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。

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