WLAN笔记（三）
这篇笔记梳理 802.11 系列协议的演进过程，以及 802.11n/ac 用到的关键技术。由于 WLAN 的通信媒介是射频，和有线介质在物理特性上差异很大，所以 802.11 主要定义的是物理层（PHY）和 MAC 层。
注（2026 年补充）：本文写于 2019 年，协议梳理止于 802.11ac（Wi-Fi 5）。此后的主线是 802.11ax（Wi-Fi 6，2019 年认证）、Wi-Fi 6E（扩展 6 GHz 频段）和 802.11be（Wi-Fi 7，2024 年认证，支持 320 MHz 信道与 MLO 多链路聚合）。
一、802.11 标准协议演进
20 世纪 90 年代初，为满足人们对 WLAN 日益增长的需求，IEEE 成立了专门的 802.11 工作组，研究和制定 WLAN 标准协议。1997 年 6 月，第一代 WLAN 协议 IEEE 802.11-1997 发布，定义了物理层工作在 ISM 2.4 GHz 频段，数据传输速率设计为 2 Mbps。由于该协议在速率和传输距离上无法满足实际需求，因此未被大规模使用。
随后，IEEE 在 1999 年推出了 802.11a 和 802.11b：
- 802.11a：工作在 5 GHz ISM 频段，采用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用） 技术，能有效降低多径衰减影响并提高频谱利用率，物理层速率可达 54 Mbps。
- 802.11b：继续工作在 2.4 GHz 频段，在技术层面进行了改进，速率提升至 11 Mbps。
OFDM 是一种多载波调制技术，将指定信道分成若干子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输，从而有效提高信道频谱利用率。
虽然 802.11a 速率更高，但当时 5 GHz 芯片研发较慢，待芯片推出时 802.11b 已被广泛应用。加上 802.11a 不能兼容 802.11b，以及 5 GHz 芯片价格较高和地方法规限制等原因，802.11a 并未被广泛采用。
2000 年初，IEEE 802.11g 工作组开始开发一项既能提供 54 Mbps 速率，又能向下兼容 802.11b 的标准。2001 年 11 月提出第一个 802.11g 草案，2003 年正式成为标准。802.11g 兼容 802.11b，继续使用 2.4 GHz 频段，并借鉴 802.11a 的 OFDM 技术，在 2.4 GHz 频段实现了 54 Mbps 的物理层速率。
注：在 1999 年讨论 802.11b 时，OFDM 技术确实曾被提出应用，但美国联邦通信委员会（FCC）当时禁止在 2.4 GHz 频段使用 OFDM。该禁令直到 2001 年 5 月才被撤销，随后采用 OFDM 技术的 802.11g 草案于半年后顺利出台。
进入 2000 年代后，54 Mbps 的速率已难以满足用户需求。2002 年，IEEE 802.11 任务组 N（TGn，Task Group n）成立，目标是研究更快的 WLAN 技术，速率目标为 100 Mbps。由于标准制定过程中存在争议，802.11n 直到 2009 年 9 月才被正式批准。在这 7 年间，802.11n 的速率从最初设计的 100 Mbps 完善到最高 600 Mbps，采用 2.4 GHz / 5 GHz 双频工作模式，并兼容 802.11a/b/g。
802.11n 刚刚尘埃落定，IEEE 便启动了下一代标准 802.11ac 的制定工作。2013 年，802.11ac 正式发布，工作在 5 GHz 频段，向后兼容 802.11n 和 802.11a。802.11ac 沿用了 802.11n 的诸多技术并做了改进，Wave 1（3 空间流、80 MHz 信道）物理层速率可达 1.3 Gbps，Wave 2 的理论上限约 6.9 Gbps。
| 协议 | 发布时间 | 频段 | 最高物理层速率 | 关键技术 | 兼容性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 802.11-1997 | 1997 | 2.4 GHz | 2 Mbps | DSSS / FHSS | — |
| 802.11b | 1999 | 2.4 GHz | 11 Mbps | DSSS / CCK | 兼容 802.11-1997 |
| 802.11a | 1999 | 5 GHz | 54 Mbps | OFDM | 不兼容 802.11b |
| 802.11g | 2003 | 2.4 GHz | 54 Mbps | OFDM | 兼容 802.11b |
| 802.11n | 2009 | 2.4 / 5 GHz | 600 Mbps | OFDM、MIMO、信道绑定、A-MPDU | 兼容 802.11a/b/g |
| 802.11ac | 2013 | 5 GHz | 1.3 Gbps（Wave 1） | 更宽信道、更多空间流、MU-MIMO、A-MPDU/A-MSDU | 兼容 802.11n/a |
二、802.11n 关键技术
802.11n 相比之前的标准，主要优势包括：更多子载波、更高编码率、更短 GI（Guard Interval）、更宽信道、更多空间流以及 MAC 层报文聚合。802.11ac 在这些技术基础上进一步做了增强。
1. 更多的子载波
802.11n 比 802.11a/g 多了 4 个有效子载波。用户无需额外配置，只要使用 802.11n 通信即可获得此项优势。更多的子载波使理论速率进一步提升。
2. 更高的编码率
WLAN 使用射频传输数据时，除了用户有效数据外，还需附加 FEC（Forward Error Correction，前向纠错码）。当有效数据在传输过程中因衰减、干扰等因素导致错误时，可通过纠错码还原数据。802.11n 将编码率从 3/4 提高到 5/6，即有效信息位占总码位的比例更高，此项改进使 802.11n 速率提升约 11%。
3. 更短的 GI（Guard Interval）
使用 802.11a/b/g 发送数据时，为保证数据帧之间不互相干扰，需在数据之间保留 800 ns 的时间间隔，称为 GI（Guard Interval，保护间隔）。802.11n 默认仍使用 800 ns GI，但在空间环境较好、多径效应较弱时，可将其缩短为 400 ns。更短的 GI 可将吞吐量提高约 10%。
注：并非所有环境都适合配置 Short GI。在复杂的空间环境中，射频遇到障碍物可能产生反射，形成多径效应。合理的 GI 长度能够避免数据帧间干扰；若 GI 过短，反而会降低链路效率。
4. 更宽的信道
802.11n 支持将相邻两个 20 MHz 信道绑定成一个 40 MHz 信道，信道更宽，传输能力更强，可带来约 2 倍速率提升。
5. 更多的空间流
802.11a/b/g 的 AP 与客户端通常采用单天线、单空间流的 SISO（Single Input Single Output） 方式传输数据。802.11n 支持最大 4 个空间流的 MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出） 方式；802.11ac 进一步支持最大 8×8 MIMO。华为多款 AP 均支持 MIMO，例如 AP5130、AP7110、AP5030 支持 3×3 MIMO，AP3010、AP6510、AP6610 支持 2×2 MIMO。
6. MAC 层报文聚合
802.11 MAC 层协议存在较多固定开销，尤其在两个帧之间的确认过程。在最高数据率下，这些开销甚至比实际数据帧更长。例如，802.11g 理论传输速率为 54 Mbps，实际有效吞吐往往只有约 22 Mbps，近一半速率被开销消耗。
802.11n 引入了 MPDU（MAC Protocol Data Unit）帧聚合 功能，即 A-MPDU（Aggregated MPDU）。A-MPDU 将多个 MPDU 聚合为一个物理层报文发送，只需进行一次信道竞争或退避，就能同时发送多个 MPDU，从而减少多次发送带来的信道资源消耗。在 802.11n 中，A-MPDU 汇聚帧的最大长度为 65535 字节。
802.11ac 默认支持 A-MPDU，并将最大长度扩展到 1048575 字节。此外，802.11ac 还支持 A-MSDU（Aggregated MSDU，MAC 服务数据单元聚合），进一步提高了数据传输效率。
三、Wi-Fi 与 802.11 的关系
除了 IEEE 802.11 标准协议外，WLAN 领域还有一个更常用的名词——Wi-Fi。这个名字由品牌咨询公司 Interbrand 创造，本身并不是任何词组的缩写。Wi-Fi 联盟早期用过「The Standard for Wireless Fidelity」的宣传语，所以「Wi-Fi 是无线保真（Wireless Fidelity）的缩写」的说法流传很广，但联盟后来明确表态：Wi-Fi 不代表 Wireless Fidelity。
在 802.11b 时代，为保证不同厂商产品的兼容性，1999 年一些 WLAN 设备厂商成立了 WECA（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，无线以太网兼容性联盟），后更名为 Wi-Fi 联盟。Wi-Fi 联盟建立了一套验证 802.11b 产品兼容性的测试程序，称为 Wi-Fi 认证，通过认证的产品可使用 Wi-Fi 认证标签。
后来，Wi-Fi 认证范围逐步扩展到 802.11a、802.11g、802.11n 以及 802.11ac。由于 802.11n 标准化进程漫长，而市场需求迫切，Wi-Fi 联盟曾以 802.11n 2.0 版草案作为产品认证依据，在 802.11n 标准正式发布之前就已经认证了数百个 802.11n 产品。
四、小结
- IEEE 802.11 协议定义了 WLAN 的物理层与 MAC 层。
- 802.11 协议经历了从 802.11-1997 到 802.11a/b/g/n/ac 的演进，速率从 2 Mbps 提升到 1.3 Gbps。
- 802.11n 的核心增强包括 OFDM、MIMO、信道绑定、Short GI、A-MPDU 等。
- 802.11ac 在 5 GHz 频段继续扩展信道宽度、空间流数量与聚合帧长度。
- IEEE 负责制定标准，Wi-Fi 联盟负责设备兼容性与互操作认证。
