无线通信技术漫谈：Wi-Fi技术的飞速发展史

1.什么是无线通信技术？

无线通信是一种不需要通过线缆就可以实现通信的技术手段。它利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换。近年来，无线通信技术在信息通信领域中发展最快、应用最广。相较于传统的有线通信，无线通信有着很多优点，例如建造成本较低、无需物理线缆、不用大量的人力去搭建有线电缆网络。此外，无线通信对环境的变化适应能力较强，当网络需要扩展时，无需新增有线线缆；在使用环境发生变化时，只需做少量调整，就能适应新环境的网络覆盖要求。无线通信技术不仅包括家用的Wi-Fi网络、地铁卡的NFC技术，还包括手机的5G上网、卫星通讯等广泛应用。无线通信技术的发展，将极大地推动信息通信领域的进步和发展。

图1 无线通信技术无处不在

有线网络使用的传输介质一般为导向传输介质，如双绞线、同轴电缆（粗缆和细缆）、光纤等。相比之下，无线通信一般使用非导向传输介质电磁波，如无线电波、微波、红外线等。

① 无线电波：频率范围为 3 KHz 至1 GHz的电磁波。这些波很容易产生，并且可以长距离传播。这些波本质上是全向的，这意味着它们可以向所有方向传播。它们被广泛用于室内和室外之间的通信，因为它们具有很容易穿透墙壁的特性。这些波通常用于 AM 和 FM 收音机、电视、蜂窝电话和无线局域网。

② 微波：频率范围在 1 GHz 到300 GHz 之间的电磁波。微波频率高，波长很短，在空中的传播特性与光波相似，即直线传播，遇到阻挡会被反射或阻断，无法穿透墙壁。因此微波通信的主要方式是视距（Line of Sight，LOS）通信，超过视距则需中继转发。微波的本质是单向的，这意味着它们只能沿直线行驶。这些波通常用于发送方和接收方、蜂窝电话、卫星网络和无线局域网之间的一对一通信。

③ 红外线：频率范围在 300 GHz 到400 GHz 之间的电磁波。红外线不能长途旅行，一般用于短程通信。这些波不能穿过墙壁等固体物体。红外线最常见的应用是用于电视、DVD 播放器和立体声系统的遥控器。红外线通信技术发展早期存在多个标准，不同标准的设备不能彼此通信。为解决设备互联互通的问题，1993年红外数据协会（IrDA）成立，统一规定了红外数据通信协议及规范。

图2 各种电磁波的波长分布

随着无线通信技术的不断发展，物联网（Internet of Things，简称IoT）领域越来越多地应用了无线通信。LoRa、蓝牙、NFC等技术层出不穷，分别由不同的机构组织进行管理。例如，蓝牙技术由蓝牙联盟（Bluetooth Alliance）负责统一管理，而Wi-Fi技术则由备受赞誉的IEEE组织管理。各类主流无线通信技术的优缺点也可简单参照下表。

表1 各种无线技术的特点

本篇文章重点介绍的是无线通信领域最被人熟知，也是日常生活最长用到的无线局域网Wi-Fi技术。

2.最常见的无线通信技术：

Wi-Fi技术

当谈及无线通信技术时，大多数人会想到我们日常使用的Wi-Fi技术。实际上，Wi-Fi技术是在多种无线通信技术中应用最广泛，受众最多的技术之一。Wi-Fi已经成为我们生活中非常普遍的一部分，大多数公共场所，如商场、咖啡厅和快餐店都提供Wi-Fi网络。Wi-Fi可以使我们的电子设备，如手机、平板电脑和电脑连接到同一个无线网络。与最初应用于手机上的蓝牙技术不同，Wi-Fi具有更大的覆盖范围和更高的传输速率。用户可以在Wi-Fi覆盖区域内快速浏览网页，随时随地接听和拨打电话。有了Wi-Fi技术，我们可以微信电话、浏览网页、收发电子邮件、下载音乐而无需担心使用手机流量速度慢和花费高的问题。

图3 Wi-Fi技术

位于美国纽约的IEEE电气与电子工程师协会是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，也是全球最大的非营利性专业技术学会。该协会搭建了目前我们遵循至今的以太网标准IEEE 802.3工作组。

IEEE 802.3是一个工作组，它制定了一系列IEEE标准，其中大多数涵盖了物理层和数据链路层（MAC）的有线以太网标准。同时，该标准定义了局域网的连接机制为CSMA/CD。可以说，IEEE 802.3标准奠定了当前有线以太网络的应用基础。

同样的，Wi-Fi技术的标准也是由IEEE协会制定并推出的。IEEE 802.11工作组及其制定的标准规范了Wi-Fi技术的应用，从而保障了现如今无线Wi-Fi网络的广泛使用。

3.Wi-Fi技术发展历程

Wi-Fi 技术已经成为当今世界无处不在的技术，为超过数十亿的设备提供Wi-Fi连接，为适应新的业务应用和减小与有线网络带宽的差距，每一代的Wi-Fi标准都在大幅度的提升其速率。

图4 Wi-Fi技术发展历程

1997年IEEE制定出第一个无线局域网标准IEEE 802.11，数据传输速率仅有 2Mbps，应用场景相对较少。但由于人们对于无线网络便捷性的需求越来越多，1999年IEEE发布了IEEE 802.11b标准。其运行在2.4GHz频段，传输速率为11Mbit/s，是802.11的5倍多。同年，IEEE 又补充发布了802.11a标准，采用了与原始标准相同的核心协议，工作频率为5GHz，最大原始数据传输率54Mbit/s，达到了现实网络中等吞吐量(20Mbit/s)的要求，由于2.4GHz频段已经被到处使用，采用5GHz频段让IEEE 802.11a具有更少冲突的优点。

2003年，IEEE将作为IEEE 802.11a标准的OFDM技术改编为在2.4GHz频段运行，从而产生了IEEE 802.11g。其载波的频率为2.4GHz（与802.11b相同），原始传送速度为54Mbit/s，净传输速度约为24.7Mbit/s（与802.11a相同）。

2009年发布的第四代Wi-Fi技术IEEE 802.11n，其也是对Wi-Fi技术发展影响比较重要的一个标准。该标准对Wi-Fi的传输和接入进行了重大改进，引入了MIMO、安全加密等新概念和基于MIMO的一些高级功能，如：波束成形，空间复用等，传输速度达到 600Mbit/s。此外，IEEE 802.11n也是第一个同时工作在2.4GHz和5GHz频段的Wi-Fi技术。

从Wi-Fi 4开始，无线网络的带宽终于突破了100M，超越了当时民用领域主流的百兆以太网。手机采用Wi-Fi上网的速度首次超过了当时使用的3G网络，Wi-Fi上网慢慢成为了移动业务通信的主流。也正是在2010年左右，Wi-Fi技术开始逐步走入民用场景。

图5 Wi-Fi 覆盖范围越来越广

移动业务的高速发展和高密度接入对 Wi-Fi 网络的带宽提出了更高的要求，在2013年发布的IEEE 802.11acWi-Fi 5标准引入了更宽的射频带宽（提升至 160MHz）和更高阶的调制技术（256-QAM），传输速度高达1.73Gbps，进一步提升了Wi-Fi网络的吞吐量。另外，在2015年发布了IEEE 802.11ac wave2标准，将波束成形和MU-MIMO等功能推向主流，提升了系统接入容量。但遗憾的是IEEE 802.11ac仅支持5GHz频段的终端，削弱了2.4GHz频段下的用户体验。

随着视频会议、VR/AR、移动教学等业务应用越来越丰富，Wi-Fi 接入终端越来越多，物联网的发展更是带来了更多的移动终端接入无线网络，甚至以前接入终端数量较少的家用 Wi-Fi 网络也将随着越来越多的智能家居设备的接入而变得拥挤。因此 Wi-Fi 网络需要不断提升速度，同时还需要考虑是否能接入更多的终端，适应不断扩大的客户端设备数量以及不同应用的用户体验需求。

图6  数代Wi-Fi技术的差异

随着Wi-Fi技术的不断发展，新一代的Wi-Fi技术需要更好地解决多用户接入的网络场景。为此，2014年IEEE 802.11 工作组开始制定新的标准，并在2019年正式推出了第六代Wi-Fi标准——IEEE 802.11ax。该标准引入了上行MU-MIMO、OFDMA频分复用、1024-QAM高阶编码等技术，从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题。该标准的目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量相比如今的Wi-Fi 5提高至少4倍，并且将并发用户数提升3倍以上。在下一章中，我们将重点介绍Wi-Fi 6技术。

4.Wi-Fi 6技术基础解析

Wi-Fi 6 是当前商用的最新一代IEEE 802.11ax 标准的简称。包括增加的吞吐量和更快的速度、支持更多的并发连接等。Wi-Fi 6 技术的核心新特性如下。

• OFDMA 频分复用技术

Wi-Fi 6之前，数据传输采用的是 OFDM 模式，用户是通过不同时间片段区分出来的。每一个时间片段，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据包。

图7  OFDM模式传输示意

Wi-Fi 6中引入了一种更高效的数据传输模式，称为OFDMA，它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM 系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。从总的时频资源上来看，每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送。

图8  OFDMA模式传输示意

OFDMA 相比 OFDM 有三点改进：

1.更细的信道资源分配；

2.提供更好的 QOS；

3.更多的用户并发及更高的用户带宽。

• DL/UL MU-MIMO 技术

MU-MIMO 使用信道的空间分集来在相同带宽上发送独立的数据流，与OFDMA 不同，所有用户都使用全部带宽，从而带来多路复用增益。在无线AP 中引入MU-MIMO技术，同一时刻就可以实现 AP 与多个终端之间同时传输数据，大大提升了吞吐量。

图9  MU-MIMO技术的吞吐量提升

• 更高阶的调制技术 (1024-QAM)

Wi-Fi 6标准的主要目标是增加系统容量，降低时延，提高多用户高密场景下的效率，但更好的效率与更快的速度并不互斥。Wi-Fi 5采用的 256-QAM 正交幅度调制，每个符号传输8bit 数据，802.11ax采用的1024-QAM正交幅度调制，每个符号位传输10bit 数据，从8到10的提升是25%，也就是相较于Wi-Fi 5，Wi-Fi 6的单条空间流数据吞吐量提高了25%。

图10  高阶调制技术1024-QAM带宽提升

• 空分复用技术（SR）&BSS Coloring 着色机制

Wi-Fi 6引入了一种新的同频传输识别机制，叫BSS Coloring着色机制，在PH报文头中添加 BSS color字段对来自不同BSS的数据进行“染色”，为每个通道分配一种颜色，该颜色标识一组不应干扰的基本服务集（BSS），接收端可以及早识别同频传输干扰信号并停止接收，避免浪费收发机时间。如果颜色相同，则认为是同一BSS内的干扰信号，发送将推迟；如果颜色不同，则认为两者之间无干扰，两个 Wi-Fi设备可同信道同频并行传输。以这种方式设计的网络，那些具有相同颜色的信道彼此相距很远，此时我们再利用动态CCA机制将这种信号设置为不敏感，事实上它们之间也不太可能会相互干扰。

图11  BSS Coloring技术原理示意

• 目标唤醒时间 (TWT)

目标唤醒时间 TWT（Target Wakeup Time）是Wi-Fi 6支持的另一个重要的资源调度功能，它允许设备协商他们什么时候和多久会被唤醒，然后发送或接收数据。此外，无线AP接入点可以将客户端设备分组到不同的TWT周期，从而减少唤醒后同时竞争的无线设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间，对采用电池供电的终端来说，大大提高了电池寿命。

图12  TWT技术原理示意

Wi-Fi 6技术的出现意味着无线网络将迎来更高速、更稳定、更安全的时代。

5.Wi-Fi技术的未来发展趋势

随着Wi-Fi技术的不断发展，越来越多的家庭、办公和教育场所依赖于Wi-Fi网络。同时，随着科技的进步，越来越多的应用场景对数据带宽的要求也越来越高，如抖音等直播平台、4K和8K视频、VR/AR、即时对战游戏（时延要求低于5ms）、远程办公、在线视频会议和云计算等。这些场景需要高带宽、低延时和高稳定性的Wi-Fi技术支持。

尽管Wi-Fi 6技术已经在高密度场景下提升了用户体验，但相较于上一代Wi-Fi 5技术，带宽的提升仍然有限。因此，下一代Wi-Fi技术需要更好地满足高带宽、高稳定性和低延时的需求。

2020年年初IEEE组织发布的最新Wi-Fi 6技术的扩展版Wi-Fi 6E，其最大的改变在于在原来的2.4G和5G两个频段的基础上，扩展了6Ghz频段。使用指定的6G频谱，拥有多达7个额外的160MHz信道。

现代家庭中，Wi-Fi网络内往往有多个终端占据宽带资源，并且每个设备对于宽带的需求不同，2.4Ghz和5Ghz频率混杂在一起使用就会出现智能传感器、智能终端这类低需求设备抢占带宽资源的情况，对于手机、电脑、智能电视等带宽要求较高的设备来说会影响网络的连接体验。Wi-Fi 6E新增的6GHz频段能够很好的改善这一点。

当然Wi-Fi 6E并非完美无缺，更高的信号频率会进一步减弱信号的穿透力，其传播范围和穿墙能力进一步下降。此外新增的6Ghz频段同时也增加了路由器的功率，使得Wi-Fi 6E的路由器比Wi-Fi 6路由器更加耗电。同时，中国国内的6GHz频段尚未正式开放，全面商用还需一段时间。

与此同时更新一代的IEEE 802.11be Wi-Fi 7技术也即将投入商用，Wi-Fi 7技术的重点放在了保障低时延的同时提高带宽。根据标准规定，Wi-Fi 7能够支持至少30 Gbps的最大吞吐量，约为当前Wi-Fi 6的三倍。同时带来了MIMO增强，可三频同时工作，更高的调制，更低的延迟等，同时还计划加入Wi-Fi传感功能。

图13 最新Wi-Fi技术的发展历程

6.威努特无线通信产品简介

威努特现已发布WAP无线AP接入点和WAC无线AC控制器两大类别的无线通信产品。

图14 威努特无线通信系列产品全家福

威努特WAP系列无线AP接入点根据工业和企业用户的现场实际应用需求，配置入墙/面板、吸顶/放装、室外三种安装方式，产品支持最新的IEEE 802.11ax Wi-Fi 6技术，吸顶式、室外型更提供满足大量用户接入的高密型产品供选型。产品种类丰富，功能全面，能够覆盖工业/企业客户的各种无线覆盖场景需求。

图15 威努特无线AP概览

威努特WAC系列无线AC控制器根据其网络规模的大小，至多支持512个AP点位的统一管理。同时支持流控、行为管理、网络安全、VPN隧道、无线AC等功能多合一，是一款多功能的出口设备。同时威努特还将推出一体化的云管平台，能够支持无线AP、无线AC、交换机类产品的统一运维管理，极大的提升终端用户的维护效率。

图16 威努特无线AC控制器概览

威努特WAP系列无线AP接入点搭配上威努特WAC无线控制器，凭借其灵活的安装方式，强大的软件性能，高可靠的硬件品质，能够适用于工业/企业场景的各种无线网络环境的搭建。

7.结语

随着科技的不断进步和人们对互联网使用的需求不断增加，无线Wi-Fi技术得到了迅速的发展。从最初的IEEE 802.11b/g/n到现在的IEEE 802.11ac/ax，无线Wi-Fi技术不断提高了其传输速率和覆盖范围，使得人们可以更加便捷地连接互联网。而无线AP/AC产品则是无线Wi-Fi技术的重要载体，它们不仅能够提供更加稳定和快速的网络连接，还可以满足不同场景下的需求，如企业、家庭、公共场所等。

在当前无线Wi-Fi技术飞速发展的环境下，为客户提供满足现场需求的解决方案至关重要。威努特专注于在ICT领域的深耕，当前已推出包含工业交换机+以太网交换机+无线通信的数据通信产品，为客户多样化的场景需求提供精准、可靠的产品解决方案。未来，威努特数据通信产品，可以和威努特安全产品以及威努特计算产品进行深度联动，致力于为客户提供安全+通信+计算三位一体的一站式解决方案。

威努特简介

北京威努特技术有限公司(简称:威努特)是国内工控安全行业领军者，是中国国有资本风险投资基金旗下企业。凭借卓越的技术创新能力成为全球六家荣获国际自动化协会ISASecure 认证企业之一和首批国家级专精特新“小巨人”企业。

威努特依托率先独创的工业网络“白环境”核心技术理念，以自主研发的全系列工控安全产品为基础，为电力、轨道交通、石油石化、市政、烟草、智能制造、军工等国家重要行业用户提供全生命周期纵深防御解决方案和专业化的安全服务，迄今已为国内及“一带一路”沿线国家的4000多家行业客户实现了业务安全合规运行。

作为中国工控安全国家队，威努特积极推动产业集群建设构建生态圈发展，牵头和参与工控安全领域国家、行业标准制定和重大活动网络安全保障工作，始终以保护我国关键信息基础设施网络空间安全为己任，致力成为建设网络强国的中坚力量!

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原文始发于微信公众号（威努特工控安全）：无线通信技术漫谈：Wi-Fi技术的飞速发展史