您的位置首页  网络科技  无线网络

WiFi的起源诞生与发展

WiFi的起源诞生与发展

  本来这一节打算开始讨论802.11e的内容,因为从无线局域网诞生到成型,尤其是演进的过程中,一个重要的起步点就是802.11e,很多在802.11n,802.11ac,802.11ah之中所引入的内容,实际上在802.11e中都可以发现其的引导,更一般而言,先行的802.11的MAC层协议基本都是按照802.11e中的EDCF,而不是传统的DCF。

  然而,如果直接从802.11e开始谈及802.11协议的演进也有点冲突,因为从协议开始之初,或者说协议开始之前,实际上就一直处于演进的过程。所以本文就笔者个人所了解的部分,梳理下无线局域网协议WLAN的大致演进过程。

  Wi-Fi是一种WLAN(Wireless LAN)协议,即无线局域网协议。其历史或者说网络协议中的多址接入协议的历史都可以追述到1971年的ALOHAnet。

  按照Wiki的说法,ALOHAnet是由诺曼·艾布拉姆森(Norman Manuel Abramson)带领团队在夏威夷大学构造的一个无线网络。由于岛屿之间不易布置有线链路,如果布置的话,其成本也会很高。故诺曼就希望采用相对成本比较低廉的无线设备,构造一个以Oahu岛为中心和其他夏威夷岛屿通信的无线bps的速率发送成功。.该网络所设计出的通信协议,如今就被称为Aloha协议(更准确的说是pure-Aloha)。

  Aloha协议的思想如下:“一个aloha节点只要有数据的话,该节点就可以立即发送。当该节点数据发送完之后,其需要等待接收方反馈的ACK。若成功接收到ACK之后,那么这一次传输成功。如果没有收到ACK的话,那么这一次传输失败。该aloha节点会认为网络中还存在另外一个aloha节点也在发送数据,所以造成接收方发生了冲突。最后这些冲突的节点会随机选择一个时间进行回退(backoff),以避免下一次冲突。若冲突节点回退完成,其才可以重新进行发送。

  Aloha协议是首次讨论以共享介质进行传输的网络协议,这种共享介质的传输模式也就是最早局域网的雏形,也可以称之为多址接入模式。有线网络中的CSMA/CD,无线网络的CSMA/CA等等都是基于其思想优化而来。诺曼·艾布拉姆森主导提出了该协议,并且在此之后也对协议进行了理论分析以及改进,其也在2007年获得了“IEEE’s Alexander Graham Bell Medal”奖项。

  在ALOHAnet诞生2年后,参考[3],1973年5月22日,美国加州施乐帕洛阿尔托研究中心的罗伯特·鲍勃·梅特卡夫(Rebert “Bob” Metcalf)构建了一个新的网络系统,该系统将一批名为施乐阿尔托的计算机连接起来,构建了一个高速局域网(LAN)。起初梅特卡夫将改网络命名为“Alto Aloha Network”,可见该网络也是源于ALOHAnet,后来梅特卡夫将其更名为“Ethernet”。Ether指的为“以太”,是曾经被电磁波传播的载体,根据[3]所言,梅特卡夫当初将其命名为以太网(Ethernet)就想指明其本质,即这是一种通过物理介质传播的网络。

  CSMA/CD协议的思想如下:“节点发送数据之前需要持续信道,一旦节点发现信道空闲,则立刻发送数据。在发送数据的同时,节点持续信道,探测 是否有别的节点也在该时刻发送数据。

  若传输过程中没有检测到别的节点的传输,那么成功传输。在成功传输后,节点需要等待帧间间隔IFG(interframe gap)时间后,可以进行下一次传输。

  若在传输过程中,探测到别的节点也在传输,那么则检测到冲突。发生冲突后,节点立刻停止当前的传输,并且发送特定的干扰序列(JAM序列),用以加强该次冲突(用以保证其余所有节点都检测到该次冲突),在JAM序列发送完之后,节点随机选择一个时间倒数进行backoff。当backoff完成之后,节点可以尝试再次重传”。

  1980年时由梅特卡夫发起将Ethernet构建成一个标准进行发布,即DIX协议。DIX名字分别包含了美国DEC公司,Intel公司以及施乐(Xerox)。DIX在梅特卡夫的主导下,其从一开始就就秉承着开放。DIX协议任何人都可以复制和使用,也因为此,Ethernet迅速成为了世界上首个开放,面向多供应商的局域网标准。梅特卡夫同时也是3COM公司的创始人。

  PS:DIX协议目前比较难找到电子版,笔者所搜索到的资源如下《 DIX网络协议(包含V1和V2) 》:。

  IEEE 802委员会所颁布的标准体系比较完善,其设置了多个不同的Group,用来指定不同场景下对应的协议。Ethernet对应的802.3,Token Rings是802.5,在1985~1986年间,这些协议被相继颁布。

  我们现在要讨论的主题,也就是无线局域网的Wi-Fi协议,也就是这个委员会下属第十一个Group所指定的具体协议了(即IEEE 802.11),在每一个Group下还有不同的Task Group(比如802.11a/b/g/n/ac/ax等等)。

  从上图中,我们还可以看到,随着时间的发展,网络产业的收入和相应的产品数目都一直处于稳步上升趋势。以上我们都是讨论无线局域网协议的起源,下面我们就要正式讨论下Wi-Fi协议的诞生了。

  PS:在网络发展中,无线通信不仅仅是无线局域网这一条发展脉络,其最主要还是通信网络。不过由于本文仅仅是讨论无线局域网,对于通信网络的发展,笔者涉猎有限,所以不进行展开。

  民用网络的发展往往首先要通过政策许可这一关,在网络发展的起源地美国,其政策指的即是美国联邦通信委员会 (US Federal Communications Commission,FCC) 所派发的牌照(即无线电频段的使用许可)。考虑到避免干扰雷达所使用的无线年,FCC颁发了为工业(industrial)、科学(scientific)和医疗(medical)行业颁发了ISM牌照,这一次的频段许可开放了900MHz,2.4GHz,和5.8GHz这三个频段,当时仅仅允许节点采用扩频技术(spread-spectrum)来进行通信。

  在ISM频段之前,无线通信,比如无线电广播以及电视广播都是采用专用的频段,这可以避免一些有害的无线电干扰。而ISM频段之所以选择这些频段,是对于主要业务不重要,同时也是容易受到无线电干扰的频段,比如微波炉也是工作在2.4GHz频段,所以ISM的频段范围都是被业界视为一些“垃圾频段(garbage bands)”。

  不过,无论如何,FCC开放了ISM频段,无线局域网才能得以发展。也正是因为ISM所存在的一些问题,才会影响无线局域网中一些具体协议机制的设计。不过如果展开讨论,为什么当时FCC要开放ISM频段,以及其限定为扩频传输(spread-spectrum),也是有产业界争取的结果,这也可以追述到1980年MITRE公司的一份可行性报告,其内容与FCC颁布的结果也是很对应的。

  PS:坊间也经常称海蒂·拉玛为Wi-Fi之母,也是由于FCC在ISM频段只允许扩频通信,从而Wi-Fi的原型设计就是基于扩频的。海蒂·拉玛更一般说来应该是扩频技术(实际上是扩频技术中的跳频技术,其根据钢琴或者说自动钢琴想到的灵感)的创造者,所以从这个意义上也是可以算说的通的。

  在ISM频段开放之后,很快无线局域网就出现了第一个产品WaveLAN。WaveLAN是由Vic Hayes于1987~1988年设计的第一个无线局域网产品。当时替NCR Corporation工作的Vic Hayes为了构建一个无线收银系统(Cashier Systems),并参考了之前的Ethernet和Token Ring网络的思想构建了最初始的无线局域网WaveLAN,该设计是一个Ad-Hoc网络,同时,该设计也往往被认为是Wi-Fi设计的原型,即可以认为,从这个一个时刻开始,Wi-Fi的发展逐渐拉开序幕。

  在1989年时,NCR带头在IEEE 802组织下,开始打算构建一个无线局域网的专用协议。根据[1]中所言,实际上1987年开始设计WaveLAN之初,当时其思路为:基于OSI网络七层架构,仅仅修改与无线接入媒介有关的层面,即PHY和MAC层。

  MAC层初始设计时就存在两种声音,一种是由IBM所代表的中心式控制(Merits of Central),一种是由NCR代表(包含NCR/Symbol Technologies/Xircom)所代表的分布式控制(Distributed Control Architecture)。最终是由NCR所代表的分布式控制思路获得初步的胜利。从笔者的角度而言,这也是后来在Wi-Fi协议,始终存在分布式(DCF,EDCA)和中心式(PCF,HCCA)兼容设计的开始。

  PHY的初始设计中包含两种可能的扩频方式,跳频(Frequency Hopping)和直序扩频(Direct Sequence)。这也是由于FCC一开始发放的ISM牌照,其仅仅允许扩频通信的方案存在。在协议设计之初,团队就无法在两者中仅仅取决一种,所以在初始协议最终颁布时,两种物理层扩频方案都是被支持的。

  同年,NCR也正式出品的第一个WaveLAN的产品,如上图,这是第一个为台式电脑提供WaveLAN功能的网卡,其工作在915MHz频段,能够提供2Mbps的传输速率。

  起初的WaveLAN是为了Ad-hoc的自组织网络结构所设计的,主要是构建一个无线通信的链路。而当前我们家庭中所广泛存在的无线路由器概念,其是在WaveLAN诞生之后诞生的。虽然[1]中没有提及,但是据WiKi所记录,这种热点(Hotspot)接入的概念是在1993年由Henrik Sjödin所提出来的,[1]中所述其概念可以追述到1993年,但是同时期也有很多人提出这样的概念。

  而且据[1]所述,一开始所提出的Hotspot这个概念更直接应该被称为WISP,即Wireless ISP。ISP(Internet Service Provider)即网络运营商,所以初始设想就是通过无线网络协议,即类似WaveLAN这样的一个网络协议,在ISM许可范围内,自己构建一个小基站(也就对应Hotspot),通过这个小基站可以和ISP网络进行直连。这一点更直接而言,就是当下无线局域网基础架构的雏形,该Hotspot跟我们当下所讨论的Hotspot还是存在一些区别的,当下的Hotspot更强调是一共为公共区域提供网络服务的热点业务,而最初Hotspot就是我们当前无线局域网基础架构模式,即存在一个无线AP(即简单理解就是无线家用路由),然后通过其连接入公网的架构。

  Hotspot的概念也是Wi-Fi协议能够成功的关键因素之一,其是Wi-Fi在商业应用中最重要的组成部分之一。Hotspot的需求也大大推进了Wi-Fi协议的发展,其中的漫游(Roaming),安全(Security),多AP扩展的ESS模式也都是由此发展而来。

  同年,AT&T于梅隆大学部署了第一个大型的WaveLAN网络,这是对于无线局域网在大范围传输内部署的第一次重要尝试。

  鉴于大型的WaveLAN网络成功部署之后,1994年时由Alex Hill博士带头,在梅隆大学正式启动了“Wireless Andrew”的一个无线基础设施项目。该项目意在让学生在校园环境中,可以将移动设备通过WaveLAN接入网络,让学生可以在任意地点进行学习,这在早期也称为“移动学习”这一概念,该项目获得了很大的成功,也同时证明了无线网络接入的优越性。

  前面我们所述都是WaveLAN,而目前我们称之无线网络都称之为Wi-Fi,如果用中文解释Wi-Fi的意思就是无线的高保真网络。如何真正在无线网络环境下做到高保真,有效的传输数据,使其跟接近我们如今Wi-Fi的使用需求。一般认为是在1996年时,由位于澳洲的CSIRO的John OSullivan领导的一个小组完成这样的研究(主要根据其在1996年时申请的专利US Patent Number 5,487,069)。坊间也有一些称“John OSullivan”为Wi-Fi之父,因为这一概念是从其开始提出的。Wi-Fi最初是一个完整的独立协议,其主要内容后来被IEEE 802.11接受,继而成为了802.11a的标准,实际上IEEE也就Wi-Fi协议的专利开放问题,也和澳洲政府进行过争论,Wi-Fi是存在专利费的。

  在1997年时,经过了两次循环投票,802.11协议的第一版在9月被正式通过,并在1997年12月10日正式出版(即IEEE 802.11-1997)。第一版协议包含了跳频(Frequency Hopping)和直序扩频(Direct Sequence)两种模式,跳频支持1M bps的必选速率和2M bps的可选速率,直序扩频对于1M bps和2M bps都是必选支持的。

  其实于此同时,除了IEEE 802.11协议之外,还有很多WLAN协议也在同时发展,有的是源于电话网,比如HomeRF,有的是源于ATM网络,比如HIPERLAN,其基本目的都是在ISM频段上构建一个无线通信网络。

  虽然我们现在很多人都将WLAN,Wi-Fi和IEEE 802.11视为同一个概念,而实际上这几个含义还是存在区别的。WLAN是更大的一个概念,其包含了Wi-Fi,或者说IEEE 802.11协议,也包含了HomeRF以及HIPERLAN协议。而其余的一些协议,当下也因为各种各样的原因,成为了历史的一部分,当前WLAN的协议基本我们就可以等价认同为Wi-Fi协议了。

  通过上图中,我们对于Wi-Fi的起源和诞生做一个总结,我们可以明显的发现,Wi-Fi的诞生实际上是有一个较长时间的积淀的,也在不断地扩展其自身的功能,直到2001年开始,一旦存在了业务的需求,其就从一个技术积累转变为一个工程产业了,从而下面我们就正式讨论下Wi-Fi协议的迅速发展过程了。

  Hedy Lamarr:很多媒介将其称为“Wi-Fi”之母,其主要是在钢琴实践中,创造了最初“跳频通信”的传输方式。跳频是一种扩频通信的基本方式。在1985年FCC开放ISM频段,并需求学界设计无线通信协议的时候,也限定一定要采用扩频通信的方式。所以Hedy Lamarr作为“跳频之母”就转变成了“Wi-Fi”之母。

  Vic Hayes:Hayes是学界和产业界比较公认的“Wi-Fi”之父,其打造了第一代的WaveLAN实践平台,并且积极促进并主导了IEEE 802.11委员会和最初802.11以及802.11a/b/g协议的构建,对Wi-Fi的整体发展做出了很大的贡献。

  John osullivan: John经常被澳洲媒介称为“Wi-Fi”之父,实际上这个也是有道理的。 相比与Hayes,前者对于无线局域网通信更注重一些,后者John更主要在于提出“Wi-Fi”这一个概念,也就是高保真这一概念,并也实现了基于“Wi-Fi”概念的完整设计,从这个角度而言,也可以称其为“Wi-Fi”之父。

  由于IEEE 802.11协议的正式颁布,以及前期无线网络技术的逐渐成型。在1998年开始,一家名为MobileSTAR的公司开始正式提供商业级别的无线局域网服务。其一开始的业务主要集中在机场,酒店以及咖啡厅。在2001年时候,Starbucks选择MobileSTAR做为其无线网络的服务商,随着商业模式的Wi-Fi Hotspot成功运营,Wi-Fi技术的技术研究与发展开始进入快速成长期。

  在1999年时,Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)正式成立,实际上这个时期还不叫Wi-Fi联盟这个名字,其一开始的称呼为WECA(Wireless Ethernet Compatibility Alliance),其翻译过来就是无线以太网兼容性联盟。这是由工业届发起的非盈利团体,IEEE的协议偏重于理论设计,然而,真实生产环境下,所需要解决的一个关键问题就是不同厂家的互兼容性,产品测试之类,WECA联盟就是基于这个目的成立的,WECA早期集中于IEEE 802.11中的直序扩频(DSSS技术)。在2002年时,WECA正式更名为Wi-Fi联盟。

  我们简单解释下直序扩频(DSSS)模式。直序扩频中有一个概念叫做扩频序列(如上图第二行Barker Sequence)。

  在802.11中采用的Barker和CCK两种扩频编码机制,以及相应的匹配解码机制,能够以较低的复杂度抵抗噪声和多径效应。802.11b中所设计的传输模式,目前仍然是Wi-Fi中传输覆盖范围最远的方式。

  在1999年时,实际上也是HomeRF技术和802.11b技术白热竞争的时期,HomeRF采用跳频技术,802.11b集中于直序扩频技术。虽然最初的IEEE 802.11 1997规定了跳频和直序扩频两种模式,不过后来802.11以及大部分当时从事无线技术的公司更专注于实现简单直接的DSSS方式,也是因为这个原因,802.11在与HomeRF的竞争中获得了优势。

  实际上大家开始接触Wi-Fi很多也是从802.11b开始的,802.11b是802.11协议中第一个里程碑,早期的带Wi-Fi功能的笔记本,或者PSP游戏机,其所带的无线b协议是无线网络发展中的很重要的一步。

  一年以后,另外一个802.11的版本,802.11a也正式通过。不过802.11a可以算是一个生不逢时的版本,802.11a在其时代并没有获得802.11b那样的成功。

  802.11a引入了一种新的物理层技术OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。OFDM技术是于20世纪60年代就提出的,但是当时其核心算法FFT复杂度较高,随着集成电路技术的发展,到90年代时OFDM技术开始通信工程具体采用。相比扩频技术,OFDM技术有更高的频谱利用率。如上图所示,OFDM是通过时频关系的映射,将多个数字信号搭载到多个频域子载波上(如上图所示),然后通过IFFT合成,将这些数字信号一次性发送出去。通过OFDM,能够获得更高的频谱利用率,提高传输速率。对于OFDM的细节,我们也会在以后进行展开,这里就不详细展开了。

  802.11a当时没有受到很好的效果,主要还是频段的问题。因为当时FCC仅在5GHz频段上开放了OFDM技术,据《Next Generation Wireless LANs.802.11n and 802.11ac》一书所言,在1999~2000年间,美国非军事使用的5G频段仅仅只有几个指定的信道。而且由于802.11a和802.11b所在频段不同,所以新出的设备要同时兼容802.11b和802.11a就会造成成本增加,所以实际802.11a的实际应用很少。

  802.11g和802.11a协议在整体上是一致的,更一般而言,802.11g是将802.11a搬到2.4GHz频段上,并加上了一些协议兼容性的设计。

  802.11g协议的物理层叫做增强速率物理层(Extended Rate Phy,ERP),其为了与之前802.11b协议的兼容性,提供了5种工作模式:ERP-DSSS、ERP-CCK、ERP-OFDM、DSSS-OFDM和ERP-PBCC。802.11g是802.11协议中第二个里程碑,有关其协议的细节内容在我们之前的文章有部分提及,另外部分的内容,之后我们再进行专题总结。

  鉴于802.11a协议中,可用信道很少的问题,在2003年时,在世界无线电通信大会上,由欧洲的无线MHz的可用频段,用以给HIPERLAN有关的协议使用。这为Wi-Fi协议重新在5GHz频段上发展,提供了很大的资源空间,在5GHz频段上所增加的这个455MHz的ISM频段,日后成为802.11ac协议所使用的重要信道资源。

  同年,CALYPSO出品了一款可以基于Wi-Fi语音通信的手机,这为Wi-Fi的商业应用发展提供了更多的可能性。

  在2004年时,由于传统Wi-Fi的发展都在于其PHY层和MAC层的性能上,协议的安全性并没有得到很好的保证。故在04年时,专门针对Wi-Fi安全的协议标准802.11i正式颁布,实际上,这个时期也有一个中国尝试发起的协议WAPI,也是针对该问题而言的。

  在2005年时,802.11MAC的重要改良802.11e协议正式通过。802.11e协议提供了很多对于传统802.11协议网络性能改良的具体方法,比如MAC接入机制引入了EDCA/HCCA,TXOP,Block ACK等等。我们当下所使用的MAC协议以及协议目前的主要版本(比如IEEE 802.11 2007/2012/2016)之类,其MAC层都是直接基于802.11e中所规定的形式而来。之后我们会对802.11e的内容详加讨论。

  在2005年的时候,1亿个Wi-Fi芯片已经出产,无线局域网的发展已经初具规模,正式开始迈入繁荣期,于此同时,通信网络也开始迈向3G网络进行发展。

  在2009年时,Wi-Fi发展的第三个里程碑,802.11n协议正式通过。一般来说,产品发展会比标准化工作之后,很多产品都是标准公布之后才上市。实际上从802.11n协议开始,在协议通过之前,从2003年开始,各个厂家就基于为最终确认的草案,争先恐后的退出带有802.11n头衔的产品抢占市场,其中大部分产品都无法很好的最终标准兼容。在2007年时,802.11n草案演进为了802.11n 2.0版本草案,到2009年时,其3.0版本的草案最终被作为协议正式通过。在802.11n协议讨论时,实际上也出现了两个主要的提案阵营,TGn Sync(主要包含Intel,Cisco,Agere和Sony)和WWiSE(主要包含Broadcom,Conexant和Texas Instrument)。在投票过程中,TGn Sync一度占据优势,不过协议最终没有通过。直到最后,两个阵营中,Intel和Broadcom综合两个阵营彼此坚持的观点,组建了一个新的阵营增强无线联盟(Enhanced Wireless Consortuim,EWC),从而打破了之前僵局,在经过了多次修订草案后,最终2009年3月,协议得到批准。

  相比之前的Wi-Fi技术,802.11n的核心技术概念是MIMO。之前的无线通信我们都是单天线的传输系统,在MIMO的设计上,我们可以通过多根天线,并行传输多个不同数据(如上图,同时传输x1,x2两个信号至RX端),从而提高传输速率,提供更高的系统带宽。

  同年,在Wi-Fi协议高速发展的同时,IEEE另外一个委员会IEEE 802.16也推出了一个新的W-WAN协议,WiMAX。WiMAX与Wi-Fi不同,其注重更远覆盖范围的无线网络接入。

  实际上在网络发展中,各个不同源头的技术实际上也是时有交互(如上图)。然而是否成功,还是要根据市场和时机的检验,好比Wi-Fi虽然获得了比较大的成功,而WiMAX则没有被广泛采用。

  2009年时期,另外一件关注的事情就是CSIRO有关Wi-Fi技术的专利纠纷,该纠纷最终以CSIRO获取2亿的赔偿结束。

  在2010年时候,在时任美国总统奥巴马的支持下,FCC同意在未来增加500MHz新频段用以无线MHz是分散在多个不同的频段下,具体是根据具体的功能需求进行的设定。

  在802.11ac时期后,大众已经对于Wi-Fi技术已经熟悉很多,也有越来越多人需求并从事无线年时,Wi-Fi的第四个里程碑802.11ac技术正式通过,802.11ac的关键词是MU-MIMO。

  如上图所示,传统的单波束网络,同一个时刻只能有一个设备进行发送(如左图蓝色区域,一个时刻只能有一个人发送)。而MU-MIMO技术下,通过波束的细化,如右图蓝色部分,路由器发送两个波束,分别对准笔记本和手机,从而达到同时传输的目的。在802.11ac中,只存在下行MU-MIMO,上行不支持。对于802.11ac技术其他技术内容,我们这里就先不进行展开了。

  在2014年时,第一个802.11ac路由器进行了发布。802.11ac的协议指定过程中,也是存在产品先行的现象,所以在当下802.11ac的产品中,也存在wave 1和wave 2的区别。

  到当下,Wi-Fi发展已经成为了一个新型的无线生态圈,其功能已经不仅仅局限于标准互联网数据的传输。根据其不同的工作场景和不同的需要,其存在不同的协议版本。

  Wi-Fi作为一个经过了46年发展的成熟技术,其还在不停的发展中,我们也无法单纯的去分析某一个具体的场景,判断其的发展趋势和价值。对于Wi-Fi协议的将来,应该还是挺好的,以上的讨论主要还是追述一个Wi-Fi发展至今的历史,希望能给大家一个借鉴的作用。

  基于改进的Transformer加Anchor-free网络的多目标跟踪算法 文章推荐 刘冠军:硅基与石墨烯基谐振式压力传感器研究进展 文章推荐 蒋超:基于图像的无人机战场态势感知技术综述

免责声明:本站所有信息均搜集自互联网,并不代表本站观点,本站不对其真实合法性负责。如有信息侵犯了您的权益,请告知,本站将立刻处理。联系QQ:1640731186
  • 标签:无线网络技术课件
  • 编辑:刘卓
  • 相关文章
TAGS标签更多>>