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Wi-Fi技术——物理层技术

news 2025/9/1 7:30:33

Wi-Fi通过无线电波在空气中传输数据，因此其物理层技术涉及无线频率的选择、天线的配置，以及信号的调制和解调方式。

一、Wi-Fi世代中使用的技术

WiFi物理层的演进史，是一部OFDM技术不断强化、调制阶数不断提升（从BPSK到4096-QAM）、纠错编码不断进步（从卷积码到LDPC）、以及空间维度不断扩展（MIMO）的历史。

1.1 早期标准（802.11，802.11b）

802.11 (1997):
- 调制: FHSS（跳频扩频）使用2/4-Level GFSK；DSSS（直接序列扩频）使用DBPSK和DQPSK。
- 编码: DSSS使用Barker码（11位扩频序列）。
802.11b (1999):
- 调制: 采用补码键控/直接序列扩频（CCK/DSSS）。
- 速率: 支持1, 2, 5.5和11 Mbps。
- 特点：这是最后一代广泛使用DSSS技术的标准。

1.2 现代化（802.11a，802.11g）

从这代开始，OFDM成为绝对主流，奠定了后续所有高速标准的基础

802.11a (1999) / 802.11g (2003):
核心技术: OFDM。
- 调制: 每个子载波使用 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM。
- 编码: 卷积码（Convolutional Coding） + Viterbi解码。
- 关键参数:
  - 码率（Code Rate）: 如1/2, 2/3, 3/4。表示数据比特与总传输比特的比例（1/2意味着一半是冗余纠错位）。
  - 调制与编码策略（MCS）的概念开始萌芽，通过不同调制方式和码率的组合，产生从低到高不同级别的数据速率，以适应变化的信道条件。

1.3高速时代（802.11n - WiFi 4）

核心技术: OFDM 的增强。
重大革新:
- MIMO（多输入多输出）: 使用多根天线同时传输多个数据流（Spatial Streams），成倍提升速率。
- 信道绑定: 将两个20MHz信道绑定成一个40MHz信道，带宽翻倍。
- 引入LDPC码: 作为可选的、性能更优的纠错方案。
- MCS索引表: 定义了更复杂的MCS索引（0-31），每个索引对应一个确定的调制方式（如64-QAM）、码率（如5/6）、空间流数量等参数的组合。

1.4 千兆时代（802.11ac - WiFi 5）

核心技术: 称为 VHT（Very High Throughput）OFDM。
重大革新:
- 更宽的信道: 支持80MHz和160MHz信道带宽
- 更高阶调制: 引入256-QAM，每个符号传输8个比特。
- 更多空间流: 最高支持8个空间流（理论值，客户端通常最多4x4）。
- MCS索引扩展: 定义了VHT MCS索引（0-9），并支持256-QAM。

1.5 高效与高密时代（802.11ax - WiFi 6/6E）

核心技术: 称为 HE（High Efficiency）OFDMA。注意，OFDMA是OFDM的升级，允许多个用户在同一时刻共享所有子载波。
重大革新:
- OFDMA: 将信道资源划分成更小的资源单元（RU），可以同时为多个用户服务，大幅提升多用户场景下的效率。
- 更高阶调制: 引入1024-QAM，每个符号传输10个比特，峰值速率提升25%。
- 更长的OFDM符号时间: 降低了开销，提升了效率。
- 更先进的编码: LDPC码成为标配，性能更好。

1.6 极致性能时代（802.11be - WiFi 7）

核心技术: 称为 EHT（Extremely High Throughput）OFDM。
重大革新:
- 超宽信道: 支持320MHz信道带宽（主要在6GHz频段）。
- 更高阶调制: 引入4096-QAM，每个符号传输12个比特，对信号质量要求极高。
- 多链路操作（MLO）: 可同时跨多个频段（如2.4G, 5G, 6G）进行传输，实现聚合和负载均衡。
- 增强的MIMO: 支持最高16x16 MIMO（理论值）。

二、扩频技术

扩频技术是无线局域网数据传输使用的技术，扩频技术最初是用于军事部门防止窃听或信号干扰，而WiFi使用扩频技术来提高通信的可靠性和抗干扰能力。

扩频技术：顾名思义，即对信号的频率进行扩大，而降低信号的强度。
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扩频技术在 WiFi 中的应用主要通过以下几种方式实现

直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
- 通过将数据与一个伪随机噪声码 (PN码)进行异或运算，将数据分散到一个更宽的频谱上。
- 这样做的好处是使得信号在频谱中的能量密度降低，从而提高了信号对噪声和干扰的抵抗力。
跳频扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
- 通过快速在多个频率之间跳转来避免干扰
- 需要提前在发送和接收端约定好跳频的规律，实际在WiFi中使用得比较少
正交频分复用 (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)
- 使用多个正交子载波，每个子载波传输数据的一部分，这样就大大降低了多径效应的影响，并提高了频谱效率

三、编码方式与调制方式

实现高速无线数据传输的核心，并且随着IEEE 802.11标准（如Wi-Fi 4/5/6/7）的演进在不断发展和增强。

3.1 概念区分

调制（Modulation）：
- 目的：将数字信号（0和1）转换为适合在无线电波上传输的模拟信号，即无线电波的变化。
- 方式：通过改变载波中波的某些特性来表示数据比特。
- 主要类型：
  - 幅移键控（ASK）：通过振幅变化代表数据（较少用）
  - 频移键控（FSK）：通过频率变化代表数据（早期使用）
  - 相移键控（PSK）：通过相位变化代表数据。如BPSK, QPSK
  - 正交幅度调制（QAM）：现代WiFi的核心，同时改变载波的相位和振幅，可以在一个符号中传输多个比特，极大提高效率。如16-QAM, 64-QAM, 256-QAM, 1024-QAM, 4096-QAM。数字越大，效率越高，但对信号质量（信噪比SNR）的要求也越苛刻。
编码（Coding）：
- 目的：
  - 纠错编码：增加冗余比特，使接收方能够检测和纠正传输过程中产生的错误。
  - 线路编码：将原始数据比特流转换为更适合在信道中传输的格式（例如，避免长串的0或1）。
- 类型
  - 卷积码（Convolutional Code）：传统且经典的纠错码，用于802.11a/b/g/n/ac。
  - 二进制卷积码（BCC）：和卷积码类似，是早期标准的基础
  - 低密度奇偶校验码（LDPC）：更先进的纠错码，性能接近香农极限，用于802.11n/ac/ax/be。
  - 正交频分复用（OFDM）：这既是调制技术，也是一种编码和复用技术。它将一个高速数据流分割成上百个低速子载波（Subcarriers），然后并行传输。这能有效抵抗多径干扰，是现代WiFi的基石。

3.2 调制方式

WiFi主要使用QAM及其与OFDM技术的结合

BPSK (Binary Phase Shift Keying)：二进制相移键控
- 原理：用载波中波的两种不同相位（如0°和180°）来代表1个比特（0或1）。
- 效率：1 bit/symbol（每个符号携带1个比特）。
- 特点：最稳健、抗干扰能力最强，但速度最慢。常用于传输控制帧或信道条件极差时。
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)：正交相移键控
- 原理：用载波中波的四种不同相位（如0°, 90°, 180°, 270°）来代表2个比特的组合（00, 01, 10, 11）。
- 效率：2 bits/symbol。
- 特点：稳健性仅次于BPSK，速度翻倍。
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)：正交幅度调制
- 原理：同时改变载波中波的幅度和相位，形成一个星座图（Constellation）。星座图上的每个点（星座点）代表一个独特的符号。
- 阶数越高，速度越快，但对信号质量要求越高（越容易受噪声影响出错）。
- 常见类型：
  - 16-QAM： 16个符号点，4 bits/symbol。
  - 64-QAM： 64个符号点，6 bits/symbol。（802.11n/ac常用）
  - 256-QAM： 256个符号点，8 bits/symbol。（802.11ac/ax常用）
  - 1024-QAM：1024个符号点，10 bits/symbol。（802.11ax可选，802.11be常用）
  - 4096-QAM：4096个符号点，12 bits/symbol。（802.11be引入，用于极致速率）

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3.3 编码方式

核心是前向纠错 (FEC - Forward Error Correction)，通过在数据中添加冗余信息，使接收方能够检测并纠正传输过程中产生的错误，而无需重传

卷积码 (Convolutional Code) - 经典且可靠
- 原理：输出的每一位不仅是当前输入比特的函数，也是前几位输入比特的函数（具有“记忆”特性）。通过这种规则增加冗余。
- 关键参数：码率 (Code Rate)
  - 定义：数据比特数 / 总传输比特数。码率越低，冗余度越高，纠错能力越强，但有效数据速率也越低。
  - 常见码率：1/2, 2/3, 3/4, 5/6。
  - 例子：码率 = 3/4 表示每3个数据比特，编码后变成4个传输比特，其中1个是冗余的纠错位。
- 解码：通常使用维特比（Viterbi）算法进行解码，这是一种最大似然序列检测算法。
- 应用：802.11a/g/n/ac 的基础纠错方案。
LDPC码 (Low-Density Parity-Check Code) - 现代且高效
- 原理：一种基于稀疏校验矩阵的线性分组码。“低密度”意味着校验矩阵中“1”的数量很少，这使得编解码算法可以非常高效。
- 优势：
  - 性能接近香农极限：在相同的信噪比下，LDPC的纠错性能显著优于卷积码，意味着它可以在更差的信道条件下实现更高的调制阶数（如256-QAM）。
  - “无差错平层”：其误码率曲线下降非常陡峭，一旦信噪比超过某个阈值，错误率会急剧下降至近乎为零。
- 应用：从802.11n开始作为可选方案，在802.11ac中被广泛采用，并在802.11ax (WiFi 6) 及以后成为主流和强制性的纠错码。它是实现1024-QAM和4096-QAM等高阶调制的关键保障。