第3章〓无线局域网无线局域网(WLAN)已很常见，其原理、结构、应用和传统有线局域网较为接近，因而本书将WLAN作为第一种无线网络；重点介绍IEEE 802.11系列标准的技术原理、性能特点、发展趋势和主要应用，最后提供相关实验。
3.1无线局域网概述
WLAN类似传统的有线局域网，可以是客户机/服务器类型，也可以是无服务器的对等网。WLAN脱离了线缆，用户能方便地通过无线方式连接网络和收发数据。
1. 无线局域网的定义
WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，通常指采用无线传输介质的计算机局域网。它利用无线电和红外线等无线方式，提供对等或点对点的数据通信。从技术角度分析，WLAN利用无线多址信道和宽带调制技术提供统一的物理层平台，以此来支持节点间的数据通信，为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供可能。
WLAN的覆盖范围较为有限，距离差异使数据传输的性能不同，导致网络在具体设计和实现上有所区别。WLAN能在几十米到几百米范围内支持较高数据率，可采用微蜂窝(microcell)、微微蜂窝(picocell)或非蜂窝(Ad Hoc)结构。图3.1是WLAN与有线网络的集成部署示意图。图3.2为常见的WLAN设备。
图3.1典型WLAN和LAN集成部署示意图图3.2常见的WLAN设备
WLAN领域主要有两个标准： IEEE 802.11和HiperLAN。
IEEE 802.11系列标准由IEEE 802.11工作组提出，包括多个子标准。IEEE 802.11g工作于2.4GHz频率，采用补码键控(Complementary Code Keying,CCK)、OFDM和分组二进制卷积码(Packet Binary Convolutional Coding,PBCC)等技术，可提供54Mb/s的速率。IEEE 802.11ax进一步使用MIMO和OFDM等技术，将速率提升至几个Gb/s。WiFi是IEEE 802.11的商业名称，由WiFi联盟持有。很多场合下WiFi和IEEE 802.11概念相同。
HiperLAN标准由欧洲电信标准化协会(ETSI)制定，包括HiperLAN1、HiperLAN2、室内无线骨干网HiperLink和室外接入有线基础设施HiperAccess 4种标准。HiperLAN致力于实现高速无线连接，降低无线技术复杂性，采用了移动通信中广泛使用的高斯最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying,GMSK)调制技术。
无线网络技术(第4版)——原理、应用与实验第3章无线局域网2. 无线局域网的特点
1) 无线局域网的优点
WLAN是在有线局域网的基础上发展而来的，主要特点如下： 
(1) 移动性。网络和主机迁移方便。通信范围不再受线路环境的限制，扩大了覆盖范围，为便携式设备提供有效的网络接入功能，用户可随时随地获取信息。
(2) 灵活性。安装简单，组网灵活，可将网络延伸到线缆无法连接的地方。
(3) 可伸缩性。放置或添加接入点(Access Point，AP)或扩展点(Extend Point，EP)，可扩展组网。
(4) 经济性。可用于难以进行物理布线或临时性布线的环境，节省了线缆、附件和人工费用，同时省去布线工序，快速组网，快速投入使用，成本效益显著。
2) 无线局域网的局限性
WLAN尽管有很多优点，也存在一些不足，具体如下： 
(1) 可靠性。传统LAN的信道误码率小于10-9，可靠性和稳定性极高。而WLAN的无线信道并不十分可靠，各种干扰和噪声会引起信号衰落和误码，进而导致吞吐性能下降和不稳定。此外，无线传输的特殊性还会产生“隐藏节点”“暴露节点”等现象。
(2) 兼容性与共存性。兼容性包括： 兼容有线局域网；兼容现有网络操作系统和网络软件；多种WLAN标准互相兼容；不同厂家的无线设备兼容。共存性包括： 同一频段的不同制式或标准共存，如2.4GHz的IEEE 802.11和蓝牙系统共存；不同频段、制式或标准共存，如2.4GHz和5GHz的WLAN共存。
(3) 带宽与系统容量。由于频率资源匮乏，WLAN的信道带宽常小于有线网络带宽。即使进行复用，其系统容量通常也小于有线网络。
(4) 覆盖范围。WLAN的低功率和高频率限制了其覆盖范围。为扩大覆盖范围，可引入蜂窝或微蜂窝网络结构，或采用中继与桥接等措施。
(5) 干扰。外界干扰可影响无线信道和设备，WLAN内部会形成自干扰，也会干扰其他无线系统。因此，在规划和使用WLAN时，要综合考虑电磁兼容和抗干扰性。
(6) 安全性。包括两方面： 一是信息安全，即信息传输的可靠性、保密性、合法性和不可篡改性等；二是人员安全，即电磁波辐射对人体的影响。不同于有线封闭信道，WLAN中无线电波可能遭受窃听和恶意干扰。WLAN系统也会存在一些安全漏洞。
(7) 能耗。WLAN的终端多为便携设备，如笔记本电脑、智能手机等，为延长使用时间和提高电池寿命，网络应有节能管理功能。当设备不进行数据收发时，应使收发功能处于休眠状态；而要收发数据时，再激活收发功能。
(8) 多业务与多媒体。已有WLAN标准和产品主要面向数据业务，而由于语音、图像等多媒体业务的需求，要进一步开发保证多媒体服务质量的相关标准和产品。
(9) 移动性。WLAN虽支持站的移动，但对大范围移动和高速移动的支持机制尚不完善，小范围低速移动也会对性能造成一定影响。
3. 无线局域网的分类
WLAN可从多个角度进行分类。
(1) 根据频段，WLAN可分为专用频段和自由频段两类，如图3.3所示。
图3.3无线局域网根据频段分类
(2) 根据业务类型，WLAN可分为无连接和面向连接两类，如图3.4所示。前者常用于高速数据传输，如IP分组；后者常用于语音等实时性较强的业务以及基于TDMA等技术的业务。
(3) 根据网络拓扑和应用要求，WLAN可分为对等、基础架构、接入和中继等类型。
WLAN应用可分室内和室外两类。室内包括家庭或小型办公室、大型建筑物、企事业单位、工商业等，室外包括园区和较远距离的无线网络连接以及更远距离的网络中继。公共WLAN接入近年来发展较快，主要部署在热点(hot spot)场所。
WLAN主要有3种应用： WLAN接入、无线网络互联和定位。前两种应用较普遍，而定位应用近年来才发展起来。第11章将介绍无线室内定位技术。
图3.4无线局域网根据业务类型分类
3.2无线局域网的组成、拓扑结构与服务3.2.1无线局域网的组成WLAN由站、无线介质、无线接入点或基站、分布式系统等组成。
1. 站
站(Station，STA)也称主机或终端，是WLAN的基本组成单元。站一般作为客户端，是具备无线网络接口的计算机设备，通常包括终端用户设备、无线网络接口和网络软件3部分。
站如果移动，称为移动主机或移动终端。站按移动性可分为固定站、半移动站和移动站。固定站的位置固定不动；半移动站要经常改变地理位置，但移动时并不要求保持网络连接；而移动站则要求在移动状态保持连接，典型移动速度为2～10m/s。
站之间的通信距离由于天线辐射能力有限和应用环境不同而受限制。WLAN能覆盖的区域范围称为服务区(Service Area，SA)，由移动站的无线收发信机及地理环境确定的通信覆盖区域称基本服务区(Basic Service Area,BSA)或小区(cell)，是网络的最小单元。一个BSA内相互联系、相互通信的一组主机组成了基本服务集(Basic Service Set，BSS)。
2. 无线介质
无线介质(Wireless Medium,WM)是WLAN中站或AP间通信的传输介质，空气是无线电波和红外线传播的良好载体。WLAN中的无线介质由物理层标准定义。
3. 无线接入点
无线接入点(AP)类似于移动通信网络的基站(BS)，常处于BSA中心，固定不动。其功能如下： 
(1) 完成其他非AP站的接入访问和同一BSS中的不同功能。
(2) 作为桥接点，完成WLAN与分布式系统间的桥接功能。
(3) 作为BSS的控制中心，控制和管理其他非AP站。
无线AP是具有无线网络接口的网络设备，一般包括以下几个部分： 与分布式系统的接口，无线网络接口和相关软件，桥接、接入控制、管理等AP软件和网络软件。
4. 分布式系统
单个BSA受环境和主机收发信机特性的限制。为覆盖更大区域，可将多个BSA通过分布式系统(Distributed System,DS)连接，形成一个扩展服务区(Extended Service Area,ESA)，而通过DS互连的属同一ESA的所有主机组成一个扩展服务集(Extended Service Set,ESS)。
用来连接不同BSA的通信信道称为分布式系统介质(Distributed System Medium，DSM)。DSM可分为有线信道和无线信道。无线分布式系统(Wireless Distributed System，WDS)可通过无线连接不同的BSS。DS通过入口(portal)连接骨干网。WLAN和有线网络的数据传输都需经过入口。入口能识别有线网络和WLAN的帧，它是一个逻辑接入点，可以是单一设备，也可集成于AP中。
3.2.2无线局域网的拓扑结构
WLAN的拓扑结构可从几方面分类。根据物理拓扑可分为单区网和多区网；根据逻辑拓扑可分为对等式、基础架构式和总线型、星形、环形等；根据控制方式可分为无中心分布式和有中心集中控制式两种；根据与外网的连接性可分为独立和非独立两种。
BSS是WLAN的基本构造模块，有两种基本拓扑结构或组网方式： 分布对等式拓扑和基础架构集中式拓扑。单个BSS称单区网，多个BSS通过DS互连构成多区网。
1. 分布对等式拓扑
分布对等式网络是独立BSS(Independent BSS，IBSS)。它是典型的自治方式单区网，任意站之间可直接通信而无须依赖AP转接，如图3.5所示。由于无AP，站之间是对等的、分布式的或无中心的。由于IBSS网络不必预先计划，可按需随时构建，因此也称为自组织网络。该结构中各站竞争公用信道，如果站点数过多，竞争会影响网络性能，因此，较适合小规模、小范围的WLAN，多用于临时组网和军事通信。注意，IBSS是一种单区网，但单区网并不一定就是IBSS。另外，IBSS不能接入DS。
图3.5分布对等式网络工作模式
2. 基础架构集中式拓扑
一个基础架构除DS外，至少要有一个AP。只包含一个AP的单区基础架构网络如图3.6所示。AP是BSS的中心控制站，其他站在该中心站的控制下互相通信。
图3.6单区基础架构网络工作模式
与IBSS相比，基础架构BSS的可靠性较差，如AP发生故障或遭破坏，整个BSS就会瘫痪。此外，中心站AP较复杂，成本也较高。
基础架构BSS中的某个站在与另一站通信时，须经源站→AP→目标站的两跳过程，由AP转接。这种方式占用了链路，增加了传输时延，但与两站间直接通信相比仍有以下优势： 
(1) BSS内的所有站都需在AP通信范围之内，而对各站间的距离无限制，即网络中的站点布局受环境限制较小。
(2) 由于各站不需保持邻居关系，其路由复杂性和物理层实现复杂度较低。
(3) AP作为中心站，控制所有站点对网络的访问，当网络业务量增大时，网络吞吐和时延性能的恶化并不剧烈。
(4) AP可对BSS内的站进行同步、移动和节能管理等，可控性好。
(5) 为接入DS或骨干网提供了逻辑接入点，可伸缩性较强。可通过增加AP数量、选择AP位置等扩展容量和覆盖区域，即将单区的BSS扩展成为多区的ESS。
3. ESS网络拓扑
ESA是多个BSA通过DS连接形成的扩展区域，范围可达数千米。同一ESA的所有站组成ESS。在ESA中，AP除完成基本功能外，还可确定一个BSA的地理位置。ESS是一种由多个BSS组成的多区网，每个BSS都有一个BSS标识(BSSID)。如果网络由多个ESS组成，每个ESS都有一个ESSID，所有ESSID组成一个网络标识(NID)以区分不同网络。
4. 中继或桥接型网络拓扑
两个或多个网络(LAN或WLAN)或网段可通过无线中继器、网桥或路由器等连接和扩展。如中间只经过一个设备，称单跳网络；如经过多个设备，则称多跳网络。
3.2.3无线局域网的服务
WLAN的不同层次都有相应服务。与WLAN体系结构密切相关的服务有STA服务和DS服务。这两种服务均在MAC层。IEEE 802.11标准中定义了9种服务，其中，3种用于传输数据，6种为管理操作。下面介绍STA服务和DS服务。
1. STA服务
1) 认证
WLAN无法像有线局域网那样用物理接口来实现授权接入，因为其传输介质没有精确边界。所以考虑通过认证(authentication)服务控制接入，所有站均可用认证获取其他站的身份。如果两站间未建立交互式认证，则无法建立连接。站间认证可为链路级认证，也可为端对端或用户到用户的认证。认证过程和方案可自由选择。IEEE 802.11支持开放系统认证和共享密钥认证，后者可使用有线等效保密(Wired Equivalent Privacy，WEP)机制。
2) 解除认证
如欲终止已存在的认证，需唤醒解除认证(deauthentication)服务。由于认证是连接的先决条件，因此解除认证将使站间解除连接。解除认证服务可由任一连接实体唤醒，是通知型而非请求型服务，另一方不能拒绝。AP将解除认证通知发给已连接的站时，连接就会终止。
3) 保密
有线局域网中只有物理连接的站可侦听局域网通信。而无线共享介质则不同，任何一台符合标准的站均可侦听到其覆盖范围内的所有物理层通信。因此，某个WLAN的无保密(privacy)通信会严重影响该WLAN的安全性能，应考虑安全机制。
2. DS服务
DS提供的服务称为分布式系统服务(Distributed System Service,DSS)。在WLAN中，DSS通常由AP提供，包括以下几种。
1) 关联
为在DS内传输信息，对于给定站，DSS需知道接入哪个AP。这种信息由关联(association)提供给DS，以支持BSS的切换移动。关联是必要而非充分条件，仅支持无切换移动。
站通过AP发送数据前，首先关联至AP。欲建立关联，先唤醒关联服务，该服务提供了站到DS的AP映射。DS使用该信息完成其消息分布业务。在任一瞬间，一个站仅能和一个AP关联。一旦关联完成，站就能充分利用DS(通过AP)进行通信。关联通常由移动站激活，一个AP可在同一时间关联多个站。
2) 重新关联
BSS切换移动需重新关联(reassociation)服务，即当前关联从一个AP移动到另一AP。当站在ESS内从一个BSS移动到另一BSS时，它保持了AP与站之间的当前映射。当站保持与同一AP的关联时，重新关联还能改变已建关联的属性。重新关联总是由移动站激活的。
3) 解除关联
终止一个已有关联时会唤醒解除关联(disassociation)。关联任一节点均可唤醒解除关联服务，解除关联是通知型服务而非请求型服务，关联的任一方都不能拒绝。AP可解除站间关联，使AP从网络中移走。站也可试图在需要它们离开网络时解除关联，而MAC协议并不依靠站来唤醒解除关联服务。
4) 分布
分布(distribution)作为站使用的基本服务，由来自或发送到工作在ESS(此时帧通过DS发送)中的WLAN 站的每个数据消息唤醒，分布借助于DSS完成。
5) 集成
如果分布式服务确定消息的接收端为集成LAN成员，则DS的输出点是端口而非AP。分发到端口的消息使得DS唤醒集成(integration)功能，集成功能负责完成消息从DSM到集成LAN介质和地址空间的变换。
3.3IEEE 802.11协议技术标准3.3.1IEEE 802.11协议标准简介1. IEEE 802.11标准的发展1990年IEEE 802.11工作组成立，1993年形成基础协议，此后该协议标准不断发展和更新，迄今形成了许多子标准，如表3.1所示。续表表3.1IEEE 802.11协议标准系列协议子标准名称发布年份简 要 说 明IEEE 802.1119972.4GHz微波和红外线标准，传输速率为1Mb/s和2Mb/sIEEE 802.11a19995GHz微波标准，传输速率为54Mb/sIEEE 802.11b19992.4GHz微波标准，传输速率为5.5Mb/s和11Mb/sIEEE 802.11c2000IEEE 802.11网络和普通以太网之间的互通IEEE 802.11d2000国际间漫游的规范IEEE 802.11e2005服务质量控制，包括数据包脉冲IEEE 802.11f2003服务访问点间通信协议IEEE 802.11g20032.4GHz微波标准，传输速率达54Mb/sIEEE 802.11h20035GHz微波频谱管理(欧洲)IEEE 802.11i2004增强安全机制IEEE 802.11k2008微波测量规范IEEE 802.11n2009使用MIMO技术，传输速率为100Mb/sIEEE 802.11p2010车载环境的无线接入(见10.5节)IEEE 802.11r2008快速的BSS切换IEEE 802.11s2010网状网络的扩展服务集IEEE 802.11u2010和非IEEE 802类型的网络协同IEEE 802.11v2010无线网络管理IEEE 802.11w2009被保护的网络管理帧IEEE 802.11y20083650～3700MHz微波(美国)IEEE 802.11z2011扩展到直接链路建立IEEE 802.11aa2011音视频流的鲁棒性IEEE 802.11ac2012使用MIMO技术对IEEE 802.11n的改进IEEE 802.11ad201260GHz微波标准，最高理论传输速率达7Gb/sIEEE 802.11ah20141GHz无线传感子网，智能表计量IEEE 802.11ai2015快速初始链路设置IEEE 802.11aj2016针对中国毫米波频段的下一代WLANIEEE 802.11ax2019IEEE 802.11ac的升级版IEEE 802.11ay2017IEEE 802.11ad的升级版IEEE 802.11az2021定位IEEE 802.11bb2021可见光通信2. IEEE 802.11若干子标准简介
2018年，WiFi联盟宣布将新一代的IEEE 802.11ax更名为WiFi 6。同时将以前的IEEE 802.11b更名为WiFi 1，将IEEE 802.11a更名为WiFi 2，将IEEE 802.11g更名为WiFi 3，将IEEE 802.11n更名为WiFi 4，将IEEE 802.11ac更名为WiFi 5。更名的目的是让普通消费者对WiFi型号的辨识度更高。
IEEE 802.11g的载波频率为2.4GHz，原始传输速率为54Mb/s，净传输速率约为24.7Mb/s。它采用OFDM等技术，兼容性和高数据速率使其应用较广。
IEEE 802.11n将传输速率增至100Mb/s以上，最高可达600Mb/s。该标准为双频(2.4/5GHz)模式，兼容以往标准。它结合MIMO与OFDM等技术，提高了无线资源的利用率，扩大了无线信号的传输范围，提高了系统容量。
作为IEEE 802.11n的后继，IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ax标准的性能进一步提升。
表3.2对上述子标准进行了简单的性能比较。
IEEE 802.11e协议加入了QoS功能，以改进和管理WLAN的服务质量，可进行音视频多媒体传输以及增强的安全应用、移动访问应用等。
IEEE 802.11i则在安全性上弥补了WEP的不足。它包括数据加密与用户身份认证，定义了基于AES的加密协议CCMP、向前兼容RC4的加密协议TKIP等。表3.2一些IEEE 802.11子标准性能比较子 标 准发布年份频带传输速率传输距离IEEE 802.11n/WiFi 420092.4/5GHz最高600Mb/s室内70m，室外250mIEEE 802.11ac/WiFi 520125GHz最高6.77Gb/s35mIEEE 802.11ax/WiFi 620192.4/5GHz最高9.6Gb/s和WiFi 4相近IEEE 802.11k提供测量信息以提高网络效率。它能实现站点报告，列出移动客户。它还能实现无破坏连接转移漫游时有效选择接入点，从而帮助用户实现无间断的网络连接。
IEEE 802.11s包括网状网络中的拓扑学习、路由与转发、安全性、测量、发现与联系、介质访问协调、服务兼容性、互联、配置及管理等。
3. IEEE 802.11层次结构
IEEE 802.11的层次结构如图3.7所示。
图3.7IEEE 802.11层次结构
物理层介质依赖（PMD）子层识别相关介质传输信号使用的调制与编码。
物理层汇聚协议（Physical Layer Convergence Protocol，PLCP）子层主要侦听载波和对不同物理层形成不同格式的分组。
介质访问控制（Media Access Control，MAC）子层主要控制节点的信道访问权。
逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层负责建立和释放逻辑连接，提供高层接口、差错控制、添加帧序号等。
与PMD子层和PLCP子层对应的物理层管理（PHY Management）层为不同物理层选择信道。
与MAC子层对应的介质访问控制管理（MAC Management）层负责越区切换、功率管理等。
站点管理（Station Management）层负责协调物理层和链路层交互。
IEEE 802.11较完整的协议体系如图3.8所示。
图3.8IEEE 802.11较完整的协议体系
3.3.2IEEE 802.11ac标准的物理层规范1. 信道频段以往的IEEE 802.11标准一般都使用2.4GHz频段，作为世界通用的ISM频段，各国具体可用信道互不相同，取决于无线电频谱分配的规定。如图3.9所示，2.4GHz频段包括14个载波频道，每个占用22MHz。中国、欧洲和澳大利亚允许使用1～13信道，美洲允许使用1～11信道，日本允许使用所有14个信道。
图3.9IEEE 802.11使用的2.4GHz ISM频段信道
2.4GHz频段已在家庭和商业领域广泛使用，WLAN、无线USB、蓝牙、ZigBee和微波炉等也工作在该频段上，使该频段日趋拥挤，互扰日益严重。我国于2002年开放了5.725～5.850GHz频段，IEEE 802.11ac将使用该频段。如图3.10所示，我国的5.8GHz频段共5个信道。
图3.10我国的5.8GHz频段信道划分
2012年我国又开放了5.150～5.350GHz频段资源用于无线接入系统，如图3.11所示，共分为8个信道，但仅限于室内使用。
图3.11我国的5.150～5.350GHz频段信道划分
5GHz频段的13个非重叠信道可支持高带宽WLAN，充分发挥了网络多频点、高速率、低干扰的优势，可有效缓解无线网络拥堵。在同等发射功率前提下，5GHz频段的传输距离和覆盖范围比2.4GHz频段要小，更适合室内的高密度部署场景。
为使工作于5GHz频段的无线系统与雷达和其他同类系统不发生互扰，2003年发布的IEEE 802.11h标准就引入了两项关键技术: 动态频率选择和发射功率控制。
动态频率选择机制是指: 当检测到存在使用同一无线信道的其他设备时，AP和终端可结合当前信道状况，根据需要转到其他信道，以避免互扰，并协调对信道的利用。
发射功率控制指所有设备的发射输出应符合要求，通过降低设备的无线发射功率，减少与其他通信的互扰。发射功率控制还可用于管理设备功耗以及限制AP与终端间的距离。
2. 信道带宽
数字信道吞吐量可由下面的香农公式计算: C=B·log2(1+S/R)  (3.1)其中，C是信道吞吐量，B是信道带宽(Hz)，S是信号功率(W)，N是噪声功率(W)。信道带宽与信道吞吐量间呈线性相关性。
IEEE 802.11ac采用了物理层OFDM技术，将给定信道分成许多正交子信道，每个子信道使用子载波调制，并行传输，频谱可相互重叠，减小子载波间互扰，提高了频谱利用率。IEEE 802.11ac可支持20/40/80/160MHz带宽模式。其中可选的160MHz带宽远超过IEEE 802.11n的最髙40MHz带宽，理论数据传输速率可提高3倍。在所有带宽模式下，子载波间距均不变，子载波数量随带宽增大而增加。信道带宽与OFDM子载波配置之间的关系如表3.3所示。表3.3IEEE 802.11ac信道带宽与OFDM子载波配置的关系信道带宽/MHz子载波间距/kHz子载波总数数据子载波数导频子载波数20312.56452440312.5128108680312.52562348160312.551246816在需要与IEEE 802.11n等旧标准兼容时，实际场景中可能难以提供髙带宽的空闲信道。为有效利用信道带宽，IEEE 802.11ac引入了空闲信道检测(Clear Channel Assessment，CCA)，以动态调整所用带宽。
3. 调制与编码
调制方案PQAM的调制阶次P与每个符号承载的比特位数Q之间的关系如式(3.2)所示。在简单的BPSK调制中，每个符号可承载1b数据；而在更加复杂的64QAM调制中，每个符号可承载6b数据。调制机制越复杂，调制阶次越高，则每个符号所承载的比特数越多，可以实现更高的数据传输速率。Q=log2P  (3.2)以往的IEEE 802.11标准最高使用了64QAM调制，而IEEE 802.11ac引入了256QAM调制，每个符号可承载8b数据，数据传输速率比64QAM提高33%。
调制阶次及码率的提高可有效提升数据传输速率，但同时，为确保将数据误码率控制在一定范围内，对发射机精度提出了更高要求。IEEE 802.11标准规定了相对星座误差参数及其阈值。调制阶次及码率越高，对发射机精度要求越高，即允许的相对星座误差越小。当设备精度较低时，相对星座误差超过阈值，设备无法使用高阶次方式，只能使用较低阶次。
高阶次的调制编码方式对接收机灵敏度要求也更高。当接收机离发射机较远或信道条件较差时，应选用低阶次的调制编码方式，以提高数据成功发送概率。
4. 波束赋形
WLAN的波束赋形技术主要在AP中实现。AP通过与终端交互协议报文，获取信道状态信息(Channel State Information，CSI)，相应调整天线上发送信号的振幅与相位，通过波束赋形使接收端处于最佳信号接收状态。
IEEE 802.11n并未包含波束赋形技术，尽管有些厂商在产品中自行实现了该技术，但各自的专属算法互不兼容。IEEE 802.11ac将波束赋形技术纳入标准，采用通用波束赋形算法。
实现波束赋形的关键是获取CSI，为此需要进行探测。在发送端发送空数据包(Null Data Packet，NDP)之前，先发送一个NDP声明，说明即将发送NDP，然后发送NDP供接收端检测。接收端收到NDP后，分析其各子信道相位，将VHT(Very High Throughput,极高吞吐量)压缩波束赋形帧反馈给发送端，其中包含了压缩过的信道矩阵信息。发送端依据探测过程获取的CSI调整发送矩阵，从而实现波朿赋形。
5. 下行多用户MIMO
在MIMO技术中，数据使用多天线同步传输，通过不同反射路径或穿透路径，到达接收端的时间会不一致。为避免数据不一致而无法重新组合，接收端可用多天线接收，利用DSP重新计算，根据时间差因素，重新组合还原数据。在发射天线数为N、接收天线数为M的MIMO系统中，假定信道为独立的瑞利衰落信道，且N和M较大，可根据式(3.3)计算信道吞吐量。其中B是信道带宽，ρ是信噪比。显然，当信道带宽和接收端平均信噪比确定时，不增加带宽和发送功率，可增加收发天线数来提高信道吞吐量。Throughput=min(M,N)·B·log2ρ2 (3.3)IEEE 802.11n最高支持4×4的MIMO天线架构，而IEEE 802.11ac最高可支持8×8的MIMO天线架构，与蜂窝移动通信的LTEA类似。IEEE 802.11ac还引入了下行多用户MIMO技术，AP可将不同数据通过不同的空间传输给不同站点。AP通过波束赋形，将不同数据的波束指向不同接收端，从而同时向不同站点发送不同数据。
3.3.3IEEE 802.11ac 标准的MAC子层规范
MAC子层协议对网络吞吐率、时延等性能有重要影响，还影响小区结构、频谱利用率、系统容量、设备成本和复杂度等。需要合理选择MAC子层规范，并根据网络业务特征有效配置信道资源，以提高无线信道效率、系统吞吐量和传输质量。
1. 分布式协调功能和帧间间隔
MAC子层的功能首先是提供可靠的数据传输。通过MAC帧交换协议来保障无线介质上的数据传输可靠性。MAC子层还能实现共享介质访问的公平控制，通过两种访问机制来实现： 基本访问机制，即分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF)；集中控制访问机制，即点协调功能(Point Coordination Function，PCF)。MAC子层的安全服务具体使用WEP等保护数据传输。
DCF是基础协议，核心是载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA)，包括载波检测、帧间间隔和随机退避。DCF在自组织网和基础架构网中超帧的竞争期使用，支持异步服务。每个节点使用CSMA分布接入算法，各站在竞争信道时使用。PCF用于超帧无竞争期，支持时限服务，是可选协议。
为避免冲突，MAC子层规定所有站在完成发送后必须等待一个短时间(继续监听)才能发送下一帧，该时间称为帧间间隔(InterFrame Space，IFS)。IFS的长短取决于该站即将发送的帧的类型。高优先级的等待时间较短，可优先获得发送权，而低优先级则需等待较长时间。若低优先级帧尚未发送而其他站的高优先级帧已发送，则介质被占用，低优先级帧推迟发送以避免冲突。IEEE 802.11规定了4种IFS，以实现不同的访问优先级别，其时间长度关系为SIFS<PIFS<DIFS<EIFS。
(1) SIFS (Short IFS)。它是最小的IFS，采用SIFS的节点具有最高访问优先级。一些特殊帧要求使用SIFS访问介质，如应答帧(ACK)、清除发送帧(CTS)、MAC服务数据单元(MSDU)的非头分段、被轮询到的站回应帧等。
(2) PIFS (PCF IFS)。PIFS为SIFS和时隙时间之和，AP在无竞争期开始时获得介质访问权的时间间隔，即AP总比普通节点具有更高的访问信道的优先级。
(3) DIFS (DCF IFS)。DIFS为SIFS和两倍时隙时间之和，工作在DCF模式的终端通过载波监听到介质空闲超过DIFS，且本终端随机退避结束，可立即发送。
(4) EIFS (Extended IFS)。EIFS为ACK帧传输时间和SIFS、DIFS的时间之和，在前一帧出错的情况下，发送节点不得不延迟EIFS时间后再发送下一帧。若在EIFS内收到正确帧，将使得该站重新同步并结束EIFS，进入正常介质访问状态。
DCF有两种工作模式: CSMA/CA和RTS/CTS。下面分别予以介绍。
2. CSMA/CA
IEEE 802.11与IEEE 802.3的MAC子层采用不同策略。IEEE 802.3采用载波侦听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD)机制。但是，无线网络中的冲突检测较难，原因在于： 信号强度衰减，无法准确检测出冲突；节点隐藏，如两个相反方向的工作站共同使用一个中心接入点进行连接时，可能因障碍或距离原因无法感知对方存在，而会导致冲突。所以IEEE 802.11采用CSMA/CA。
在CSMA/CA方式中，节点检测到信道空闲期间大于某一IFS后立即开始发送帧，一旦开始发送就要发送完；否则就要延迟发送，直到检测到所需IFS，然后选择退避时间并进入退避，结束后重新开始上述过程。
CSMA/CA的基础是载波侦听，存在两种不同的侦听机制： 虚拟载波侦听(Virtual Carrier Sense，VCS)和物理载波侦听(Physical Carrier Sense，PCS)。
VCS依靠网络分配向量(Network Allocation Vector，NAV)，而NAV由根据时间设置的位于数据帧的Duration/ID域值决定。NAV提供给其他站关于信道需被某个站占用的时间信息。而PCS是一个由物理层向MAC子层发送警报信号的机制，以表明目前是否有信号被侦听到。结合VCS和PCS，MAC子层协议使用了冲突避免机制。发送数据前先进行VCS，然后进行PCS一个DIFS的时间长度。
发送方和接收方使用确认机制来判断传输是否正确，称为CSMA/CA+ACK。发送方先检测信道，通过物理层直接进行载波侦听，根据收到的相对信号强度是否超过一定阈值判定是否有其他站使用本信道。源站发送首帧时，若检测到信道空闲，则等待DIFS后就可发送。目标站若正确收到该帧，则经过SIFS后就可向源站回复ACK帧。若源站在规定时间内未收到ACK帧，该帧重传，直至正确接收为止，或若干次失败后放弃。
源站检测到正在信道中传输的MAC帧首部的持续时间字段，就调整自身NAV。因此，当信道从忙变为空闲，任何站要发送帧时，不仅需等待一个DIFS间隔，还要进入竞争窗口，并计算随机退避时间，退避间隔(Backoff Interval，BI)是从竞争窗口CWmin和CWmax中随机选择的。CW为CWmax与CWmin的差值。两个以上站选择相同BI会发生冲突，很多站一起竞争信道时尤甚。为减少冲突，每次冲突后CW加倍，直至CWmax。
进入退避后，站继续侦听信道，只要信道空闲，退避计时器就开始递减至零。当侦听到信道正忙，则冻结退避计时器，一直等到信道空闲再重新激活它。为防止传输中断，接收站或AP等待一个SIFS并回应一个ACK以确认每一次成功传输。
图3.12所示为CSMA/CA传输时序。
图3.12CSMA/CA传输时序
3. RTS/CTS
如前所述，当一个站只能侦听到部分其他站时，就存在隐藏节点问题。为解决该问题，IEEE 802.11提供了另一个机制，即RTS/CTS方案，对使用信道进行预约。
四次握手的RTS/CTS方式的工作过程为： 假设站A要向站B发送数据，A先向B发送RTS帧，表明自己准备向B发送数据，将使用信道。B收到RTS帧后，会向周围广播CTS帧，表明准备接收就绪，信道可供使用。接下来A可发送数据，其余站暂处于静止态。B接收完数据后，即向周围广播ACK帧。所有站又开始侦听信道，启动新一轮信道竞争。
传输数据前发送RTS/CTS帧，意味着额外开销，尤其对短数据报文影响明显，所以RTS/CTS帧都很短。RTS帧包含帧控制(2B)、持续时间(2B)、接收方地址(6B)、发送方地址(6B)、FCS(4B)，共20B。而CTS帧包含帧控制(2B)、持续时间(2B)、接收方(即RTS发送方)地址(6B)、FCS(4B)，共14B。
站可灵活选择发送方式，设置了RTS阈值，决定在传输某个数据帧时是否要启动RTS/CTS。如果分组大于RTS阈值，为提高传输效率则启动RTS/CTS会话，否则使用基本方式。图3.13为BSS中RTS/CTS机制的示意图，WCTS指等待目标主机的CTS帧，WACK指等待目标主机的确认，WDATA指等待和接收源主机的数据。
图3.13BSS中RTS/CTS机制示意图
4. 点协调功能
PCF是一种集中式协调的信道接入技术。AP中的点协调器建立一个周期性的无争用周期(Contention Free Period，CFP)，CFP中无线信道的无争用接入由点协调器协调。在CFP期间，所有邻近站点的NAV都被设为CFP的最大期望时长。所有在CFP期间的帧传输使用同一帧间隔。该帧间距小于在DCF下接入信道时的帧间隔，以防止站点使用争用机制获取信道接入权。
点协调器定期使用信标帧建立一个CFP，其最大时长由信标帧中的参数设定。若CFP时长大于信标间隔，点协调器会在CFP期间合适的时刻传输信标。CFP实际时长与CFP期间交换的数据量有关，但时长不会超过信标帧设定的最大值。在最大时长结束前，通过发送一个CFP结束帧以终止CFP。点协调器在CFP结束后重置所有站点的NAV，以允许争用接入。
在CFP期间，点协调器可向站点发送单播数据。AP同时轮询各站点，查看它们是否需要传输数据。轮询可作为单独帧或捎带在数据帧中。
PCF的站点在一个CFP结束通信时，可能在下一个CFP中才会被轮询。同样，需要在DCF时段内被发送，而在CFP时段内被接收到的通信须等到CFP结束，获得信道接入时才能被发送，不利于时延敏感类型通信。PCF的局限性使其并未被广泛使用，基于争用的DCF更为简单，基本满足一般网络应用需求。
5. IEEE 802.11e 增强分布式通道存取
实时多媒体等业务对WLAN提出了更高要求。MAC层需提供可靠传输，同时时延低，抖动小。IEEE 802.11e对MAC协议作了改进，使其可支持有QoS要求的应用。IEEE 802.11e对DCF和PCF在QoS支持方面进行了加强，通过设置优先级，既保证大带宽应用的通信质量，同时又能向下兼容IEEE 802.11设备。
对DCF的修订称为增强分布式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)。为提供更高的QoS，EDCA把数据流按设备不同分成8类，定义了8个队列访问类别(Access Category，AC)，其优先级不同。优先级越高，等待时延越小。另一个参数为竞争窗口，实际也是一个时间段，长短为一个不断递减的随机数。竞争窗口先减至0的设备就可发送数据。
EDCA的主要特点如下： 
(1) 使用AIFS代替DIFS。在EDCA中，传输数据前的等待称为仲裁帧间间隔(Arbitration IFS,AIFS)。AIFS值根据不同业务类型变化，低优先级的AIFS值要大于高优先级的AIFS值，即优先级越低就等待越久。小AIFS值意味着实时多媒体比一般数据能更快地获得信道。
(2) 最大最小竞争窗口改变。等待一个AIFS后，每个退避过程将计时器设置成［1，CW+l］的任意值，不同于DCF的［0，CW］。最小竞争窗口CWmin和最大竞争窗口CWmax与AC有关。越小的CWmin和CWmax意味着站以越大的概率接入信道，优先级越高。
不同的参数设置如表3.4所示，可让这些队列在竞争信道时的优先级有差异。各队列的传输优先级为音频>视频>尽力而为>背景。表3.4IEEE 802.11各队列参数设置访 问 类 别AIFSCWminCWmax访 问 类 别AIFSCWminCWmax0(背景)73110232(视频)215311(尽力而为)33110233(音频)2715为访问信道，各站的AC都基于上面的参数独立竞争。一旦某个AC侦测到信道处于长为AIFS的空闲时间状态，便启动退避过程，退避时间减为0的站有权发送帧。如有多个AC的退避时间减至0，则高优先级AC将获得发送机会。
EDCA通过设置不同优先级，实现了统计意义上的节点区分服务。其优势如下： 
(1) 划分了不同优先级的业务流。
(2) 等待信道空闲的时间间隔为AIFS。AIFS与AC呈反相关。
(3) 不同AC的业务流等待信道空闲以后，退避时的初始窗口大小也不同。优先级越高，初始最小退避窗口也越小。
(4) 增加了时间受限的发送机会的概念。限制时间内，两个站之间可传输多帧交换序列，帧间隔仅为SIFS。
6. IEEE 802.11ac的MAC子层机制特点
IEEE 802.11ac的MAC帧格式如图3.14所示，基本保留了IEEE 802.11n的帧格式。主要有两点改变。一是将帧体(Frame Body)字段长度上限从7955B增至11 426B。二是扩展了高吞吐量控制(HT Control)字段。若该字段首比特为0，则帧格式与IEEE 802.11n相同；若该字段首比特为1，则转为极高吞吐量控制(VHT Control)字段。
图3.14IEEE 802.11ac的MAC帧格式
在传统IEEE 802.11标准中，拟发送的MAC服务数据单元(MSDU)加上MAC首部和帧校验等构成物理层业务数据单元(Physical Service Data Unit，PSDU)，再加上PLCP前缀和PLCP头后构成物理层协议数据单元(Physical Protocol Data Unit，PPDU)，然后发送。接收方收到后，回复ACK帧。
IEEE 802.11n引入帧聚合机制，分为MSDU(MAC Service Data Unit,MAC子层业务数据单元)的聚合(AMSDU)和MPDU(MAC Protocal Data Unit,MAC子层协议数据单元)的聚合(AMPDU)。前者是多个MSDU聚合成一个AMSDU，再封装为一个MPDU；后者是多个MPDU聚合成一个AMPDU，再加上PLCP前缀和PLCP头后形成PPDU。接收地址和优先级相同的单播帧可被聚合，只用一个帧头，以减少ACK帧数量，降低负荷，提高吞吐量。
IEEE 802.11ac对帧聚合功能进行增强，帧聚合为必选项，每个帧都是AMPDU帧。由于物理层速率很高，表示帧长度时所需比特数相应较大，因此最大传输长度用时长表示，最大传输时间为5.484ms。
IEEE 802.11n曾引入了精简帧间间隔(Reduced IFS，RIFS)，时长2μs。数据突发时，由于站点在突发期间保持在发送状态，所以不需要在帧间维持较长的SIFS(2.4GHz频段为10μs，5GHz频段为16μs)，而仅等待RIFS时长，可减小连续传输之间的帧间间隔。在连续发送的情况下，帧间间隔只需要足够让接收机重新启动以接收新信号即可。但当发送端有多个数据帧需发送时，使用帧聚合更为高效，开销更小。因此，IEEE 802.11ac未使用RIFS，而使用AMPDU帧。
IEEE 802.11ac还引入了动态带宽接入，包括辅信道检测及扩展RTS/CTS机制。当高带宽信道空闲时，可用高带宽传输数据，反之则退至使用低带宽。
在辅信道检测方案中，假设全部信道带宽为80Mb/s，部分已被占用。AP可先使用空闲的20Mb/s作为主信道进行传输，接下来如果检测到其余辅信道也出现空闲，则可获取辅信道权限，使用更高带宽进行数据传输。
传统RTS/CTS机制仅用于在占用信道前进行声明，而扩展RTS/CTS机制可用于信道带宽检测。假设发送端想利用80MHz信道传输数据，发送前在各个20MHz信道上发送RTS帧进行探测。如果4个信道均空闲，接收方成功收到各RTS帧后可在各信道上反馈CTS帧，以声明即将占用信道。发送方在各信道中收到CTS帧后，则占用全部信道进行传输。而如果部分信道已被其他站点占用，则发送方仅能在收到CTS帧的空闲信道上传输。
3.3.4IEEE 802.11ax(WiFi 6)标准的技术特点
WiFi 6的最大传输速率理论值可达9.6Gb/s，其通过提升频谱效率、更好的抗干扰能力、优化信道访问等措施来实现性能改进，也是WiFi经过20余年发展之后从单一追求提升传输速率转向更多关注用户使用场景的体现。
WiFi 6在物理层支持OFDMA(正交频分多址)来改善密集用户的接入，相比IEEE 802.11ac使用OFDM，WiFi 6首次将已用于4G/5G的OFDMA引入无线局域网标准。将各种不同大小的数据包从调制角度予以组合，通过共享降低系统开销，同时支持上行和下行，提高效率，有效利用可用频谱。
用户数据的传输信道不再限于以往通过固定频宽(20/40/80/160MHz)进行通信，而可使用不同数量的相邻OFDM子载波的组合来传输数据，既减少了用户信道争用现象，又提高了信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)。WiFi 6除了下行MUMIMO(MultiUser MIMO,多用户MIMO)，也支持上行MUMIMO，提高了多用户的上行接入效率。针对调制方式则定义了比IEEE 802.11 ac更高阶的1024QAM，每个符号可传输10b 数据，数据传输速率进一步提高。
不同于蜂窝网络，WiFi 6的OFDMA传输基于帧，由AP来统一协调多用户传输，上下行用户传输通过包含多个用户的资源单元(Resource Unit，RU)组合的数据帧来通信。上行OFDMA发送时，考虑到时间同步，由AP负责协调各终端发送。AP先向各个终端发送一个Triggerframe帧，定义了上行多用户传输的参数，如持续时间、保护间隔GI、终端所分配的RU及终端的调制编码参数等。经SIFS后，终端向AP发送上行多用户的数据帧。然后AP即可响应多个终端。
Triggerframe中指明了AP支持的发射功率和期望终端上行发送的信号强度，据此，终端计算其到AP间的路径损耗及上行发射功率，并在其上行发送信息中同样指明终端支持的发射功率及当前调制编码方案下的发射功率。AP可根据终端性能调整对应的RU分配或发射功率，例如，对性能较好的终端降低发射功率，对性能较差的终端增强发射功率，从而提升整体下行吞吐量。对上行而言，AP可对发射功率较低的终端重新调整RU资源分配来改进其上行性能。
以往WiFi基于EDCA或DCF，存在多个终端时，AP如果要发送Triggerframe，需先争用信道访问权限。在WiFi 6中，AP可为支持WiFi 6的终端单独设置EDCA的CWmin/CWmax参数值，使AP帧发送能获得争用窗口的最大权限。
AP在Triggerframe中可设置终端进行OFDMA传输前是否需要载波检测。如需要，则终端至少在包含子载波的20MHz信道上进行虚拟或物理载波检测。如果检测过程中发现部分或全部子信道忙碌，即取消上行发送。如果终端发现上行数据发送持续时间超过了Triggerframe定义的持续时间，也取消上行发送。
WiFi 6引入了BSS颜色机制，使用6b的BSS颜色位来区分不同BSS的数据帧。如果发现到达帧并非自身的BSS，则停止把帧上传给MAC层。AP通过信标来向所有站通告将要更新的BSScolor值信息。终端支持两种网络分配向量(NAV)，即自身所属BSS的NAV及其他BSS的NAV，可分别被修改和更新。
针对自组织或终端间两两直接通信，WiFi 6建议终端向AP发出QTP(Quiet Time Period，缄默时间)请求，为其预留时间间隔，使其他终端在该间隔期间不能访问信道进行通信。WiFi 6还使用了动态灵敏度控制和传输功率自适应调整等优化机制。
在MAC层方面，WiFi 6使用新的RTS/CTS处理机制。传统RTS/CTS中根据传输数据长度进行判断，如数据帧长超过了RTS阈值，则在传输数据前先进行握手。但在较高速率情况下，即使是较长的数据帧也能很快被传输。新机制不再依据帧长，而是利用传输机会来处理握手。AP可根据网络情况来调整连接终端的阈值。如果在终端密集使用环境中存在隐藏节点的干扰，则降低时长阈值，允许RTS/CTS机制发挥作用；否则提高时长阈值，减少传输吞吐量的开销，优化网络资源。
在WiFi 6中，AP还可与其接入设备协调目标唤醒时间(Target Wake Time,TWT)，定义个别基站访问介质的特定时间或一组时间。接入设备可在无数据传输时进入休眠态，等待自身的TWT到来。这样，能使众多物联网设备获得较多的休眠时间，节能效果明显。
3.3.5IEEE 802.11ad/ah/ay标准
IEEE 802.11ad标准也称为WiGig。它针对高清多媒体音视频传输，采用高频载波的60GHz频带，RF带宽达2.16GHz，通过MIMO实现多信道同时传输，每个信道带宽都可超过1Gb/s，多信道传输带宽可达7Gb/s。但该标准的高频信号受到很多限制，如载波绕射能力差，在空气中信号衰减大，导致传输距离、覆盖范围都受影响，有效连接往往只能局限在一个很小的范围内，如5m左右。一般考虑采用IEEE 802.11ad技术在单个房间内的各个设备间提供高速无线连接。