深入浅出话 Wi-Fi

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本文来自Qorvo半导体

Wi-Fi 由 Wi-Fi 联盟进行技术认证和商标授权。实际应用中 Wi-Fi 经常被写作 WiFi 或者 Wifi,但这两种写法并没有被联盟认可。

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Wi-Fi 联盟(全称:国际 Wi-Fi 联盟组织,英语:Wi-Fi Alliance,简称 WFA),是一个商业联盟 ,拥有 Wi-Fi 的商标。它负责 Wi-Fi 认证与商标授权的工作,总部位于美国德克萨斯州 奥斯汀(Austin)。

Wi-Fi 这个朗朗上口的名字被广泛认为是对无线高保真(Wireless Fidelity)的缩写,实际上是误读。它只是个单纯的名称,并没有实际含义,当然也没有全称。

Wi-Fi 背后的技术标准,则是由美国的电气电子工程师协会(IEEE)制定的 802.11 系列协议。

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IEEE 全称:Institute of Electrical and Electronics Enginees

01 Wi-Fi 协议的发展

从 1997 年的第一个版本开始,802.11 系列协议不断向前演进,经历了 802.11a/b/g/n/ac 等多个版本,支持的上网速率也不断提升。目前最新的协议版本是 802.11ax,也就是近年来迅速发展的 Wi-Fi 6。

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IEEE 802.11系列标准的发展历程,从第一代到第六代

在最初的很多年里,Wi-Fi 虽然一代代向前发展,但世界上并没有 Wi-Fi 几代这样的说法,直接就用 802.11 后面加几个字母这样的协议编号,对普通用户非常不友好。

直到 2018 年,Wi-Fi 联盟才决定把下一代技术标准 802.11ax 用更为简单易懂的 Wi-Fi 6 来宣传,上一代的 802.11ac 和 802.11n 就顺理成章地成了 Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 4。至于更早的技术,反正也没人关注了,也就不用再起马甲了。

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Wi-Fi 6 诞生之后,才有了 Wi-Fi 5 的叫法

2019 年 9 月 16 日,Wi-Fi 联盟宣布启动 Wi-Fi 6 认证计划。此后,Wi-Fi 6 的大名响彻了全世界,目前新发布的设备基本都已经支持 Wi-Fi 6 了。

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02 Wi-Fi 信道及使用的频段

Wi-Fi 主要工作在 2.4GHz 和 5GHz 这两个频段上。这两个频段被称作 ISM(Industrial Scientific Medical 工业,科学,医学)频段,只要发射功率满足国家标准要求,就可以不用授权直接使用。

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不同国家的 ISM 频段有所不同

2.4GHz 作为全球最早启用的 ISM 频段,频谱范围是 2.40GHz~2.4835GHz,共 83.5M 带宽。

我们常用的蓝牙,ZigBee,无线 USB 也工作在 2.4GHz 频段。此外,微波炉和无绳电话使用的频段也是 2.4GHz。甚至,有线 USB 接口的内部芯片在工作时,也会发射 2.4GHz 的无用信号,造成干扰。

由此可见,2.4GHz 上同时工作的设备众多,频段拥挤不堪,干扰严重。当万家灯火,你和楼上楼下的邻居在用 Wi-Fi 愉快上网的时候,路由器却在背后默默地挑选信道,协调干扰。

Wi-Fi 把 2.4G 上的 83.5M 带宽划分为 13 个信道,每 20M 一个。注意这些信道是交叠的,本来只能放下 3 个,现在却硬生生地挤进去了 13 个,相互之间的干扰难以避免,只能尽量减轻,大不了大家速度慢一些,排队轮着用。

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2.4G 频谱及信道(第 14 信道在国内是不允许使用的)

信道交叠到什么程度呢?由下图可以比较直观地看出,在这些信道里面,只有 1,6,11 或者 2,7,12,或者 3,8,13 这三组是完全没有交叠的,可见 2.4GHz 频段的拥堵程度。就好比一条很窄的路,上面通行的车却很多,堵车频频,势必造成通行速度的下降。

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2.4G 不交叠的信道分布

到了 802.11n,用户可以使用 40M 的信道,但 2.4GHz 频段依然只有 83.5M 的总带宽,就只能容纳两个信道了。因此只有在夜深人静网络空闲的时候,单个用户才有可能使用 40M 信道,加之来自隔壁老王家的干扰,802.11n 的高速率很大程度上难以达到。

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2.4G 40M 带宽信道

如果说 2.4GHz 频段是羊肠小道的话,5GHz 频段无疑就是康庄大道了。

5GHz 频段的可用范围是 4.910GHz~5.875GHz,有 900 多 M 的带宽,是 2.4G 的 10 倍还多!这段频谱过于宽了,不同国家根据自身情况,定义了 Wi-Fi 可以使用的范围。

比如,在中国 5GHz 频谱共有 13 个 20M 信道可用作 Wi-Fi,连续的 20M 信道还可以组成 40M,80M,甚至 160M 信道。

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中国 5G 信道分布图

5GHz 的带宽大,上面跑的的设备少,用起来自然速度快,干扰小。因此,如果想要家庭网络达到良好的速率体验,可用考虑用 5GHz 来进行全屋覆盖。

然而尺有所短,寸有所长,5GHz 虽然带宽大干扰小,但是信号传播衰减快,还很容易被阻挡,穿墙能力很弱。

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2.4G 和 5G Wi-Fi 信号的穿透损耗

因此,跟 2.4GHz 相比,5GHz 信号通常要弱得多。至于它们到底各能覆盖多少米,这个由于路由器的天线增益,接收灵敏度,家里墙体和障碍物的分布,以及个人期望达到的上网速率都有关联,很难具体给出。

如果仅考虑到家里的各种智能家居的联网,2.4GHz 的覆盖和容量通常就够用了。但如果需要高速上网,最大化发挥家庭宽带的价值,就必须依靠 5GHz 才能实现。

因此,Wi-Fi 的覆盖建议不用考虑 2.4GHz,直接以 5GHz 全屋覆盖作为设计目标。一般情况下单个路由器在家庭的复杂环境下难以实现无死角覆盖,需要考虑多台路由器之间的组网以及漫游问题,这点后面再讲。

03 Wi-Fi 关键技术

为什么 Wi-Fi 的速度越来越快?其实在 IEEE 的 802.11 系列协议一直在跟 3GPP 的 4G 和 5G 相互借鉴,使用的底层技术都是通用的。

>>>> OFDM/OFDMA

OFDM 的全称是正交频分复用。系统会在频域上把载波带宽分割为多个相互正交的子载波,相当于把一条大路划分成了并行多个车道,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),子载波宽度是 312.5KHz,到了 Wi-Fi 6(802.11ax),子载波宽度缩小为 78.125KHz,相当于将同样宽度的路划分成了更多的车道。

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Wi-Fi 6 的拥有更多的子载波

在 OFDM 下,每个用户必须同时占用全带宽下的所有子载波。如果某个需要发送的数据没那么多,把频率资源用不满的话,其他用户也没法灵活使用,只能干巴巴地排队等着,频谱资源的使用效率不高。

为了解决这个问题,Wi-Fi 6 引入了 OFDMA 技术,后面多了个字母 A,其全称也就变成了正交频分复用多址。多址就是多用户复用的意思。

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OFDM vs. OFDMA

OFDMA 可以支持多个用户在同一时刻共享所有子载波。相当于运输公司把多个用户的数据统一打包,共同装车,充分利用车厢容量,大家的发货速度就都加快了,频谱效率得以提升。

>>>> MIMO/波束赋形

路由器上面的天线数量是越来越多,从看不到天线,到一根,两根,三根,四根,六根,八根...现在不管啥价钱的路由器,都长得跟螃蟹似的,张牙舞爪好不唬人。

为啥要用这么多天线?就是为了更好地实现 MIMO(多输入多输出)技术。简单来说,就是在信号发射时,用多根天线来同时发送多路不同的数据,速度自然成倍提升;在接收时,多个天线同时接收手机发来的信号,跟戴了助听器一样,接收灵敏度也得到了增强。

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单用户 MIMO(SU-MIMO)

如果所有天线同时只为一个用户服务,就叫做单用户 MIMO(SU-MIMO)。更进一步,路由器四路发射,手机四路接收,也可以更精细地叫做 4x4 MIMO。

有时候,路由器的天线众多能力强悍,但四顾茫然,发现手机个个都是弱鸡。路由器能发 4 路信号,但手机最多只能收两路,最终下来路由器也就不得不配合着只发两路。这不是浪费么?

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多用户 MIMO(MU-MIMO)

解决办法也是有的,一个手机的接收天线少,多个手机加起来不就多了?于是,路由器便将多个手机一起考虑,视作一个功能强大的虚拟手机,这样就又能实现高阶 MIMO 了。这种多手机共同参与的 MIMO 就叫做多用户 MIMO(MU- MIMO),又叫虚拟 MIMO。

除此之外,多个天线还可以通过波束赋形技术,形成指向性的窄波束,对准用户精准覆盖。由于窄波束的能量集中,因此可以覆盖得更远,穿墙效果也能得以提升。

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波束赋形

这样看来,路由器的天线个数是多多益善呀,买路由器就一定要挑天线多的吗?这可能是一个陷阱。天线再多,只是在堆一些外部看得见的硬件而已,看起来牛逼闪闪,但内部的设计到底能否支撑这么多天线还是未知数。

更重要的是,不论是 MIMO,还是波束赋形,都是需要软件算法支撑的,这里面的复杂度远高于硬件,不同厂家算法优化能力不同,可能导致很大的性能差异。

因此,建议在购买路由器时,不用太关注外部到底能看到多少根天线,而要看他们的产品宣传,是否支持波束赋形,4x4 MIMO,或者 MU-MIMO?如果厂家在这方面的宣传声势很大,那至少说明他们对这些功能比较自信并将其作为卖点。

>>>> 调制编码策略(MCS

调制编码,分为调制和编码两部分,它们共同决定了单位时间可以同时发送的比特数。调制编码策略一般将调制和编码两部分综合起来分为多个等级,级别越高,数据发送的速率也就越快。

调制的作用就是把经过编码的数据(一串 0 和 1 的随机组合)映射到前面所说帧结构的最小单元:OFDM 符号上。经过调制的信号才能最终发射出去。

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BPSK,QPSK,16QAM,64QAM 及 256QAM 星座图

常用的调制方式包括 BPSK、QPSK、16QAM,64QAM 和 256QAM,能同时发送的比特数为 1 个,2 个,4 个,6 个和 8 个。Wi-Fi 6 可以支持 1024QAM,可同时发送 10 个比特的数据,速率自然大为提升。

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256QAM 和 1024QAM 对比图

可是,原始数据在编码时,为了纠错而加入了很多的冗余比特,真正的有用数据其实只占一部分。我们考虑上网速率时,说的仅仅是有用数据的收发速率,冗余比特都在解码的时候丢弃掉了。

这就要引入码率的概念,也即是有用的数据在编码后总数据量中的占比。如果码率是 3/4,就是指编码后的数据中,3/4 是有用数据,1/4 是后来添加的冗余比特。

不同的调制方式,加上不同的码率,就组成了调制编码策略(MCS)。下表是 Wi-Fi 6 中的 MCS 表,可以看出最高阶 MCS 为 11,对应于 1024QAM 加 5/6 的码率。

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Wi-Fi 6 的 MCS 表

正是通过这些技术的不断演进,Wi-Fi 标准一代代向前,速率越来越高,让我们更为畅快地上网。

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