網(wǎng)絡(luò)工程師必懂的無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi）基礎(chǔ)知識

作者：時間：2023-12-26 來源：ICT技術(shù)社區(qū)

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本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202312/454259.htm

無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋

網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計涉及到規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和范圍內(nèi)信號強度，所以先介紹無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的概念，引出衡量覆蓋范圍的指標：覆蓋半徑和覆蓋距離。

1.1 覆蓋范圍

AP通過天線發(fā)射無線信號，在天線周圍產(chǎn)生無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，信號傳的越遠，信號強度就變的越弱。通常把天線周邊信號強度大于網(wǎng)規(guī)指標值的區(qū)域稱為無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍邊緣的場強稱為邊緣場強。如普通覆蓋區(qū)信號強度指標值為-65dBm，網(wǎng)規(guī)設(shè)計時邊緣場強就要大于等于-65dBm。

圖1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍（全向天線俯視）

1.2 覆蓋半徑

全向天線使用覆蓋半徑來衡量覆蓋范圍。如圖2所示，以吸頂安裝的全向天線AP為例，AP安裝高度通過工勘測量得知，信號的有效傳輸距離可以基于邊緣場強計算得出，計算方法可以參考覆蓋計算。當(dāng)高度和有效傳輸距離確定后，即可計算出覆蓋半徑，進而可以得知網(wǎng)絡(luò)信號有效覆蓋范圍。

圖2 覆蓋半徑

1.3 覆蓋距離

定向天線使用覆蓋距離來衡量覆蓋范圍.如圖3所示，以室外抱桿安裝的定向天線AP為例，天線到覆蓋范圍邊緣的有效傳輸距離可以通過公式計算得出，天線高度通過工勘測量得知。

圖3 覆蓋距離

圖4 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍（定向天線俯視）

從上面可以看出，無論是覆蓋半徑還是覆蓋距離，都需要先計算出有效傳輸距離后才能得出，而射頻發(fā)射功率和信號強度是計算有效傳輸距離的輸入條件。下文將繼續(xù)介紹功率和信號強度的概念。

功率和信號強度

2.1 功率和信號強度基本概念

在無線網(wǎng)絡(luò)中，使用AP設(shè)備和天線來實現(xiàn)有線和無線信號互相轉(zhuǎn)換。如圖1所示，有線網(wǎng)絡(luò)側(cè)的數(shù)據(jù)從AP設(shè)備的有線接口進入AP后，經(jīng)AP處理為射頻信號，從AP的發(fā)送端（TX）經(jīng)過線纜發(fā)送到天線，從天線處以高頻電磁波（2.4GHz或5GHz頻率）的形式將其發(fā)射出去。高頻電磁波通過一段距離的傳輸后，到達無線終端位置，由無線終端的接收天線接收，再輸送到無線終端的接收端（RX）處理。反之，從無線終端的發(fā)送端（TX）發(fā)出去的數(shù)據(jù)，也是按照上述的流程，逆向處理一遍，輸送給AP的接收端（RX）。

圖5 有線無線信號轉(zhuǎn)換

如圖5，在發(fā)送和接收天線之間的信號即是無線信號。信號強度在無線信號傳輸過程中會逐漸衰減。在了解信號強度時，一并介紹常見的幾個有關(guān)聯(lián)的基本概念：射頻發(fā)射功率、EIRP、RSSI、下行信號強度、上行信號強度。

結(jié)合圖6所示來描述上述這些概念，圖中各數(shù)字代表含義如下：

圖6 基本概念

①和⑦表示射頻發(fā)送端處的功率，單位是dBm。
②和⑥表示連接天線的轉(zhuǎn)接頭和饋線等線路損耗，單位是dB。
③和⑤表示天線增益，單位dBi或dBd。
④表示路徑損耗和障礙物衰減，是發(fā)送和接收天線之間的信號能量損耗程度，單位是dB。

射頻發(fā)射功率：①表示AP端的射頻發(fā)射功率，⑦表示無線終端的射頻發(fā)射功率。在網(wǎng)規(guī)設(shè)計時，注意發(fā)射功率與天線增益之和不要超出國家碼限制的最大值。

EIRP：有效全向輻射功率EIRP（Effective Isotropic Radiated Power），即天線端發(fā)射出去時的信號強度，EIRP = ① - ②+ ③。

RSSI：接收信號強度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator），指示無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)某處位置的信號強度，是EIRP經(jīng)過一段傳輸路徑損耗和障礙物衰減后的值。網(wǎng)規(guī)遇到的信號強度弱問題就是指RSSI弱，沒有達到指標要求值，導(dǎo)致無線終端接收到很弱的信號甚至接收不到信號。

下行信號強度：是指無線終端接收到AP的信號強度，下行信號功率 = ① - ② + ③ - ④ + ⑤ - ⑥。

上行信號強度：是指AP接收到無線終端的信號強度，上行信號功率 = ⑦ - ⑥ + ⑤ - ④ +③ - ②。

所以在不考慮干擾、線路損耗等因素時，接收信號強度的計算公式為：

接收信號強度 = 射頻發(fā)射功率 + 發(fā)射端天線增益 – 路徑損耗 – 障礙物衰減 + 接收端天線增益

當(dāng)除路徑損耗外的其他參數(shù)確定后，就可以確定路徑損耗，再根據(jù)有效傳輸距離和路徑損耗的關(guān)系，計算出有效傳輸距離。具體請參考覆蓋計算。

2.2 常用單位

日常中通常使用功率來衡量一個電器做功的快慢，如一個10W的電燈泡，10W功率就是電燈泡消耗能量做功的快慢。在天線收發(fā)系統(tǒng)里，同樣也需要消耗電能來轉(zhuǎn)換為電磁波的能量進行傳輸。但是電磁波的能量衰減非?？?，例如一個100mW的能量源，傳輸一段距離后很快就能衰減成1mW、0.1mW、0.01mW甚至更小。對于這種呈幾何數(shù)量級的衰減，使用功率來衡量會給計數(shù)帶來不便，因此引用新的概念：dB和dBm。

dB是一個純計數(shù)單位，它的計算公式為dB = 10lg（A / B）。

當(dāng)A和B表示兩個功率時，dB就表示兩個功率的相對值，例如A的功率為100mW，B的功率為10mW，則10lg（100 / 10） = 10dB，表示A比B大10dB。如果A的功率變?yōu)?0000mW，則10lg（10000 / 10） = 30dB。

dB主要作為信噪比及損耗的單位。

表1 常見dB和A/B對應(yīng)關(guān)系

dBm

dBm即分貝毫瓦，是功率值與1mW的比值，表示功率絕對值的單位。m表示mW，dBm可以與功率單位mW相互轉(zhuǎn)換，計算公式為：dBm = 10lg（功率值 / 1mW）。

表2 常見dBm和功率值對應(yīng)關(guān)系

從上面可以看出，從10000mW到0.0001mW，如果用dBm表示，只需要40dBm到-40dBm就可以表達，dBm方式更適合在這種場景下使用。所以通常使用dBm作為射頻發(fā)射、接收功率和射頻噪聲的單位。

dBi和dBd

dBi和dBd都是表示功率增益的單位，兩者都是相對值，但是它們的參考基準不同。

dBi：相對于點源天線的功率增益，在各方向的輻射是均勻的。
dBd：相對于陣子天線的功率增益。

一般認為，表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。例如，對于一根增益為16dBd的天線，其增益折算成單位為dBi時，則為18.15dBi。

dBi和dBd主要作為天線增益的單位。

信號衰減和干擾

從上文的計算公式可以看出，除了發(fā)射功率和天線增益對信號強度有增強的作用外，路徑損耗和障礙物衰減會減弱信號強度，這些屬于信號衰減范疇。另外環(huán)境中的干擾和噪聲也會減弱信號強度，屬于信號干擾的范疇。網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計時應(yīng)盡量減少不必要的信號衰減和干擾，提升信號強度，增加信號有效傳輸距離。

3.1 信號衰減

無線信號在傳輸過程中信號強度會逐漸衰減。由于接收端只能接收識別一定閾值以上信號強度的無線信號，當(dāng)信號衰減過大后，接收端將無法識別無線信號。下面介紹影響信號衰減的幾個主要常見因素。

障礙物

障礙物是無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中最常見，對信號衰減影響非常顯著的一個重要因素。日常環(huán)境中的各種墻壁、玻璃、門對信號都有不同程度的衰減，尤其是金屬障礙物，很有可能完全阻隔、反射掉無線信號的傳播。因此在網(wǎng)規(guī)的過程中，盡量避免各類障礙物遮擋AP。

傳輸距離

電磁波在空氣中傳播時，隨傳輸距離的增加，信號強度會逐步衰減，直至消失。在傳輸路徑上的衰減即為路徑損耗。人們無法更改空氣的衰減值，也無法避開空氣傳播無線信號，但是可以通過諸如合理增強天線端的發(fā)射功率、減少障礙物遮擋等方式來延長電磁波的傳輸距離。電磁波能傳輸?shù)脑竭h，無線信號就能覆蓋更大的空間范圍。

頻率

對于電磁波來說，波長越短，衰減越嚴重。無線信號采用2.4GHz或5GHz的電磁波發(fā)射信號，由于所使用的電磁波頻率很高，波長很短，衰減會比較明顯，所以通常傳輸距離不會很遠。

另外，除了以上幾個因素之外，如天線、數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)制方案等也會影響到信號的衰減。

3.2 信號干擾

除了信號衰減會影響接收端對無線信號的識別外，干擾和噪聲也會在一定程度上產(chǎn)生影響。通常使用信噪比或信干噪比來衡量干擾和噪聲對無線信號的影響。信噪比和信干噪比是度量通信系統(tǒng)通信質(zhì)量可靠性的主要技術(shù)指標，比值越大越好。

干擾是指系統(tǒng)本身以及異系統(tǒng)帶來的干擾，如同頻干擾、多徑干擾。
噪聲是指經(jīng)過設(shè)備后產(chǎn)生的原信號中并不存在的無規(guī)則的額外信號，這種信號與環(huán)境有關(guān)，不隨原信號的變化而變化。

信噪比SNR（Signal-to-noise Ratio），指的是系統(tǒng)中信號與噪聲的比。

信噪比的表達方式為：

SNR = 10lg（ PS / PN ），其中：

SNR：信噪比，單位是dB。
PS：信號的有效功率。
PN：噪聲的有效功率。

信干噪比SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio），指的是系統(tǒng)中信號與干擾和噪聲之和的比。

信干噪比的表達方式為：

SINR = 10lg[ PS /( PI + PN ) ]，其中：

SINR：信干噪比，單位是dB。
PS：信號的有效功率。
PI：干擾信號的有效功率。
PN：噪聲的有效功率。

在網(wǎng)規(guī)方案設(shè)計時，如果對SNR或SINR沒有特殊要求，可以暫不考慮。如果有要求，則在網(wǎng)規(guī)設(shè)計進行場強信號仿真時，同時進行信干噪比仿真。

04頻段和信道

結(jié)合前文的概念和網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計中有效傳輸距離計算公式，可以分別計算出2.4G和5G頻段的射頻覆蓋范圍。通過計算結(jié)果會發(fā)現(xiàn)單個AP的覆蓋范圍有限，通常需要部署多個AP才能完成完整的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。多個AP的組網(wǎng)中，相鄰AP間通常會存在同頻干擾問題，需要通過規(guī)劃無線信號工作的頻段和信道來減少同頻干擾問題。另外通過信道捆綁可以提高無線終端的網(wǎng)絡(luò)速率。

2.4G和5G頻段各有不同的工作信道。

4.1 2.4G頻段

如圖7所示，2.4G頻段被分為14個交疊的、錯列的20MHz信道，信道編碼從1到14，鄰近的信道之間存在一定的重疊范圍。

圖7 2.4G頻段信道分布

以信道1為例，從圖中可知，至少要到信道5才能和信道1沒有交疊區(qū)域。一般場景通常推薦采用1、6、11這種至少分別間隔4個信道的信道組合方式來部署蜂窩式的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如圖2所示。同理也可以選用2、7、12或3、8、13的組合方式。在高密場景下通常推薦使用1、9、5、13四個信道組合方式，如。圖9所示。

圖8 2.4G蜂窩式網(wǎng)絡(luò)覆蓋

圖9 2.4G高密網(wǎng)絡(luò)覆蓋

4.2 5G頻段

如圖10所示，5G頻段資源更豐富，比2.4G頻段擁有更多的20MHz信道。且相鄰信道之間是不重疊的，如36和40信道。

圖10 5G頻段信道分布

某些地區(qū)的雷達系統(tǒng)工作在5G頻段，與工作在5G頻段的AP射頻信號會存在干擾。雷達信號可能會對52、56、60、64、100、104、108、112、116、120、124、128、132、136、140、144信道產(chǎn)生干擾（其中120、124、128是天氣雷達信道）。如果射頻工作的信道是手動指定的，在規(guī)劃信道時注意避開雷達信道，如果射頻工作的信道是系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整的，系統(tǒng)檢測到工作的信道有干擾時，會自動切換工作信道。

4.3 信道捆綁

為了提高無線終端無線網(wǎng)絡(luò)速率，可以增加射頻的信道工作帶寬。如果把兩個20MHz信道捆綁在一起成為40MHz信道，同時向一個無線終端發(fā)送數(shù)據(jù)，理論上數(shù)據(jù)的通道加寬了一倍，速率也會增加一倍。如果捆綁兩個40MHz信道，速率會再次加倍，以此類推。按照信道不同的捆綁方法，可以分為40MHz+、40MHz-、80MHz、80+80MHz和160MHz幾種類型的信道工作帶寬。如圖10所示，能成對捆綁的信道是固定的。

40MHz+和40MHz-：兩個相鄰的互不干擾的信道捆綁成一個40MHz的信道，其中一個是主信道，一個是輔信道。如果主信道的中心頻率高于輔信道的中心頻率，則為40MHz-，反之則為40MHz+。例如36和40信道捆綁成40MHz，如果主信道是40信道，則為40MHz-，如果主信道為36，則為40MHz+。
在2.4GHz頻段上通常不建議使用40MHz，如果配置40MHz，頻段內(nèi)就只能有一個非重疊40MHz信道。例如信道1只能和信道5組成40MHz（信道1和2、3、4都有重疊區(qū)域），剩下的信道組合就要避開信道1~8（信道5和6、7、8又有重疊區(qū)域）。所以剩下的信道無法再組成另外一個40MHz的信道。
80MHz：兩個連續(xù)的40MHz信道捆綁在一起成為80MHz，80MHz內(nèi)的四個20MHz可以選擇任一個做為主信道。例如36、40、44、48捆綁成80MHz。
80+80MHz：兩個不連續(xù)的80MHz捆綁在一起成為80+80MHz。例如36、40、44、48、100、104、108、112捆綁成80+80MHz。
160MHz：兩個連續(xù)的80MHz捆綁在一起成為160MHz。160MHz內(nèi)的八個20MHz可以選擇任一個做為主信道。例如36、40、44、48、52、56、60、64捆綁成160MHz。

05信道和功率自動調(diào)整

信道和功率規(guī)劃完成后，需要將其應(yīng)用在實際的AP射頻上。如果依靠人工手動配置每個射頻的信道和功率會費時費力，并且網(wǎng)絡(luò)隨時可能存在變化，固定的信道和功率不能一直滿足網(wǎng)絡(luò)的實際覆蓋需求。因此迫切的需要一種能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時變化而能自動調(diào)整信道和功率的功能。

5.1 信道調(diào)整

AP會自動檢測射頻可用的信道，選擇干擾最少的信道。如圖11所示，信道調(diào)整前，AP2和AP4都使用信道6，存在信號干擾；信道調(diào)整后，AP4使用信道11，干擾消除，相鄰AP工作在非重疊信道。

通過信道調(diào)整，可以保證每個AP能夠分配到最優(yōu)的信道，盡可能地減少和避免相鄰或相同信道的干擾，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸。

圖11 信道調(diào)整原理圖

信道調(diào)整除了用在射頻調(diào)優(yōu)功能，還可以用在動態(tài)頻率選擇DFS（Dynamic Frequency Selection）功能。某些地區(qū)的雷達系統(tǒng)工作在5G頻段，與工作在5G頻段的AP射頻信號會存在干擾。通過DFS功能，當(dāng)AP檢測到其所在工作信道的頻段有干擾時，會自動切換工作信道。

5.2 功率調(diào)整

AP的發(fā)射功率決定了其射頻信號的覆蓋范圍，AP功率越大，其覆蓋范圍也就越大。傳統(tǒng)的射頻功率控制方法只是靜態(tài)地將發(fā)射功率設(shè)置為最大值，單純地追求信號覆蓋范圍，但是功率過大可能對其他無線設(shè)備造成不必要的干擾。因此，需要選擇一個能平衡覆蓋范圍和信號質(zhì)量的最佳功率。

功率調(diào)整就是在整個無線網(wǎng)絡(luò)的運行過程中，根據(jù)實時的無線環(huán)境情況動態(tài)地分配合理的功率。

在增加鄰居時，功率會減小。如圖12所示，圓圈的大小代表AP調(diào)整發(fā)射功率后的覆蓋范圍，當(dāng)增加AP4后，通過功率調(diào)整功能，每個AP的發(fā)射功率減小。

圖12 功率減小示意圖

在鄰居AP離線或出現(xiàn)故障時，功率會增加，如圖13所示。

圖13 功率增加示意圖

802.11協(xié)議

前文介紹的內(nèi)容都是網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計需要掌握的基礎(chǔ)知識。網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計完成后，還需要進行網(wǎng)絡(luò)容量設(shè)計。

支持不同協(xié)議的AP，其性能會有差異，在網(wǎng)規(guī)AP選型時，如果考慮部署更強性能的無線網(wǎng)絡(luò)，可以選用支持Wi-Fi 6協(xié)議的AP。

循802.11協(xié)議標準，從最開始的802.11a/b/g，經(jīng)歷802.11n（Wi-Fi 4）、802.11ac（Wi-Fi 5）、發(fā)展到最新的802.11ax（Wi-Fi 6），每一次的演進都帶來了數(shù)據(jù)傳輸速率上的飛躍。

表3 802.11協(xié)議對比

Wi-Fi 6對比之前的Wi-Fi 5，在這幾個方面性能有顯著提升：

大帶寬。Wi-Fi 6采用8x8 MIMO空間流、更多數(shù)量的子載波、1024-QAM編碼方式等技術(shù)提升帶寬，速率最高可達9.6Gbit/s。
高并發(fā)。增加空間流，采用OFDMA技術(shù)提升頻譜利用率，實現(xiàn)并發(fā)容量的增加。
低時延。提升頻譜利用率，采用BSS Color降低空口干擾率，實現(xiàn)時延的降低。
低耗電。采用TWT（Target Wakeup Time）技術(shù)，按需喚醒終端Wi-Fi，減少耗電。

Wi-Fi 6的大帶寬、高并發(fā)、低時延可以增強多用戶高密并發(fā)、VR/AR/4K等大帶寬低時延場景的用戶體驗。

另外不同于Wi-Fi 5僅支持下行MU-MIMO，Wi-Fi 6能支持上行和下行OFDMA傳輸和上行、下行MU-MIMO傳輸，使得上行的數(shù)據(jù)傳輸速率也得到了提升。

如果選用了外置天線的AP，還需要繼續(xù)考慮配套的天線選型。

07天線

網(wǎng)絡(luò)容量設(shè)計中，根據(jù)AP性能和實際需求選擇合適的AP。不同的AP款型，不同的網(wǎng)絡(luò)部署場景會搭配不同型號的天線，天線具體的選擇策略請參考天線選型策略。

本節(jié)簡要介紹下天線的基本屬性，更多的天線基礎(chǔ)知識和各型號天線信息請參考WLAN天線快速入門。

天線是一種用來發(fā)射或接收無線電磁波的設(shè)備，天線有3個最基本的屬性：方向性、極化、增益。方向性是指信號發(fā)射方向圖的形狀，極化是電磁波場強矢量空間指向的一個輻射特性，增益是衡量信號能量增強的度量。天線按照水平方向圖和極化方式可以劃分為如下幾類。

7.1 按水平方向圖特性劃分

按照水平方向圖的特性劃分，可以把天線分為以下幾種類型：

全向天線：

全向天線在水平面內(nèi)的所有方向上輻射出的電波能量都是相同的，但在垂直面內(nèi)不同方向上輻射出的電波能量是不同的。
方向圖輻射類似白熾燈輻射可見光，水平方向上360度輻射。

定向天線

定向天線在水平面與垂直面內(nèi)的所有方向上輻射出的電波能量都是不同的。
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88篇原創(chuàng)內(nèi)容
公眾號
方向圖輻射類似手電筒輻射可見光，朝某方向定向輻射，相同的射頻能量下可以實現(xiàn)更遠的覆蓋距離，但是是以犧牲其他區(qū)域覆蓋為代價的。