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[導讀]Wi-Fi,是由Wi-Fi聯盟進行技術認證和商標授權的一種無線通信技術。它背后的技術標準,則是由美國的電氣電子工程師協會(IEEE)制定的802.11系列協議。?Wi-Fi聯盟(全稱:國際Wi-Fi聯盟組織,英語:Wi-FiAlliance,簡稱WFA)一.?Wi-Fi協議的發(fā)展...

Wi-Fi,是由Wi-Fi聯盟進行技術認證和商標授權的一種無線通信技術。它背后的技術標準,則是由美國的電氣電子工程師協會(IEEE)制定的802.11系列協議。?Wi-Fi?6關鍵技術解析Wi-Fi聯盟(全稱:國際Wi-Fi聯盟組織,英語:Wi-Fi Alliance,簡稱WFA)

一.? Wi-Fi協議的發(fā)展
從1997年的第一個版本開始,802.11系列協議不斷向前演進,經歷了802.11a/b/g/n/ac等多個版本,支持的上網速率也不斷提升。
目前最新的協議版本是802.11ax,也就是近年來迅速發(fā)展的Wi-Fi 6


Wi-Fi?6關鍵技術解析IEEE 802.11系列標準的發(fā)展歷程,從第一代到第六代?在最初的很多年里,世界上并沒有“Wi-Fi 幾代這樣的說法,直接就用802.11后面加幾個字母這樣的協議編號,對普通用戶非常不友好。?直到2018年,Wi-Fi聯盟才決定把下一代技術標準802.11ax用更為簡單易懂的Wi-Fi 6來宣傳。上一代的802.11ac和802.11n,就順理成章地成了Wi-Fi5和Wi-Fi4。
Wi-Fi?6關鍵技術解析Wi-Fi?6 誕生之后,才有了Wi-Fi 5的叫法

2019年9月16日,Wi-Fi聯盟宣布啟動Wi-Fi 6認證計劃。此后,Wi-Fi 6的大名響徹了全世界,目前新發(fā)布的設備基本都已經支持Wi-Fi 6了。
Wi-Fi?6關鍵技術解析

二.? Wi-Fi信道及使用的頻段
Wi-Fi主要工作在2.4GHz和5GHz這兩個頻段上。這兩個頻段被稱作ISM(Industrial Scientific Medical 工業(yè),科學,醫(yī)學)頻段,只要發(fā)射功率滿足國家標準要求,就可以不用授權直接使用。
Wi-Fi?6關鍵技術解析不同國家的ISM頻段有所不同
2.4GHz作為全球最早啟用的ISM頻段,頻譜范圍是2.40GHz~2.4835GHz,共83.5M帶寬。
?我們常用的藍牙,ZigBee,無線USB,也工作在2.4GHz頻段。此外,微波爐和無繩電話使用的頻段也是2.4GHz。甚至,有線USB接口的內部芯片在工作時,也會發(fā)射2.4GHz的無用信號,造成干擾。?由此可見,2.4GHz上同時工作的設備眾多,頻段擁擠不堪,干擾嚴重。?Wi-Fi把2.4G上的83.5M帶寬劃分為13個信道,每20M一個。注意這些信道是交疊的,本來只能放下3個,現在卻硬生生地擠進去了13個,相互之間的干擾難以避免,只能盡量減輕,大不了大家速度慢一些,排隊輪著用。
Wi-Fi?6關鍵技術解析2.4G頻譜及信道(第14信道在國內是不允許使用的)
信道交疊到什么程度呢?由下圖可以比較直觀地看出,在這些信道里面,只有1,6,11或者2,7,12,或者3,8,13這三組是完全沒有交疊的,可見2.4GHz頻段的擁堵程度。
Wi-Fi?6關鍵技術解析?2.4G不交疊的信道分布
到了802.11n,用戶可以使用40M的信道,但2.4GHz頻段依然只有83.5M的總帶寬,就只能容納兩個信道了。因此只有在夜深人靜網絡空閑的時候,單個用戶才有可能使用40M信道,加之來自隔壁老王家的干擾,802.11n的高速率很大程度上難以達到。
Wi-Fi?6關鍵技術解析2.4G 40M帶寬信道
如果說2.4GHz頻段是羊腸小道的話,5GHz頻段無疑就是康莊大道了。?5GHz頻段的可用范圍是4.910GHz~5.875GHz,有900多M的帶寬,是2.4G的10倍還多!這段頻譜過于寬了,不同國家根據自身情況,定義了Wi-Fi可以使用的范圍。?比如,在中國5GHz頻譜共有13個20M信道可用作Wi-Fi,連續(xù)的20M信道還可以組成40M,80M,甚至160M信道。
Wi-Fi?6關鍵技術解析中國5G信道分布圖
5GHz的帶寬大,上面跑的的設備少,用起來自然速度快,干擾小。因此,如果想要家庭網絡達到良好的速率體驗,可用考慮用5GHz來進行全屋覆蓋。?然而尺有所短,寸有所長,5GHz雖然帶寬大干擾小,但是信號傳播衰減快,還很容易被阻擋,穿墻能力很弱。
Wi-Fi?6關鍵技術解析2.4G和5G Wi-Fi信號的穿透損耗
因此,跟2.4GHz相比,5GHz信號通常要弱得多。
至于它們到底各能覆蓋多少米,這個由于路由器的天線增益,接收靈敏度,家里墻體和障礙物的分布,以及個人期望達到的上網速率都有關聯,很難具體給出。
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三.? Wi-Fi關鍵技術
為什么Wi-Fi的速度越來越快?
其實,IEEE的802.11系列協議一直在跟3GPP的4G/5G相互借鑒,使用的底層技術都是通用的。
? ? ?OFDM/OFDMA
OFDM的全稱是正交頻分復用。系統(tǒng)會在頻域上把載波帶寬分割為多個相互正交的子載波,相當于把一條大路劃分成了并行多個車道,通行效率自然就大幅提升了。
在Wi-Fi 5及以前(802.11a/b/g/n/ac),子載波寬度是312.5KHz。
到了Wi-Fi 6(802.11ax),子載波寬度縮小為78.125KHz,相當于將同樣寬度的路劃分成了更多的車道。
Wi-Fi?6關鍵技術解析Wi-Fi 6的擁有更多的子載波
在OFDM下,每個用戶必須同時占用全帶寬下的所有子載波。如果某個需要發(fā)送的數據沒那么多,把頻率資源用不滿的話,其他用戶也沒法靈活使用,只能干巴巴地排隊等著,頻譜資源的使用效率不高。

為了解決這個問題,Wi-Fi 6引入了OFDMA技術,后面多了個字母A,其全稱也就變成了正交頻分復用多址。多址就是多用戶復用的意思。
Wi-Fi?6關鍵技術解析OFDM?vs.?OFDMA
OFDMA可以支持多個用戶在同一時刻共享所有子載波。相當于運輸公司把多個用戶的數據統(tǒng)一打包,共同裝車,充分利用車廂容量,大家的發(fā)貨速度就都加快了,頻譜效率得以提升。?? ?? MIMO/波束賦形
路由器上面的天線數量是越來越多,從看不到天線,到一根,兩根,三根,四根,六根,八根...現在不管啥價錢的路由器,都長得跟螃蟹似的,張牙舞爪好不唬人。
為啥要用這么多天線?就是為了更好地實現MIMO(多輸入多輸出)技術。
簡單來說,就是在信號發(fā)射時,用多根天線來同時發(fā)送多路不同的數據,速度自然成倍提升;在接收時,多個天線同時接收手機發(fā)來的信號,跟戴了助聽器一樣,接收靈敏度也得到了增強。
Wi-Fi?6關鍵技術解析單用戶MIMO(SU-MIMO)
如果所有天線同時只為一個用戶服務,就叫做單用戶MIMO(SU-MIMO)。更進一步,路由器四路發(fā)射,手機四路接收,也可以更精細地叫做4x4 MIMO。
?有時候,路由器的天線眾多能力強悍,但四顧茫然,發(fā)現手機個個都是弱雞。路由器能發(fā)4路信號,但手機最多只能收兩路,最終下來路由器也就不得不配合著只發(fā)兩路。這不是浪費么?
Wi-Fi?6關鍵技術解析多用戶MIMO(MU-MIMO)
解決辦法也是有的,一個手機的接收天線少,多個手機加起來不就多了?
于是,路由器便將多個手機一起考慮,視作一個功能強大的虛擬手機,這樣就又能實現高階MIMO了。這種多手機共同參與的MIMO就叫做多用戶MIMO(MU- MIMO),又叫虛擬MIMO。
?除此之外,多個天線還可以通過波束賦形技術,形成指向性的窄波束,對準用戶精準覆蓋。由于窄波束的能量集中,因此可以覆蓋得更遠,穿墻效果也能得以提升。
Wi-Fi?6關鍵技術解析波束賦形
這樣看來,路由器的天線個數是多多益善呀,買路由器就一定要挑天線多的嗎?這可能是一個陷阱。天線再多,只是在堆一些外部看得見的硬件而已,看起來牛逼閃閃,但內部的設計到底能否支撐這么多天線還是未知數。
?更重要的是,不論是MIMO,還是波束賦形,都是需要軟件算法支撐的,這里面的復雜度遠高于硬件,不同廠家算法優(yōu)化能力不同,可能導致很大的性能差異。?因此,建議在購買路由器時,不用太關注外部到底能看到多少根天線,而要看他們的產品宣傳,是否支持波束賦形,4x4MIMO,或者MU-MIMO?如果廠家在這方面的宣傳聲勢很大,那至少說明他們對這些功能比較自信并將其作為賣點。
? ?? ?調制編碼策略(MCS)
調制編碼,分為調制和編碼兩部分,它們共同決定了單位時間可以同時發(fā)送的比特數。
調制編碼策略一般將調制和編碼兩部分綜合起來分為多個等級,級別越高,數據發(fā)送的速率也就越快。
調制的作用就是把經過編碼的數據(一串0和1的隨機組合)映射到前面所說幀結構的最小單元:OFDM符號上。經過調制的信號才能最終發(fā)射出去。
Wi-Fi?6關鍵技術解析BPSK,QPSK,16QAM,64QAM及256QAM星座圖
常用的調制方式包括BPSK、QPSK、16QAM,64QAM和256QAM,能同時發(fā)送的比特數為1個,2個,4個,6個和8個。
Wi-Fi 6可以支持1024QAM,可同時發(fā)送10個比特的數據,速率自然大為提升。

Wi-Fi?6關鍵技術解析256QAM和1024QAM對比圖
可是,原始數據在編碼時,為了糾錯而加入了很多的冗余比特,真正的有用數據其實只占一部分。我們考慮上網速率時,說的僅僅是有用數據的收發(fā)速率,冗余比特都在解碼的時候丟棄掉了。

這就要引入碼率的概念,也即是有用的數據在編碼后總數據量中的占比。如果碼率是3/4,就是指編碼后的數據中,3/4是有用數據,1/4是后來添加的冗余比特。
不同的調制方式,加上不同的碼率,就組成了調制編碼策略(MCS)。
下表是Wi-Fi 6中的MCS表,可以看出最高階MCS為11,對應于1024QAM加5/6的碼率。
Wi-Fi?6關鍵技術解析Wi-Fi 6 的MCS表

四.? Wi-Fi速率的計算

單個頻段Wi-Fi的峰值速率,可以用下面的公式來計算:

Wi-Fi?6關鍵技術解析
我們可以用公路系統(tǒng)來類比計算模型。
空間流數相當于多層交通,子載波數量相當于每層公路上的多條車道,調制階數相當于路上貨車的車廂容積,碼率相當于給貨物增加了包裝箱,OFDM符號時長和符號間隔相當于貨車在公路的通行時長再加上發(fā)車間隔。

Wi-Fi?6關鍵技術解析
空間流數隨著協議的演進,Wi-Fi能支持的空間流數越來越多,推動峰值速率不斷提升。
如下表所示,IEEE制定的802.11ac最多能支持8流,但是Wi-Fi聯盟(WFA)在認證的時候,覺得這個能力過于強了,實現起來成本太高,因此就分成了兩個階段:wave 1和wave 2。
這兩個階段的能力也比較保守,并未最終實現IEEE的設計能力。Wave 1可支持3流,Wave 2可支持4流。
Wi-Fi?6關鍵技術解析
到了802.11ax,最多可以支持到8流。Wi-Fi聯盟將其包裝為Wi-Fi 6,也不再搞過渡版本了。但你的路由器到底能支持到幾流,還要看廠家具體的實現。
有效子載波數量:802.11系列協議對子載波的劃分越來越細,可支持的信道帶寬越來越大,這兩點促使有效子載波數量不斷增加。
如下表所示,802.11n可支持最大40M信道帶寬,802.11ac則能支持160M帶寬,因此有效子載波數量翻了4倍有余。
Wi-Fi?6關鍵技術解析
到了802.11ax,同樣最大支持160M信道寬度,但子載波間隔卻僅為之前協議的1/4,從而最大支持的子載波數量相比802.11ac又翻了4倍。
調制階數:802.11ac最大支持256QAM,調制階數為8,也就是每個符號可同時攜帶8個比特的數據。

Wi-Fi?6關鍵技術解析
802.11ax則最大支持到1024QAM,每個符號可同時攜帶10個比特的數據,比前一代提升了25%。
MCS和碼率:協議定義了多種調制方式和碼率的組合,就是調制編碼策略(Modulation Coding Scheme, MCS)。
Wi-Fi?6關鍵技術解析
調制階數越高,碼率越高,抗干擾能力也就越差。因此在無線信號強度足夠,且干擾很小的時候,高階MCS才能發(fā)揮作用。
符號長度 符號間隔:在802.11ac及以前,單個符號長度3.2微秒,符號間隔是0.8微秒,但也支持0.4微秒。我們計算峰值速率當然用短的間隔,因此802.11ac的符號長度 符號間隔為3.6微秒。

Wi-Fi?6關鍵技術解析
到了802.11ax,符號長度成了12.8微秒,間隔長度為至少0.8微秒,兩者加起來就是13.6微秒。
這個值雖遠高于之前的協議,看似吃了虧,但802.11ax在其他方面非常優(yōu)秀,速率還是對前輩形成了碾壓之勢。
把上述多個表格中的數據帶入公式計算,采用該協議可支持的最高階調試方式及碼率,符號間隔使用最小值,先不考慮空間流數,單流的計算結果見下表。

Wi-Fi?6關鍵技術解析

不同無線路由器Wi-Fi峰值速率的支持能力不同,主要體現在2.4G和5G這兩個頻段可支持的帶寬,以及空間流數。

2.4GHz通常最大支持到40M帶寬,5GHz頻段可最大支持160M帶寬,再根據協議版本的不同,以及空間流數的不同,把兩個頻段能支持的峰值速率加起來,就是路由器官方宣傳的峰值速率了。

Wi-Fi?6關鍵技術解析
上圖是蜉蝣君根據路由器的標稱速率,來估計2.4G和5G這兩個頻段可支持的信道帶寬以及流數,并對速率計算進行了驗證。
舉例來說,對于AC1200,其中的AC是指它最高可以支持到802.11ac協議(Wi-Fi 5),2.4GHz頻段只能使用802.11n ,支持2x2 MIMO,速率可達300Mbps,5GHz頻段也是2x2 MIMO,速率為867Mbps,總和為1167Mbps,就按照1200M來宣傳了。

對于AX5600,其中的AX是指它最高可以支持到802.11ax協議(Wi-Fi 6),2.4GHz頻段支持2x2 MIMO,速率可達573.6Mbps,5GHz頻段可支持160M信道帶寬及4x4 MIMO,速率為4804Mbps,總和為5377.6Mbps,就按照5400M來宣傳了。

好了,本期的內容就到這里,如果大家覺得所幫助,歡迎轉發(fā)支持。


—— The End ——

Wi-Fi?6關鍵技術解析

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