网络工程师必懂的无线网络（WiFi）基础知识

前言

WLAN网络通过无线信号（高频电磁波）传输数据，随传输距离的增加无线信号强度会越来越弱，且相邻的无线信号之间会存在重叠干扰的问题，都会降低无线网络信号质量甚至导致无线网络无法使用。为改善无线网络质量，使其满足客户的建网标准要求，需要对WLAN网络进行规划设计。设计规划出使用的AP款型和数目、安装点位和方式、线缆部署方式；保障网络覆盖无盲区、覆盖效果好，上网速度快，提升网络使用体验。如果前期不进行网规设计，后期安装完成AP后，再进行网络优化整改可能会需要重新安装AP、布放线缆，返工操作非常不便。

无线网络覆盖

网络覆盖设计涉及到规划网络覆盖范围和范围内信号强度，所以先介绍无线网络覆盖范围的概念，引出衡量覆盖范围的指标：覆盖半径和覆盖距离。

1.1 覆盖范围

AP通过天线发射无线信号，在天线周围产生无线网络覆盖，信号传的越远，信号强度就变的越弱。通常把天线周边信号强度大于网规指标值的区域称为无线网络覆盖范围，如图1所示。网络覆盖范围边缘的场强称为边缘场强。如普通覆盖区信号强度指标值为-65dBm，网规设计时边缘场强就要大于等于-65dBm。

图1 网络覆盖范围（全向天线俯视）

1.2 覆盖半径

全向天线使用覆盖半径来衡量覆盖范围。如图2所示，以吸顶安装的全向天线AP为例，AP安装高度通过工勘测量得知，信号的有效传输距离可以基于边缘场强计算得出，计算方法可以参考覆盖计算。当高度和有效传输距离确定后，即可计算出覆盖半径，进而可以得知网络信号有效覆盖范围。

图2 覆盖半径

1.3 覆盖距离

定向天线使用覆盖距离来衡量覆盖范围.如图3所示，以室外抱杆安装的定向天线AP为例，天线到覆盖范围边缘的有效传输距离可以通过公式计算得出，天线高度通过工勘测量得知。

图3 覆盖距离

图4 网络覆盖范围（定向天线俯视）

从上面可以看出，无论是覆盖半径还是覆盖距离，都需要先计算出有效传输距离后才能得出，而射频发射功率和信号强度是计算有效传输距离的输入条件。下文将继续介绍功率和信号强度的概念。

功率和信号强度

2.1 功率和信号强度基本概念

在无线网络中，使用AP设备和天线来实现有线和无线信号互相转换。如图1所示，有线网络侧的数据从AP设备的有线接口进入AP后，经AP处理为射频信号，从AP的发送端（TX）经过线缆发送到天线，从天线处以高频电磁波（2.4GHz或5GHz频率）的形式将其发射出去。高频电磁波通过一段距离的传输后，到达无线终端位置，由无线终端的接收天线接收，再输送到无线终端的接收端（RX）处理。反之，从无线终端的发送端（TX）发出去的数据，也是按照上述的流程，逆向处理一遍，输送给AP的接收端（RX）。

图5 有线无线信号转换

如图5，在发送和接收天线之间的信号即是无线信号。信号强度在无线信号传输过程中会逐渐衰减。在了解信号强度时，一并介绍常见的几个有关联的基本概念：射频发射功率、EIRP、RSSI、下行信号强度、上行信号强度。

结合图6所示来描述上述这些概念，图中各数字代表含义如下：

图6 基本概念

①和⑦表示射频发送端处的功率，单位是dBm。
②和⑥表示连接天线的转接头和馈线等线路损耗，单位是dB。
③和⑤表示天线增益，单位dBi或dBd。
④表示路径损耗和障碍物衰减，是发送和接收天线之间的信号能量损耗程度，单位是dB。

射频发射功率：①表示AP端的射频发射功率，⑦表示无线终端的射频发射功率。在网规设计时，注意发射功率与天线增益之和不要超出国家码限制的最大值。

EIRP：有效全向辐射功率EIRP（Effective Isotropic Radiated Power），即天线端发射出去时的信号强度，EIRP = ① - ②+ ③。

RSSI：接收信号强度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator），指示无线网络覆盖内某处位置的信号强度，是EIRP经过一段传输路径损耗和障碍物衰减后的值。网规遇到的信号强度弱问题就是指RSSI弱，没有达到指标要求值，导致无线终端接收到很弱的信号甚至接收不到信号。

下行信号强度：是指无线终端接收到AP的信号强度，下行信号功率 = ① - ② + ③ - ④ + ⑤ - ⑥。

上行信号强度：是指AP接收到无线终端的信号强度，上行信号功率 = ⑦ - ⑥ + ⑤ - ④ +③ - ②。

所以在不考虑干扰、线路损耗等因素时，接收信号强度的计算公式为：

接收信号强度 = 射频发射功率 + 发射端天线增益 – 路径损耗 – 障碍物衰减 + 接收端天线增益

当除路径损耗外的其他参数确定后，就可以确定路径损耗，再根据有效传输距离和路径损耗的关系，计算出有效传输距离。具体请参考覆盖计算。

2.2 常用单位

日常中通常使用功率来衡量一个电器做功的快慢，如一个10W的电灯泡，10W功率就是电灯泡消耗能量做功的快慢。在天线收发系统里，同样也需要消耗电能来转换为电磁波的能量进行传输。但是电磁波的能量衰减非常快，例如一个100mW的能量源，传输一段距离后很快就能衰减成1mW、0.1mW、0.01mW甚至更小。对于这种呈几何数量级的衰减，使用功率来衡量会给计数带来不便，因此引用新的概念：dB和dBm。

dB是一个纯计数单位，它的计算公式为dB = 10lg（A / B）。

当A和B表示两个功率时，dB就表示两个功率的相对值，例如A的功率为100mW，B的功率为10mW，则10lg（100 / 10） = 10dB，表示A比B大10dB。如果A的功率变为10000mW，则10lg（10000 / 10） = 30dB。

dB主要作为信噪比及损耗的单位。

表1 常见dB和A/B对应关系

dBm

dBm即分贝毫瓦，是功率值与1mW的比值，表示功率绝对值的单位。m表示mW，dBm可以与功率单位mW相互转换，计算公式为：dBm = 10lg（功率值 / 1mW）。

表2 常见dBm和功率值对应关系

从上面可以看出，从10000mW到0.0001mW，如果用dBm表示，只需要40dBm到-40dBm就可以表达，dBm方式更适合在这种场景下使用。所以通常使用dBm作为射频发射、接收功率和射频噪声的单位。

dBi和dBd

dBi和dBd都是表示功率增益的单位，两者都是相对值，但是它们的参考基准不同。

dBi：相对于点源天线的功率增益，在各方向的辐射是均匀的。
dBd：相对于阵子天线的功率增益。

一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。例如，对于一根增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi。

dBi和dBd主要作为天线增益的单位。

信号衰减和干扰

从上文的计算公式可以看出，除了发射功率和天线增益对信号强度有增强的作用外，路径损耗和障碍物衰减会减弱信号强度，这些属于信号衰减范畴。另外环境中的干扰和噪声也会减弱信号强度，属于信号干扰的范畴。网络覆盖设计时应尽量减少不必要的信号衰减和干扰，提升信号强度，增加信号有效传输距离。

3.1 信号衰减

无线信号在传输过程中信号强度会逐渐衰减。由于接收端只能接收识别一定阈值以上信号强度的无线信号，当信号衰减过大后，接收端将无法识别无线信号。下面介绍影响信号衰减的几个主要常见因素。

障碍物

障碍物是无线网络环境中最常见，对信号衰减影响非常显著的一个重要因素。日常环境中的各种墙壁、玻璃、门对信号都有不同程度的衰减，尤其是金属障碍物，很有可能完全阻隔、反射掉无线信号的传播。因此在网规的过程中，尽量避免各类障碍物遮挡AP。

传输距离

电磁波在空气中传播时，随传输距离的增加，信号强度会逐步衰减，直至消失。在传输路径上的衰减即为路径损耗。人们无法更改空气的衰减值，也无法避开空气传播无线信号，但是可以通过诸如合理增强天线端的发射功率、减少障碍物遮挡等方式来延长电磁波的传输距离。电磁波能传输的越远，无线信号就能覆盖更大的空间范围。

频率

对于电磁波来说，波长越短，衰减越严重。无线信号采用2.4GHz或5GHz的电磁波发射信号，由于所使用的电磁波频率很高，波长很短，衰减会比较明显，所以通常传输距离不会很远。

另外，除了以上几个因素之外，如天线、数据传输速率、调制方案等也会影响到信号的衰减。

3.2 信号干扰

除了信号衰减会影响接收端对无线信号的识别外，干扰和噪声也会在一定程度上产生影响。通常使用信噪比或信干噪比来衡量干扰和噪声对无线信号的影响。信噪比和信干噪比是度量通信系统通信质量可靠性的主要技术指标，比值越大越好。

干扰是指系统本身以及异系统带来的干扰，如同频干扰、多径干扰。
噪声是指经过设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号，这种信号与环境有关，不随原信号的变化而变化。

信噪比SNR（Signal-to-noise Ratio），指的是系统中信号与噪声的比。

信噪比的表达方式为：

SNR = 10lg（ PS / PN ），其中：

SNR：信噪比，单位是dB。
PS：信号的有效功率。
PN：噪声的有效功率。

信干噪比SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio），指的是系统中信号与干扰和噪声之和的比。

信干噪比的表达方式为：

SINR = 10lg[ PS /( PI + PN ) ]，其中：

SINR：信干噪比，单位是dB。
PS：信号的有效功率。
PI：干扰信号的有效功率。
PN：噪声的有效功率。

在网规方案设计时，如果对SNR或SINR没有特殊要求，可以暂不考虑。如果有要求，则在网规设计进行场强信号仿真时，同时进行信干噪比仿真。

频段和信道

结合前文的概念和网络覆盖设计中有效传输距离计算公式，可以分别计算出2.4G和5G频段的射频覆盖范围。通过计算结果会发现单个AP的覆盖范围有限，通常需要部署多个AP才能完成完整的网络覆盖。多个AP的组网中，相邻AP间通常会存在同频干扰问题，需要通过规划无线信号工作的频段和信道来减少同频干扰问题。另外通过信道捆绑可以提高无线终端的网络速率。

2.4G和5G频段各有不同的工作信道。

4.1 2.4G频段

如图7所示，2.4G频段被分为14个交叠的、错列的20MHz信道，信道编码从1到14，邻近的信道之间存在一定的重叠范围。

图7 2.4G频段信道分布

以信道1为例，从图中可知，至少要到信道5才能和信道1没有交叠区域。一般场景通常推荐采用1、6、11这种至少分别间隔4个信道的信道组合方式来部署蜂窝式的无线网络覆盖，如图2所示。同理也可以选用2、7、12或3、8、13的组合方式。在高密场景下通常推荐使用1、9、5、13四个信道组合方式，如。图9所示。

图8 2.4G蜂窝式网络覆盖

图9 2.4G高密网络覆盖

4.2 5G频段

如图10所示，5G频段资源更丰富，比2.4G频段拥有更多的20MHz信道。且相邻信道之间是不重叠的，如36和40信道。

图10 5G频段信道分布

某些地区的雷达系统工作在5G频段，与工作在5G频段的AP射频信号会存在干扰。雷达信号可能会对52、56、60、64、100、104、108、112、116、120、124、128、132、136、140、144信道产生干扰（其中120、124、128是天气雷达信道）。如果射频工作的信道是手动指定的，在规划信道时注意避开雷达信道，如果射频工作的信道是系统动态调整的，系统检测到工作的信道有干扰时，会自动切换工作信道。

4.3 信道捆绑

为了提高无线终端无线网络速率，可以增加射频的信道工作带宽。如果把两个20MHz信道捆绑在一起成为40MHz信道，同时向一个无线终端发送数据，理论上数据的通道加宽了一倍，速率也会增加一倍。如果捆绑两个40MHz信道，速率会再次加倍，以此类推。按照信道不同的捆绑方法，可以分为40MHz+、40MHz-、80MHz、80+80MHz和160MHz几种类型的信道工作带宽。如图10所示，能成对捆绑的信道是固定的。

40MHz+和40MHz-：两个相邻的互不干扰的信道捆绑成一个40MHz的信道，其中一个是主信道，一个是辅信道。如果主信道的中心频率高于辅信道的中心频率，则为40MHz-，反之则为40MHz+。例如36和40信道捆绑成40MHz，如果主信道是40信道，则为40MHz-，如果主信道为36，则为40MHz+。
在2.4GHz频段上通常不建议使用40MHz，如果配置40MHz，频段内就只能有一个非重叠40MHz信道。例如信道1只能和信道5组成40MHz（信道1和2、3、4都有重叠区域），剩下的信道组合就要避开信道1~8（信道5和6、7、8又有重叠区域）。所以剩下的信道无法再组成另外一个40MHz的信道。
80MHz：两个连续的40MHz信道捆绑在一起成为80MHz，80MHz内的四个20MHz可以选择任一个做为主信道。例如36、40、44、48捆绑成80MHz。
80+80MHz：两个不连续的80MHz捆绑在一起成为80+80MHz。例如36、40、44、48、100、104、108、112捆绑成80+80MHz。
160MHz：两个连续的80MHz捆绑在一起成为160MHz。160MHz内的八个20MHz可以选择任一个做为主信道。例如36、40、44、48、52、56、60、64捆绑成160MHz。

信道和功率自动调整

信道和功率规划完成后，需要将其应用在实际的AP射频上。如果依靠人工手动配置每个射频的信道和功率会费时费力，并且网络随时可能存在变化，固定的信道和功率不能一直满足网络的实际覆盖需求。因此迫切的需要一种能够根据网络实时变化而能自动调整信道和功率的功能。

5.1 信道调整

AP会自动检测射频可用的信道，选择干扰最少的信道。如图11所示，信道调整前，AP2和AP4都使用信道6，存在信号干扰；信道调整后，AP4使用信道11，干扰消除，相邻AP工作在非重叠信道。

通过信道调整，可以保证每个AP能够分配到最优的信道，尽可能地减少和避免相邻或相同信道的干扰，保证网络的可靠传输。

图11 信道调整原理图

信道调整除了用在射频调优功能，还可以用在动态频率选择DFS（Dynamic Frequency Selection）功能。某些地区的雷达系统工作在5G频段，与工作在5G频段的AP射频信号会存在干扰。通过DFS功能，当AP检测到其所在工作信道的频段有干扰时，会自动切换工作信道。

5.2 功率调整

AP的发射功率决定了其射频信号的覆盖范围，AP功率越大，其覆盖范围也就越大。传统的射频功率控制方法只是静态地将发射功率设置为最大值，单纯地追求信号覆盖范围，但是功率过大可能对其他无线设备造成不必要的干扰。因此，需要选择一个能平衡覆盖范围和信号质量的最佳功率。

功率调整就是在整个无线网络的运行过程中，根据实时的无线环境情况动态地分配合理的功率。

在增加邻居时，功率会减小。如图12所示，圆圈的大小代表AP调整发射功率后的覆盖范围，当增加AP4后，通过功率调整功能，每个AP的发射功率减小。

图12 功率减小示意图

在邻居AP离线或出现故障时，功率会增加，如图13所示。

图13 功率增加示意图

802.11协议

前文介绍的内容都是网络覆盖设计需要掌握的基础知识。网络覆盖设计完成后，还需要进行网络容量设计。

支持不同协议的AP，其性能会有差异，在网规AP选型时，如果考虑部署更强性能的无线网络，可以选用支持Wi-Fi 6协议的AP。

WLAN遵循802.11协议标准，从最开始的802.11a/b/g，经历802.11n（Wi-Fi 4）、802.11ac（Wi-Fi 5）、发展到最新的802.11ax（Wi-Fi 6），每一次的演进都带来了数据传输速率上的飞跃。

表3 802.11协议对比

Wi-Fi 6对比之前的Wi-Fi 5，在这几个方面性能有显著提升：

大带宽。Wi-Fi 6采用8x8 MIMO空间流、更多数量的子载波、1024-QAM编码方式等技术提升带宽，速率最高可达9.6Gbit/s。
高并发。增加空间流，采用OFDMA技术提升频谱利用率，实现并发容量的增加。
低时延。提升频谱利用率，采用BSS Color降低空口干扰率，实现时延的降低。
低耗电。采用TWT（Target Wakeup Time）技术，按需唤醒终端Wi-Fi，减少耗电。

Wi-Fi 6的大带宽、高并发、低时延可以增强多用户高密并发、VR/AR/4K等大带宽低时延场景的用户体验。

另外不同于Wi-Fi 5仅支持下行MU-MIMO，Wi-Fi 6能支持上行和下行OFDMA传输和上行、下行MU-MIMO传输，使得上行的数据传输速率也得到了提升。

如果选用了外置天线的AP，还需要继续考虑配套的天线选型。

天线

网络容量设计中，根据AP性能和实际需求选择合适的AP。不同的AP款型，不同的网络部署场景会搭配不同型号的天线，天线具体的选择策略请参考天线选型策略。

本节简要介绍下天线的基本属性，更多的天线基础知识和各型号天线信息请参考WLAN天线快速入门。

天线是一种用来发射或接收无线电磁波的设备，天线有3个最基本的属性：方向性、极化、增益。方向性是指信号发射方向图的形状，极化是电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，增益是衡量信号能量增强的度量。天线按照水平方向图和极化方式可以划分为如下几类。

7.1 按水平方向图特性划分

按照水平方向图的特性划分，可以把天线分为以下几种类型：

全向天线：
全向天线在水平面内的所有方向上辐射出的电波能量都是相同的，但在垂直面内不同方向上辐射出的电波能量是不同的。
方向图辐射类似白炽灯辐射可见光，水平方向上360度辐射。
定向天线
定向天线在水平面与垂直面内的所有方向上辐射出的电波能量都是不同的。
方向图辐射类似手电筒辐射可见光，朝某方向定向辐射，相同的射频能量下可以实现更远的覆盖距离，但是是以牺牲其他区域覆盖为代价的。
智能天线
智能天线在水平面上具有多个定向辐射和1个全向辐射模式。
天线以全向模式接收终端发射的信号；智能天线算法根据接收到的信号判断终端所在位置，并控制CPU发送控制信号选择最大辐射方向指向终端的定向辐射模式。

7.2 按照极化方式划分

按照极化方式划分，可以分为单极化天线和双极化天线。单极化和双极化在本质上都是线极化方式，通常有水平极化和垂直极化两种。

单极化天线：接收、发送是分开的两根天线，一根天线中只包含一种极化方式。无线信号是水平发射水平接收或垂直发射垂直接收。故需要更多的安装空间和维护工作量。
双极化天线：接收、发送是一根天线，一根天线中包含垂直和水平两种极化方式。

7.3 增益

天线是一种无源器件，根据能量守恒定律，无论天线的增益有多大，也无论使用多少根天线，总的发射功率并不会发生改变。天线是通过控制信号发射方向的方式，把能量集中在一定方向上来发送，从而实现增强指定方向上信号强度的目的。

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