据速率：
3、 正交频分（OFDM）技术
802.11a是基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM）。
OFDM原理：
OFDM会将一个较宽的信道分割成几个子信道。
每个子信道均用来传输数据。OFDM使用的子载波相互重叠，但是这些相互重叠的子载波之间不会互相干扰。
之所以能够使用相互重叠的子载波，是因为定义了副载波，因此可以轻易区分彼此。
能够区别副载波，关键在于它使用了一种复杂的数学关系，称为正交性。
在数学上，正交用来描述相互独立的项目。
OFDM之所以能够运作，是因为所选用的副载波频率的波形丝毫不受其他副载波的影响。
如下图所示：信号分为三个副载波，每个副载波的波峰均作为数据编码之用，如图中上方标示的圆点。这些副载波之间经过刻意设计，彼此之间保持正交关系。
注意每个副载波的波峰，此时其他两个副载波的振幅均为0。
OFDM 5GHz信道示例：
OFDM技术的主要思想是将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输。每个信号的带宽小于信道的相关带宽。
OFDM将信道划分为52个子信道，4个用来做相位参考，所以真正能使用的是48个子信道。
OFDM子信道调制技术
2、 16QAM和64QAM星座图
要提高数据率，只要使用点数更多的星座图即可。不过当数据率提高，接收到的信号质量必须足够好，否则就难以区别星座图中的相邻点。
如果距离太近，每个点的可接受误差范围就会缩小。
802.11a在物理层标准中规范了每个星座点的最大可接受误差范围图中显示了802.11a所使用的星座图。BPSK和QPSK的位率最低，它们是直接序列物理层所使用的两种相移键控调制。
3、QAM 256星座图：
为了提高吞吐率，在11ac中引入调制效率更高的更高阶调方式256QAM。支持3/4和5/6两种码率，MCS方式也因此增加到了10种。
在MCS的表示上，11ac中放弃了原来为每个MIMO组合进行MCS编码，因此MCS编码方式也由原来的几十种变成了10种。
MCS越高，吞吐率越高，这是由于调制编码方式的区别带来的每个子载波代表的bit数的差异。
在使用BPSK调制时每个子载波只能表示2个bit；
16-QAM时每个子载波表示4个bit；
64-QAM时，每个子载波表示6个bit；
256-QAM后，每个子载波可以表示8个bit。
综述：越高阶得调制方式调制效率越高，但不同调制方式时的效率提升也并不是成线性的，越往后提升越不明显。
4、 OFDM调制方式
OFDM PHY 的速率有四级：
6与9Mbps、
12与18Mbps、
24与36Mbps
以及48与54Mbps。
6、12与24Mbps是必要的项目，即前三级的最低速率，因此在遭遇干扰时也最稳定
