深入淺出話Wi-Fi，買路由器必看

大家好，我是蜉蝣君。

上期我們講述了什么是無線路由器，本期我們緊跟其上，聊聊無線路由器的無線接入功能，也就是我們耳熟能詳?shù)腤i-Fi相關(guān)的歷史，頻段，以及關(guān)鍵技術(shù)。

無線路由器

無線路由器的無線接入功能，就是之前說過的無線局域網(wǎng)（WLAN）。目前WLAN只有Wi-Fi這一種主流技術(shù)，因此可以認(rèn)為兩者是等同的。 Wi-Fi由Wi-Fi聯(lián)盟進行技術(shù)認(rèn)證和商標(biāo)授權(quán)。實際應(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 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這個朗朗上口的名字被廣泛認(rèn)為是對無線高保真（Wireless Fidelity）的縮寫，實際上是誤讀。它只是個單純的名稱，并沒有實際含義，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（IEEE）制定的802.11系列協(xié)議。

IEEE全稱：Institute of Electrical and Electronics Enginees

一.Wi-Fi協(xié)議的發(fā)展

從1997年的第一個版本開始，802.11系列協(xié)議不斷向前演進，經(jīng)歷了802.11a/b/g/n/ac等多個版本，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后面加幾個字母這樣的協(xié)議編號，對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-Fi5和Wi-Fi4。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-Fi 6 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Wi-Fi 6認(rèn)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(shè)備基本都已經(jīng)支持Wi-Fi 6了。

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(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，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(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(xiàn)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。

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，就只能容納兩個信道了。因此只有在夜深人靜網(wǎng)絡(luò)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。

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。

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(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)揮家庭寬帶的價值，就必須依靠5GHz才能實現(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)計目標(biāo)。一般情況下單個路由器在家庭的復(fù)雜環(huán)境下難以實現(xiàn)無死角覆蓋，需要考慮多臺路由器之間的組網(wǎng)以及漫游問題，這點后面再講。

三.Wi-Fi關(guān)鍵技術(shù)

為什么Wi-Fi的速度越來越快？其實在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)會在頻域上把載波帶寬分割為多個相互正交的子載波，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(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(shù)，后面多了個字母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。

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(dāng)于運輸公司把多個用戶的數(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(xiàn)MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)。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(shù)據(jù)，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。

單用戶MIMO（SU-MIMO）

如果所有天線同時只為一個用戶服務(wù)，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(xì)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(xiàn)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？

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(xiàn)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(shù)，形成指向性的窄波束，對準(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，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，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(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間可以同時發(fā)送的比特數(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等級，級別越高，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的隨機組合）映射到前面所說幀結(jié)構(gòu)的最小單元：OFDM符號上。經(jīng)過調(diào)制的信號才能最終發(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，能同時發(fā)送的比特數(shù)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(shù)據(jù)，速率自然大為提升。
 

256QAM和1024QAM對比圖

可是，原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)其實只占一部分。

我們考慮上網(wǎng)速率時，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，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)。
好了，本期的內(nèi)容就到這里，希望對大家有所幫助。