Wi-Fi：802.11物理层和发射机测量概述入门手册_WIFITSF

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Wi-Fi：802.11 物理层和

发射机测量概述

入门手册

2 cn.tek.com/wifi

入门手册

引言 ................................................................................. 3

IEEE 802.11 标准和格式 ................................................. 4

IEEE 802.11-1997 或传统模式 ................................... 4

IEEE 802.11b .............................................................. 4

IEEE 802.11a .............................................................. 5

IEEE 802.11g .............................................................. 6

IEEE 802.11n .............................................................. 6

IEEE 802.11ac ............................................................ 7

协议结构概述 ................................................................... 8

信道分配和频谱模板 ...................................................... 10

信道带宽 .................................................................... 10

频谱模板 .................................................................... 11

重叠信道 .................................................................... 12

各国法规 .................................................................... 15

物理层 (PHY) 帧结构 ..................................................... 17

管理帧 ....................................................................... 18

控制帧 ....................................................................... 19

数据帧 ....................................................................... 19

802.11b 包格式 ......................................................... 20

802.11a/g 包格式 ...................................................... 21

802.11n 包格 ............................................................. 22

802.11ac 包格式 ....................................................... 24

物理层调制格式 ............................................................. 25

直序扩频 .................................................................... 25

正交频分复用 (OFDM) ............................................... 28

数据调制和编码 (FEC) 组合 ....................................... 29

WLAN 工作流程 ........................................................ 31

剖析 WLAN 设备 ............................................................ 31

建立联系 .................................................................... 32

同步 ........................................................................... 33

鉴权 ........................................................................... 33

关联 ........................................................................... 33

交换数据 .................................................................... 33

进行发射机测量 ............................................................. 34

发射机测试条件 ......................................................... 34

发射机测试 ................................................................ 34

发射机功率 .......................................................... 34

发送频谱模板 ....................................................... 34

频谱平坦度 .......................................................... 34

发送中心频率容限 ............................................... 35

发送中心频率泄漏 ............................................... 35

发射机星座误差 ................................................... 35

发射机调制精度 (EVM) 测试 ................................ 35

符号时钟频率容限 ............................................... 35

802.11 和 802.11b 发射机要求 ................................. 36

802.11a 发射机要求 .................................................. 37

802.11g 和 802.11n 发射机要求 ............................... 38

802.11ac 发射机要求 ................................................ 39

总结 ............................................................................... 40

4 cn.tek.com/wifi

入门手册

IEEE 802.11 标准和格式

IEEE 802 是指处理局域网和城域网的一系列 IEEE 标

准 ( 参见表 1)。IEEE 802 家族标准由 IEEE 802 局域

网 / 广域网标准委员会 (LMSC) 维护。各个工作小组

重点放在各自的领域。IEEE 802.11 是用来实现无线

局域网 (WLAN) 通信的一套介质访问控制 (MAC) 和

物理层 (PHY) 规范。802.11 家族是共享相同的基本

协议的一系列空中调制技术 ( 表 2)。这些标准为使用

Wi-Fi 品牌的无线网络产品奠定了基础。802.11 使用

的无线频谱段在各个国家是不同的。

IEEE 802.11-1997 或传统模式

最早版本的标准 IEEE 802.11 于 1997 年发布，但目

前已经基本淘汰。它规定了每秒 1 Mb/s 或 2 Mb/s 的

信息速率，并规定了三种可以选择的物理层技术：



以 1 Mbit/s 速度工作的散射红外线



以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 工作的跳频扩频技术



以 1 Mbit/s 或 2 Mbit/s 速率工作的直序扩频技术

后两种无线电技术通过2.4 GHz 工业、科学、医疗(ISM)

频段采用微波进行传输。其规定的数据速率是通过红

外线 (IR) 信号或通过跳频或直序扩频 (DSSS) 无线电

信号进行传送的。红外线一直都是标准的一部分，但

并没有实际实现。

这种最初规范的缺点是，它提供了太多的选择，因此

有时候面临着互操作能力挑战。它实际上更多的是“公

测规范”，而不是硬性规范，在开始时各个产品厂商

能够灵活地展现产品特色，但很少或没有厂商之间的

互操作能力。

IEEE 802 标准

802.1 桥接和管理

802.2 逻辑链路控制

802.3 以太网 - CSMA/CD 接入方法

802.4 令牌传送总线接入方法

802.5 令牌环接入方法

802.6 分布式队列双总线接入方法

802.7 宽带局域网

802.8 光纤

802.9 综合业务局域网

802.10 安全

802.11 无线局域网

802.12 需求优先接入

802.14 中等接入控制

802.15 无线个人区域网

802.16 宽带无线城域网

802.17 弹性分组环

表 1.

802 家族标准。

1999 年，DSSS 版本的传统 802.11 迅速得到

802.11b 修订版补充（和普及），修订版把信息速率

提高到 11 Mbit/s。在 802.11b 发布之后，802.11 网

络才得到了广泛采用。结果，使用最初的 802.11-

1997 标准实现的网络非常少。正因如此，本文中多

个章节没有进一步展开介绍传统模式。

IEEE 802.11b

802.11b 的最大原始数据速率为 11 Mbit/s，使用的

介质访问方法与原来的传统标准规定的方法相同。

802.11b 产品于 2000 年初面市，是最初标准规定的

调制技术的直接延伸。802.11b 的吞吐量大幅度提

高 ( 与原来的标准相比 ) 及价格大幅度下降，导致

802.11b 成为无可争议的无线局域网技术，并被迅速

接受。

cn.tek.com/wifi 5

Wi-Fi：802.11 物理层和发射机测量概述

802.11b 设备的一个缺点是，它们可能会给在 2.4

GHz 频段内工作的其他产品带来干扰问题。在 2.4

GHz 范围内工作的设备包括微波炉、无绳电话、蓝牙

设备、婴儿监护器和其他业余爱好者无线设备。随着

Wi-Fi 日益流行，2.4 GHz 频段内的干扰问题和用户

密度问题已经成为主要问题。

IEEE 802.11a

802.11a 标准于 1999 年被增加到最初标准中，并得

到批准。802.11a 标准采用的核心协议与最初标准相

同，是 802.11 家族里第一个在 5 GHz 频段中运行的

标准。它采用 52 个副载波正交频分复用 (OFDM)，最

大原始数据速率为 54 Mbit/s，一般会实现 20 Mbit/s

左右的吞吐量。今天，世界上许多国家正允许在 5.47

~ 5.725 GHz 频段内运行。这将在整个 5 GHz 频段

中增加更多的信道，明显提高整体无线网络容量。

802.11a 不能与 802.11b 互操作，因为它们在不同的

频段上运行。但是，大多数企业级接入点目前都有多

频功能。

使用 5 GHz 频段为 802.11a 提供了一个明显优势，因

为 2.4 GHz ISM 频段用量繁重。这些冲突导致的劣化

会经常引发掉线和服务劣化。但是，更高的 5 GHz 频

率也有一些小的劣势，因为 802.11a 的有效范围略低

于 802.11b/g。802.11a 信号的穿透力不如 802.11b，

因为它们更容易被路径中的墙壁和其他固体物体吸收，

同时信号强度的路径损耗与信号频率的平方成正比。

另一方面，在高度多径环境中，如室内办公室中，较

高的频率可以建立 RF 系统增益较高的小型天线，从

而抵消较高工作频段的劣势，在这种情况下，OFDM

拥有基础传播优势。可用信道数量更高及附近没有

其他干扰系统 ( 微波炉、无绳电话、婴儿监护器 ) 为

802.11a 提供了明显优于 802.11b/g 的带宽和可靠性。

人们经常弄混 802.11a 和 802.11b 的发布时间。

802.11a 产品出货时间晚，要滞后于 802.11b 产品，

因为 5 GHz 元器件制造难度要更大。此外，第一代

产品性能很差，有许多问题。在第二代产品开始出货

时，802.11a 在消费者领域还没有得到广泛采用，主

要原因是价格较低的 802.11b 已经被广泛采用。尽

管存在前期成本劣势，但 802.11a 后来明显渗透到

企业网络环境中，特别是要求的容量和可靠性高于纯

802.11b/g 网络的企业。为此，本文的章节经常会先

介绍 802.11b。

IEEE 802.11 PHY 标准

发布日期标准频段 (GHz) 带宽 (MHz) 调制高级天线技术最大数据速率

1997 802.11 2.4 GHz 20 MHz DSSS, FHSS N/A 2 Mbits/s

1999 802.11b 2.4 GHz 20 MHz DSSS N/A 11 Mbits/s

1999 802.11a 5 GHz 20 MHz OFDM N/A 54 Mbits/s

2003 802.11g 2.4 GHz 20 MHz DSSS, OFDM N/A 542 Mbits/s

2009 802.11n 2.4 GHz, 5 GHz 20 MHz, 40 MHz OFDM MIMO, 最多 4

条空间流

600 Mbits/s

2013 802.11ac 5 GHz 40 MHz, 80 MHz,

160 MHz

OFDM MIMO, MU-

MIMO, 最多 8

条空间流

6.93 Gbits/s

表 2.

IEEE 802.11 PHY 标准。

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