大家好,我是蜉蝣君。



上期我们讲述了什么是无线路由器,本期我们紧跟其上,聊聊无线路由器的无线接入功能,也就是我们耳熟能详的Wi-Fi相关的历史,频段,以及关键技术。

 

无线路由器



无线路由器的无线接入功能,就是之前说过的无线局域网(WLAN)。目前WLAN只有Wi-Fi这一种主流技术,因此可以认为两者是等同的。 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

 

一.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-Fi5和Wi-Fi4。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。

 


二.  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。

 

三.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,4x4MIMO,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。
好了,本期的内容就到这里,希望对大家有所帮助。