深入浅出话 Wi-Fi

Qorvo半导体 3天前

以下文章来源于无线深海 ，作者蜉蝣采采

无线深海
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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。

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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。

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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。

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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。
本文来源：无线深海
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