IT運維: 5GHz頻段與2.4GHz頻段的Wi-Fi部署差異分析

2020-04-20 20:44 作者：admin

21世紀初，被稱為Wi-Fi的無線局域網成為一種主流技術。筆記本電腦這類計算設備開始支持IEEE 802.11b標準，這種標準的最高數據速率為11Mb/s，工作在2.4GHz頻段。在802.11b之后是802.11g，后者速率比前者快5倍，接著是802.11n，其數據速率可比有線網絡速率。今天，Wi-Fi不僅被廣泛用于計算類設備，而且被用于醫療設備，如成像系統、病人監護系統和輸液泵。
絕大多數Wi-Fi客戶端設備工作在2.4GHz頻段。在這個頻段只有三個非重疊的信道可用，因此每個Wi-Fi客戶端設備和基礎設施設備（如接入點（AP））必須工作在這三個信道中的一個信道上。當兩個工作在同一信道上的Wi-Fi客戶端設備或接入點設備相互靠得較近時，其中一個設備的發射信號將成為另一個設備的干擾或噪聲。2.4GHz頻段也是微波爐、嬰兒監視器、某些無繩電話和藍牙使用的頻段。雖然一個Wi-Fi客戶端設備只在一個信道上發射信號，但其它無線設備可能在整個頻段上造成干擾。在許多醫院，2.4GHz頻段中的無線業務幾乎達到飽和狀態。隨著Wi-Fi不斷普及，確保2.4GHz頻段上的可靠連接越來越具挑戰性。
幸運的是，還有另外一個頻段可供Wi-Fi使用，即5GHz頻段。這個頻段可以提供多得多的Wi-Fi信道（北美有23個）。由于很少有設備工作在5GHz，這個頻段要相對干凈許多。然而，5GHz頻段的Wi-Fi部署有別于2.4GHz頻段的部署。下面就討論其中的一些差異。
1.多徑
聲波碰到物體會發生反射，并以不同的時間到達目的地，結果就形成了回波。當Wi-Fi發射信號碰到物體發生反射并以不同時間到達目的地時，也會產生多徑傳播現象。多徑傳播通常會對Wi-Fi工作產生負面影響，因為傳輸信號的接收方必須篩選并排序信號的多份拷貝，因為其中一些信號的到達順序是亂的。5GHz頻段中的多徑傳播效應要比2.4GHz頻段更加顯著。
2.覆蓋范圍
覆蓋范圍是指Wi-Fi客戶端與接入點可以建立并保持連接的最大距離。因為波形特性、信號衰減、數據速率和發射功率等原因，5GHz時的覆蓋范圍一般要小于2.4GHz。
在室內，頻率和信號傳播距離之間呈反比關系——頻率越高，信號傳播的距離就越短。5GHz時的Wi-Fi使用的頻率近似于2.4GHz的Wi-Fi所用頻率的兩倍（如圖1所示）。因此，工作在2.4GHz頻段的設備的覆蓋范圍通常要比工作在5GHz頻段的設備大。 圖1： 2.4GHz和5GHz的波形。
衰減指的是一個信號被物體吸收的程度。較低頻率的無線電波滲透固體的程度通常要比較高頻率的無線電波高。5GHz電波被普通建筑材料衰減的程度就比2.4GHz要高。另一方面，2.4GHz波形是水吸收的最佳頻率。微波爐工作在2.4GHz就是因為食物中的水份很容易吸收這個頻率的微波能量并產生熱量。
較低數據速率的工作距離要比較高數據速率時遠，因此在2.4GHz時的較低數據速率也能導致更大的覆蓋范圍。工作在2.4GHz頻段的Wi-Fi無線電設備支持802.11b（包括802.11g或802.11n），而802.11b支持的數據速率要比5GHz頻段中的802.11a和802.11n標準低。
然而，802.11b的1Mb/s和2Mb/s最低速率對今天即使是最中等性能要求的網絡設備來說也是不夠的。一些醫院關閉了這些最低速率，即使它們支持更大的范圍，因為工作在如此低數據速率的連接沒有任何實際好處，還會降低802.11g設備的性能。
影響覆蓋范圍的最后一個因素是發射功率。因為5GHz時的發射功率一般要比2.4GHz時的發射功率低，因此5GHz的覆蓋范圍要小于2.4GHz。
在基礎設施中采用802.11n的優勢
通過充分利用802.11n在Wi-Fi基礎設施中的優勢，醫院可以在5GHz范圍內實現顯著的性能改進。802.11n的兩大特色功能——發射波束成形（TxBF）和最大比例合成（MRC）——實際上是利用了多徑傳播。通過使用支持多根天線的雙頻段802.11n接入點設備，醫院可以改進覆蓋圖形和所有Wi-Fi客戶端設備的覆蓋范圍，甚至是那些不支持802.11n的設備。
接入點設備利用TxBF可以在每根天線上發送信號的不同拷貝。無法接收來自某一根天線的信號的客戶端設備可以接收來自另外一根天線的信號。在沒有TxBF時，客戶端設備在接入點范圍之外;有了TxBF后，客戶端設備就可能在覆蓋范圍之內了。通過填充零區或死區，TxBF可以增加發射距離。
TxBF可以增強發射性能;MRC可以增強接收性能。借助MRC，接入點設備的每根天線都是來自客戶端設備信號的潛在接收者。當某根天線無法接收客戶端設備的發射信號而另一根天線可以時，客戶端設備就處于有效覆蓋范圍內。通過填充零區或死區，TxBF可增加接收距離。
雖然TxBF和MRC增加了覆蓋范圍，但干擾卻會減少覆蓋范圍。射頻干擾在2.4GHz頻段非常普遍，它將提高本底噪聲，降低信噪比（SNR）——發射信號和周邊干擾之差。隨著信噪比的降低，覆蓋范圍將變小。因此2.4GHz頻段中工作設備的不斷增多一定程度上抵消了這個頻段的范圍優勢。
當醫院的Wi-Fi基礎設施支持雙頻段802.11n時，5GHz時覆蓋范圍的少許減少可以由這個頻段干擾相對較少而帶來的可靠性提高來補償。由于所有802.11標準都具有速率偏移功能，當工作在距接入點設備相同的距離時，5GHz頻段的客戶端設備的工作數據速率要比2.4GHz頻段稍低一些。
機動性
當Wi-Fi客戶端設備啟動時，它必須尋找一個可以連接（關聯）的接入點設備。當它與該接入點的連接變得不穩定時，它必須找到一個能夠提供更好連接的接入點。搜索接入點的這個過程被稱為掃描。共有兩種掃描類型：
1.主動掃描
對于可能有接入點設備在上面工作的每個信道來說，客戶端設備會發送一個探測請求，然后等待接收探測響應。客戶端設備將根據探測響應判斷哪臺是它可以關聯的最佳接入點設備。
2.被動掃描
與發送探測請求不同，客戶端設備在每個信道中偵聽由接入點設備以定期間隔發送的信標幀。
接入點設備將在20ms內響應探測請求，而接入點設備可能要花100ms甚至更長時間才會發送一個信標。因為客戶端設備在每個信道上等待來自接入點的信息所花時間較少，所以主動掃描比被動掃描更加高效。
更過IT知識請關注北京IT無限科技有限公司www.bjiwx.com