计算机网络 E01：物理层与真实无线，编码、误码、链路预算与漫游
无线网卡显示某个标称速率，不等于应用能按该速率传输。发射功率、路径损耗、噪声、调制编码、重传和共享介质都会改变结果。最先需要分开的，是理论模型、协议协商值和设备实测值。
第 01 篇建立发送与传播成本，第 05 篇讨论 Wi-Fi 共享信道。本篇手算一个 5 GHz 链路预算和 Shannon 容量上界，并说明为什么它们不能代替真实无线观测。
编码把可靠性与速率绑定
物理层把比特映射为符号，并可加入纠错冗余。更高阶调制每个符号携带更多比特，但通常要求更好的信噪比；更强编码加入更多冗余，能修复一部分错误，却降低有效码率。
误码率必须连同调制、编码、信道模型、接收机和测量区间报告。仅写“SNR 为 20 dB，所以不会丢包”没有依据。MAC 重传还会把部分物理错误隐藏在应用吞吐之后。
Shannon 公式 C = B log2(1 + S/N) 给出指定带宽和信噪比下的理想信道容量上界。它不包含 802.11 前导码、导频、保护间隔、竞争退避、聚合、重传或实现损耗，因此不能直接当作 Wi-Fi PHY 速率，更不能当作应用吞吐。
模式提炼：从功率预算到协议结果逐层收窄
接收功率 → 噪声功率 → SNR → 理论上界 → 可选 MCS → 实际吞吐
每个箭头都需要额外条件。只计算链路预算，最多得到一个理想输入；设备选择了某个 MCS，也不证明业务没有排队或重传。
一个 5 GHz 自由空间案例
固定输入为：频率 5000 MHz，距离 0.01 km，发射功率 17 dBm，两端天线增益各 2 dBi，不计线缆等其他损耗。ITU-R P.525 的自由空间基本传输损耗公式按这些单位写为：
FSPL(dB) = 32.44 + 20 log10(distance_km) + 20 log10(frequency_MHz)
计算得到路径损耗约 66.42 dB，接收功率约 17 + 2 + 2 - 66.42 = -45.42 dBm。这个模型假设自由空间和远场传播，没有墙体、反射、遮挡、多径、极化失配或人体影响。
噪声模型采用 -174 dBm/Hz 的热噪声密度近似、20 MHz 带宽和 7 dB 接收机噪声系数，噪声功率约为 -93.99 dBm，得到 SNR 约 48.57 dB。代入 Shannon 公式，理论上界约 322.7 Mbit/s。
高 SNR 上界并不保证相应 Wi-Fi 速率。设备支持的 802.11 修订、空间流数、信道宽度、监管域、干扰、实现选择和共享时长都未进入算式。
漫游改变的是接入点，不是上述公式
漫游通常涉及客户端扫描候选 BSS、认证或重新关联，并更新网络侧的转发状态。何时离开当前 AP、如何给候选排序，可能由客户端与实现策略决定；不能仅用一个 RSSI 阈值描述所有设备。
链路预算可以解释距离和损耗怎样影响候选信号，却不能证明切换时延、丢包或会话连续性。真实漫游案例需要至少保存客户端事件、AP 侧关联记录、信道与时间戳，并说明 802.11k/v/r 等能力是否实际协商。
手算脚本
link_budget.py 读取固定输入，复算自由空间损耗、接收功率、噪声功率、SNR 和 Shannon 上界。
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素材包括链路预算输入、手算脚本、计算结果、资料与运行记录和审阅记录。
条件、限制和反例
自由空间模型在室内多径和遮挡环境中可能严重偏离实际值。距离增加也不保证功率按单一路径平滑下降，位置变化可能造成衰落起伏。
接收功率高不等于干扰低。噪声底估算没有包含同频发送者、非 Wi-Fi 干扰和接收机非线性。
标称 PHY 速率高不等于应用吞吐高。半双工竞争、协议开销、重传和上层瓶颈都会减少有效吞吐。
练习
练习一：保持其他输入不变，把距离从 10 m 改为 20 m，计算自由空间损耗增加多少 dB，并说明为什么真实室内结果不必严格等于该差值。
练习二：把带宽从 20 MHz 改为 40 MHz，同时假设接收信号功率不变。计算噪声功率和 Shannon 上界，解释为何带宽翻倍不保证应用吞吐翻倍。
模式速查表
| 数值 | 来源 | 不能直接推出 |
|---|---|---|
| 路径损耗 | 传播模型与输入 | 真实室内接收功率 |
| SNR | 信号与噪声口径 | 固定 MCS 或零误码 |
| Shannon 容量 | 理想信道上界 | 802.11 PHY 速率 |
| PHY 速率 | 设备协商 | 应用吞吐 |
| 漫游事件 | 客户端/AP 记录 | 所有终端采用同一阈值 |
官方一手参考资料
- ITU-R P.525：Calculation of Free-Space Attenuation，ITU，现行页面访问于 2026-09-24。
- IEEE 802.11 Wireless LAN Standard，IEEE Standards Association，访问于 2026-09-24。
- NIST SP 800-153：Guidelines for Securing Wireless Local Area Networks，NIST，2012-02，访问于 2026-09-24。
验证边界
已验证：Python 3 标准库按固定输入复算自由空间链路预算、热噪声近似与 Shannon 容量上界，验证类型为 HAND_CALC。
NOT_RUN：当前环境没有无线网卡、可控 AP、射频仪表或隔离场地，未测 RSSI、噪声、MCS、误码、吞吐和漫游。模型结果与设备观测严格分开，不作为任何实际 WLAN 的容量结论。
