Wi-Fi關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展解析

Wi-Fi 由 Wi-Fi 聯(lián)盟進(jìn)行技術(shù)認(rèn)證和商標(biāo)授權(quán)。實(shí)際應(yīng)用中 Wi-Fi 經(jīng)常被寫作 WiFi 或者 Wifi，但這兩種寫法并沒有被聯(lián)盟認(rèn)可。 Wi-Fi 聯(lián)盟（全稱：國際 Wi-Fi 聯(lián)盟組織，英語：Wi-Fi Alliance，簡稱 WFA），是一個(gè)商業(yè)聯(lián)盟 ，擁有 Wi-Fi 的商標(biāo)。它負(fù)責(zé) Wi-Fi 認(rèn)證與商標(biāo)授權(quán)的工作，總部位于美國德克薩斯州 奧斯汀（Austin）。 Wi-Fi 這個(gè)朗朗上口的名字被廣泛認(rèn)為是對(duì)無線高保真（Wireless Fidelity）的縮寫，實(shí)際上是誤讀。它只是個(gè)單純的名稱，并沒有實(shí)際含義，當(dāng)然也沒有全稱。 Wi-Fi 背后的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，則是由美國的電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）制定的 802.11 系列協(xié)議。 IEEE 全稱：Institute of Electrical and Electronics Enginees

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Wi-Fi 協(xié)議的發(fā)展

從 1997 年的第一個(gè)版本開始，802.11 系列協(xié)議不斷向前演進(jìn)，經(jīng)歷了 802.11a/b/g/n/ac 等多個(gè)版本，支持的上網(wǎng)速率也不斷提升。目前最新的協(xié)議版本是 802.11ax，也就是近年來迅速發(fā)展的 Wi-Fi 6。

IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程，從第一代到第六代 在最初的很多年里，Wi-Fi 雖然一代代向前發(fā)展，但世界上并沒有 Wi-Fi 幾代這樣的說法，直接就用 802.11 后面加幾個(gè)字母這樣的協(xié)議編號(hào)，對(duì)普通用戶非常不友好。 直到 2018 年，Wi-Fi 聯(lián)盟才決定把下一代技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 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-Fi 5 和 Wi-Fi 4。至于更早的技術(shù)，反正也沒人關(guān)注了，也就不用再起馬甲了。

Wi-Fi6 誕生之后，才有了 Wi-Fi 5 的叫法 2019 年 9 月 16 日，Wi-Fi 聯(lián)盟宣布啟動(dòng) Wi-Fi 6 認(rèn)證計(jì)劃。此后，Wi-Fi 6 的大名響徹了全世界，目前新發(fā)布的設(shè)備基本都已經(jīng)支持 Wi-Fi 6 了。

02

Wi-Fi 信道及使用的頻段

Wi-Fi 主要工作在 2.4GHz 和 5GHz 這兩個(gè)頻段上。這兩個(gè)頻段被稱作 ISM（Industrial Scientific Medical 工業(yè)，科學(xué)，醫(yī)學(xué)）頻段，只要發(fā)射功率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，就可以不用授權(quán)直接使用。

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(lán)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(nèi)部芯片在工作時(shí)，也會(huì)發(fā)射 2.4GHz 的無用信號(hào)，造成干擾。 由此可見，2.4GHz 上同時(shí)工作的設(shè)備眾多，頻段擁擠不堪，干擾嚴(yán)重。當(dāng)萬家燈火，你和樓上樓下的鄰居在用 Wi-Fi 愉快上網(wǎng)的時(shí)候，路由器卻在背后默默地挑選信道，協(xié)調(diào)干擾。 Wi-Fi 把 2.4Ｇ 上的 83.5M 帶寬劃分為 13 個(gè)信道，每 20M 一個(gè)。注意這些信道是交疊的，本來只能放下 3 個(gè)，現(xiàn)在卻硬生生地?cái)D進(jìn)去了 13 個(gè)，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(duì)輪著用。

2.4G 頻譜及信道（第 14 信道在國內(nèi)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。就好比一條很窄的路，上面通行的車卻很多，堵車頻頻，勢(shì)必造成通行速度的下降。

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(gè)信道了。因此只有在夜深人靜網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)候，單個(gè)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(dá)到。

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(jù)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(gè) 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。

中國 5G 信道分布圖 5GHz 的帶寬大，上面跑的的設(shè)備少，用起來自然速度快，干擾小。因此，如果想要家庭網(wǎng)絡(luò)達(dá)到良好的速率體驗(yàn)，可用考慮用 5GHz 來進(jìn)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(hào)傳播衰減快，還很容易被阻擋，穿墻能力很弱。

2.4G 和 5G Wi-Fi 信號(hào)的穿透損耗 因此，跟 2.4GHz 相比，5GHz 信號(hào)通常要弱得多。至于它們到底各能覆蓋多少米，這個(gè)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(gè)人期望達(dá)到的上網(wǎng)速率都有關(guān)聯(lián)，很難具體給出。 如果僅考慮到家里的各種智能家居的聯(lián)網(wǎng)，2.4GHz 的覆蓋和容量通常就夠用了。但如果需要高速上網(wǎng)，最大化發(fā)揮家庭寬帶的價(jià)值，就必須依靠 5GHz 才能實(shí)現(xiàn)。 因此，Wi-Fi 的覆蓋建議不用考慮 2.4GHz，直接以 5GHz 全屋覆蓋作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。一般情況下單個(gè)路由器在家庭的復(fù)雜環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)無死角覆蓋，需要考慮多臺(tái)路由器之間的組網(wǎng)以及漫游問題，這點(diǎn)后面再講。

03

Wi-Fi 關(guān)鍵技術(shù)

為什么 Wi-Fi 的速度越來越快？其實(shí)在 IEEE 的 802.11 系列協(xié)議一直在跟 3GPP 的 4Ｇ 和 5Ｇ 相互借鑒，使用的底層技術(shù)都是通用的。

OFDM/OFDMA

OFDM 的全稱是正交頻分復(fù)用。系統(tǒng)會(huì)在頻域上把載波帶寬分割為多個(gè)相互正交的子載波，相當(dāng)于把一條大路劃分成了并行多個(gè)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(dāng)于將同樣寬度的路劃分成了更多的車道。

Wi-Fi 6 的擁有更多的子載波 在 OFDM 下，每個(gè)用戶必須同時(shí)占用全帶寬下的所有子載波。如果某個(gè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)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(duì)等著，頻譜資源的使用效率不高。 為了解決這個(gè)問題，Wi-Fi 6 引入了 OFDMA 技術(shù)，后面多了個(gè)字母 A，其全稱也就變成了正交頻分復(fù)用多址。多址就是多用戶復(fù)用的意思。

OFDMvs.OFDMA OFDMA 可以支持多個(gè)用戶在同一時(shí)刻共享所有子載波。相當(dāng)于運(yùn)輸公司把多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)在不管啥價(jià)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(shí)現(xiàn) MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)。簡單來說，就是在信號(hào)發(fā)射時(shí)，用多根天線來同時(shí)發(fā)送多路不同的數(shù)據(jù)，速度自然成倍提升；在接收時(shí)，多個(gè)天線同時(shí)接收手機(jī)發(fā)來的信號(hào)，跟戴了助聽器一樣，接收靈敏度也得到了增強(qiáng)。

單用戶 MIMO（SU-MIMO） 如果所有天線同時(shí)只為一個(gè)用戶服務(wù)，就叫做單用戶 MIMO（SU-MIMO）。更進(jìn)一步，路由器四路發(fā)射，手機(jī)四路接收，也可以更精細(xì)地叫做 4x4 MIMO。 有時(shí)候，路由器的天線眾多能力強(qiáng)悍，但四顧茫然，發(fā)現(xiàn)手機(jī)個(gè)個(gè)都是弱雞。路由器能發(fā) 4 路信號(hào)，但手機(jī)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(fèi)么？

多用戶 MIMO（MU-MIMO） 解決辦法也是有的，一個(gè)手機(jī)的接收天線少，多個(gè)手機(jī)加起來不就多了？于是，路由器便將多個(gè)手機(jī)一起考慮，視作一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬手機(jī)，這樣就又能實(shí)現(xiàn)高階 MIMO 了。這種多手機(jī)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(gè)天線還可以通過波束賦形技術(shù)，形成指向性的窄波束，對(duì)準(zhǔn)用戶精準(zhǔn)覆蓋。由于窄波束的能量集中，因此可以覆蓋得更遠(yuǎn)，穿墻效果也能得以提升。

波束賦形 這樣看來，路由器的天線個(gè)數(shù)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(gè)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(nèi)部的設(shè)計(jì)到底能否支撐這么多天線還是未知數(shù)。 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(fù)雜度遠(yuǎn)高于硬件，不同廠家算法優(yōu)化能力不同，可能導(dǎo)致很大的性能差異。 因此，建議在購買路由器時(shí)，不用太關(guān)注外部到底能看到多少根天線，而要看他們的產(chǎn)品宣傳，是否支持波束賦形，4x4 MIMO，或者 MU-MIMO？如果廠家在這方面的宣傳聲勢(shì)很大，那至少說明他們對(duì)這些功能比較自信并將其作為賣點(diǎn)。

調(diào)制編碼策略（MCS）

調(diào)制編碼，分為調(diào)制和編碼兩部分，它們共同決定了單位時(shí)間可以同時(shí)發(fā)送的比特?cái)?shù)。調(diào)制編碼策略一般將調(diào)制和編碼兩部分綜合起來分為多個(gè)等級(jí)，級(jí)別越高，數(shù)據(jù)發(fā)送的速率也就越快。 調(diào)制的作用就是把經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)（一串 0 和 1 的隨機(jī)組合）映射到前面所說幀結(jié)構(gòu)的最小單元：OFDM 符號(hào)上。經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)才能最終發(fā)射出去。

BPSK，QPSK，16QAM，64QAM 及 256QAM 星座圖 常用的調(diào)制方式包括 BPSK、QPSK、16QAM，64QAM 和 256QAM，能同時(shí)發(fā)送的比特?cái)?shù)為 1 個(gè)，2 個(gè)，4 個(gè)，6 個(gè)和 8 個(gè)。Wi-Fi 6 可以支持 1024QAM，可同時(shí)發(fā)送 10 個(gè)比特的數(shù)據(jù)，速率自然大為提升。

256QAM 和 1024QAM 對(duì)比圖 可是，原始數(shù)據(jù)在編碼時(shí)，為了糾錯(cuò)而加入了很多的冗余比特，真正的有用數(shù)據(jù)其實(shí)只占一部分。我們考慮上網(wǎng)速率時(shí)，說的僅僅是有用數(shù)據(jù)的收發(fā)速率，冗余比特都在解碼的時(shí)候丟棄掉了。 這就要引入碼率的概念，也即是有用的數(shù)據(jù)在編碼后總數(shù)據(jù)量中的占比。如果碼率是 3/4，就是指編碼后的數(shù)據(jù)中，3/4 是有用數(shù)據(jù)，1/4 是后來添加的冗余比特。 不同的調(diào)制方式，加上不同的碼率，就組成了調(diào)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(duì)應(yīng)于 1024QAM 加 5/6 的碼率。

Wi-Fi 6 的 MCS 表 正是通過這些技術(shù)的不斷演進(jìn)，Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)一代代向前，速率越來越高，讓我們更為暢快地上網(wǎng)。

本文來源：無線深海

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