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前幾日，好基友分享給小編幾張圖片，小編看到有了想要撞墻的沖動。
相信看到這些圖的工程師們，腦子會瞬間浮現(xiàn)超多苦澀而無奈的場景：
A：你的產(chǎn)品設(shè)計有問題，你看吞吐量值一時高一時低，相差極大…。.
B：在同一個辦公室里，我用手機(jī)在同一個位置測試Wi-Fi吞吐量值比你的高…。
C：我在辦公室對比了你們的產(chǎn)品和競品的Wi-Fi吞吐量…。.
D：你的產(chǎn)品無線傳屏功能有問題，我在辦公室傳輸圖像和視頻會出現(xiàn)卡頓…。
E：我在辦公室里用手機(jī)連你的產(chǎn)品測試Wi-Fi吞吐量，就將手機(jī)轉(zhuǎn)了90度，吞吐量值掉了一半，你的產(chǎn)品穩(wěn)定性有問題…。.
F：我要在辦公室這種實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，測試下Wi-Fi吞吐量，看看在實(shí)際環(huán)境中，你的產(chǎn)品Wi-Fi的吞吐量以及抗干擾能力怎么樣……
大家是否也經(jīng)歷著小編之前經(jīng)歷過的絕望呢？不過小編的心可是想著大家呢~作為一個踩坑大圣，班妹決定今天跟大家分享一波繞坑秘籍~~
敲黑板：今日重點(diǎn)
一、 Wi-Fi的理論速率是個啥？
二、 這些個理論速率有什么依據(jù)？
三、 Wi-Fi的理論速率是怎么計算的？
四、 為啥Wi-Fi的理論速率還可以一直變？
五、香儂定理與Wi-Fi理論速率
六、Wi-Fi射頻應(yīng)用之基本原理
七、Wi-Fi射頻干擾
八、總結(jié)
一、Wi-Fi的理論速率是個啥？
基友發(fā)的圖片上的“速度”就是通過電腦網(wǎng)卡讀出來的Wi-Fi的理論速率。（是哪個Wi-Fi協(xié)議的理論速率，各位看官自己猜）
Wi-Fi的理論速率是根據(jù)不同的調(diào)制方式、碼率、單個子載波承載編碼字節(jié)位數(shù)、承載數(shù)據(jù)的子載波總數(shù)、空間流數(shù)、單次Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸耗費(fèi)的時間等信息計算出來的。
二、這些個理論速率有什么依據(jù)？
當(dāng)然有依據(jù)！
請看下圖IEEE 802.11g（圖1）以及IEEE 802.11n（圖2、圖3、圖4）協(xié)議所列舉出來的部分理論速率：
（圖1：IEEE 802.11g理論速率集）
（圖2：IEEE 802.11n-HT20 1T/R理論速率集）
（圖3：IEEE 802.11n-HT20 2T/R理論速率集）
（圖4：IEEE 802.11n-HT40 1T/R理論速率集）
三、Wi-Fi的理論速率是怎么計算的？
舉個栗子，802.11n-HT20-MCS7這個模式下的理論速率是如何計算的：（ 插個話，802.11n協(xié)議是支持2.4G和5.8G雙頻的哈）
1、每次Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是4μs （這點(diǎn)所有的Wi-Fi協(xié)議都相同）；
2、MCS7采用的是64-QAM的調(diào)制技術(shù)（可參考上圖），意即每個子載波每次可傳輸6bit（2的6次方=64）數(shù)據(jù)，速率為MCS7時，其對應(yīng)的碼率（coding rate）是5/6；
3、HT20時，OFDM將20M帶寬分割成56個子載波，用于傳輸數(shù)據(jù)的子載波數(shù)目為52；（參考圖2 MCS7時，Nsd=52，Nsd ：Number of complex data numbers per spatial stream per OFDM symbol）
4、所以在HT20的MCS7時，速率=（1/4us）*（52*6bit）*5/6 = 65Mbit/s，而當(dāng)有多空間流時，乘以同時工作的空間流（天線根數(shù)）即可，安裝的假天線不算。其它速率的計算方式是一樣的。
備注：Wi-Fi單次數(shù)據(jù)傳輸時間4μs對所有模式都是一樣的，參考如下計算：
4μs=Ndbps/DR；Ndbps= Number of data bits per OFDM symbol即為每個OFDM符號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特率（可參考圖1、2、3、4），DR=Data Rate；對802.11g-54Mbps時，傳輸時間=（Ndbps =216）/54Mbps=4μs；對802.11n-HT40-MCS7 1T/R時，傳輸時間=（Ndbps=540）/135Mbps=4μs
四、 為啥Wi-Fi的理論速率還可以一直變？
Wi-Fi的理論速率的大小其實(shí)體現(xiàn)的是當(dāng)前空口信道質(zhì)量的變化。
在進(jìn)行傳輸時，Wi-Fi的數(shù)據(jù)報文最開始通常會以設(shè)備支持的編碼效率最高的協(xié)議速率在空中信道發(fā)起傳輸（協(xié)商），但此時當(dāng)前信道因?yàn)?a target="_blank">信號強(qiáng)度、距離、干擾等因素，可能會造成數(shù)據(jù)的傳輸中出現(xiàn)較大的時延和誤碼時，為了能更有效的抑制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延和誤碼，802.11系列Wi-Fi協(xié)議規(guī)定此時的Wi-Fi設(shè)備需采用對信道環(huán)境要求相對較低的調(diào)制編碼方式來提高數(shù)據(jù)報文在空口中抗誤碼和時延的能力。
如基友發(fā)過來的圖中速率短時間內(nèi)就從64-QAM （54Mbps）調(diào)整成CCK （12Mbps），但提升抗誤碼能力的同時，卻犧牲了數(shù)據(jù)的編碼效率，這個時候體現(xiàn)出來的就是空口協(xié)議速率的變小，也就是理論速率的變小，這也就是大家經(jīng)常說的Wi-Fi降速率。
在辦公室環(huán)境中，由于Wi-Fi信道環(huán)境一直處于動態(tài)變化中，極端情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)時而能連上，時而斷線的情況，其理論速率也一直在變化，吞吐量實(shí)測數(shù)據(jù)也會一直動態(tài)變化。
五、香儂定理與Wi-Fi理論速率
Shannon老先生在上個世紀(jì)就提出了基于理想高斯白噪聲干擾信道容量、信噪比、容量的定理（如下公式），與奈奎斯特定理不同的是，它選用的信道模型是存在噪聲干擾的，更接近實(shí)際通信數(shù)據(jù)交互。
C=B log2（1+S/N）
C為信道容量、B為帶寬、S/N為信噪比。（名詞公式雖枯燥，但理論之樹常青）
其中，信道容量C可以理解為不同的B、S/N狀態(tài)下，所使用信道最大的理論傳輸速率。結(jié)合Wi-Fi 802.11協(xié)議，比如802.11b，其在20MHz帶寬（實(shí)際是22MHz）在特定的S/N范圍內(nèi)（該值與芯片性能相關(guān)），其C值可以表征為11Mbps，而此時使用的調(diào)制方式為CCK；同理，在802.11n-HT20 –MCS7 1T/R值時，其C值可以表征為65Mbps（如支持GI=400ns，為72.2Mbps）
而對Wi-Fi吞吐量測試而言，帶寬B確定以后，其理論速率與信噪比是成正相關(guān)的，信噪比越高，理論速率就越大；換言之，信噪比此時就成為當(dāng)前Wi-Fi信道通信環(huán)境及通信質(zhì)量的重要評估指標(biāo)，是當(dāng)前空口信道質(zhì)量好壞的體現(xiàn)，也是前面中提到的碼率、調(diào)制解調(diào)、編碼方式等算法調(diào)整及切換的重要依據(jù)，當(dāng)前信道信噪比變化超過一定閾值時，Wi-Fi的理論速率、調(diào)制方式等會做自適應(yīng)切換。
實(shí)際上，對一些相對專業(yè)的無線終端廠商，他們即使在專業(yè)測試吞吐量的實(shí)驗(yàn)室，都會從芯片端去讀取當(dāng)前測試環(huán)境中的S/N、以及Noise值作為測試的參考依據(jù)。
六、Wi-Fi射頻應(yīng)用之基本原理
在辦公室（家庭或者公共場合）使用Wi-Fi過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)網(wǎng)速慢、網(wǎng)絡(luò)時延大和掉線等現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因，除信號覆蓋不佳和Wi-Fi終端設(shè)備負(fù)荷過重外（產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理能力欠佳導(dǎo)致），比較常見的因素，就是射頻干擾。
但Wi-Fi的射頻干擾除常見的其他無線系統(tǒng)對Wi-Fi的共存干擾、Wi-Fi終端的相鄰信道干擾，以及Wi-Fi射頻物理層上受到的干擾外（如產(chǎn)品本身的電源、DDR等對Wi-Fi的干擾），還存在一種這樣的情況：
當(dāng)大量Wi-Fi終端共享一個相同的空口信道進(jìn)行持續(xù)性較大流量數(shù)據(jù)傳輸時（如播放高清視頻），會加大信道中數(shù)據(jù)幀沖突的概率，增多數(shù)據(jù)幀的重發(fā)頻率，導(dǎo)致當(dāng)前信道的信噪比變差，單數(shù)據(jù)幀的傳輸時間變長，最終只能通過降低空口信道的傳輸效率、速率（當(dāng)然在專業(yè)測試吞吐量的實(shí)驗(yàn)室不會出現(xiàn)此種情況）來維持基本的通信。而當(dāng)空口負(fù)荷增大到一定程度時，就會出現(xiàn)影響用戶體驗(yàn)的網(wǎng)速慢、丟包，甚至掉線等現(xiàn)象。
那么是如何出現(xiàn)這種情況的呢？前方又高能了！
1）時隙碰撞、網(wǎng)絡(luò)延時與丟包的產(chǎn)生
如大家知道，Wi-Fi的空口信道是一個 TDD（時分雙工）時分系統(tǒng)，其一個基本數(shù)據(jù)幀操作是由多個幀結(jié)構(gòu)組成，幀之間以“幀間間隔”加以區(qū)分。訪問 802.11 媒介時，通常以分布式幀間間隔（DIFS）為起點(diǎn)，開始整個幀交換序列，之后的幀則以短幀間間隔（SIFS）加以區(qū)分。一個基本的數(shù)據(jù)幀傳送流程見圖 5。
圖5
如上圖，當(dāng) station 1 在某一個時隙中傳輸數(shù)據(jù)時，station 2 發(fā)起監(jiān)聽信道的請求。這時，由于信道已被占用， station2 只能等待避讓一個隨機(jī)的時隙后，再次監(jiān)聽該信道，直到信道空閑并且持續(xù)了一個 DIFS 的時間后，才可以傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)幀，之后等候 ACK，ACK 經(jīng)過一個 SIFS 的時間后反饋。
而在信道被利用頻繁的時候，多個 station監(jiān)聽到信道空閑后，同時發(fā)送數(shù)據(jù)，繼而在該時隙上出現(xiàn)碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞不成功，無 ACK（確認(rèn)幀）返回，于是再次重傳，網(wǎng)絡(luò)時延因?yàn)橹貍髯兇蟆?/p>
通常對于長幀的重傳設(shè)置規(guī)定為 7 次，即此數(shù)據(jù)幀當(dāng)退避重傳 7 次仍無 ACK 響應(yīng)后，則丟棄此數(shù)據(jù)幀，這時，對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，出現(xiàn)誤碼丟包現(xiàn)象。
這就是Wi-Fi的載波監(jiān)聽與沖突避讓機(jī)制。
2）延時與誤碼導(dǎo)致選用更低階調(diào)制方式
當(dāng)由于信號強(qiáng)度、距離、干擾等因素，造成在數(shù)據(jù)的傳輸中出現(xiàn)較大的時延和誤碼時甚至丟包時，為了能更有效緩解時延和誤碼，保證數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，802.11協(xié)議規(guī)定Wi-Fi終端設(shè)備需采用更低階編碼方式（如基友的例子，從64QAM 54Mbps 調(diào)整到CCK 11Mbps ），來提高數(shù)據(jù)報文在空口中抗誤碼和時延的能力。此機(jī)制的好處是可以提升抗誤碼能力，壞處是，降低了編碼的效率。
具體到AP/STA設(shè)備而言，當(dāng)出現(xiàn)較多時延、誤碼、丟包等現(xiàn)象時，它們會認(rèn)為空口信道質(zhì)量出現(xiàn)惡化，于是依據(jù)信道環(huán)境逐級采用有較強(qiáng)抗干擾能力的編碼方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而越低階的編碼方式，其編碼效率越低、數(shù)據(jù)幀的占用時隙越大，最終這種方式導(dǎo)致每數(shù)據(jù)幀的時隙逐漸增大。
空口信道理論速率的降低，導(dǎo)致每個數(shù)據(jù)幀的長度增加（單次Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸時間都是4μs），又進(jìn)一步加劇空口信道上的沖突競爭；當(dāng)競爭加劇到一定程度，又迫使所有終端采用抗誤碼能力更強(qiáng)的編碼方式即更低階的調(diào)制方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，從而就像多米諾骨牌一樣，進(jìn)入惡性循環(huán)。
3）低階調(diào)制方式意味著較低的每符號比特數(shù)
在 802.11 協(xié)議中，高速率的無線數(shù)據(jù)接入能力主要源于其所采用的多載波調(diào)制技術(shù) OFDM（正交頻分復(fù)用調(diào)制）。OFDM采用n-QAM ，n 表示各種調(diào)制映射到星座圖上的模數(shù)。由于星座圖上的點(diǎn)位需精確定位以實(shí)現(xiàn)能被正確解調(diào)，所以，模數(shù)越低也就是越低階的調(diào)制方式，其對信號傳輸條件的要求越低，也就更能適應(yīng)惡劣的空口傳輸環(huán)境。
但通過調(diào)整編碼方式，提高抗干擾能力的同時，卻降低了每符號 bit數(shù)，繼而理論傳輸速率也相應(yīng)下降。（如圖6： 64-QAM及256QAM星座圖所示；圖7： 256QAM星座圖第一象限）。
圖6
圖7
七、Wi-Fi射頻干擾
如第六部分所述，Wi-Fi的射頻干擾有：其他無線系統(tǒng)對Wi-Fi的共存干擾、Wi-Fi終端的相鄰信道干擾、Wi-Fi射頻物理層上受到的干擾、以及Wi-Fi 載波監(jiān)聽與沖突避讓機(jī)制導(dǎo)致的同信道干擾。
如下數(shù)據(jù)為兩種典型的Wi-Fi射頻受到干擾的數(shù)據(jù)，供參考：
1）Wi-Fi藍(lán)牙共存干擾吞吐量對比數(shù)據(jù)
圖8為在吞吐量實(shí)驗(yàn)室只進(jìn)行Wi-Fi連接的數(shù)據(jù)，圖9為測試Wi-Fi吞吐量時，打開藍(lán)牙連接藍(lán)牙音箱的數(shù)據(jù)，測試模式均為802.11n-HT20
圖8
圖9
2）微波爐對Wi-Fi的干擾
圖10為在家用環(huán)境中測試筆記本W(wǎng)i-Fi吞吐量時，打開與關(guān)閉微波爐時的Wi-Fi吞吐量數(shù)據(jù)變化。
圖10
3）4G信號對Wi-Fi的干擾
圖11為不同手持設(shè)備測試Wi-Fi OTA TIS時，連接與關(guān)閉LTE Band 7 （UL = 2 505 MHz）對2.4G不同 Wi-Fi信道 TIS數(shù)據(jù)的影響。圖12為設(shè)備打開LTE Band 7 （UL = 2 505 MHz）與工作在Wi-Fi ch13時的頻譜。
圖11
圖12
八、總結(jié)
辦公室、家庭等實(shí)際傳輸環(huán)境情況較復(fù)雜，除了各種無線系統(tǒng)的共存干擾、Wi-Fi射頻物理層上可能受到的干擾外，還有Wi-Fi自身載波監(jiān)聽與沖突避讓機(jī)制導(dǎo)致空口信道擁塞、理論速率降低的自干擾，而這個是Wi-Fi本身的通信機(jī)制所致，只要在實(shí)際環(huán)境中使用Wi-Fi就無法避免。
以上這些情況是都是無法在實(shí)際環(huán)境中通過Wi-Fi吞吐量測試量化評估Wi-Fi產(chǎn)品無線性能穩(wěn)定性、以及Wi-Fi產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境中的抗干擾能力的原因，通過在實(shí)際環(huán)境中測試Wi-Fi吞吐量來量化評估產(chǎn)品的射頻抗干擾能力本身就是一個偽命題。
工商網(wǎng)監(jiān)
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