IEEE 802.11

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IEEE 802.11是現今無線區域網路通用的標準,它是由國際電機電子工程學會(IEEE)所定義的無線網路通訊的標準。

雖然有人將Wi-Fi與802.11混為一談,但兩者並不一樣。(見IEEE 802.11b

歷史[編輯]

自第二次世界大戰,無線通訊因在軍事上應用的成果而受到重視,無線通訊一直發展,但缺乏廣泛的通訊標準。於是,IEEE在1997年為無線區域網路制定了第一個版本標準──IEEE 802.11。其中定義了媒體存取控制層(MAC層)和實體層。實體層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種擴頻調制方式和一種紅外傳輸的方式[1],總資料傳輸速率設計為2Mbit/s。兩個裝置可以自行構建臨時網路,也可以在基站(Base Station, BS)或者存取點(Access Point,AP)的協調下通訊。為了在不同的通訊環境下取得良好的通訊品質,採用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)硬體溝通方式。

1999年加上了兩個補充版本:802.11a定義了一個在5GHz ISM頻段上的資料傳輸速率可達54Mbit/s的實體層,802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但資料傳輸速率高達11Mbit/s的實體層。 2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數國家通用,因此802.11b得到了最為廣泛的應用。蘋果公司把自己開發的802.11標準起名叫AirPort。1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟,致力解決符合802.11標準的產品的生產和裝置相容性問題。

IEEE 802.11 標准列表[編輯]

  • IEEE 802.11,1997年,原始標準(2Mbit/s,播在2.4GHz)。
  • IEEE 802.11a,1999年,實體層補充(54Mbit/s,播在5GHz)。
  • IEEE 802.11b,1999年,實體層補充(11Mbit/s,播在2.4GHz)。
  • IEEE 802.11c,符合802.1D的媒體接入控制層橋接(MAC Layer Bridging)。
  • IEEE 802.11d,根據各國無線電規定做的調整。
  • IEEE 802.11e,對服務等級(Quality of Service, QoS)的支援。
  • IEEE 802.11f,基站的互連性(IAPP,Inter-Access Point Protocol),2006年2月被IEEE批准撤銷。
  • IEEE 802.11g,2003年,實體層補充(54Mbit/s,播在2.4GHz)。
  • IEEE 802.11h,2004年,無線覆蓋半徑的調整,室內(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz頻段)。
  • IEEE 802.11i,2004年,無線網路的安全方面的補充。
  • IEEE 802.11j,2004年,根據日本規定做的升級。
  • IEEE 802.11k,該協定規範規定了無線區域網路絡頻譜測量規範。該規範的制訂體現了無線區域網路絡對頻譜資源智慧化使用的需求。
  • IEEE 802.11l,預留及準備不使用。
  • IEEE 802.11m,維護標準;互斥及極限。
  • IEEE 802.11n,更高傳輸速率的改善,基礎速率提升到72.2Mbit/s,可以使用雙倍頻寬40MHz,此時速率提升到150Mbit/s。支援多輸入多輸出技術(Multi-Input Multi-Output,MIMO)。
  • IEEE 802.11o,針對VOWLAN(Voice over WLAN)而制訂,更快速的無限跨區切換,以及讀取語音(voice)比資料(Data)有更高的傳輸優先權。
  • IEEE 802.11p,這個通訊協定主要用在車用電子的無線通訊上。它設定上是從IEEE 802.11來擴充延伸,來符合智慧型運輸系統(Intelligent Transportation Systems,ITS)的相關應用。
  • IEEE 802.11q:
  • IEEE 802.11r: 快速 BSS切換 (FT) (2008)
  • IEEE 802.11s: Mesh Networking, Extended Service Set (ESS) (July 2011)
  • IEEE 802.11t: Wireless Performance Prediction (WPP)—test methods and metrics Recommendation cancelled
  • IEEE 802.11u: Improvements related to HotSpots and 3rd party authorization of clients, e.g. cellular network offload (February 2011)
  • IEEE 802.11v: Wireless network management (February 2011)
  • IEEE 802.11w: Protected Management Frames (September 2009)
  • IEEE 802.11x:
  • IEEE 802.11y: 3650–3700 MHz Operation in the U.S. (2008)
  • IEEE 802.11z: Extensions to Direct Link Setup (DLS) (September 2010)
  • IEEE 802.11-2012: A new release of the standard that includes amendments k, n, p, r, s, u, v, w, y and z (March 2012)
  • IEEE 802.11aa: Robust streaming of Audio Video Transport Streams (June 2012)
  • IEEE 802.11ab:
  • IEEE 802.11ac,802.11n的潛在繼承者,更高傳輸速率的改善,當使用多基站時將無線速率提高到至少1Gbps,將單信道速率提高到至少500Mbps。使用更高的無線頻寬(80MHz-160MHz)(802.11n只有40MHz),更多的MIMO流(最多8條流),更好的調制方式(QAM256)。目前是草案標準(draft),預計正式標準於2012年晚些時間推出。Quantenna公司在2011年11月15日推出了世界上第一隻採用802.11ac的無線路由器。Broadcom公司於2012年1月5日也發行了它的第一支支援802.11ac的晶片。
  • IEEE 802.11ad: Very High Throughput 60 GHz (December 2012) - see WiGig
  • IEEE 802.11ae: Prioritization of Management Frames (2012年3月)
  • IEEE 802.11af:運用過往電視白區(TV White Space,TVWS)的頻段所訂立標準,由於使用白區頻段(VHS的54MHz~216MHz及UHF的470MHz~698MHz),有時IEEE 802.11af也稱為White-Fi(取Wi-Fi一詞的衍生變化)。
  • IEEE 802.11ah:用來支援無線感測器網路(Wireless Sensor Network,WSN),以及支援物聯網(Internet of Thing,IoT)、智慧型電網(Smart Grid)的智慧電錶(Smart Meter)等應用。
  • IEEE 802.11ai:為IEEE 802.11的修正案,新增部分機制,以及加速建立網路連線的等待時間。
  • IEEE 802.11aj:為IEEE 802.11ad的增補標準,開放45GHz的未授權頻寬帶使世界上部分地區可以使用。
  • IEEE 802.11aq:為IEEE 802.11的修正案,增加網路探索的效率,以加快網路傳輸速度。
  • IEEE 802.11ax:以現行的IEEE 802.11ac做為基底的草案,以提供比現行的傳輸速率加快4倍為目標。

除了上面的IEEE標準,另外有一個被稱為IEEE 802.11b+的技術,透過PBCC技術(Packet Binary Convolutional Code)在IEEE 802.11b(2.4GHz頻段)基礎上提供22Mbit/s的資料傳輸速率。但這事實上並不是一個IEEE的公開標準,而是一項產權私有的技術,產權屬於德州儀器

IEEE 802.11a[編輯]

IEEE 802.11a是802.11原始標準的一個修訂標準,於1999年獲得批准。802.11a標準採用了與原始標準相同的核心協定,工作頻率為5GHz,使用52個正交頻分多路復用副載波,最大原始資料傳輸率為54Mb/s,這達到了現實網路中等吞吐量(20Mb/s)的要求。

由於2.4G頻段日益擁擠,使用5G頻段是802.11a的一個重要的改進。但是,也帶來了問題。傳輸距離上不及802.11b/g;理論上5G訊號也更容易被牆阻擋吸收,所以802.11a的覆蓋不及801.11b。802.11a同樣會被干擾,但由於附近干擾訊號不多,所以802.11a通常吞吐量比較好。

IEEE 802.11b[編輯]

IEEE 802.11b無線區域網路的一個標準。其載波的頻率為2.4GHz,可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重傳送速度[1]它有時也被錯誤地標為Wi-Fi。實際上Wi-Fi是Wi-Fi聯盟的一個商標,該商標僅保障使用該商標的商品互相之間可以合作,與標準本身實際上沒有關聯。[來源請求]在2.4-GHz的ISM頻段共有11個頻寬為22MHz的頻道可供使用,它是11個相互重疊的頻段。IEEE 802.11b的後繼標準是IEEE 802.11g

IEEE 802.11g[編輯]

IEEE 802.11g2003年7月被通過。其載波的頻率為2.4GHz(跟802.11b相同),共14個頻段,原始傳送速度為54Mbit/s,淨傳輸速度約為24.7Mbit/s(跟802.11a相同)。802.11g的裝置向下與802.11b相容。

其後有些無線路由器廠商因應市場需要而在IEEE 802.11g的標準上另行開發新標準,並將理論傳輸速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。

IEEE 802.11i[編輯]

IEEE 802.11i是IEEE為了彌補802.11脆弱的安全加密功能(WEP,Wired Equivalent Privacy)而制定的修正案,於2004年7月完成。其中定義了基於AES的全新加密協定CCMP(CTR with CBC-MAC Protocol)。

無線網路中的安全問題從暴露到最終解決經歷了相當的時間,而各大廠通訊晶片商顯然無法接受在這期間什麼都不出售,所以迫不及待的Wi-Fi廠商採用802.11i的草案3為藍圖設計了一系列通訊裝置,隨後稱之為支援WPA(Wi-Fi Protected Access)的,這個協定包含了向前相容RC4的加密協定TKIP(Temporal Key Integrity Protocol),它沿用了WEP所使用的硬體並修正了一些缺失,但可惜仍然不是毫無安全弱點的;之後稱將支援802.11i最終版協定的通訊裝置稱為支援WPA2(Wi-Fi Protected Access 2)的。

IEEE 802.11-2007[編輯]

IEEE 802.11n[編輯]

IEEE 802.11n,是由IEEE在2004年1月[來源請求]組成的一個新的工作群組在802.11-2007的基礎上發展出來的標準,於2009年9月正式批准。該標準增加了對MIMO的支援,允許40MHz的無線頻寬,最大傳輸速度理論值為600Mbit/s。同時,透過使用Alamouti提出的空時分組碼,該標準擴大了資料傳輸範圍。

IEEE 802.11k[編輯]

IEEE 802.11k闡述了無線區域網路中頻譜測量所能提供的服務,並以協定方式規定了測量的型別及接收傳送的格式。此協定制定了幾種有測量價值的頻譜資源資訊,並建立了一種請求/報告機制,使測量的需求和結果在不同終端之間進行通訊。協定制定小組的工作目標是要使終端裝置能夠透過對測量資訊的量讀做出相應的傳輸調整,為此,協定制定小組定義了測量型別[2]

這些測量報告使在IEEE 802.11規範下的無線網路終端可以收集臨近AP的資訊(信標報告)和臨近終端鏈路性質資訊(影格報告,隱藏終端報告和終端統計報告)。測量終端還可以提供信道干擾水平(噪聲柱狀報告)和信道使用情況(信道負荷報告和媒介感知柱狀圖)。

IEEE 802.11ac[編輯]

IEEE 802.11ac是一個正在發展中的802.11無線計算機網路通訊標準,它透過6GHz頻帶(也就是一般所說的5GHz頻帶)進行無線區域網(WLAN)通訊。理論上,它能夠提供最少每秒1 Gigabit頻寬進行多站式無線區域網(WLAN)通訊,或是最少每秒500 megabits(500 Mbit/s)的單一連線傳輸頻寬。

它採用並擴展了源自802.11n的空中介面(air interface)概念,包括:更寬的RF頻寬(提升至 160 MHz),更多的MIMO空間串流(spatial streams)(增加到 8),多使用者的 MIMO,以及高密度的解調變(modulation,最高可達到256 QAM)。它是IEEE 802.11n的潛在的繼任者。

IEEE 802.11ad[編輯]

無線千兆聯盟(Wireless Gigabit Alliance,WiGig),工業組織,致力於推動在無執照的60 GHz頻帶上,進行數千兆位元(multi-gigabit)速度的無線裝置資料傳輸技術。此聯盟於2009年5月7日宣布成立,於2009年12月推出第一版1.0 WiGig 技術規格(802.11ad)。

各國適用頻道[編輯]

802.11b和802.11g將2.4 GHz的頻段區分為14個重複,標記的頻道;每個頻道的中心頻率相差5兆赫茲(MHz).一般常常被誤認的是頻道1,6和11(還有有些地區的頻道14)是互不重疊所以利用這些不重疊的頻道,多組無線網路的互相涵蓋,互不影響,這種看法太過簡單。802.11b和802.11g並沒有規範每個頻道的頻寬,規範的是中心頻率和頻譜遮蔽(spectral mask)。802.11b的頻譜遮蔽需求為:在中心頻率±11 MHz處,至少衰減30 dB,±22 MHz處要衰減50 dB.

由於頻譜遮蔽只規定到±22 MHz處的能量限制,所以通常認定使用頻寬不會超過這個範圍。實際上,當發射端距離接收端非常近時,接收端接受到的有效能量頻譜,有可能會超過22 MHz的區域。所以,一般認定頻道1,6和11互不重疊的說法。應該要修正為:頻道1,6和11,三個頻段互相之間的影響比使用其它頻段小。然而,要注意的是,一個使用頻道1的高功率發射端,可以輕易的干擾到一個使用頻道6的,功率較低的發射站。在實驗室的測試中發現,當使用頻道11來傳遞檔案時,一個使用頻道1的發射台也在通訊時,會影響到頻道11的檔案傳輸,讓傳輸速率稍稍降低。所以,即使是頻段相差最遠的頻道1和11,也是會互相干擾的。

雖然頻道1,6和11互不重疊的說法是不正確的,但是這個說法至少可以用來說明:頻道距離在1,6和11之間雖然會對彼此造成干擾,而卻不會大大地影響到通訊的傳輸速率。

高功率AP為了因應較高的振幅,將中心頻率±11 MHz處的頻譜遮蔽提高到-40dB,所以才會由ch1干擾到ch6,ch6干擾到ch11。至於ch1干擾到ch11是因為AP功率放大到非線性飽和區,某些廠商製造的AP確實全蓋台(Ch1-Ch11)。而正好那些產品又是賣最多的,也就是號稱功率最高的。只要符合FCC規範壓在±11 MHz -30dB、±22 MHz -50dB就不會出現互相干擾問題。某些晶片製造商在量產或技術上接近ACPR(Adjacent Channel Power Ratio 鄰近通道功率比例)不合格邊緣,透過放大器放大會導致上述情形出現。[原創研究?]

2.4 GHz頻段802.11g規範中第1-14頻道的頻譜遮罩

總結[編輯]

協定 發行年份/日期 Op.標準頻寬 實際速度 (標準) 實際速度(最大) 半徑範圍(室內) 半徑範圍(室外)
Legacy 1997 2.4-2.5 GHz 1 Mbit/s 2 Mbit/s  ?  ?
802.11a 1999 5.15-5.35/5.47-5.725/5.725-5.875 GHz 25 Mbit/s 54 Mbit/s 約30米 約45米[3]
802.11b 1999 2.4-2.5 GHz 6.5 Mbit/s 11 Mbit/s 約30米 約100米
802.11g 2003 2.4-2.5 GHz 25 Mbit/s 54 Mbit/s 約30米 約100米
802.11n 2009 2.4 GHz or 5 GHz bands 300 Mbit/s (20MHz*4 MIMO) 600 Mbit/s (40MHz*4 MIMO) 約70米 約250米
802.11p 2009 5.86-5.925 GHz 3 Mbit/s 27 Mbit/s 約300米 約1000米
802.11ac 2011.11 5 GHz 433Mbit/s, 867Mbit/s (80MHz), (160MHz為可選) 867Mbit/s, 1.73 Gbit/s, 3.47 Gbit/s, 6.93 Gbit/s (8 MIMO, 160MHz) 約35米[4]

標準及延伸標準[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 《無線區域網路技術白皮書》 ISBN 986-125-599-0
  2. ^ IEEE 802.11 WORKING GROUP(2003)Draft Supplement to STANDARD FOR Telecommunications and Information Exchange Between Systems-LAN/MAN Specific Requirements-Part 11:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer (PHY)specifications:Specification for Radio Resource Measurement,IEEE 802.11k/D0.7.New York USA:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.
  3. ^ 802.11a uses the 5GHz frequency to communicate. It can communicate at 54Mbps, which is fast for wireless, but it has a short range of 150 feet.
  4. ^ http://www.digitimes.com.tw/tw/showimg.asp?source=0000259572_WOQ6HN646RRBQ93CFVH4D&filename=259572-2-FVH4D.jpg&Sourcetype=1

外部連結[編輯]

參見[編輯]