Wi-Fi

Wi-Fi标志

Wi-Fi发音: /ˈwf/),又称「无线热点」或「无线网路」,是Wi-Fi联盟的商标,一个基于IEEE 802.11标准的无线区域网路技术。「Wi-Fi」常被写成「WiFi」或「Wifi」,但是这些写法并没有被Wi-Fi联盟认可。

Wi-Fi产品经由Wi-Fi联盟的一家独立授权测试实验室进行严格测试,产品成功通过测试后,授予制造商或销售商使用Wi-Fi标志、Wi-Fi CERTIFIED标志和相关商标,Wi-Fi联盟使用术语「Wi-Fi CERTIFIED」来称呼这类通过认证的产品。认证(Certification)意味着产品与在相同频段内执行的其他Wi-Fi CERTIFIED装置具有互操作性。 [4]

由来

Wi-Fi这个术语经常被误以为是指无线传真(Wireless Fidelity[5],类似历史悠久的音响装置分类:高传真(1930年开始采用)或Hi-Fi(1950年开始采用)。即便是Wi-Fi联盟本身也经常在新闻稿和档案中使用「Wireless Fidelity」这个词,Wi-Fi还出现在ITAA的一个论文中。事实上,Wi-Fi一词是没有任何意义,也没有全写的。[5]

1999年,几家富有远见的公司联合起来组成了一个全球性非营利性协会——无线乙太网路相容性联盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA),其目标是使用一种新的无线网路技术,无论品牌如何,都能带来最佳的使用者体验。在2000年,该小组采用术语「Wi-Fi」作为其技术工作的专有名称,并宣布了正式名称:Wi-Fi Alliance。 [6]

历史

1971年
  • 夏威夷大学建立了无线分组资料网路ALOHAnet,该网路以UHF(超高频)无线电波执行。 [7] [8] [9]
1985年
1988年
  • NCR开始基于直接序列扩频的WLAN产品开发。 [8]
1990年
  • 成立IEEE 802.11工作群组。 [8]
  • NCR发布915 MHz的WaveLAN,提供2 Mbps速率。 [8] [10]
1991年
  • WLAN标准要求在IEEE 802.11工作群组中达成一致。 [8]
  • 欧洲研究委员会(ERC)将2.4 GHz ISM频段分配给WLAN使用。 [8]
1993年
  • AT&T发布2.4 GHz的WaveLAN,提供2 Mbps速率。 [8]
  • IEEE 802.11从NCR,Symbol Technologies和Xircom的提案中选择了MAC协定的基础。 [8]
  • AT&T在卡内基梅隆大学完成了WaveLAN的首次大规模安装。 [10] [11]
1994年
  • 国家科学基金会资助,卡内基梅隆大学的Alex Hills博士于1993年构思的无线研究计划「Wireless Andrew」开始实施,最初覆盖了校园内的7座建筑物, 后来扩充到了校园中所有的学术和行政大楼。 [10] [11]
1995年
  • Wayport首次部署「热点(hotspots)」。 [8]
1997年
  • IEEE 802.11标准的第一个版本IEEE 802.11-1997发布,提供最高2 Mbps的连结速度。 [9] [10] [12]
1999年
  • 六家技术公司成立了无线乙太网路相容性联盟(WECA),致力于通用相容性和优质使用者体验。 [7] [9] [12] [13]
1999年-2000年
  • IEEE 802.11的第一个修订版IEEE 802.11-1999于1999年8月10日发布,并成为ISO标准ISO/IEC 8802–11:1999。[8]两个修正案IEEE 802.11a-1999于1999年12月30日正式发布,IEEE 802.11b-1999于2000年1月20日发布。[14]802.11b在2.4GHz频段上提供最高11 Mbps的连结速度,取得了市场成功。802.11a将正交频分复用(OFDM)引入802.11,使用5GHz频段提供最高54 Mbps的速率,但由于工作频段不同,新装置想要利用802.11a提供的高速率又要与庞大的802.11b装置基础保持向下相容性会增加成本,且在1999年-2000年期间,美国非军事使用的5 GHz频段仅限于部分信道,故而802.11a未能流行开来。 [9] [12]
2000年
  • 无线乙太网路相容性联盟(WECA)更名Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance,缩写WFA),并引入术语「Wi-Fi」。第一款Wi-Fi CERTIFIED产品发布。 [7] [13]
2003年
  • IEEE 802.11g-2003修正案发布,将正交频分复用(OFDM)应用到2.4GHz频段上,提供最高54 Mbps的速率,并与802.11b保持向下相容性和互操作性,802.11g在市场上取得了成功。Broadcom在IEEE 802.11g修正案发布之前发布了基于802.11g标准草案的晶片,为后来行业参与者基于标准草案抢先发布产品进入市场的行为开创了先例。 [7] [12]
  • 世界无线电大会在5GHz频段为无线接入系统分配了额外的455 MHz频谱。 [7] [8]
  • 为应对Wi-Fi网路暴露出来的安全性问题,Wi-Fi联盟基于IEEE 802.11i标准草案推出Wi-Fi Protected Access(WPA)认证作为过渡。 [12] [15]
2004年
  • IEEE 802.11i-2004修正案发布,Wi-Fi联盟开启Wi-Fi CERTIFIED WPA2认证以增强Wi-Fi安全性。 [12] [13] [15]
  • Wi-Fi联盟基于IEEE 802.11e标准草案推出Wi-Fi CERTIFIED WMM认证,在Wi‑Fi网路中增加了服务品质(QoS)功能。 [12] [16]
2005年
  • IEEE 802.11e-2005修正案发布,为802.11带了服务品质(QoS)增强功能,Wi-Fi联盟推出Wi-Fi CERTIFIED WMM-Power Save认证,用以改善行动装置的电池寿命并提高通过Wi-Fi网路传输语音呼叫的效率。 [12] [16]
  • 「Wi-Fi」被韦氏大学词典(Merriam-Webster's Collegiate Dictionary)收录。 [9] [13]
2007年
  • 鉴于2005年至2006年期间市场参与者抢先推出所谓「pre-n」或「draft-n」产品,IEEE采取非常规措施将2007年初形成的IEEE 802.11n草案D2.0公开发布,Wi-Fi联盟基于草案D2.0在2007年6月开启Wi-Fi CERTIFIED 802.11n draft 2.0认证计划,以确保在802.11n标准获批之前发布的产品具有互操作性。 [7] [12] [13] [17] [18]
2009年
  • IEEE 802.11n-2009修正案发布,为802.11引入MIMO技术,该技术允许更多的天线建立更多的资料流,最大传输速率可达600 Mbps。 Wi-Fi联盟开启Wi-Fi CERTIFIED n认证计划,更新了Wi-Fi CERTIFIED n标志,以Wi-Fi CERTIFIED标志左边字母的变化表明与802.11 a/b/g产品的向下相容性。 [9] [12] [13] [18] [19]
2013年
  • Wi-Fi CERTIFIED ac认证打破了千兆速率屏障。 [9] [13]
2018年
  • Wi-Fi联盟引入Wi-Fi 6,Wi-Fi 5和Wi-Fi 4行业命名。 WPA3继续Wi-Fi安全演进。 [13] [15]
2019年
  • Wi-Fi CERTIFIED 6开创了Wi-Fi新时代。 [9] [13]

世代

Wi-Fi以IEEE 802.11为标准,Wi-Fi联盟在2018年发起「Generational Wi-Fi」行销计划,基于主要的Wi-Fi技术(PHY)版本,引入了更容易让消费者了解的「Wi-Fi世代名称」(Wi-Fi generation names),格式为「Wi-Fi」后跟一个整数,并鼓励采用世代名称作为行业术语。世代名称不影响以前的认证程式名称,对于以前的认证程式(例如Wi-Fi CERTIFIED ac或更早的程式),继续使用原始认证程式名称。Wi-Fi联盟没有为Wi-Fi 4之前的Wi-Fi世代分配新名称。 [20] [21] [22]

  • 第二代,以IEEE 802.11b为准,工作频段为2.4GHz,最高速率半双工11 Mbit/s,认证计划为「Wi-Fi CERTIFIED b」。 [23]
  • 第三代,以IEEE 802.11a为准,工作频段为5GHz,最高速率54 Mbit/s,认证计划为「Wi-Fi CERTIFIED a」。基于IEEE_802.11g、2.4GHz工作频段、最高速率半双工54 Mbit/s,认证计划为「Wi-Fi CERTIFIED g」。 [23]
  • 第四代,以IEEE 802.11n为准,世代名称为「Wi-Fi 4」,信道宽度20MHz、40MHz,工作频段为2.4GHz和5GHz,最高4条空间流,最大副载波调制64-QAM,最高速率半双工600 Mbit/s,认证计划为「Wi-Fi CERTIFIED n」。 [23] [24]
  • 第五代,以IEEE 802.11ac为准,世代名称为「Wi-Fi 5」,信道宽度20MHz、40MHz、80MHz、80+ 80MHz、160MHz,工作频段为5GHz,最高8条空间流,最大副载波调制256-QAM,最高速率半双工6.9 Gbit/s,认证计划为「Wi-Fi CERTIFIED ac」。 [23] [25]
  • 第六代,以IEEE 802.11ax为准,世代名称为「Wi-Fi 6」,信道宽度20MHz、40MHz、80MHz、80+ 80MHz、160MHz,工作频段为2.4GHz和5GHz,最高8条空间流,最大副载波调制1024-QAM,最高速率半双工[26][27]9.6 Gbit/s,认证计划为「Wi-Fi CERTIFIED 6」。 [28] [29]

与IEEE 802.11区别

Wi-Fi与IEEE 802.11常常被混淆,两者的区别可以概述为IEEE 802.11是一种无线区域网路标准,而Wi-Fi是IEEE 802.11标准的一种实现。IEEE 802.11标准中制定了多个物理层(PHY)规范,产品实现除了Wi-Fi,还有WiGig,WiGig联盟并入Wi-Fi联盟后[30],被定义为Wi-Fi的扩展推出了Wi-Fi CERTIFIED WiGig认证计划[31]。在这两类范围以外还有两个区别明显的物理层规范TVHT PHY和S1G PHY,工作在1 GHz以下频段。市场上有出自于TVHT PHY的「Super Wi-Fi」,工作在电视空白频段。Wi-Fi联盟曾就此发表声明,由于其无法与Wi-Fi装置互操作,不鼓励使用诸如「Super Wi-Fi」之类易于混淆的名称,也还没有工作于电视空白频段的Wi-Fi技术 [32]

用途

网路连接

  • 具Wi-Fi功能的装置:如个人电脑,游戏机,智慧型手机或数位音讯播放器可以从范围内的无线网路连接到网路。一个或多个(互联)存取点–称之为热点 - 可以组成一个面积由几间房间到数平方英里范围的上网空间,覆盖的面积大小可能取决于存取点的重叠范围。Wi-Fi技术已被用于无线网状网路,例如,在伦敦、英国,除了家里和办公室使用外,Wi-Fi无线网路还可以提供免费使用的公开热点和各种商业服务。
  • 组织和企业:例如机场、饭店、餐厅等经常提供来访者免费热点,以吸引或协助客户。商家会依爱好者希望提供服务,有时也为在某些领域推销企业而提供免费的Wi-Fi站点。目前在中国大陆和台湾,许多大型饭店和商场的内部,都会提供免费Wi-Fi热点供来访者使用网际网路,一些城市或区域如北京市海淀区还提供了区域性的政府免费无线网「海淀区免费无线网路」[1]。截至2008年为止,Wi-Fi的(Muni-Fi)的项目已超过300个城市参与。2010年捷克共和国已有1150家Wi-Fi网路服务供应商。
  • 路由器,结合了数据机和Wi-Fi存取点,通常设定在家里房间、饭店客房或其他场所,可以提供网际网路连接以及和网际网路的所有装置连接(无线或有线)。但因为家用无线路由器的功率较小,所以其讯号覆盖范围、讯号强度也较小。随着MiFi和WiBro(携带式Wi-Fi路由器)的出现,可以很容易地建立自己的Wi-Fi热点,透过电信网路连接到网路。现在,许多行动电话(智慧型手机)也可充当小型无线路由器,供周围的装置连接网际网路。
  • 也可以使用ad-hoc模式,不经路由器而是客户端直接连接到另一个客户端的Wi-Fi装置。Wi-Fi无线覆盖范围,也包含了浴室、厨房和花园等地,使网路无所不在。

城市Wi-Fi覆盖

户外Wi-Fi热点
户外Wi-Fi热点

21世纪初期,世界各地的许多城市都宣布计划构建全市Wi-Fi网路。但这比最初发起人设想的更为困难,结果这些项目大多被取消或无限期搁置。但是有几个是成功的,例如在2005年,美国加州森尼维尔成为在美国的第一个提供全市免费Wi-Fi的城市。2010年5月,伦敦市长鲍里斯·约翰逊承诺到2012年伦敦Wi-Fi普及,几个自治市镇包括威斯敏斯特伊斯灵顿已经有了广泛的Wi-Fi覆盖。全球已建和建造中的Wi-Fi城市已经超过500个,其中覆盖率最高者为台北市,其已达到全市已有4000个无线存取点(AP, Access Point)未来将至10,000个,覆盖率达到90%,全球主要的大都市的重要公共场所多已有Wi-Fi技术,如上海台北香港新加坡汉堡巴黎华盛顿伦敦纽约等。

校园Wi-Fi覆盖

卡内基美隆大学于1994年在其匹兹堡校区建立世界上第一个无线网路,比起源于1999年的Wi-Fi品牌还要早[33]。2000年,费城德雷克塞尔大学创造了历史,成为美国第一个提供全校园无线网路覆盖的主要大学。现在大多数校园已设定无线网路。

台湾的许多大学图书馆、教室、公共空间等地,也设有免费Wi-Fi热点,提供学生使用。

中国大陆,各大高等院校以及许多中学校园内覆盖有免费或收费的教育网校园Wi-Fi,以及电信营运商架设的收费校园热点(中国电信:ChinaNet,中国移动:CMCC,中国联通:ChinaUnicom)。

澳门,各大专院校各自提供该校专门的Wi-Fi供学生使用,多数需要以学生个人编号和密码来登入。

另外,全世界许多科研和教育机构都提供教育网漫游服务eduroam,加入该联盟的机构成员可使用本机构的帐号,在各联盟单位内实现无线网路存取的无障碍漫游。

电脑对电脑直接通讯

Wi-Fi无线通信也可以不需通过存取点,直接从一台电脑传出到另一台。这就是所谓Ad-hoc模式的Wi-Fi传输。这种无线ad-hoc网路模式受到掌上游戏机(如任天堂3DS游戏机)、数位相机和其它消费性电子装置的欢迎。Wi-Fi联盟推动一个新的安全方法规范,称为Wi-Fi Direct,直接进行档案传输和媒体共享。

优势和挑战

商业优势

Wi-Fi部署区网(LAN)可让客户端装置无需使用电线,降低网路部署和扩充的成本。许多空间不能架设电缆,如户外区和历史建筑,可运用无线区网来改善。

现在大多数笔记型电脑制造商已经内建无线网路装置。Wi-Fi的价位持续下跌,使之渐渐普及,已成为企业普遍的基础设施。

根据Wi-Fi联盟指定,「Wi-Fi认证」是向后相容的。它指定一套全球统一标准:不同于行动电话,任何Wi – Fi标准装置将在世界上任何地方正确执行。

Wi-Fi已在22万个以上公开热点和几千万户家庭、公司及世界各地的大学校园中使用。2010年,Wi-Fi保护存取加密(WPA2)被认定安全,能让使用者使用强大的密码。新协定的Wi-Fi Multimedia(WMM)说明Wi-Fi更适合于延迟敏感型应用(如语音和影片),此外,WMM的省电机制能提高电池效率。

限制

Wi-Fi在全球各地的频率分配和操作限制并不相同。台湾、美国所用的标准在2.4 GHz频带有11个频道,而在欧洲大部份地区有另外的2个频道,即13个频道(1-11 v.s 1-13),日本还要追加一个(1-14)。这造成混乱现象:一个Wi-Fi讯号在2.4 GHz频段实际上占用五个频道,两个频道编号之差大于5的频道,如2和7,不会发生频道重叠,因此在美国只有3个非重叠频道:1、6、11。在欧洲有三个或四个非重叠频道:1、6、13或1、5、9、13。Effective Isotropic Radiated Power(EIRP)在欧盟被限制为20 dBm的(100mW)。

传递的距离

传输速度和行动性:Wi-Fi, HSPAUMTSGSM

Wi-Fi网路范围有限。一个使用802.11b或802.11g的典型无线路由器和天线,802.11n可到达超过这个范围两倍的距离,范围随频率的波段调整。Wi-Fi在2.4 GHz的频率传递范围和距离比5 GHz的频率稍微好些,由于高频谱(GHz)的关系。越高的频谱传送范围较小,速度较快。越低的频谱传送范围较远,速度较慢。

通过使用定向天线,室外覆盖范围可提高数公里或以上。在一般情况下一个Wi-Fi装置的最高功率传输是受限于地方法规,如美国FCC第15条。

为达到无线区网的应用要求,和其他装置相比Wi-Fi显得相当耗电。其他技术如蓝牙(可支援无线PAN应用)提供了一个较小的传播范围(小于十公尺),因此耗电量较低。其他低耗电技术,如ZigBee的有相当长的范围,但传输速率却很低。Wi-Fi的高耗电特性使得电池寿命的问题渐受重视。

研究人员已经开发出「不须新线」的技术,试图弥补Wi-Fi室内范围不足的问题。安装新的电线(如cat-5)不具成本效益,ITU-T G.hn标准的高速区域网路使用现有的家庭线路(同轴电缆,电话线和电源线)来达成。虽然G.hn不具备一些Wi-Fi优势(如可移动性或户外使用),它的设计应用(如IPTV分配)仍在室内范围发挥功能。

典型Wi-Fi的频率由于电波传播的复杂性,特别是树和建筑物影响讯号的反射,只能大约测出Wi-Fi有关地区的发射器的讯号强度。但这不包括远距离Wi-Fi,因为远距离Wi-Fi是使用塔台或高建筑顶上的天线所架设的。

基本上,Wi-Fi的实际应用范围非常有限,例如;仓库中或零售空间的盘点机、结帐条码阅读器、收发台。市面上的无线路由器最低覆盖率可达80平方公尺,苹果公司AirPort技术更可达100-140平方公尺。

技术简述

一个Wi-Fi基地台
Wi-Fi基地台内部

网路成员和结构

  • 站点(Station),网路最基本的组成部分。
  • 基本服务单元(Basic Service Set,BSS)。网路最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成。站点可动态连结(associate)到基本服务单元中。
  • 分配系统(Distribution System,DS)。分配系统用于连结不同的基本服务单元。逻辑上,分配系统使用的媒介(Medium)和基本服务单元使用的媒介完全不同,尽管物理上它们可能会是同一个媒介,例如同一个无线频段。
  • 存取点(Access Point,AP)。存取点即有普通站点的身分,又有连接到分配系统的功能。
  • 扩充服务单元(Extended Service Set,ESS)。由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上,并非物理上。不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。分配系统也可以使用各种各样的技术。
  • 关口(Portal)。也是一个逻辑成分,用于将无线区域网路和有线区域网路或其它网路联络起来。

这里有3种媒介,站点使用的无线媒介,分配系统使用的媒介,以及和无线区域网路整合一起的其它区域网路使用的媒介。物理上它们可能互相重叠。IEEE 802.11只负责在站点使用的无线的媒介上的定位(Addressing)。分配系统和其它区域网路的定位不属无线区域网路的范围。

IEEE802.11没有具体定义分配系统,只是定义了分配系统应该提供的服务(Service)。整个无线区域网路定义了9种服务:

  • 5种服务属于分配系统的任务,分别为,连接(Association)、结束连接(Diassociation)、分配(Distribution)、整合(Integration)、再连接(Reassociation)。
  • 4种服务属于站点的任务,分别为,授权(Authentication)、结束授权(Deauthentication)、隐私(Privacy)、MAC资料传输(MSDU delivery)。

运作原理

Wi-Fi的设定至少需要一个存取点(Access Point,AP)和一个或一个以上的客户端使用者(client)。无线AP每100ms都会将SSID(Service Set Identifier)经由beacons(讯号台)封包广播一次,beacons封包的传输速率是1 Mbit/s,并且长度相当的短,所以这个广播动作对网路效能的影响不大。因此Wi-Fi规定其最低传输速率为1 Mbit/s,以确保所有的Wi-Fi client端都能收到这个SSID广播封包,client可以借此决定是否要和这一个SSID的AP连线。使用者可以设定要连线到哪一个SSID。Wi-Fi系统开放对客户端的连接并支援漫游,这就是Wi-Fi的好处。但亦意味着,一个无线配接器有可能在效能上优于其他的配接器。由于Wi-Fi通过空气传送讯号,所以和非交换乙太网路路有相同的特点。

近两年,出现一种WIFI over cable的新方案。此方案属于EOC(ethernet over cable)中的一种技术。通过将2.4G wifi射频降频后在cable中传输。此种方案已经在中国小范围内测试商用。

读音争议

2012年11月6日,《山东商报》参照山东外事职业大学商务英语教研室主任温颜的说法称:「Wi-Fi的发音从语法角度来说,应该为『微费』,因为「这个词是由『wireless』(无线电)和『fidelity』(保真度)这两个英语单词组成,但是发音又不能按照这个词的发音来,因为『Wi-Fi』是一个合成词,应该按照一个单词的语法来发音。这个词中有两个元音字母『i』,所以应该发短音,故从语法角度讲,发音应是『微费』」。这种说法一时在中国大陆网路上引起了很大争议,有网友参照牛津字典中的/ˈwaɪ faɪ/音标和美剧《生活大爆炸》的相关片段来质疑。但也有网友称法国小罗伯特词典(Le Petit Robert)中Wi-Fi一词法语发音的音标是/wifi/[34],发音接近汉语的「微费」[35]

参考文献

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参见

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