《CWAP-404》，第一章：802.11 协议（1.1~1.3）

IEEE 802.11无线网络是目前现代组织中最常见的无线局域网（WLAN）类型。虽然许多非802.11无线网络在使用，这些可以归类为WLANs，它们远远不如802.11网络常见。因此，术语WLAN几乎已经与Wi-Fi或802.11网络同义。

无线分析专业人员必须非常了解802.11协议。在分析802.11网络通信（第2层帧交换和第1层封装及调制）时，专业人员必须理解通信过程。在分析802.11射频（RF）信号时，专业人员必须能够区分802.11信号与其他射频信号和噪声。本章从无线分析专业人员的学习过程开始，简要描述无线分析专业人员做什么以及需要知道什么，然后继续回顾CWNA或其他学习材料中的基础内容，然后才会深入了解802.11协议及后续章节中的操作。让我们开始旅程吧。

获得认证的无线分析专业人员（CWAP认证）应能够捕获和分析与802.11无线网络相关的数据，并遵循故障排除的原则和方法论。此专业人员应深入理解物理层和MAC子层的协议、帧交换和标准。CWAP必须熟练使用频谱和协议分析工具。本书提供了执行CWAP角色所需的知识，也有助于您准备CWAP考试。旅程从理解无线分析专业人员角色开始。

执行的任务

CWAP或无线分析专业人员执行以下常见任务：

• 故障排除现有网络中的特定WLAN问题。
• 分析和优化现有WLAN的性能。
• 审查WLAN设计文档以解决潜在的未来问题。
• 解释802.11协议操作。
• 使用协议分析仪评估802.11通信。
• 使用频谱分析仪评估802.11和非802.11的射频活动。

所需技能

无线分析专业人员必须在以下四个关键领域具备知识和技能：

• 802.11协议操作——理解802.11协议如何操作的细节对其他领域技能的发展至关重要。
• 协议分析——捕获和分析帧和数据包的能力，以确定网络中的问题并找出需要改进的区域。
• 频谱分析——理解环境中的射频活动及其对802.11操作的影响的能力。
• 故障排除方法——理解用于理解、分析和解决问题的常见程序。

基础知识

要执行这些任务并获得这些技能，无线分析专业人员需要具备多个基础元素。本章提供了CWNA需要掌握的802.11基础知识，以及CWAP考试所需的其他信息。后续章节将深入探讨所有相关内容。以下是我们将要探讨的基础元素：

• 协议和通信
• 802.11协议
• 使用射频进行通信
• 网络帧基础
• 故障排除方法

本章的剩余部分将按照这个大纲进行。

在计算机网络中，协议是用于设备之间通信的定义方法。协议之所以有效，是因为双方设备理解如何基于协议发送和接收消息。协议的例子包括802.3（以太网）、802.11（Wi-Fi）、802.15.4（低速无线，物联网）、6LoWPAN（基于802.15.4的IPv6物联网）、互联网协议（IP）和传输控制协议（TCP）。开放系统互联（OSI）模型（也称为OSI参考模型）是今天用于描述和理解实际网络协议的网络框架。OSI模型本身并不是作为通信协议来实现的，而是提供了一种用于解释和理解协议的语言。

OSI模型是一个由以下层次组成的七层模型，如下图所示：

• 第7层：应用层
• 第6层：表示层
• 第5层：会话层
• 第4层：传输层
• 第3层：网络层
• 第2层：数据链路层
• 第1层：物理层

电气和电子工程师协会（IEEE）802.3和802.11标准协议主要在OSI模型的第1层和第2层运行。互联网工程任务组（IETF）的IP和TCP标准协议分别在第3层和第4层运行。IEEE协议可以通过访问 cnwp.link/get802files获取。定义IETF协议的IETF请求评论（RFCs）可以通过访问 IETF.org获取。

OSI模型中的每一层都被认为服务于其上层和下层，除了最后两层，第1层和第7层。第1层是传输中的最后一层，第7层是接收中的最后一层。第1层负责从通信介质接收信号并将信号传送到通信介质。第7层接收来自用户级应用程序的数据并将接收到的数据传递给这些应用程序。

当数据在OSI模型层级中向下移动时，它会被 封装，这意味着网络通信所需的附加信息会被附加到数据的前后。在接收端，接收到的数据会随着它在层级中向上移动而 解封装，直到它恢复为原始数据的状态，这是发送方传送给接收方的过程。

在考虑现代网络时，第1层到第4层是最重要的。

第4层（传输层）通常是TCP或用户数据报协议（UDP）通信。TCP是一种面向连接的协议，这意味着它首先通过三次握手建立连接，然后传输数据。UDP通常作为无连接协议实现，它以数据流的形式发送数据，并且不发送确认。TCP用于需要可靠交付的场景，而UDP用于不可靠或需要非常快速传输的场景，如语音通信。

第3层（网络层）今天通常是IP协议，除了一些广域网（WAN）协议。在局域网（LAN）中，IP是主要协议，它也是互联网的主要网络层传输协议。

第2层（数据链路层）在今天的大多数局域网中是以太网或Wi-Fi。数据链路层被分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）上层和介质访问控制（MAC）下层。IEEE 802.2定义了用于以太网和Wi-Fi（以及其他标准）的LLC。MAC由802.3和802.11专门定义，并为允许局域网通信的数据帧结构提供支持。局域链路是在第1层和第2层操作的连接，尽管它可以携带来自OSI模型上层的数据（待传输的数据）。

LLC子层在所有用于局域网的IEEE标准中大致相同，本指南仅进一步讨论MAC子层。WLAN的MAC子层在802.11标准中定义。该标准定义了MAC子层使用的帧格式，它们是本书和CWAP考试的主要焦点。三种帧类型已定义：管理帧、控制帧和数据/服务质量（QoS）数据帧。

第1层（物理层）在今天的大多数局域网中通常是以太网或Wi-Fi，它们并不完全属于物联网类别。物理层实现了用于比特传输和接收的协议。物理介质可以是射频、光纤或电缆。该层的典型功能包括编码、调制、解调、定时和信号处理。编码是用来打乱并准备从第2层接收的比特进行传输的过程，解码则是相反的过程。调制用于通过某种形式的变化（例如射频波中的相位或幅度变化）表示物理介质上的比特。解调则用于读取从物理介质中获取的这些表示的比特。网络通信必须进行同步，以便接收方能够与发射方同步。预导码或训练字段用于实现这一点，尤其是在802.11 WLAN中。最后，信号处理是定义如何使用调制载波来表示信息的短语。

在早期的802.11标准（802.11-2016之前），物理层被划分为物理层收敛协议（PLCP）和物理介质依赖协议（PMD）。PLCP负责物理层（PHY）帧结构，而PMD负责在射频介质上传输和接收比特。这是IEEE标准将PHY分为两部分的方式。标准的更新版本简化了这一点，直接引用PHY，并承担了PLCP和PMD的所有工作。

物理层（PHY）添加前导码、训练字段以及接收站（STA）处理传输所需的任何其他参数。接收STA使用PHY头信息来理解传入的数据并同步其收发射频（射频）以接收MAC子层数据，即PHY有效载荷，数据速率在PHY头中定义。 头部（Header）是由某一层添加的信息，附加到上层数据上。附加的信息有时称为尾部（Footer），但“头部”在网络通信中使用得更频繁。接下来的部分《802.11协议》提供了802.11标准中定义的PHY和MAC层的更多介绍性细节。图1.2展示了上面描述的第1到第4层的结构。

为了明确， 这种术语并不仅限于802.11网络。以太网（802.3）协议定义了不同数据速率的MAC和多个PHY，用于有线网络。实际上，术语追溯到802.3标准（802.2014为最新版本）。这种现实对协议分析专业人员学习不同网络协议的操作非常有帮助，因为它带来了类似的术语。通过学习协议操作，您将发现不同网络协议的头部在不同协议之间会有所不同（例如地址、优先级、VLAN等），但很多概念会以相似或不变的方式沿用。

IEEE 802.11标准协议定义了用于局域网（LAN）通信的MAC和PHY，使用射频（RF）作为传输介质。802.11标准的现代修订版增加了Mesh支持以及其他直接设备到设备的通信方法。本节概述了802.11中定义的PHY和MAC的已实施服务和特性。

使用射频进行通信——物理层

射频波用于802.11网络中信号的载体。大多数WLAN现在在2.4 GHz或5 GHz频段工作，但802.11标准中包括了对更低和更高频段的支持。为了使射频波能够作为数据载体，无线设备使用调制方法将数据比特加到射频波上。

802.11标准定义了用于WLAN通信的调制方法。这些方法包括802.11-1997标准中定义的原始方法，以及自那时以来通过多个修订版增加的调制方法，直到802.11ac和802.11ax。下表概述了今天仍在使用的各种802.11 PHY。

如上表所示，数据速率根据使用的PHY差异很大。最早的设备仅支持1或2 Mbps，但如今市场上最新的设备支持接近10 Gbps的最大数据速率。然而，现实中的WLAN性能通常会表现为远低于最大数据速率的平均吞吐量，因为介质在频道中所有设备之间共享，且802.11管理开销也会占用一些空中时间。

802.11 PHY使用一个PHY头，它被附加到MAC层有效载荷上，形成一个PHY协议数据单元（PPDU）。PHY头包含接收方所需的信息，用于与发射方同步，并确定MAC层有效载荷的数据速率。

上表还提供了IEEE引入的PHY修订版映射。下表提供了PHY缩写到PHY名称的映射。

在物理层，重要的通信方法包括调制、编码、流媒体和波束成形。数据链路层想要发送的任何内容，物理层必须执行这些方法或其中的一部分，以实现实际的通信。

调制是将比特施加到传输介质上的过程。对于无线通信，介质是射频（RF）。因此，射频波的某些特性必须被改变或操控，以表示比特变化。调制中操控的特性是幅度和/或相位，这些方法在802.11中被广泛使用。

射频波的 相位是将该波与另一波进行比较。如果两个波的相位相同，则认为它们 同相；如果相位不同，则它们的相位存在一定的 差异。例如，调制比特时，相位可以偏移180度，以表示比特值的变化。相位偏移可以在接收方预期的时间窗口内发生。如果没有发生偏移，接收方可以假定，在下一个时间窗口中，比特值保持不变。这个例子很简单，但它说明了如何使用相位来进行调制。下图展示了相位移键控（PSK）的概念，如上文所述。

射频波的幅度是波的强度。幅度的增加意味着波的强度或功率增加。幅度的增加也叫做传输路径中的增益。幅度的减少意味着波的强度或功率减少。幅度的减少也叫做传输路径中的损失。

幅度可以通过增加或减少发射机的幅度来调制比特。例如，如果幅度增加了某个百分比，这可以表示从0到1的变化。如果幅度然后减少到原始值，这可以表示从1到0的变化。如果在观察的时间窗口内没有幅度变化，那么可以假定比特与之前的值相同。这个调制的描述是幅度移键控（ASK）的例子。ASK在下图中进行了说明。在上图和下图中，都注意到偏移发生在时间窗口3和时间窗口4中。

在802.11的调制方法中，PSK和ASK都被使用，尽管它们的使用方式与前面描述的有所不同。即使在更高数据速率的调制方法下，PSK和ASK仍然被使用。正交幅度调制（QAM）使用了PSK和ASK。这一点特别重要：更高的数据传输要求更复杂的调制方法和更高的信号质量，以确保正确的解调。这个概念解释了为什么数据速率随着信号质量下降而减小，同时，随着信号质量提高，它们会增加到链路上支持的最大数据速率。您将在第3章中找到更多关于调制的详细信息。

编码，或称为 编码过程，是在传输之前以某种方式对比特进行扰乱的过程。发送的比特与在MAC层接收的有意义比特不同。相反，这些比特是经过编码的，用于增强通信的可靠性。在射频传输中，编码发生在调制之前，而在射频接收中，解码发生在调制之后。由于每次传输所需的比特都涉及调制和编码，因此短语“调制与编码方案（MCS）”用于定义一个特定的传输方法，它是调制和编码的组合。

为了理解编码如何工作，可以考虑一个简单的例子。这个例子与802.11中实现的编码完全不同，但有助于理解概念。在这个例子中，编码方案中，1由比特01010101表示，0由比特10101010表示。因此，编码方案是1/8编码，其中每个要传输的比特需要8个实际传输的比特。

这是一个极端的例子，但您可以看到，如果编码速率与实际数据速率的比例过大，最终的数据速率会下降。例如，如果发送3个所需的比特需要传送5个比特，那么数据速率将低于发送5个比特来完成4个所需比特的传输。因此，为了实现更高的数据速率，必须使用更复杂的调制方法和更高的数据比特。802.11标准中定义的调制方法和编码方案就是通过MCS表格来表示的。

MCS表格最早在802.11n（HT）修订版中引入。在802.11n之前，可用的数据速率数量较少，不需要这样的结构。随着802.11n及其后的PHY修订版发布，MCS表格使得理解可用的多种数据速率变得更加容易。图1.5显示了802.11ac（VHT）PHY在20 MHz下的单空间流传输的MCS表格，图1.6显示了在20 MHz传输下，两个空间流的MCS表格。

以下内容应有助于您解读图1.5、图1.6和802.11标准中的MCS表格：

• R – 使用的编码速率。
• N – 占位符，表示字的编号。例如，NSP表示空间流的数量。
• BPSCS – 每个载波的比特数。
• SD – 每个符号每空间流的复杂数据数。
• SP – 每个符号的导频值。
• CBPS – 每个符号的编码比特数。
• DBPS – 每个符号的数据比特数。
• ES – 二进制卷积码（BCC）（一种编码）用于数据的编码器。
• GI – 保护间隔。
• ns – 纳秒。

从图1.5和1.6可以看出，数据速率是根据特定带宽和空间流数量内的调制和编码方案变化的。表格中列出的调制缩写代表以下内容：

• BPSK（双相位移键控）：使用两种相位偏移的调制。
• QPSK（四相位移键控）：使用四种相位偏移的调制。
• QAM（正交幅度调制）：使用相位偏移和幅度偏移的调制。

BPSK使用两种相位偏移表示1或0。QPSK使用四种相位偏移表示00、01、10和11。因此，当编码速率相同时，QPSK的速率是BPSK的两倍。请注意，在图1.6中，BPSK使用1/2编码速率时，结果为13 Mbps，而QPSK使用相同的编码速率时，结果为26 Mbps。如前所述，当改善编码速率时，数据速率也会提高。请注意，QPSK使用3/4编码速率时提供39 Mbps，比使用1/2编码速率时提高了50%。

空间流也会影响数据速率。图1.5显示了单个空间流的速率，图1.6显示了两个空间流的速率。目前，大多数客户端实现的是一个或两个空间流，通常采用三个空间流来实现。随着802.11ax的推出，将看到更多支持四个空间流的设备，尤其是平板和手机，通常会实现两个或两个以上的空间流来节省电池寿命。需要注意的是，双倍的空间流实际上会增加链路的带宽要求，尤其是带宽频率为20 MHz的情况下。

从图1.5和1.6可以看出，数据速率是根据特定带宽和空间流数量内的调制和编码方案变化的。表格中列出的调制缩写代表以下内容：

• BPSK（双相位移键控）：使用两种相位偏移的调制。
• QPSK（四相位移键控）：使用四种相位偏移的调制。
• QAM（正交幅度调制）：使用相位偏移和幅度偏移的调制。

BPSK使用两种相位偏移表示1或0。QPSK使用四种相位偏移表示00、01、10和11。因此，当编码速率相同时，QPSK的速率是BPSK的两倍。请注意，在图1.6中，BPSK使用1/2编码速率时，结果为13 Mbps，而QPSK使用相同的编码速率时，结果为26 Mbps。如前所述，当改善编码速率时，数据速率也会提高。请注意，QPSK使用3/4编码速率时提供39 Mbps，比使用1/2编码速率时提高了50%。

空间流也会影响数据速率。图1.5显示了单个空间流的速率，图1.6显示了两个空间流的速率。目前，大多数客户端实现的是一个或两个空间流，通常采用三个空间流来实现。随着802.11ax的推出，将看到更多支持四个空间流的设备，尤其是平板和手机，通常会实现两个或两个以上的空间流来节省电池寿命。需要注意的是，双倍的空间流实际上会增加链路的带宽要求，尤其是带宽频率为20 MHz的情况下。

波束成形在802.11n中被引入，并继续在802.11ac和802.11ax中得到支持。波束成形使用天线和波形相位策略性地增加接收信号的强度。较高的数据速率需要更好的信号质量。因此，波束成形是另一种用于影响数据速率的方法。为了理解这一点，您应该回忆一下来自CWNA材料中的动态速率切换（DRS）概念。

DRS根据远程设备接收传输的能力以及无线芯片中考虑的其他潜在因素（如从远程设备接收的帧的信号强度）来改变数据速率。例如，一个设备在以144 Mbps传输时，如果由于某些传输帧未能收到确认，可能会在下一次向该STA发送时将速率切换到130 Mbps。DRS相对于环境是动态的，但它与所选择的数据速率无关。数据速率对于每个PHY在特定带宽和空间流数量内是固定的。换句话说，STA将永远不会从144 Mbps降到143 Mbps。它将始终降到MCS表中为特定PHY可用的下一个或另一个预定数据速率。

必须理解，实际的吞吐量将远小于链接的数据速率。图1.7展示了这一现实。每个STA将使用数据速率进行通信，具体速率基于链路质量（信号强度与噪声比，通常称为信噪比SNR）。然而，STA只能在有空闲时间时进行通信。管理开销（包括同频道干扰（CCI））、非Wi-Fi干扰和其他STA的通信都会减少可用的空闲时间。因此，即使在链路中的吞吐量较低的情况下，吞吐量也会远小于数据速率，特别是当吞吐量是基于MAC层而不是传输层测量时。

802.11物理层

今天的802.11与1997年通过的标准大不相同，我们现在称之为802.11-Prime。自2021年起，已经指定了十种PHY。本文将简要回顾目前仍然可能用于生产环境中的PHY。频率跳跃扩频（FHSS）在本书中没有涉及。它在802.11-Prime中可用，但不是在早期802.11网络安装中最常用的PHY，因此在今天的环境中几乎看不见。红外（IR）PHY也在原始规范中，但它没有被实现，因此在本文中也不涉及。红外和FHSS PHY已完全从标准中移除。

802.11-Prime（DSSS）

现代802.11设备仍支持的最旧PHY是直接序列扩频（DSSS），它包括在第一次通过的802.11-Prime标准中。DSSS使用22 MHz宽的频道，仅在2.4 GHz频段内工作。每个频道都有一个基于频道中心频率分配的频道，例如频道1的频率为2.412 GHz，使用中心频率两侧11 MHz的范围。因此，频道1的频率范围是2.401到2.423 MHz，而频道6的中心频率是2.437 MHz，范围从2.426到2.448 MHz。

与所有在802.11n（HT）之前引入的PHY一样，DSSS只支持一个空间流。它是一个SISO（单输入/单输出）PHY。发送方（发射器/接收器）发送一个流的数据或接收一个数据流。802.11n和802.11ac使用与这些PHY相同的协议进行传输，并且采用MIMO（多输入/多输出）技术来支持更高的数据速率。

记住DSSS的支持数据速率非常简单。只支持两种数据速率：1 Mbps和2 Mbps。按今天的标准，这种PHY非常慢。然而，所有802.11设备，包括最新的802.11n、802.11ac和802.11ax设备，都支持DSSS PHY，这些设备工作在2.4 GHz频段。重要的是要记住，PHY的前导码和头部将以这些低数据速率进行传输，无论实际的第2层帧数据是否传输——即使是在2.4 GHz频段内实现了更高的数据速率，除非启用了G-only或N-only模式，否则这一模式将有效地禁用正交频分复用（OFDM）数据速率（对于DSSS，速率为1和2 Mbps，HR/DSSS为5.5和11 Mbps，下一节将讨论HR/DSSS）。

总而言之，DSSS PHY支持1或2 Mbps的数据速率。它工作在2.4 GHz频段，并且仅支持单一空间流。所有DSSS传输使用22 MHz频道宽度。

802.11b（HR/DSSS）

高数据率/直接序列扩频（HR/DSSS）PHY于1999年随802.11b修订版发布。它引入了更先进的调制技术，支持5.5和11 Mbps的数据速率，同时仍支持DSSS的1和2 Mbps数据速率。HR/DSSS使用与DSSS相同的22 MHz宽的频道，并且仅支持单一空间流。与DSSS一样，HR/DSSS仅在2.4 GHz频段内工作。

所有其他工作在2.4 GHz频段内的PHY都设计为与相同频段中的早期PHY兼容。HR/DSSS设备可以与仅支持DSSS的设备通信。此外，HT PHY设备如果两者都在相同的2.4 GHz频段内工作且网络配置允许，也可以与DSSS PHY设备通信。我们将进一步探讨HT PHY的细节。

在大多数生产环境的WLAN中，您不太可能看到实际的802.11b（HR/DSSS）或802.11-Prime（DSSS）设备（尽管在某些极少数的情况下，它们确实出现）；然而，这并不意味着该PHY将不被使用。如果允许低数据速率且没有可用的更好的AP，则客户端可能不会使用该PHY。如果客户端可以漫游（例如，使用更强的信号的AP），并且在该环境下无法使用更高的数据速率，则客户端可能会根据客户端的芯片组和软件回退到这些数据速率。然而，通过适当的配置，最坏的情况下，对于一个HT（802.11n）设备在2.4 GHz下的最低数据速率应为MCS 01（假设没有使用802.11b/g设备），即6.5 Mbps（作为单流20 MHz通信），13 Mbps（作为双流20 MHz通信），或19.5 Mbps（作为三流20 MHz通信）。当启用短保护间隔（GI）时，这些速率可以进一步提高。

802.11a

正交频分复用（OFDM）PHY是第一个支持5 GHz频段操作的PHY。该PHY通过802.11a修订版于1999年发布，支持5 GHz频段。除了对5 GHz频段的支持外，OFDM还首次使用20 MHz频道，而不是22 MHz频道。所有基于OFDM的现代PHY都使用20 MHz频道或其倍数。例如，它们可能使用20 MHz或40 MHz频道（以及80 MHz和160 MHz）。802.11a是第一个使用OFDM调制方案的PHY，并且该PHY的命名是基于调制方案的。自802.11a以来，所有PHY都使用OFDM，但具有不同的PHY名称以清晰区分它们与802.11a OFDM。

OFDM仍然使用单个空间流，但使用了增强的调制，支持数据速率为6、9、12、18、24、36、48和54 Mbps。请注意，它不支持1、2、5.5或11 Mbps。OFDM在5 GHz频段工作，因此不需要向后兼容DSSS或HR/DSSS。

802.11g

扩展速率PHY（ERP）（802.11g）于2003年6月发布，将OFDM调制方案扩展到2.4 GHz频段。ERP PHY使用与802.11a 5 GHz设备相同的基本OFDM调制方案，使用20 MHz频道，但工作在2.4 GHz频段。有一些微小的差异，以适应该PHY的实现，但足以使其提供与OFDM在5 GHz频段中提供的相同的基本功能。

在2.4 GHz频段内，所有ERP设备（也称为基于定义ERP的802.11g设备）都支持与HR/DSSS和DSSS PHY的向后兼容性。这是与OFDM PHY在5 GHz频段中的另一个不同之处。OFDM PHY不需要向后兼容，因为它是第一个引入5 GHz的PHY。为了实现向后兼容性，ERP（802.11g）设备仍然支持DSSS数据速率为1和2 Mbps，HR/DSSS数据速率为5.5和11 Mbps。此外，ERP PHY支持与OFDM（802.11a）相同的速率，分别为6、9、12、18、24、36、48和54 Mbps。需要明确的是，ERP PHY只支持6、9、12、18、24、36、48和54 Mbps的数据速率，但所有实现ERP PHY的设备也有效地实现了DSSS和HR/DSSS PHY，因此1、2、5.5和11 Mbps的数据速率也得到了支持。

802.11n

高吞吐量（HT）PHY于2009年10月在802.11n修订版中发布，并提供了比旧PHY更多的优势。HT提供了更宽的通道，通过将两个20 MHz的部分合并为一个40 MHz通道。因此，它提供了20 MHz或40 MHz通道。一台提供40 MHz通道的AP仍然可以服务于其主通道上的20 MHz客户端。第二个20 MHz部分被称为次要通道。

主通道将是定义的频道号之一，例如1、6、11、36或44。然后，次要通道（提供40 MHz的通道）将是主通道上方或下方的20 MHz范围。当使用主通道上方的20 MHz时，称为+1配置。使用主通道下方的20 MHz时，称为-1配置。当设备连接到支持20 MHz通道的AP时，设备将与AP使用主通道通信。40 MHz客户端可以使用整个40 MHz通道。记住，不要在2.4 GHz中使用40 MHz通道，因为可用的频率带宽不足以支持多个BSS在40 MHz宽度的不同频道上运行。

更宽的通道导致更高的数据速率，而无需额外的功能。然而，HT PHY还引入了通过**多输入多输出（MIMO）**使用多个空间流的功能。MIMO利用射频传播行为来发送多个并行的数据流，从发射器到接收器。HT PHY支持最多四个空间流；然而，大多数设备今天使用HT PHY时通常只支持来自三个空间流的数据。

HT PHY的另一个首次特点是它可以在2.4 GHz或5 GHz中操作。5 GHz频段提供了更多的频道，因此它是首选频段，但许多设备仅在2.4 GHz中工作（即使是目前销售的一些新设备），因此它必须继续在几乎所有实施中得到支持。重要的是要知道，HT设备可能仅支持2.4 GHz频段，因此作为WLAN管理员，您应谨慎选择设备。最好选择支持5 GHz频段的设备。

最后，HT PHY提供了比早期PHY更多的数据速率选项。实际可用的数据速率将取决于频道宽度（20 MHz与40 MHz）、空间流数量以及调制和编码方式。一些额外的因素也会影响可用的数据速率，如保护间隔（GI）。在使用HT PHY时，假设40 MHz频道和最高的调制和编码速率，最大数据速率为600 Mbps。大多数HT或802.11n设备支持最大数据速率150、300或450 Mbps，因为这些设备支持从一个到三个空间流，而标准允许最多支持600 Mbps。

值得知道的是，2.4 GHz设备将支持最大数据速率72.2、144.4和216.7 Mbps（有时这些数字被四舍五入为72、144和217 Mbps），因为它们仅支持20 MHz的频道宽度。虽然2.4 GHz设备可以配置以支持更高的数据速率（例如40 MHz频道提供的速率），但它们不应在企业级多AP部署中配置为40 MHz频道。使用40 MHz 2.4 GHz设备在多AP部署中的性能下降，因为信道重叠不会带来40 MHz频道所提供的增益。如果你没有注意到，CWNP反对在2.4 GHz企业部署中使用40 MHz频道。然而，在5 GHz标准部署中，40 MHz频道是有益的，具体取决于正在部署的网络类型。

802.11ac

非常高吞吐量（VHT） PHY 于2013年通过，进一步推动了802.11网络的发展。VHT PHY现在支持额外的信道宽度：80 MHz和160 MHz（尽管160 MHz信道不应在5 GHz频段的企业部署中使用，80 MHz信道在5 GHz频段中也应尽量少用）。基本的信道宽度仍然是20 MHz，但可以使用两个、四个或八个20 MHz部分来组成更宽的信道。

更宽的信道带来更高的数据速率，VHT（802.11ac）还支持更多的空间流。VHT设备最多可以支持八个空间流。最初发布的设备支持三条空间流，但目前市场上的设备支持四条空间流。是否会看到八条空间流，还需观察，因为客户端设备的整体趋势是保持较少的空间流，这有助于减少电池消耗，从而延长电池使用时间。

非常重要的一点是，VHT PHY仅在5 GHz频段内工作，不支持在2.4 GHz频段工作，像HT PHY一样。限制VHT只能在5 GHz频段工作的主要原因是2.4 GHz频段缺乏更宽的信道。一些供应商表示，他们在2.4 GHz频段实现了256-QAM（VHT引入的新调制），并且通常允许设备使用这种调制，因为芯片组支持它。然而，由于这不符合标准，不能假设客户端设备也会支持它。因此，即使AP允许使用256-QAM，您也不应在2.4 GHz中计划利用它的优势。

最后，VHT设备可以实现最高6933.3 Mbps的数据速率；然而，这个数据速率将需要八个空间流。因为802.11ac设备今天实现的空间流通常不超过四个，所以实际的峰值数据速率为3466.7 Mbps。为了达到这个数据速率，AP和客户端都必须支持四个空间流并使用160 MHz信道。考虑到很少有802.11ac AP在正确部署时，信道带宽超过40 MHz，您更有可能在40 MHz信道上看到四个空间流的最大数据速率为800 Mbps。

始终记住，链接可用的数据速率受到链接中最不具能力的设备的限制。例如，如果一个AP配置了40 MHz的信道并支持四个空间流，那么一个支持40 MHz信道的四空间流客户端理论上可以以800 Mbps的数据速率连接到该AP（根据标准）。然而，一个单空间流的40 MHz客户端将以最大200 Mbps的数据速率连接到相同的AP。如您所见，现实世界往往与市场宣传甚至802.11标准的潜力有很大的不同。

802.11ax

高效（HE）PHY在802.11ax修订版中定义。本节提供了这些功能的概述，以及学习它们的基础，后续章节将深入讲解。

正交频分多址（OFDMA）是802.11标准中与802.11ax修订版一起引入的新调制方案。OFDMA已经在其他网络中使用，并为802.11 WLAN带来了有用的新特性。最令人兴奋的特性是您可能会称之为子信道化的功能。它能够将信道划分为多个资源单元（子信道），可以用于从多个STA同时进行传输或接收。所有先前的调制和调制方案都使用整个信道与STA之间进行通信。即使是多用户MIMO（MU-MIMO）时也是如此。图1.8展示了OFDM和OFDMA的区别。图中展示了从一个AP发送到四个不同STA的帧。使用OFDM且没有MU-MIMO时，每一帧必须依次发送。使用OFDMA时，频率带宽的每个部分可以分配给每个STA，并且四个帧可以并行发送。这样做将需要更多的空中时间（在相同的数据速率下发送四个帧，因为每帧使用的带宽更少），但比依次发送每帧占用整个带宽要节省很多时间。

1024-QAM调制也随着802.11ax引入。802.11ac支持256-QAM，而这些更高的调制速率增加了每个符号可以表示的比特数量，有效地提高了数据速率。然而，1024-QAM将需要非常好的信噪比才能正常工作，并且只能在短距离内工作。图1.9展示了256-QAM和1024-QAM的星座图。您可以看到，当调制速率越高时，目标变得越小，信号变得越弱，因此接收器必须能够在低噪声环境中处理接收信号，以便感知正确的目标。

上行MU-MIMO也被加入到802.11ax标准中。802.11ac引入了仅下行的MU-MIMO，在生产网络中并未带来很大优势。未来将会看到上行MU-MIMO会产生什么样的影响，但它自802.11ax修订版起已可使用。

目标唤醒时间（TWT）是802.11ax新增的节能调度功能，适用于所有STA。客户端请求来自AP的睡眠调度，然后可以根据调度在需要时醒来；这样，它们不必为每个STA单独安排预定义的唤醒间隔。TWT最早在802.11h中引入，但在802.11ax的修订版中更可能得到广泛使用。

为了使其能够确认信号强度不同的通信，802.11ax实现了BSS着色。每个BSS分配一个颜色（在PHY层通信中标识的位），与当前STA的BSS颜色匹配的BSS传输会被认为是信号强度较弱的传输，而与当前STA的BSS颜色不匹配的传输将被认为是有效的。简而言之，当接收到与当前STA相同颜色的信号时，会使用较低的信号强度阈值来避免接收信号并保持静默。当接收到不同BSS颜色的信号时，会使用较高的信号强度阈值来避免接收信号并保持静默。例如，匹配BSS颜色的阈值可能是-90 dBm，而不匹配的BSS颜色阈值可能是-75 dBm。实际的信号阈值可以在企业系统中配置，具体方法未在802.11标准中定义，而是由厂商控制。

最后，802.11ax在2.4 GHz和5 GHz频段都能工作，这不同于802.11ac，仅支持5 GHz频段。这种双频带允许802.11ax设备在2.4 GHz频段的信号增益，且这个频段非常拥挤，但最终会从这些增益中受益。受益将会逐步显现，因为客户端和AP必须支持802.11ax才能实现这些好处。在本节中，某些新的基于频率的802.11ax设备已经可用，并且在802.11ax修订版中，它们已经通过802.11标准得到定义。未来的设备将从802.11ax的新增功能中获益。

802.11ad

定向多千兆（DMG）PHY在消费类无线路由器和客户端设备中正在获得一些关注。例如，在写作时，一些厂商已经发布了支持DMG PHY的笔记本电脑，该PHY在802.11ad中得到了批准。该PHY工作在60 GHz频段，具有高数据速率和短距离的特性。它在原始修订版中指定了三种基本的PPDU操作模式：

• 控制模式
• 单载波（SC）模式
• OFDM模式（该模式被定义为废弃，可能在标准的后续版本中被移除）

DMG PHY支持57–64 GHz的全球范围以及欧洲的57–66 GHz范围。在这些范围内的具体区域根据监管领域的不同而有所不同。

802.11af

电视高吞吐量（TVHT）PHY在CWAP考试中没有被测试，因为此阶段部署的硬件有限。该PHY旨在利用通常用于电视和其他广播的带宽中未使用的频段。因为它被设计用来利用这些空间，所以它支持非常窄的信道宽度，具体为6、7或8 MHz，取决于其操作的监管域。此外，6、7或8 MHz的信道宽度（称为基本信道单元BCU）可以分别在1、2或4个BCU下运行。因此，使用两个7 MHz的BCU时，可用的总频率空间为14 MHz。

支持的最大数据速率，在使用四个8 MHz的BCU（32 MHz频率空间）时为568.9 Mbps。此数据速率通过四个空间流实现。与802.11n设备类似，TVHT设备可以使用一个到四个空间流。

最后，TVHT工作在50 MHz到790 MHz的频率范围内，并使用由操作监管域分配的频率空间。

802.11ah

Sub-1 GHz（S1G）PHY设计用于远距离、低数据速率的通信，定义在802.11ah修订版中。它非常适合物联网（IoT）和工业自动化及监控网络。S1G PHY工作在1、2、4、8或16 MHz的信道上，似乎更多的设备将使用1、2、4 MHz的信道，而更高的数据速率不符合此类设备的需求。

S1G PHY支持的最大数据速率为346.667 Mbps，基于16 MHz信道和四个空间流。考虑到设备支持S1G PHY时对延长电池寿命的需求以及对较低数据速率的需求，可以预期将会看到更多的单空间流设备。这样的设备，使用1或8 MHz信道时，最大数据速率为8666.7 Kbps（用于4 MHz单空间流设备）或20,000 Kbps（20 Mbps，用于4 MHz单空间流设备）。

实际频率使用将大大不同，具体取决于监管域，但它们都将低于1 GHz。某些将在700 MHz范围内运行，其他的将在900 MHz范围内运行，之间的范围也有可能使用。