无线技术

第三次课

注：ITN 7.02版 期末在线考试基本不考这些内容！为实验准备！

  • 一、无线技术

    • 无线技术和设备
      • 核心原理：通过电磁波传送信息，电磁频谱包含无线电、可见光、X 射线等，不同波段有特定波长 / 频率及能量范围，部分受管制，部分供公众免费使用。
      • 常用通信波段：
        • 红外线（IR）：能量低，无法穿透障碍物，仅支持视线内一对一通信，适用于遥控器、无线鼠标 / 键盘，通信距离近。
        • 无线电射频（RF）：可穿透障碍物，覆盖范围更广，常用无需许可证的 ISM 波段（900MHz、2.4GHz、5GHz），适用于 WLAN、蓝牙、无绳电话等设备。
      • 具体无线技术：
        • 蓝牙（IEEE 802.15）：使用 2.4GHz 频段，支持低速近距离一对多通信，版本持续升级（1.0-6.1），核心提升方向为速率（1.0 约 700kbps→6.0 达 48Mbps）、距离（1.0 约 10m→5.0 达 300m）、低功耗、抗干扰性及安全性（6.1 新增可解析随机私有地址防定位）。
        • WLAN（IEEE 802.11 系列）：使用 2.4GHz/5GHz/6GHz 频段，发射功率 50-100mW（低于手机 250-2000mW），速率持续突破（WiFi 6 达 4.8Gbps，WiFi 7 达 25Gbps），核心优势为发射功率高、传输距离远。
      • 辐射相关知识：
        • 辐射强度对比：WiFi 辐射（约 1μW/cm²）远低于手机（信号弱时达 50μW/cm²）、微波炉（50μW/cm²），符合国标（≤40μW/cm²），几乎对人体无影响。
        • 辐射规律：设备信号越强，辐射越小（手机与基站同理，基站信号强→手机发射功率低）。
        • 检测方法：苹果手机输入3001#12345#，安卓手机通过 “设置→关于设备→状态” 查看信号强度（单位 dBm，数值越大信号越好）；可通过专业辐射测试仪（淘宝 600-700 元）检测日常电器辐射。
      • WLAN 频段选择原因：2.4GHz 和 5GHz 源自 ISM 波段，避开微波炉工作频率 2.45GHz（2.4GHz 信道 8/9 与 2.45GHz 错开），兼顾传输效率与成本；高频段（如 6GHz）衰减快、穿墙差，低频段需长天线，故这两个频段为最优选择。
    • 无线技术的优点和局限性
      • 优点：
        • 机动性强：支持固定与移动客户端灵活连接。
        • 伸缩性好：易扩展用户数量和覆盖范围。
        • 灵活性高：可随时随地接入网络。
        • 成本友好：设备成本下降，安装时间短（单设备可连接多用户）。
        • 恶劣环境可靠：紧急场景下便于快速部署。
      • 局限性：
        • 易受干扰：受无线电话、微波炉、蓝牙等 ISM 波段设备干扰。
        • 安全风险：无线信号无物理边界，易接入有线网络，数据传输需额外安全保护。
        • 速率与可靠性：目前峰值速率（WiFi 7 达 25Gbps）仍低于有线网络（如以太网 10Gbps-1.6Tbps），受环境影响较大。
    • 无线网络的类型
      • 无线个域网（WPAN）：最小型网络，用于连接计算机外围设备（鼠标、键盘、PDA），采用红外或蓝牙技术，专属单台主机。
      • 无线局域网（WLAN）：延伸有线 LAN 覆盖，使用 RF 技术和 IEEE 802.11 标准，通过接入点（AP）连接无线用户与有线网络，覆盖范围中等。
      • 无线广域网（WWAN）：覆盖广大区域，如移动电话网络，采用 CDMA、GSM、3G/4G LTE/5G/6G 等技术，受政府机构管制。
      • 注：无线网络无精确边界，覆盖范围受干扰、温度、湿度、障碍物等因素影响。

  • 二、WLAN（无线局域网）

    • WLAN 标准与技术演进

      • 核心组织：

        • ITU-R：管理 RF 波段和卫星轨道分配。
        • IEEE：制定 802.11 系列标准（定义射频调制方式）。
        • WiFi 联盟：推动设备互操作性认证，涵盖 802.11 技术及 WPA/WPA2/WPA3 安全标准。

      • 主流 IEEE 802.11 标准：

        标准 发布时间 频段 最大速率 覆盖范围 核心特点
        802.11b 1999 年 2.4GHz 11Mbps 室内 46m / 室外 96m 基础入门标准，兼容性强
        802.11a 1999 年 5GHz 54Mbps 约为 b/g 的 33% 与 2.4GHz 设备不兼容，成本较高
        802.11g 2003 年 2.4GHz 54Mbps 同 802.11b 兼容 b 标准，速率提升
        802.11n 2009 年 2.4GHz/5GHz 300-1000Mbps 250m 双频、MIMO 技术，向下兼容 a/b/g
        802.11ac 2013 年 5GHz 1.3Gbps+ 中短距离 WiFi 5，继任 n 标准，兼容 a/n
        802.11ad 2012 年 60GHz 7Gbps 小于 5m 高清音视频传输，穿墙差
        802.11ay 2021 年 60GHz 176Gbps 300-500m ad 升级版，支持 4K 高清、VR/AR
        802.11ax 2021 年 2.4GHz/5GHz 14Gbps 提升覆盖 WiFi 6，支持 MU-MIMO/OFDMA，低时延
        802.11be 2025 年 2.4GHz/5GHz/6GHz 46.1Gbps 更广覆盖 WiFi 7，320MHz 频宽、4096QAM、多链路操作

      • 标准简化命名（WiFi 联盟）：WiFi 1=802.11b、WiFi 2=802.11a、WiFi 3=802.11g、WiFi 4=802.11n、WiFi 5=802.11ac、WiFi 6=802.11ax、WiFi 7=802.11be。

      • 技术延伸：

        • WiFi 6E：WiFi 6 扩展版，新增 6GHz 频段（5925-7125MHz），带宽 1.2GHz，支持 160MHz 频宽，速率达 2Gbps，低时延（2ms）。
        • WiFi 8（802.11bn）：聚焦超高可靠性（UHR），支持多 AP 协调、动态子信道操作，预计 2028 年发布，速率达 50-100Gbps。
        • 华为 WiFi 6+：动态带宽调整，近距离 160MHz 频宽提速率，穿墙时窄带宽提功率，增强信号与穿墙能力。
        • 星闪技术（NearLink）：新型无线短距通信标准，分 SLE（低功耗 / 低时延，对标蓝牙）和 MLE（高速率 / 高容量，对标 WiFi），速率达 1.2Gbps（MLE），时延低至 0.25ms，抗干扰能力强，支持千级设备组网。

    • WLAN 核心组件

      • 接入点（AP）：广义含无线路由器，作为有线与无线网络的介质转换器（以太网帧↔802.11 帧），控制 BSS（基本服务集）内通信，实验常用 TP-LINK 无线路由器（集成路由、交换、无线、防火墙功能）。
      • 无线客户端（STA）：配备无线网卡和软件的设备（笔记本、手机、打印机等），可固定或移动，需与 AP 配置匹配才能接入。
      • 无线网桥：支持远距离点对点连接（可达 40 公里 +），使用无需许可证的 RF 频率，适用于无缆线的网络互联。
      • 天线：
        • 全向天线：向所有方向均匀发射信号，集成于无线路由器 / AP / 无线网卡，适用日常场景。
        • 定向天线（如八木天线）：信号集中于单一方向，适用于远距离传输（如无线网桥、室外热点延伸）。

    • WLAN 工作模式

      • 基础架构模式（Infrastructure）：
        • 核心：由 AP 控制所有通信，STA 之间无法直接通信，需通过 AP 转发。
        • 最小单元：BSS（基本服务集），单个 AP 覆盖区域；扩展单元：ESS（扩展服务集），通过分布系统（DS）连接多个 BSS，BSS 需 10% 重叠以支持无缝漫游，为家庭 / 企业主流模式。
      • 对等模式（Ad Hoc）：
        • 核心：无 AP，两台及以上 STA 直接连接，地位平等，覆盖区域称为 IBSS（独立基本服务集），适用于小型文件交换。
        • 变体：个人热点（智能手机 / 平板创建），临时提供 WiFi 服务，其他设备通过认证共享 Internet 连接（iPhone 叫个人热点，Android 叫便携式热点）。

    • WLAN 关键概念

      • SSID（服务集标识符）：
        • 定义：WLAN 的 “网络名称”，区分大小写的字母数字字符串（最长 32 字符），包含于无线帧头部。
        • 核心要求：同一 WLAN 内所有设备需配置相同 SSID 才能通信。
      • 无线通道（Channel）：
        • 定义：RF 频谱的细分波段，类似有线电视信道，同一 WLAN 设备需用相同通道通信，不同 WLAN 需用不重叠通道避免干扰。
        • 频段分布：
          • 2.4GHz：共 14 个信道（间隔 5MHz），中国支持 13 个，常用非重叠信道为 1、6、11。
          • 5GHz：中国新增 36、40、44、48、52、56、60、64 等 8 个室内信道，带宽更宽、干扰更少。
        • 实验注意：需手动设置通道，避免各组间通道重叠导致干扰。
      • 介质访问方法：CSMA/CA（载波侦听多路访问 / 冲突避免），区别于有线以太网的 CSMA/CD（冲突检测），通过主动避让减少无线信号冲突。

    • WLAN 配置要点

      • AP 配置（以 TP-LINK 为例）：
        • 关键参数：SSID（网络名称）、通道（推荐手动设置，避免自动分配冲突）、SSID 广播（实验中可关闭，增强隐私）。
        • 配置路径：通过管理界面设置，确保所有接入设备参数匹配。
      • 无线客户端配置：
        • 匹配参数：需与 AP 的 SSID、通道、安全设置（后续课程讲解）一致。
        • 管理软件：
          • 集成软件：操作系统自带（如 Windows 无线网络管理组件），适用于常规连接。
          • 独立软件：网卡厂商提供的专用软件，支持多配置文件、高级设置，不可与集成软件同时使用。

    • 实用工具软件推荐

      • 测速软件：
      • WiFi 分析软件：
        • 安卓：WiFiman（评分 4.5）、WiFi Analyzer（开源，评分 4.2）、WiFi 魔盒（锐捷网络），需打开定位才能扫描（安卓 8.0+）。
        • Windows：WifiInfoView（免费，支持详细模式（显示 SSID、MAC、信号强度等）和信道摘要模式（查看信道拥挤程度）），实验上网时需退出，避免占用网卡资源影响速度。
        • 注意：iOS 因系统限制，无支持 WiFi 信号采集的分析软件。

    • WLAN 与 LAN（以太网）对比

      特征 WLAN（802.11） LAN（802.3 以太网）
      物理层 无线电射频（RF） 有线介质（双绞线、光纤等）
      介质访问 冲突避免（CSMA/CA） 冲突检测（CSMA/CD）
      可用性 需无线网卡 + AP 覆盖范围 需有线电缆连接
      信号干扰 易受 ISM 波段设备、障碍物影响 无直接外部干扰
      监管要求 遵循国家 RF 频段法规 遵循 IEEE 标准，无额外监管
      设备供电 支持电池供电的移动设备 多为固定电源设备
      帧格式 第二层报头含额外无线信息 标准以太网帧格式