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【WLAN从入门到精通-基础篇】第3期——WLAN标准协议
2015-09-30 12:16:18   来源:无线论坛-飘絮   评论:0 点击:

【WLAN从入门到精通-基础篇】第3期——WLAN标准协议在WLAN的发展历程中,一度涌现了很多技术和协议,如IrDA、Blue Tooth和HyperLAN2等。但发展至今,在WLAN领域被大规模推广和商用的是IEEE 802 11系列标准协议
【WLAN从入门到精通-基础篇】第3期——WLAN标准协议

      在WLAN的发展历程中,一度涌现了很多技术和协议,如IrDA、Blue Tooth和HyperLAN2等。但发展至今,在WLAN领域被大规模推广和商用的是IEEE 802.11系列标准协议,WLAN也被定义成基于IEEE 802.11标准协议的无线局域网。
    我们对802.11已不陌生,在购买支持WLAN功能的产品时都能看到802.11的影子。

        本期我们讲下802.11主要的具有里程碑意义的标准协议:802.11a、802.11b、802.11g、802.11n和802.11ac。虽然协议比较枯燥乏味,但了解了这些协议,有助于我们部署WLAN,下面就跟随小编一起看下这几个主要协议吧


 
    WLAN和有线局域网最大的区别就是“无线”,通过上期的学习我们知道WLAN通信媒介是射频,射频和有线局域网的媒介(电缆或光纤)相比具有完全不一样的物理特性,这就导致WLAN的物理层(PHY)和媒介访问控制层(MAC)不同于有线局域网。所以,802.11协议主要定义的就是WLAN的物理层和MAC层。
 
    在20世纪90年代初为了满足人们对WLAN日益增长的需求,IEEE成立了专门的802.11工作组,专门研究和定制WLAN的标准协议,并在1997年6月推出了第一代WLAN协议——IEEE 802.11-1997,协议定义了物理层工作在ISM的2.4G频段,数据传输速率设计为2Mbps。该协议由于在速率和传输距离上的设计不能满足人们的需求,并未被大规模使用。
 
    随后,IEEE在1999年推出了802.11a和802.11b。802.11a工作在5GHz的ISM频段上,并且选择了正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术,能有效降低多路径衰减的影响和提高频谱的利用率,使802.11a的物理层速率可达54Mbps。

   802.11b则依然工作在2.4GHz的ISM频段,但在802.11的基础上进行了技术改进,使802.11b的通信速率达到11Mbps。

 
   OFMD是一种多载波调制技术,主要是将指定信道分成若干子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波是并行传输,可以有效提高信道的频谱利用率。
 
    虽然802.11b提供的接入速率比802.11a低,但当时5GHz芯片研制过慢,待芯片推出时802.11b已被广泛应用。由于802.11a不能兼容802.11b,再加上5GHz芯片价格较高和地方规定的限制等原因,使得802.11a没有被广泛采用。
 
在2000年初,IEEE 802.11g工作组开始开发一项既能提供54Mbps速率,又能向下兼容802.11b的协议标准。并在2001年11月提出了第一个IEEE 802.11g草案,该草案在2003年正式成为标准。802.11g兼容了802.11b,继续使用2.4GHz频段。为了达到54Mbps的速率,802.11g借用了802.11a的成果,在2.4GHz频段采用了正交频分复用(OFDM)技术。IEEE 802.11g的推出,满足了当时人们对带宽的需求,对WLAN的发展起到了极大的推动作用。
 
    大家可能会有疑问:为什么不在1999年制定802.11b标准时就直接采用和802.11a相同的OFDM技术,这样就可以更早的在2.4GHz频段上取得54Mbps的速率了,而不必等到2001年底的802.11g的出现。事实上在1999年讨论802.11b的时候,OFDM技术确实被提出应用到802.11b标准中,但当时美国联邦通信协会(FCC)禁止在2.4GHz频段使用OFDM,这条禁令直到2001年5月才被撤销,6个月后,采用OFDM技术的802.11g草案才得以顺利出台。
 
    在急速发展的网络世界54Mbps的速率不会永远满用户需求。在2002年一个新的IEEE工作组——IEEE 802.11任务组N即TGn(Task Group n)成立,开始研究一种更快的WLAN技术,目标是达到100Mbps的速率。该目标的实现一波三折,由于小组内两个阵营对协议标准的争论不休,新的协议直到2009年9月才被敲定并批准,这个协议就是802.11n。在长达7年的制定过程中,802.11n的速率也从最初设计的100Mbps,完善到了最高可达600Mbps,802.11n采用了双频工作模式,支持2.4GHz和5GHz,且兼容802.11a/b/g。
 
   802.11n标准刚刚尘埃落定后, IEEE就开始了下一代的WLAN标准协议——802.11ac的制定工作。并在2013年正式推出了802.11ac标准协议,802.11ac工作在5GHz频段,向后兼容802.11n和802.11a,80.211ac沿用了802.11n的诸多技术并做了技术改进,使速率达到1.3Gbps。
 
      通过下表有助于我们了解802.11各协议的主要参数。
    华为产品在V200R003C00及之前版本支持802.11n、802.11g、802.11b和802.11a,从V200R005C00版本开始支持802.11ac,并推出了支持802.11ac的AP:AP5030DN和AP5130DN。
华为产品在V200R003C00版本及之前版,需要使用配置命令配置射频的类型:
[6605_v2r3_111-wlan-radio-prof-test] radio-type ?                                       
  80211an   802.11an                                                           
  80211bgn  802.11bgn                                                         
  80211gn   802.11gn                                                           
  80211n    802.11n                                                            
  80211b    802.11b                                                            
  80211a    802.11a                                                            
  80211bg   802.11bg                                                           
  80211g    802.11g                                                            
     其中,80211n的意思是配置射频模式为802.11n,如果终端只支持802.11b或802.11g而不支持802.11n,则无法接入WLAN。而80211bgn,则表示射频既支持802.11n又支持802.11b和802.11g,此时802.11b、802.11g和802.11n的终端都可以接入WLAN。同理,如果参数配置为80211an,则射频支持802.11a和802.11n,支持802.11a和802.11n的终端都可以接入WLAN……。

    到了V200R005C00版本,radio-type命令被删除了,用户无需配置射频类型,射频会自动兼容终端支持的协议,简化了用户操作。除此之外V200R005C00和V200R003C00版本的配置射频支持的最大速率的步骤也不一样,具体大家可以参照WLAN 产品手册 :WLAN产品手册

 
    当前在802.11各协议中由于802.11ac刚推出,大众终端产品支持802.11ac的还不多,802.11n产品仍旧是主流产品。802.11n较之前的标准协议主要有如下优势:更多的子载波、更高的编码率、更短的GI(Guard Interval)、更宽的信道、更多的空间流和MAC层的报文聚合功能等,而获取这些优势的技术802.11ac也有沿用。下面我们看下华为产品如何配置才能更好的发挥802.11n的优势。
 
    更多的子载波:802.11n比802.11a/g多了4个有效子载波(802.11b没有使用OFMD技术不做对比),用户无需配置只要使用802.11n通信即可获得802.11n的此项优势。下图中58.5Mbps是802.11n较之前的标准更多的子载波可以带来的理论速率。

    更高的编码率:WLAN使用射频传输数据时,除了用户的有效传输数据外,还需附有更错码FEC(Forward Error Correction),当有效数据在传递过程中因衰减、干扰等因素而导致数据错误时,通过更错码可将数据更正、还原成正确数据。802.11n将之前3/4的有效编码率提高到5/6,此项改进点使得802.11n的速率提升了11%。用户无需配置只要使用802.11n通信也可以直接获得802.11n的此项优势。

     更短的GI(Short Guard Interval):使用802.11a/b/g发送数据时,必须要保证在数据之间存在800 ns的时间间隔以避免数据帧间的干扰,这个间隔被称为Guard Interval (GI)。802.11n缺省仍然使用800ns的GI,但在空间环境较好时,可以将该间隔配置为400ns,此项改进可以将吞吐提高近10%(约72.2Mbps)。用户在射频模板视图下可以执行命令80211n guard-interval-mode short配置802.11n的short GI功能:

 
system-view
[AC6605] wlan
[AC6605-wlan-view] radio-profile name 80211n
[AC6605-wlan-radio-prof-80211n] 80211n guard-interval-mode short
而802.11ac可以执行命令80211ac guard-interval-mode short配置802.11ac的short GI功能,如:
system-view
[AC6605] wlan
[AC6605-wlan-view] radio-profile name 80211ac
[AC6605-wlan-radio-prof-80211ac] 80211ac guard-interval-mode short
 
    这里需要注意,并不是所有的环境都适合配置short GI。在复杂的空间环境里,射频遇到障碍物可能会产生反射等现象,会造成AP和STA之间的多路径传输(多径效应)。在多径环境中,前一个数据块还没有发送完成,后一个数据块可能通过不同的路径先到达了,合理的GI长度能够避免相互干扰。如果GI时长不合理,会降低链路的使用效率。

     所以,在复杂的环境中建议关闭short GI功能(对应命令80211n guard-interval-mode normal,802.11ac为80211ac guard-interval-mode normal)。
更宽的信道:我们在讲射频的时候已经提及,802.11n支持将相邻两个20**z的信道绑定成40**z的信道,信道更宽传输能力就更大,可以带来2倍以上的提升。在射频视图下执行命令channel命令可以配置40**z信道,并指定一个主信道:
system-view
[AC6605] wlan
[AC6605-wlan-view] ap 0 radio 0
[AC6605-wlan-radio-0/0] channel 40**z-plus 1//表示配置40**z宽的信道,主信道是1.
在802.11ac信道带宽可以支持80**z,如:
system-view
[AC6605] wlan
[AC6605-wlan-view] ap 0 radio 1
[AC6605-wlan-radio-0/1] channel 80**z 149
    更多的空间流: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流以单入单出SISO(Single Input Single Output)的方式来实现数据传送的。在802.11n支持最大4个空间流的多入多出MIMO(Multiple Input and Multiple Output)方式传输数据(802.11ac最大支持8*8的MIMO)。华为多天线AP都支持MIMO,如AP5130、AP7110、AP5030支持3*3 MIMO,AP3010、AP6510、AP6610支持2*2 MIMO。

   MAC层的报文聚合:在802.11的MAC层协议中,有很多固定的开销,尤其在两个帧之间的确认信息。在最高数据率的传输下,这些多余的开销甚至比需要传输的整个数据帧还要长。例如:802.11g理论传输速率为54Mbps,实际上却只有22Mbps,将近有一半多的速率浪费了。

   802.11n的MAC协议数据单元MPDU(MAC Protocol Data Unit)帧汇聚功能,可以将多个MPDU聚合为一个物理层报文,只需要进行一次信道竞争或退避,就可完成N个MPDU的同时发送,从而减少了发送N-1个MPDU报文所带来的信道资源消耗。

   执行命令80211n a-mpdu enable可以使能802.11n的MPDU帧汇聚功能,然后执行80211n a-mpdumax-length-exponent命令可以配置汇聚帧的最大长度,802.11n的汇聚帧最大长度为65535字节。如:
system-view
[AC6605] wlan
[AC6605-wlan-view] radio-profile id 0 name rp01
[AC6605-wlan-view] 80211n a-mpdu enable
[AC6605-wlan-radio-prof-rp01] 80211n a-mpdu max-length-exponent 3  //3表示汇聚帧最大长度是65535字节

   802.11ac默认支持MPDU功能,且支持最大长度为1048575字节的汇聚帧。所以无需使用命令使能,直接配置汇聚帧长度即可:
[AC6605-wlan-radio-prof-rp01]80211ac a-mpdu max-length-exponent 7  //7表示汇聚帧最大长度是1048575字节
另外,802.11ac还支持MAC服务数据单元MSDU(Mac Service Data Units)汇聚,大大提高了数据的传输效率,具体配置如:
system-view
[AC6605] wlan
[AC6605-wlan-view] radio-profile name rp01
[AC6605-wlan-radio-prof-rp01] a-msdu send enable
[AC6605-wlan-radio-prof-rp01] a-msdu send max-subframes 2  //2表示汇聚的帧数。
   除了802.11标准协议外,在WLAN领域还有一个更常见更常用的名词——Wi-Fi。我们技术贴连载已经进行到第3期,一直没有提及什么是Wi-Fi。在了解了802.11各协议后,正好也是解释什么是Wi-Fi的时机了。
 
    WiFi是无线保真(Wireless Fidelity)的英文缩写。在802.11b时代,虽然所有的802.11b产品都使用相同的802.11b标准,但为了保证不同厂商的产品能够具有良好的兼容性,1999年一些WLAN设备生产厂商一起成立了一个工业联盟——无线以太网兼容性联盟WECA(Wireless Ethernet Compatibility Alliance),后更名为Wi-Fi联盟。Wi-Fi联盟建立了一套验证802.11b产品兼容性的测试程序,称为Wi-Fi认证,通过该程序认证的产品可以使用Wi-Fi认证标签。
 
  后来,Wi-Fi认证的范围逐步扩展到802.11a,802.11g和802.11n。另外,由于忍受不了802.11n漫长的标准化进程和市场需求的推动,Wi-Fi联盟以802.11n 2.0版草案作为产品认证的依据,在802.11n标准推出之前已经认证批准了数百个802.11n产品。这也是为什么当时802.11n标准还未正式发布,而我们在市场上早已可以购买到各类兼容性良好的802.11n产品的原因。
 

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