Wi-Fi物理层概论

Wi-Fi PHY

20150914：我请deepseek老师帮我列了个大纲，我看了一下还蛮全的，可以按图施工

我是个无线系统工程师，我想写一篇“wifi物理层综述”的技术文档给自己看，内容除了各种调制、信道、速率，还可以包括什么

当然可以。作为无线系统工程师，您需要的技术文档不仅要全面，更要深入，并且要包含系统设计时需要考虑的工程实践要点。一份优秀的Wi-Fi物理层综述应该是一个快速参考指南和设计备忘录。

以下是建议的内容大纲，除了您提到的调制、信道、速率，还包含了协议演进、核心机制、性能因素和未来趋势，非常适合您作为技术文档留存。

Wi-Fi物理层（PHY）技术综述 - 工程师参考手册

文档版本： 1.0 作者： [您的名字] 日期： [当前日期] 目的： 本文档旨在系统性地总结Wi-Fi物理层关键技术、协议演进及设计考量，作为系统设计、性能分析和故障排查的快速参考。

1. 引言 & 演进路线图 (The Big Picture)

1.1 核心价值： PHY层负责将MAC层的MPDU（MAC Protocol Data Unit）通过射频信号在空口传输，解决“如何传”的问题（编码、调制、发射、接收、解调、解码）。
1.2 协议标准演进脉络：
- 802.11 (1997): FHSS, DSSS (2 Mbps)
- 802.11b (1999): HR-DSSS (11 Mbps)， 2.4GHz
- 802.11a (1999): OFDM (54 Mbps)， 5GHz
- 802.11g (2003): OFDM (54 Mbps)， 2.4GHz (兼容11b)
- 802.11n (Wi-Fi 4, 2009): MIMO-OFDM, 40MHz信道，帧聚合 (600 Mbps)
- 802.11ac (Wi-Fi 5, 2013): 下行MU-MIMO, 80/160MHz信道， 256-QAM (仅5GHz， ~3.5 Gbps)
- 802.11ax (Wi-Fi 6/6E, 2019/2020): OFDMA, 上行MU-MIMO, 1024-QAM, BSS Coloring, Target Wake Time (TWT)。 新增6GHz频段。
- 802.11be (Wi-Fi 7, 即将发布): 320MHz信道， Multi-Link Operation (MLO), 4096-QAM, Multi-RU, 增强版MU-MIMO。

2. 核心技术与机制 (Beyond Modulation & Coding)

2.1 多载波调制：OFDM & OFDMA
- OFDM (正交频分复用): 将宽信道划分为大量正交的窄子载波，有效对抗多径衰落，是11a/g/n/ac/ax的基石。
  - 关键参数： FFT大小（决定子载波数量，如64, 256, 1024, 2048）、子载波间隔、循环前缀（CP）。
- OFDMA (正交频分多址接入): Wi-Fi 6引入，将OFDM的子载波集（称为资源单元RU）分配给不同用户，实现多用户并行传输，提升频谱效率和降低延迟。
2.2 多天线技术：MIMO & Beamforming
- SU-MIMO (单用户MIMO): 在单一传输时间，一个AP与一个STA之间通过多个空间流（Spatial Streams）并行传输数据，线性提升速率。
- MU-MIMO (多用户MIMO): 在单一传输时间，一个AP同时与多个STA通信（11ac为下行，11ax增加上行）。核心是预编码（Precoding） 和波束成形（Beamforming），通过调整天线相位和幅度，将能量聚焦指向目标用户。
- 空间复用、空间分集、波束成形 的区别与联系。
2.3 信道编码与纠错
- 卷积码（Convolutional Code, CC）: 用于早期标准，被LDPC取代。
- LDPC (低密度奇偶校验码): 从11n开始引入，提供接近香农极限的编码增益，性能优于卷积码，但处理延迟稍大。
- BCC (二进制卷积码): 传统编码，仍作为可选方案存在。
2.4 前导码（Preamble）与帧结构
- 作用： 同步、信道估计、自动增益控制（AGC）、信号字段（SIGNAL field）解码。
- 演进：
  - Legacy Preamble (L-STF, L-LTF, L-SIG): 用于向后兼容。
  - HT Preamble (HT-SIG, HT-STF, HT-LTF): 11n引入。
  - VHT Preamble (VHT-SIG-A/B, VHT-STF, VHT-LTF): 11ac引入。
  - HE Preamble (HE-SIG-A/B, HE-STF, HE-LTF): 11ax引入。
- 理解帧结构是进行空口抓包和分析的基础。

3. 信道、频谱与射频特性 (The RF Perspective)

3.1 频段与信道规划
- 2.4 GHz ISM Band:
  - 带宽： ~83.5MHz
  - 信道宽度： 20MHz
  - 非重叠信道： 1, 6, 11 (常见规划)
  - 痛点： 拥挤，干扰多（蓝牙、微波炉等）。
- 5 GHz U-NII Bands:
  - 带宽：远超2.4GHz，包含U-NII-1, U-NII-2A, U-NII-2C, U-NII-3, U-NII-4等多个子频段。
  - 信道宽度： 20, 40, 80, 160MHz
  - DFS (动态频率选择) & TPC (传输功率控制): 在部分频段（如U-NII-2）强制要求，以避免干扰雷达等授权用户。
- 6 GHz Band (Wi-Fi 6E/7):
  - 超大带宽（高达1200MHz），提供大量连续160MHz信道。
  - AFC (自动频率协调): 确保标准功率设备不干扰已有的固定微波链接。
3.2 射频关键指标（设计/测试关注点）
- 发射端： 输出功率、EVM（误差矢量幅度）、频谱掩模（Spectrum Mask）、带外发射。
- 接收端： 接收灵敏度、邻道抑制（Adjacent Channel Rejection）、接收机最大输入电平。
- 系统链路预算： 路径损耗、衰落裕量、干扰裕量。

4. 速率计算与MCS索引 (The Data Rate Equation)

4.1 速率决定因素：
- 调制方式（BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM, 1024-QAM, 4096-QAM）
- 编码速率（Coding Rate, e.g., 1/2, 2/3, 3/4, 5/6）
- 空间流数量（Nss）
- 子载波数量（或有用数据子载波数量）
- 符号时长（Symbol Duration，包含保护间隔GI）
- 信道带宽（BW）
4.2 MCS (调制与编码策略) 表
- MCS索引是一个0-15（或更高）的数字，它唯一定义了在特定标准、带宽和空间流下的调制类型和编码速率。
- 重要性： 速率计算和链路自适应（Rate Adaptation）的核心。设备会根据信道质量（SNR）动态选择最佳的MCS索引。
- 建议： 在文档中附上11n MCS Table, 11ac VHT MCS Table, 11ax HE MCS Table的链接或截图，这是最重要的速查表。

5. 先进特性与未来方向 (Cutting-Edge & Future)

5.1 Wi-Fi 6/6E 关键特性重温：
- TWT (目标唤醒时间): 允许AP调度设备的唤醒时间，极大优化IoT设备功耗。
- BSS Coloring (空间复用染色): 在报文头中加入“颜色”标识所属BSS，帮助设备区分同信道干扰，提升密集部署性能。
5.2 Wi-Fi 7 (802.11be) 前瞻：
- 多链路操作 (MLO): 革命性特性。单个STA可在2.4G, 5G, 6G等多个频段上同时建立多条链路，实现负载均衡、无缝漫游和更低延迟。
- 320MHz信道带宽： 在6GHz频段实现，提供极致吞吐量。
- 4096-QAM： 要求极高的信噪比（SNR），短距传输速率提升。
- 多资源单元 (Multi-RU): 允许将多个RU分配给单个用户，更灵活的资源调度。

6. 系统设计考量与总结 (Engineering Takeaways)

吞吐量 vs 覆盖范围 vs 用户容量的权衡。
链路自适应（MCS选择）算法的重要性。
干扰管理： 信道规划、DFS/AFC、BSS Coloring。
功耗管理： 对于客户端设备（手机、IoT），PSM、TWT等机制至关重要。
测试验证： 吞吐量测试、漫游测试、一致性测试、干扰场景测试。

建议的文档形式： 您可以创建一个Word/Google Doc，或者使用Markdown格式保存在代码库（如Git）中，方便版本管理和随时更新。重点是将核心参数、MCS表、公式以表格形式列出，便于快速查阅。

希望这份大纲能帮助您构建一份非常有价值的个人技术文档！