Wi-Fi关键技术与应用发展解析

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。   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。   IEEE 全称：Institute of Electrical and Electronics Enginees  

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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。  

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。  

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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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。  

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。  

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。  

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。  

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。  

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。  

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。  

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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。  

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。  

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。  

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？  

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。  

 

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。  

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。  

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。  

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。

       本文来源：无线深海

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