本篇文章我們聊聊無(wú)線路由器的無(wú)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(wú)線路由器

無(wú)線路由器的無(wú)線接入功能，就是之前說(shuō)過(guò)的無(wú)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(jìn)行技術(shù)認(rèn)證和商標(biāo)授權(quán)。實(shí)際應(yīng)用中Wi-Fi經(jīng)常被寫(xiě)作WiFi或者Wifi，但這兩種寫(xiě)法并沒(méi)有被聯(lián)盟認(rèn)可。

Wi-Fi聯(lián)盟(全稱：國(guó)際Wi-Fi聯(lián)盟組織，英語(yǔ)：Wi-Fi Alliance，簡(jiǎn)稱WFA)，是一個(gè) 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(guó)德克薩斯州 奧斯汀 (Austin)。

Wi-Fi這個(gè)朗朗上口的名字被廣泛認(rèn)為是對(duì)無(wú)線高保真(Wireless Fidelity)的縮寫(xiě)，實(shí)際上是誤讀。它只是個(gè)單純的名稱，并沒(méi)有實(shí)際含義，當(dāng)然也沒(méi)有全稱。

Wi-Fi背后的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，則是由美國(guó)的電氣電子工程師協(xié)會(huì)(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(gè)版本開(kāi)始，802.11系列協(xié)議不斷向前演進(jìn)，經(jīng)歷了802.11a/b/g/n/ac等多個(gè)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(lái)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(méi)有Wi-Fi幾代這樣的說(shuō)法，直接就用802.11后面加幾個(gè)字母這樣的協(xié)議編號(hào)，對(duì)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(jiǎn)單易懂的Wi-Fi 6來(lái)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(méi)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(dòng)Wi-Fi 6認(rèn)證計(jì)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(gè)頻段上。這兩個(gè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，就可以不用授權(quán)直接使用。

不同國(guó)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(lán)牙，ZigBee，無(wú)線USB也工作在2.4GHz頻段。此外，微波爐和無(wú)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(shí)，也會(huì)發(fā)射2.4GHz的無(wú)用信號(hào)，造成干擾。

由此可見(jiàn)，2.4GHz上同時(shí)工作的設(shè)備眾多，頻段擁擠不堪，干擾嚴(yán)重。當(dāng)萬(wàn)家燈火，你和樓上樓下的鄰居在用Wi-Fi愉快上網(wǎng)的時(shí)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(gè)信道，每20M一個(gè)。注意這些信道是交疊的，本來(lái)只能放下3個(gè)，現(xiàn)在卻硬生生地?cái)D進(jìn)去了13個(gè)，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(duì)輪著用。

2.4G頻譜及信道(第14信道在國(guó)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(méi)有交疊的，可見(jiàn)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(shì)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(gè)信道了。因此只有在夜深人靜網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)候，單個(gè)用戶才有可能使用40M信道，加之來(lái)自隔壁老王家的干擾，802.11n的高速率很大程度上難以達(dá)到。

2.4G 40M帶寬信道

如果說(shuō)2.4GHz頻段是羊腸小道的話，5GHz頻段無(wú)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(guò)于寬了，不同國(guó)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(guó)5GHz頻譜共有13個(gè)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(guó)5G信道分布圖

5GHz的帶寬大，上面跑的的設(shè)備少，用起來(lái)自然速度快，干擾小。因此，如果想要家庭網(wǎng)絡(luò)達(dá)到良好的速率體驗(yàn)，可用考慮用5GHz來(lái)進(jìn)行全屋覆蓋。

然而尺有所短，寸有所長(zhǎng)，5GHz雖然帶寬大干擾小，但是信號(hào)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(hào)的穿透損耗

因此，跟2.4GHz相比，5GHz信號(hào)通常要弱得多。至于它們到底各能覆蓋多少米，這個(gè)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(gè)人期望達(dá)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(jià)值，就必須依靠5GHz才能實(shí)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(jì)目標(biāo)。一般情況下單個(gè)路由器在家庭的復(fù)雜環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)無(wú)死角覆蓋，需要考慮多臺(tái)路由器之間的組網(wǎng)以及漫游問(wèn)題，這點(diǎn)后面再講。

三、Wi-Fi關(guān)鍵技術(shù)

為什么Wi-Fi的速度越來(lái)越快?其實(shí)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(huì)在頻域上把載波帶寬分割為多個(gè)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(gè)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(gè)用戶必須同時(shí)占用全帶寬下的所有子載波。如果某個(gè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)沒(méi)那么多，把頻率資源用不滿的話，其他用戶也沒(méi)法靈活使用，只能干巴巴地排隊(duì)等著，頻譜資源的使用效率不高。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Wi-Fi 6引入了OFDMA技術(shù)，后面多了個(gè)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(gè)用戶在同一時(shí)刻共享所有子載波。相當(dāng)于運(yùn)輸公司把多個(gè)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(lái)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(jià)錢(qián)的路由器，都長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在信號(hào)發(fā)射時(shí)，用多根天線來(lái)同時(shí)發(fā)送多路不同的數(shù)據(jù)，速度自然成倍提升;在接收時(shí)，多個(gè)天線同時(shí)接收手機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)，跟戴了助聽(tīng)器一樣，接收靈敏度也得到了增強(qiáng)。

單用戶MIMO(SU-MIMO)

如果所有天線同時(shí)只為一個(gè)用戶服務(wù)，就叫做單用戶MIMO(SU-MIMO)。更進(jìn)一步，路由器四路發(fā)射，手機(jī)四路接收，也可以更精細(xì)地叫做4x4 MIMO。

有時(shí)候，路由器的天線眾多能力強(qiáng)悍，但四顧茫然，發(fā)現(xiàn)手機(jī)個(gè)個(gè)都是弱雞。路由器能發(fā)4路信號(hào)，但手機(jī)最多只能收兩路，最終下來(lái)路由器也就不得不配合著只發(fā)兩路。這不是浪費(fèi)么?

多用戶MIMO(MU-MIMO)

解決辦法也是有的，一個(gè)手機(jī)的接收天線少，多個(gè)手機(jī)加起來(lái)不就多了?于是，路由器便將多個(gè)手機(jī)一起考慮，視作一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬手機(jī)，這樣就又能實(shí)現(xiàn)高階MIMO了。這種多手機(jī)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(gè)天線還可以通過(guò)波束賦形技術(shù)，形成指向性的窄波束，對(duì)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(lái)，路由器的天線個(gè)數(shù)是多多益善呀，買(mǎi)路由器就一定要挑天線多的嗎?這可能是一個(gè)陷阱。天線再多，只是在堆一些外部看得見(jiàn)的硬件而已，看起來(lái)牛逼閃閃，但內(nèi)部的設(shè)計(jì)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(gòu)買(mǎi)路由器時(shí)，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M(jìn)U-MIMO?如果廠家在這方面的宣傳聲勢(shì)很大，那至少說(shuō)明他們對(duì)這些功能比較自信并將其作為賣點(diǎn)。

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(shí)間可以同時(shí)發(fā)送的比特?cái)?shù)。調(diào)制編碼策略一般將調(diào)制和編碼兩部分綜合起來(lái)分為多個(gè)等級(jí)，級(jí)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(guò)編碼的數(shù)據(jù)(一串0和1的隨機(jī)組合)映射到前面所說(shuō)幀結(jié)構(gòu)的最小單元：OFDM符號(hào)上。經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)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(shí)發(fā)送的比特?cái)?shù)為1個(gè)，2個(gè)，4個(gè)，6個(gè)和8個(gè)。Wi-Fi 6可以支持1024QAM，可同時(shí)發(fā)送10個(gè)比特的數(shù)據(jù)，速率自然大為提升。

256QAM和1024QAM對(duì)比圖

可是，原始數(shù)據(jù)在編碼時(shí)，為了糾錯(cuò)而加入了很多的冗余比特，真正的有用數(shù)據(jù)其實(shí)只占一部分。我們考慮上網(wǎng)速率時(shí)，說(shuō)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(shí)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(lái)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(duì)應(yīng)于1024QAM加5/6的碼率。

Wi-Fi 6 的MCS表

正是通過(guò)這些技術(shù)的不斷演進(jìn)，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)一代代向前，速率越來(lái)越高，讓我們更為暢快地上網(wǎng)。