WLAN的一些基本術語介紹(三)

(1)射頻和頻段

射頻(RF,Radio Frequency)通常指頻率在3kHz到300GHz之間的電磁波,這種電磁波有穿透性好、傳播距離遠的特點,在各種無線通信中射頻技術被廣泛使用,無論是常見的WiFi,還是藍牙、ZigBee、RFID、蜂窩網等,其基本原理都是射頻技術。

頻段指的是射頻的頻率範圍中某一個頻率區間,比如2.4GHz~2.4835GHz就是一個頻段。通常我們把頻段分爲以下的類型:

頻段 頻率(Hz)
甚低頻VLF 3k~30k
低頻LF 30k~300k
中頻MF 300k~3M
高頻HF 3M~30M
甚高頻VHF 30M~300M
特高頻UHF 300M~3G
超高頻SHF 3G~30G
極高頻EHF 30G~300G
至高頻 300G~3T

射頻的各個頻段是非常寶貴的資源,因爲如果一個頻段承載太多種通信方式會造成極大干擾,最後結果就是大家都不能好好用,所以國際上是對射頻各頻段的使用做了一定的功能分類的。對於常用WLAN,國際標準規定可以使用的是ISM頻段,也就是常說的工業(Industry)、科學(Science)、醫療(Medical)頻段,其中SM頻段中最常見的就是WiFi、藍牙網絡。IEEE 802.11b和802.11g標準中,使用的是特高頻的2.4GHz~2.4835GHz頻段,這就是WLAN中常說的2.4G頻段;IEEE 802.11n和802.11 a中使用了5.150GHz~5.350GHz和5.725GHz~5.850GHz兩個頻段,它們在WLAN中常稱爲5G頻段,詳細一點講時,前者稱爲5.2G,後者稱爲5.8G。

對於2.4G和5G,通常來說,2.4G的應用比5G多,原因之一在於由於頻率導致2.4G的覆蓋距離比5G大,穿透性更強,而且對於單一的家用無線路由器,適用場景的WLAN中AP需要承載的終端數量不多,所以AP數量也不需要很多,即使多AP,2.4G頻段的可用信道也基本能滿足家用、SOHO、辦公室等小型WLAN場合,所以很多無線路由器默認的工作頻段都是2.4G。另一個原因在於,目前支持5G的終端產品不多,僅有大多數筆記本電腦、部分手機和極少數平板電腦支持雙頻WiFi即支持5G頻段通信,但所有帶WiFi功能的產品都支持2.4G,這也導致5G頻段的使用沒有2.4G多,商家提供WiFi的時候首先要考慮的就是任何客戶都要能連接到WiFi。

5G的優勢在於,雖然覆蓋面積比2.4G小,但由於頻率高,加之無線環境中5G的信道的使用者少,所以5G頻段的WLAN網速比2.4G快,且因爲可用信道的劃分規則,5G很適合在高密度場景,比如會議廳、禮堂、車廂等人員密集的公共場合使用。如果自己的手機和筆記本設備都支持5G頻段,可以嘗試將家裏的無線路由器設置到5G工作頻段,這可以避免鄰居的路由器在信道中帶來的干擾並提升網速(實測會快很多)。

(2)信道

信道本質上說也是頻段,可以理解爲是從一段頻段中劃分出來的若干子頻段,信道的意義在於,將一段射頻劃分開,通信雙方在不同信道通信時可以相互不干擾,但通信技術不變。比如各個廣播電臺具有不同的頻道,他們都是無線電技術但各自不干擾,這個頻道的概念和信道就類似。

WLAN中,2.4G頻段被劃分爲14個信道,各個國家的標準不同,在各個國家能使用的信道也不同,比如中歐開放了1~13信道,而北美只開放1~11信道,14信道是日本專用,此處不作討論。我們說過,信道本質上是頻段,所以各個信道是有自己的中心頻率的,因爲無線環境的不確定性,通信時的頻率只要在信道中心頻率上下允許範圍內,都屬於該信道。2.4G頻段中通常以20MHz的頻寬劃分信道(即一個信道的頻寬是20MHz,但其中802.11b的頻寬是22MHz,802.11g和802.11n的頻寬是20MHz),由於2.4G頻段比較狹窄,所以這13個信道相互是有重疊部分的,這就導致,如果兩個相鄰AP工作在相鄰或相同信道時,無線信號可能會不知道自己屬於哪個信道(可以這麼理解),所以會發生同頻干擾或鄰頻干擾,只有兩個信道相互沒有重疊部分時,這兩個信道的通信才完全不會有相互干擾。對於2.4G,最常見的能找到的獨立信道組是1,6,11,也有2,7,12但很少見。由於很多廠商的AP設備默認都工作在2.4G,所以2.4G的這三個信道越來越擁擠,通信質量大不如以前。

5G頻段在信道劃分上具有很大的優勢,我們將5.2G劃分爲UNII-1和UNII-2區,信道頻寬爲20MHz,由此在5.2G頻段就能得到8個相互獨立的信道36,40,44,48,52,56,60,64(從2.4G的例子就能看出,能使用的獨立信道越多,無線通信質量就越能得到保證);在5.8G頻段,劃分了5個獨立信道149,153,157,161,165,稱作UNII-3區。其實在5.2G和5.8G之間還有個5.470GHz~5.725GHz的UNII-2e區,由於與雷達頻段有衝突該頻段中國未對WLAN開放,此處不作討論。5G頻段能劃分出如此多的獨立信道,這也催生了一種新玩兒法——HT40。簡單來說HT40就是將兩個信道綁定,兩個20MHz信道合併爲一個40MHz的信道組,傳輸效率能得到成倍提升(理論而言,2.4G也能使用HT40,但從信道資源角度看,HT40通常場景中只會降低信道綁定的實用性)。

(3)功率和RSSI

對於無線信號源,都有發射功率的概念,發射功率主要影響的是無線信號的有效傳播距離,從使用者角度看,發射功率就決定了覆蓋範圍和通信質量,當然發射功率也決定了電費在哪個階梯。

功率的計量單位常見有兩個:mW和dBm,mW是毫瓦的意思,常見的AP有500mW級和100mW級等。有時候發射功率還會用dBm分貝毫瓦的單位來計量,二者的換算關係是1dBm=10lg(P(mW)),比如100mW=20dBm,500mW=27dBm。dBm是一個絕對值,還有一個dB的概念,叫做增益,可以理解爲dBm變化的差值的單位就要使用dB。發射功率的變化有個規律,mW方式的功率每減半,dB=-3即dBm降低3。

RSSI是接收信號強度指示,通常用於表示無線信號接收端相對於發射端收到的無線信號的強度,單位dBm。一般RSSI都是負值,而且數值越大,說明信號越好,比如在-50dBm的地方比-90dBm的地方信號好。通常認爲RSSI在-65dBm以上時,WiFi信號就算是優良了,-90dBm以下時可以認爲WiFi信號接收不到了。

RSSI和距離有一定的關係,離發射源越近的地方RSSI越高,反之越低;離發射源越近的地方,RSSI變化越快,而越遠時,RSSI降低速度越慢,也就是說發射源附近移動幾米的距離,RSSI的變化值可能達到幾十dB,而在離發射源十幾米甚至幾十米的地方,每移動幾米甚至十幾米的距離,RSSI才變化1dB。有興趣的同學可以自己查找RSSI與距離的變化數學模型。

發射功率與RSSI和距離也有關係,通常發射功率越高,覆蓋距離越大,比如發射功率20dBm時-65dBm的位置離發射源20米,發射功率23dBm時-65dBm的位置離發射源有30米。

(4)功率自動調節

隨着WLAN的普及,AP設備的佈置密度越來越大,特別是高密度場景中。我們知道,AP的發射功率能決定覆蓋範圍,而高密度場景中,如果不對AP的功率做定製調節,很可能出現覆蓋不全或重疊覆蓋過於嚴重,導致信道干擾大等不利因素。所以在AC-AP架構下,AC能統一管理AP,很多大廠的AC都有功率自動調節的功能,能實時對高密度AP進行功率調整進而調整覆蓋範圍,極大解放了網絡工程師的維護和佈置工作。

(5)信道自動調節

AP的普及還導致了一個現象:AP間工作信道容易衝突,進而導致同頻干擾,尤其是在高密度場景。所以大廠經常有自己的信道自動調節功能,可以實時監測無線環境,選擇最佳的信道分配給自己的AP,或者在自己的AP中優化信道佈置方案,使得相鄰的AP的工作信道不同且相互獨立,這樣即使AP的覆蓋區域有一定重疊,也不會產生相互干擾。

 

 

 

 

 

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