2020年6月26日 星期五

有關於Wi-Fi 的基礎知識(一)

先由Ethernet談起,Wi-Fi就是一種Ethernet的技術,這技術的原理稱之為CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,即載波多重存取/碰撞偵測)。簡單來說,就是利用線來當作BUS,所有的裝置都接在BUS上面。每個裝置都可以互相通信。

但是大家不能一起講話,那不就亂了。如果A要與B說話,A就先舉手,這時候大家就不說話,讓A與B講話。講完之後,大家再舉手,快的人會搶到講話的權利。

大家都認為Ethernet是全錄在1974年發明的,但其實1960年夏威夷大學就用電波為載體,發表了類似CSMA/CD的技術。全錄只是把這個技術應用到同軸電纜上面。

全錄取名Ethernet,代表他知道這技術的來源,因為乙太(Ether)這個名詞在物理上有重大意義。

乙太是馬其頓哲學家亞里斯多德(西元前384年-前322)所設想的一種物質,為五元素(水、火、土、空氣、以太)之一。

十九世紀科學家了解光也是一種電磁波,但是波要介質才能傳播,但太空沒有空氣如何傳播? 噢!!! 原來太空中有一種東西叫做"乙太",所以光得以傳播。而且亞里斯多德在西元前三百年前就知道了。亞里斯多德肯定是外星人。

扯太遠了,後來發現並沒有"乙太"這種物質在外太空,至少到現在為止還沒有發現。只發明了Ethernet。而且Wi-Fi技術才是原始Ethernet的技術源頭。

一、802.11n 與 2.4GHz 頻段

$1.1 頻道 (Channel)

2.4GHz頻段可以使用2.400–2.485 GHz之間的頻段,總共有 85 MHz 的帶寬。

在發明WiFi之前,它已經被分成一堆以 5 MHz 為間隔的頻道。5 MHz太窄,傳不了多少資料,最早的 802.11 及其後續的 802.11b 使用 22 MHz 信道,也就是5 個 5 MHz 。

後來的 802.11g 和 802.11n 後來使用了OFDM 技術,才開始在 20 MHz 的頻寬上來使用。
但是無論22M Hz還是20M Hz,都需要連續的五個頻道,才能塞進去這20MHz。

所以如果不想重疊,就是把這有限的85MHz,分為三個段子。於是所有的802.11n 2.4GHz都使用Channel 1, 6, 11當作中心頻率,還保證不打架。


例如如果AP打出的頻率是Channel,基本上就 CH 4, 5, 6, 7, 8 指五個頻道組成一個20MHz。

$1.2 頻道的合併使用



如果用Channel 3為中心頻率,的確可以做到合併出一個 40MHz的頻道。但是似乎沒有人這樣做。因為這樣在壅擠的2.4GHz,不是一個有效率的做法。

還有人也許會問,如果用Channel 5 做中心,使用 3-11不是也很好。但如果看上面的圖就知道,如果用Channel 3來做40MHz,會與兩個20MHz頻道重疊,但是如果你選Channel 5,就幾乎與所有頻道重疊。

簡單說,如果你住的地方,沒有別的基地台,那你就隨便設,把頻道設成 40MHz;否則,就乖乖的用20MHz,在 Channel 1 6 11 選一個比較少人使用的就可以了。

$1.3 各國的使用頻段限制

美國、台灣與巴西不能使用 CH 12, 13, 14。
日本與歐盟不能使用CH 14。

$1.4 干擾

2.4 GHz上有非常多的干擾源,包含微波爐、省電燈泡、Bluetooth等等。最新的威脅是USB3,它恰好使用相同的頻率,許多便宜的 USB3.0 電纜的屏蔽率很低,因此會對 2.4GHz的天線造成影響。有時候,這是讓Wi-Fi傳不遠的一個原因。

$1.5 連線速度


所以20MHz時候,最大的理論速度是 144 Mbps,20MHz 的時候 300 Mbps。這是2x2 802.11n 2.4GHz BW=20MHz 時,基地台所能提供的理論值最大速度。

如果AP能將Band Width(BW)設定為40MHz時,2x2 802.11n 2.4GHz 便可以把最高理論速度提高到 600 Mbps。

然而STA端(電腦、手機等),受到距離、雜訊、頻道的擁擠、天線設計等等因素,常常是到不了這個速度的。

二、802.11ac 與 5GHz 頻段

IEEE事實上早在802.11a中,便開始使用了5GHz頻段。但設備價格昂貴,該頻段並未獲得普及。802.11n開始定義可以使用於2.4GHz和5GHz頻段,但那時候除了我們的WAP-752X系列的產品利用4x4的802.11n 5GHz來設計出了Video Bridge這樣的產品。基本上,我們是利用這樣的設備來取代傳統的Ethernet CAT6 (Gigabit 雙絞線 Ethernet)。

後來802.11ac出現,而且這個技術規範僅支援5GHz,但是相容於之前802.11n。由於 iPhone開始支援雙頻架構的無線網路,造成無線基地台(Wi-Fi AP)的普及。

通常終端設備稱之為Station,諸如筆電、手機、平板都是。它們的Wi-Fi網路介面通常具備2.4 GHz與5GHz兩個頻段,然後依照實際的狀況,選擇一個頻段來連線。

$2.1 頻道

5GHz頻段與2.4GHz頻段5MHz來定義一段Channel。但由於技術比較新,所以間隔四個通道才設定一個頻道(36、40、44、48 ...),所以每個Channel都有20 MHz 的頻寬,避免了2.4 GHz 的重疊問題。



歐洲在室內使用頻道36-64。最大傳輸功率為200mW (23dBm),大於2.4GHz允許的100mW (20dBm),但由於頻率較高,仍無法完全補償6dB的衰減,所以5 GHz的傳輸距離,先天上必然小於2.4 GHz。

在Wi-Fi Access Point 的應用中,最大傳輸功率實際上無關緊要,因為典型的用戶設備,通常傳輸功率比較小。但連接始終是雙向的,因此如果手機發送的信號,無法傳送到基地台,那雖然手機看的到基地台,但也無法連上。

所以在相同距離之下,2.4GHz信號將必然會接收到3dBm的增強信號,由於演算法的關係,大多數STATION設備會選擇連接2.4GHz信號而不是5GHz。

但在100-140通道上,最大發射功率為1 W (30dBm),如前面所述,這對於STA不太重要,但是在MESH網路,或是Video Bridge的應用當中,就非常重要。

可惜的是CH 100- CH 140之間,還有別人在使用。

- Weather Radar (CH120, 124, 128) 

系統啟動時,AP必須要監聽雷達信號10分鐘,如果沒有雷達信號才能使用。

- DFS (Dynamic Frequency Selection) (CH52– CH140) 

這其中除了啟像雷達之外,還有軍方的雷達系統在使用當中,所以如如要使用,之前要監督一分鐘,如果有雷達訊號,就不能使用這些頻段。有關於DFS的說明,麻煩參考另外一篇。5G Wi-Fi 的 DFS (Dynamic Frequency Selection) 頻道
 
- CH 149- CH 165的四個通道上的SRD規範限制

歐洲限制這些頻段上最高 25mW (14dBm) 的傳輸功率,所以Access Point只能打出 14 dBm 而已。

$2.2 5GHz 頻道的合併使用

802.11n 2.4GHz 引進的合併通道的概念在 5GHz也存在。


2013 年,WiFi 聯盟將 802.11ac 分為 Wave 1 與 Wave 2。

合併兩個20MHz通道,將產生40MHz 帶寬。事實上,大部份的 2x2 AP,在5GHz上, 都會合併兩個通道為預設 40MHz 通道。例如: CH38/CH46、CH54/CH62、CH102/CH110、CH118/CH126、CH151/CH159,總計五個段子來提供給 4x4 Wi-Fi來使用。

如果有4x4的天線設計,系統便可以設定為使用 80MHz,就是將四個相連的頻道給組合起來使用。這時候 5GHz就只有五個頻道(CH42/CH58/CH106/CH122/C155)可以選用。

如果有八支天線,還可以設成 160MHz 來使用。

$2.3 辦公室的Wi-Fi使用









 

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