无线局域网(WLAN,Wireless Local Area Network)物理层的射频工作频率,根据IEEE 802.11系列标准,早期主要是工作在两个频段,即:2.4GHz频段(IEEE 802.11b标准规定)和5GHz频段(IEEE 802.11a标准规定)。后来,为了提升带宽而提高高密度场景下的吞吐量,又扩充了6GHz频段(IEEE 802.11ax标准规定)。需要说明的是,对于5GHz频段是一个不连续的频段(可分为3个频段,见下述),2.4GHz频段和6GHz频段均是连续频段使用。下述首先介绍IEEE 802.11系列标准关于无线局域网(WLAN)的工作频段的方案,然后介绍我国关于无线局域网(WLAN)的工作频段的指配和使用。
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一、IEEE 802.11系列标准的工作频率方案
1、2.4GHz频段
在最早发布的IEEE 802.11标准,仅对2.4GHz频段(标称频率范围为2400 MHz ~24835 MHz)进行了规划,其工作频率带宽为83.5 MHz。我们知道,IEEE 802.11标准为WLAN空中接口物理层规定了DSSS和FHSS两种扩频工作方式和一种红外线(IR)工作方式;在紧跟其后发布的IEEE 802.11b标准仅规定了DSSS/CCK的扩频工作方式;后续的发布的IEEE 802.11g标准又扩充了OFDM新的工作方式,这几个标准均使用2.4GHz频段。但FHSS工作方式由于采用了跳频技术而其频谱安排是与其它工作方式不相同的。
1) FHSS工作方式:对于频率跳变扩展频谱(FHSS,Frequency Hopping Spread Spectrum)工作方式,在标称频率范围为2400 MHz ~24835 MHz范围内,规定使用的工作频率的上/下限为2.402/2.480 GHz,这样可以有频率间隔为1MHz的79个跳频组,也即其信道数为79个;信道之间的间隔为1MHz,因此信道中心频率如下表1-1-1所示,第1信道的中心频率是2.402 GHz,第79信道的中心频率为2.480 GHz。此时,其跳频序列b(i)的取值(i = 79)详见下表1-1-2中。
表 1-1-1:FHSS工作方式的信道中心工作频率表
表 1-1-2:FHSS工作方式的跳频序列的取值
2) 其它工作方式:对于WLAN物理层空中接口的其它工作方式(包括DSSS、OFDM),在2.4GHz频段,是划分为13个子信道,每个子信道带宽为22 MHz。各子信道的频率配置情况详见下表1-1-3所示,包括信道编号、信道中心频率、信道最低/最高频率等。由此,2.4GHz频段的信道安排也可用下图1-1所示,将更加直观。
表 1-1-3:2.4GHz频段的频率配置表
图 1-1:2.4GHz频段的信道安排图
此时,2.4GHz频段多个信道同时工作的情况下,为保证信道之间不相互干扰,要求两个信道的中心频率间隔不能低于25 MHz。因此从图1-2可以看出,在一个蜂窝区内,直序扩频(DSSS)技术最多可以提供3个不重叠的信道同时工作,在实际相邻区域配置中宜选用1、6、11信道。
2、5GHz频段
依据IEEE 802.11a标准,给出了5GHz频段在WLAN的频率规划,此时其物理层采用的是正交频分多路复用技术(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)工作方式。对于5GHz频段,IEEE 802.11a标准是按照美国FCC对该频段的监管要求,分为三段不连续频段进行监管,即:标称频率范围分别为5150MHz~5250MHz MHz(U-NII低段)、 5250MHz~5350MHz MHz(U-NII中段)、5725MHz~5825MHz MHz(U-NII高段),具体监管情况详见下表1-2(注意,它包含了我们常说的5.1GHz频段和5.8GHz频段)。
表1-2:5GHz频段按监管域和频带划分的有效操作信道号情况
下图1-2显示了802.11a标准的信道化方案,该方案将与美国FCC U-NII频率分配一起使用。U-NII中、低频段总带宽为200MHz,按信道带宽为20MHz,可容纳8个信道。U-NII高频段在100MHz总带宽内,按信道带宽为20MHz,可容纳4个信道。对于U-NII中、低频段,最外层信道的中心距离频段边缘的距离应为30 MHz,对于U-NII高频段,最外层信道的中心距离为20 MHz。
图 1-2:美国OFDM物理频率信道方案
3、6GHz频段
我们知道,后续的IEEE 802.11标准,为了致力于提高WLAN的传输速率,逐步采用了大信道带宽,尤其是在5GHz频段,由最初的20MHz,到40MHz、80MHz、160MHz的信道带宽。然而,由于各个国家对于5GHz频段的管制的不同,很难以提供足够的 160MHz 信道数。为此,直到802.11ax标准,将WLAN的工作频段扩展到6GHz频段。6GHz频段是一个全球统一的连续频谱块,范围从 5925MHz~7125MHz,共计 1200MHz 总带宽,如图 1-3 所示。这意味着额外提供了 7个 160MHz 信道;或14个 80MHz 信道;或 29个 40MHz 信道;或 59个 20MHz 信道。
图 1-3:6GHz频段及信道安排
到了802.11be标准,在6GHz频段上首次引入了320MHz的信道带宽安排。6GHz频段的优势直接表现在更大的单用户速率和更低的时延,其优势描述详见下表1-3。我们知道,WLAN的速率计算公式如下式,当802.11be采用320MHz 带宽时,将是802.11ax的 2倍,在空间流数、编码方式、码率都相同的前提下,WLAN速率就有了成倍的提升。
表 1-3:6GHz频段优势的描述
WLAN速率 = 空间流数 x 1/(Symbol + GI)x 编码方式 x 码率 x 有效子载波数量
4、相关说明
大家知道,对于IEEE 802.11系列标准,在早期的802.11、802.11b和802.11g的物理层采用的是2.4GHz频段;802.11a、802.11ac的物理层采用的是5GHz频段;而802.11n的物理层可采用2.4GHz和5GHz频段;而802.11ax和802.11be的物理层可采用2.4GHz、5GHz和6GHz频段。这些工作频段的频谱与信道的安排都遵循于上述介绍的各频段的规划方案。下表1-4-1汇总了802.11各版本标准的工作频段的相关情况,包括频段安排、信道带宽安排和其支持的速率情况;下图1-4汇总了IEEE 802.11工作组对WLAN的工作频率资源的安排情况,包括工作频段(2.4GHz、5GHz和6GHz频段)和相应的信道带宽及数量的安排。
表 1-4-1:802.11各标准的工作频段的相关情况
图 1-4:IEEE 802.11对WLAN的工作频率资源的安排情况
另外,Wi-Fi联盟(WFA)是国际上负责对IEEE 802.11各版本标准设备或产品的互操作性的认证工作,目前已有Wi-Fi 4到Wi-Fi 7的级别认证。为此,下表1-4-2给出了802.11各版本标准与WFA的Wi-Fi级别认证的对应关系及支持的信道带宽情况。
表 1-4-2:不同802.11标准与Wi-Fi级别认证的对应关系及支持的信道带宽情况
那么,在实际建网时2.4GHz频段和5GHz频段该如何选用呢?当然理论上低频段的无线信号的传播能力要强,但实际上两个频段在应用环境上各有特点,详见下表1-4-3,应根据实际情况选定。那么6 GHz频段刚开发推出,又有自己的独特优势(见表1-3)。
表 1-4-3:WLAN的2.4GHz频段相对于5GHz频段的特点比较
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5、关于红外波段
在早期的IEEE 802.11标准中,对WLAN的物理层(PHY)还规定了一种红外线(IR)工作方式,它采用的工作波段为850nm~950nm范围内的接近可见光。该工作方式现在几乎很少使用了。根据相关资料,红外相关传输方式的一些特性比较详见下表1-5中。
表 1- 5:红外相关传输方式的特性比较
二、我国关于WLAN的工作频段的指配和使用
我国关于WLAN的工作频段的指配和使用基本上是依据IEEE 802.11系列标准的规划方案及相关要求的,但也略有不同的。对于2.4GHz频段基本上是完全按照802.11相关标准的规划方案;对于5GHz频段是分为5.1GHz和5.8GH两个频段分别进行指配和使用的,但5.8GH频段范围有所不同;对于6GHz频段,由于802.11是在2020年以后推出的,其指配使用目前我国还没有相应的标准和管理要求,正在结合我国无线电频率管理情况开展研究。
1、我国国家标准的规定
对于2.4GHz频段,我国发布的国家标准GB 15629.1102-2003和GB 15629.1104-2006专门对2.4GHz频段的WLAN的物理层做出了规范。其中,GB 15629.1104-2006规定的是直接序列扩频系统(DSSS)工作方式。关于物理层不同工作方式下的频谱和信道带宽安排是与上述 802.11相关标准是相同的。
对于5GHz频段,我国国家标准GB 15629.1101-2006虽然是对5.8GHz频段的WLAN物理层做出了规范,但在工作频谱安排上,同时也对5.1GHz频段做出了规定。
对于5.8GHz频段,GB 15629.1101-2006与上述的802.11a标准规定稍有不同,其5.8GHz频段的工作频率范围被定义为5725MHz~5850MHz MHz,工作频段带宽成为了125 MHz,比802.11a标准的规定多了25 MHz(见表1-2)。此时划分成了每个信道带宽为20MHz的5个信道。各子信道的频率配置情况详见下表2-1,包括信道编号、信道中心频率等,表中也给出了美国U-NII高频段信道安排的对比。那么5.8GHz频段的信道安排也可用下图2-1表示,图中给出了脉冲块图示和矩形块图示两种图示方式。由此可知,5.8GHz频段中心频率与信道编号的关系如下式(多了信道编号165):
信道中心频率 = 5 000 + 5×n(MHz) n = 149,153,157,161,165
表 2-1:5.8GHz频段的频率配置表
图 2-1:5.8GHz频段的信道安排图
对于5.1GHz频段,在GB 15629.1101-2006中的频谱安排是与上述的802.11a标准的规定是完全相同的,见表1-2和图1-2中。
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2、我国无线电管理部门的管理要求
我国无线电管理部门关于WLAN的工作频率的指配管理,首先于2002年分别开放使用的是2.4GHz频段(标称频率范围2400~2483.5MHz)和5.8GHz频段(标称频率范围5725MHz~5850MHz)两个ISM频段。后来,为了满足移动宽带业务的接入,拓展无线接入网络,在2012年又扩充了5.1GHz频段(标称频率范围5150~5350MHz)。这样,目前被指配给无线局域网(WLAN)的工作频段为三个频段共计408.5MHz带宽,然而,指配的这些频段并非为WLAN独享。
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