Wi-Fi 6的技术专题之二：技术标准
Wi-Fi背后的技术标准，是由美国的电气电子工程师协会（IEEE）制定的802.11系列协议，主要包含几个物理层（PHY）规范和一个链路层（MAC）规范。
IEEE 802.11的链路层规范为CSMA/CA（载波侦听多路访问/碰撞避免），与以太网IEEE 802.3的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）非常相似
从1997年的第一个版本开始，802.11系列协议不断向前演进，经历了802.11a/b/g/n/ac等多个版本，支持的上网速率也不断提升。目前最新的协议版本是802.11ax，也就是近年来迅速发展的Wi-Fi 6。
一、Wi-Fi技术标准的演进
IEEE 802.11a/b/g = Wi-FI 1/2/3
IEEE 802.11
创建于1997年，数据传输速率仅有 2Mbps，由于互操作性问题、成本和缺乏足够的吞吐量，该协议未被广泛接受，但它改变了用户的接入方式。
IEEE 802.11a
创建于1999年，首次支持5GHz频段，最大数据速率高达54Mbps。
由于各国对于5GHz频段开放存在争议，而且存在覆盖范围小、产品成本高、研发进度慢、与802.11b不兼容等问题而未被广泛接受。
IEEE 802.11b
也在1999年创建的，它使用更典型的2.4GHz频带，并且可以达到11Mbps的最大速度。
与IEEE 802.11a实际上形成竞争关系，苹果公司的iBook是第一个搭载Wi-Fi的主流产品。
IEEE 802.11g
发布于2003年，使用与802.11a相同的OFDM技术，同样支持54Mbps的最大理论速率，但改为使用相对可靠的2.4GHz频段。
802.11g 向后兼容 802.11b（即 802.11b 设备可以连接到 802.11g 接入点）。
IEEE 802.11n = Wi-Fi 4
2009年发布，多项先进技术的引入让Wi-Fi变得更快、更可靠，也是第一个可以在我国合法使用的Wi-Fi标准，使得Wi-Fi真正成为业界主流技术。
- 第一次同时支持2.4GHz频段和5GHz频段
- 使用20Mhz或40Mhz信道宽度，最大传输速度理论值为600Mbit/s
- 初期最高支持64-QAM调制，后期增加对于256-QAM高阶调制的可选支持，使其理论速率达到了最高800Mbit/s
- 首次引入MIMO（多输入多输出系统），支持波束成形，空间复用等重要功能
IEEE 802.11ac = Wi-Fi 5
2014年推出802.11ac Wave1，2016年推出802.11ac Wave2。
- 仅支持5GHz频段，因此ac双频路由器的2.4GHz部分只能工作在802.11n模式
- 大幅提高数据吞吐量，首次支持80MHz信道宽度，单流最高速率可达每秒1300Mbps；理论支持160MHz信道，最高理论速度可达6.77Gbps
- 支持256-QAM，支持Multi-User MIMO（仅下行方向，最高8x8 MIMO），路由器可以使用不同的空间流（天线）与不同的设备进行通信
IEEE 802.11ax = Wi-Fi 6
发布于2019年，是当前最新的Wi-Fi技术标准，也是第一次使用Wi-Fi 6的商业推广名称
- 同时工作在2.4GHz与5GHz频段上，向下兼容11a/b/g/n/ac，
- 支持160MHz信道，最大传输速度理论值为9.6Gbps，标称吞吐量提升4倍，传输速率提升37%，延迟下降75%
- 支持1024-QAM，MU-MIMO技术成为标配（最大8x8 MIMO），且同时支持上行与下行
- 引入了OFDMA（频分复用技术）、BSS着色机制等先进技术
二、重要的辅助标准
802.11i-2004 = WAP2
802.11-1999的基础安全规范（MAC层）采用WEP标准，由于被证明存在安全漏洞，2004年发布了IEEE 802.11i-2004，Wi-Fi联盟称为WAP2，这也是现在的主流方案。
其核心技术是四次握手和组密钥（GTK）握手，初始身份验证过程使用预共享密钥(PSK) 或通过 802.1X进行EAP交换后执行，采用AES加密算法。
2003年，中国制定了一个与IEEE 802.11i存在较大差异的无线局域网国家标准WAPI，并积极推动纳入ISO规范标准……
经过漫长的中美贸易争端谈判，2011年中国政府申请撤回WAPI标准提案。
802.11h = Auto DFS + Auto TPC
在频率规划中已经提到，本规范旨在引入两个主要特征：动态频率选择(DFS)和发射功率控制(TPC)。
DFS作为频谱管理（主要与雷达协作）和TPC，用于限制无线设备的整体射频“污染”。
DFS通常与Mesh关联，但它只与室外（甚至室内区域听到室外信号并在室内/室外信道上运行）相关。
由于2.4Ghz频段没有雷达，因此DFS规则仅适用于5GHz频段。
802.11k/v/r = 无线Mesh
为实现Wi-Fi无缝漫游而定义的一组协议，通常简写为802.11k/v/r，所谓的MESH路由器就是依靠这三个协议实现不同的路由器节点之间的漫游。
- 802.11k：拓扑感知的基础协议，负责测量附近节点的无线电资源信息并告知客户端，帮助客户端实现BBS切换，核心数据是邻近AP节点列表
- 802.11v：漫游切换的核心协议，负责多个BBS的切换管理，通过算法协议让信号不好的终端设备更换AP
- 802.11r：快速认证的辅助协议，负责网络切换时的快速认证方法，减少客户端切换节点的等待时间，尽量不让用户感觉到切换节点
需要注意的是，节点AP和终端设备必须都支持k/v/r协议时，漫游功能才能实现。
苹果终端设备从iphone4s开始就支持这三个协议，三星终端设备从2019年开始支持。
许多低端路由器只支持K和V这两个协议，并不支持R协议，但其事实上并不影响漫游切换，仅是切换时长略长一些（60ms左右）。
三、几个另类的技术标准
Wi-Fi技术在局域网领域的巨大成功，也催生Wi-Fi联盟试图在相关领域的积极拓展，一是从室内走向室外，二是从网络设备走向终端设备。
802.11af = 广域网
802.11af也被称为超级Wi-Fi或White-Fi，是一个面向长距离通信服务的协议，主要特点是：
- 希望利用电视VHF与UHF两个频段中没有使用的部分空白频谱资源，授予无线宽带网络使用，由于频率较低，信号干扰较少，可以支持数公里范围的传输
- 物理层基于802.11ac，同样支持OFDM技术
- 采用6-8Mhz的频率带宽，提供26.7-35.6Mbps的无线网络传输速率
美国FCC提出的“超级Wi-Fi网络”的提案，遭到AT&T、T-Mobile、Verizon、英特尔、高通等专注于移动通信的公司，以及电视广播业和使用无线麦克风等行业的强烈反对，其理由为“超级Wi-Fi网络”的管理存在问题，容易在大城市中出现网络拥堵的状况。同时，“超级Wi-Fi网络”干扰的问题还没有得到解决，将会影响移动通信行业收入。
802.11ah = 物联网
802.11ah是一个为物联网IoT场景设计的专项协议，主要特点是：
- 面向“大连接”，强调节能低功耗，速率较低（150Kps-18Mbps）
- 设计工作在900MHz频段，由于该频段需要政府许可，商用难度很高
802.11ah是协议组的命名，而HaLow是Wi-Fi联盟对于802.11ah协议的命名。HaLow这个命名其实算是非常不错的，有几种说法：
1）Low代表的是低功耗，而Ha可以代表”Hay-“或者”Halo”。
2）HaLow整体的命名接近于Hello，比较好记。
3）Ha还有一种意思可以理解，就是其是倒过来的aH，也就是代表了802.11ah。
802.11ad & 802.11ay = 无线硬盘
这两个标准一脉相承，目标是室内的高速数据传输，例如高清视频播放等，基本特点是：
- 基于60GHz的毫米波技术，支持高达7Gbps的传输速率
- 由于采用高频段，信号不能穿透墙壁，并且要求直线传输
- 多千兆无线系统（MGWS）标准，并且是WiGig网络的网络标准。因为它使用了V精密带的毫米波（MMW）频率
IEEE 802.11ay是802.11ad的后继版本，引入MIMO技术与通道捆合技术(Channel Bonding)机制，并支援更高阶的调变机制(最高可达256-QAM)。
2018年，高通公司宣布推出业界首款基于新的WiGig标准802.11ay的60GHz Wi－Fi解决方案，可以提供实现游戏和娱乐新体验，例如4K流媒体直播、无延迟移动屏幕投射到娱乐系统以及真正身临其境的无线虚拟和增强现实体验。
附录一：802.11的PHY（物理层）规范
在描述Wi-Fi的信道速率时，经常看到HE160、VHT80等名词，其实这是802.11标准中关于PHY规范的名称，对应着Wi-Fi等各个标准。
- HT = 802.11n：2009年发布，规范名称为“High-throughput (HT) PHY specification”，即：高吞吐量（HT）PHY规范，定义了20MHz、40MHz等2种模式，最大2条流，调制方式为 MIMO-OFDM
- VHT = 802.11ac：2013年发布，规范名称为“Very high throughput (VHT) PHY specification”，，即：超高吞吐量（VHT）PHY规范定义了20MHz、40MHz、80MHz、160MHz、80MHz+80MHz等5种模式，最大8条流，调制方式为 MIMO-OFDM，不支持2.4GHz频段
- HE = 802.11ax，2020年发布，规范名称为“High Efficiency(HE) PHY specification”，即：高效（HE）PHY规范，定义了20MHz、40MHz、80MHz、160MHz等4种模式，最大8条流，调制方式为OFDMA
此外，还有几个有意思的PHY规范：
- DMG = 802.11ad：2012年发布，对应规范为“Directional multi-gigabit (DMG) PHY specification”，即：定向多吉比特（DMG）PHY规范，工作在60GHz频段，不支持多流，调制方式为 OFDM，单载波，低功耗单载波。
- TVHT = 802.11af：2014年发布，对应规范为“Television very high throughput (TVHT) PHY specification”，即：电视超高吞吐量（TVHT）PHY规范，工作在电视的空白频段，最大4条流，调制方式为 MIMO-OFDM
附录二：以太网标准 IEEE 802.3
IEEE 802.3标准是由Ethernet V2发展而来。它将Ethernet V2帧头的协议类型字段替换为帧长度字段，并加入802.2 LLC头用以标志上层协议。
其定义了有线以太网的物理层和数据链路层的媒体访问控制(MAC) ，通常用于局域网(LAN) ，基于各种类型的铜缆或光纤电缆在节点（集线器、交换机、路由器）之间建立物理连接。
多数场景采用CSMA/CD协议，即：载波侦听多路访问/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），也支持CSMA/CA协议（Collision Avoidance）。
- 802.3 = 10M以太网
- 802.3a = 百兆以太网
- 802.3ab = 基于双绞线的千兆以太网
- 802.3z = 基于光纤的千兆以太网
- 802.3ad = 双链路聚合的2.5G
- 802.3af = 基于以太网的供电，即POE（Power over Ethernet）
- 802.3aq = 基于多模光纤的万兆以太网，速率为 10 Gbit/s (1,250 MB/s)