详解 WiFi 规格;802.11 中的名词解释

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  • 本文概况:
  • 〇、WiFi 溜不溜
  • 一、协议
  • 二、调制
  • 三、频宽 & 频段
  • 四、空间流
  • 五、WiFi 速率算法
  • 六、OFDMA

一、协议

先从开篇的 WiFi 规格世代谈起,所谓的 WiFi 4-5-6 就是 IEEE 802.11 规范里的若干标准或协议。不管 11n、11ac 还是 11ax,每套标准都由若干技术、规格与功能组成,并形成统一的行业规范,从而确保设备的兼容性与一致性。

WiFi 4

802.11n 诞生于 2009 年,它凭借 40MHz 频宽与 MIMO 黑科技,将 WiFi 理论带宽从 11a/g 的 54Mbps 飙升至 600Mbps(150Mbps×4 条空间流),而且 11n 同时支持 2.4G/5G 频段,最终完美取代旧标准,从此一统江湖。

WiFi 5

802.11ac 诞生于 2013 年,最初版本(Wave 1)凭借 80MHz 频宽与 256QAM 调制,将 WiFi 单流带宽提升至 433Mbps;2016 年第二版(Wave 2)借鉴部分 11ax 的特性,将频宽再次翻倍到 160MHz,更带来噱头十足(然并卵)的 MU-MIMO,不过此 MU-MIMO 并非完整版,它只支持下行多终端并行传输,而且使用局限性较大(只有同一信道下的所有终端都兼容 MU-MIMO 的情况下,MU-MIMO 机制才会生效!)。

尽管 11ac 理论上支持 8 条空间流,但在家用 WiFi 市场基本只做到 4×4(80MHz)或 2×2(160MHz),即理论带宽为 1733Mbps,距离 11ac 极限带宽(6.9Gbps)差很大,但仍足以将 WiFi 带宽提升到千兆,与家用有线网络平级。

值得注意的是,11ac 仅支持 5G 频段,在技术上无法完全取代支持 2.4G 频段的 11n,因此所谓的 WiFi 4 与 WiFi 5 其实是基友关系(平行标准),Wi-Fi 联盟将它们定义为迭代关系,多少有些不够严谨。

WiFi 6

严格来说,802.11ax 还在娘胎,预产期 2018 年底或 2019 年初,不过它绝大部分技术规范均已公开。单从理论带宽来看,11ax 似乎乏善可陈,例行更新的 1024QAM 调制并没有带来突飞猛进的单流带宽,极限带宽(1.2×8=9.6Gbps)仅比 11ac(6.9Gbps)提高 40% 左右。

好消息是,11ax 同时支持 2.4G/5G 频段,是真正意义上的第六代 WiFi 标准,势必取代 11n 与 11ac,重新一统江湖。

天大好消息是,11ax 带来完整版 MU-MIMO,支持 8 个终端上行 / 下行 MU-MIMO,同时引入 OFDMA 黑科技,实现与 MU-MIMO 互补的另外一种并行传输能力,而且比 MU-MIMO 更灵活更实用。

二、调制

从 WiFi 协议迭代历程不难看出,对单流带宽影响最大的,一个是调制,一个是频宽。所谓调制,就是将电信号转换为无线电波的过程,反之则称为解调,其核心技术是调制方式,调制方式越高阶,转换过程中数据密度就越高。

根据 802.11 的标准协议,11n 最高支持 64QAM,11ac 最高 256QAM,11ax 最高 1024QAM,不过某些芯片 / 设备厂家,将高阶调制技术移植到低级协议中,使得 11n 协议也能支持 256QAM 甚至 1024QAM,从而让单流带宽从 150Mbps 提升到 200Mbps 甚至 250Mbps。同理,前述华硕 RT-AX88U 在 “11ac 协议+160MHz 频段+4 空间流” 的情况下,居然能跑到 4333Mbps,正是依赖 1024QAM 在 11ac 协议上的非标拓展。

调制方式决定无线信号子载波单个符号的数据密度,折算方法很简单,QAM 数值是 2 的 N 次方,对应的符号位长就是 N。因此,64QAM 符号位长 6bit,表示一次可传输 6bit 的数据,256QAM 符号位长 8bit,1024QAM 符号位长自然就是 10bit。这就是 11n 的单流带宽从 150Mbps 提升至 200Mbps 甚至 250Mbps 的奥秘。

为保证数据传输的完整性,在调制过程中需要插入一些冗余数据用于纠错校验,因此有个码率的概念,它以分数形式来体现每次传输时有效数据的占比。例如,1/2 表示只有一半是有效数据,另一半是冗余数据;5/6 表示 5/6 是有效数据,1/6 是冗余数据。

将调制方式与码率组合起来,就得到一张神奇的 MCS(Modulation and Coding Scheme)策略表,WiFi 设备的实际连接速率,其实就是在这张表里动态自适应选择的。当无线信号强劲时,MCS 会尽量选择高阶组合(高 bit + 低冗余),当无线信号羸弱时,MCS 会尽量选择低阶组合(低 bit + 高冗余)。赶紧看看你手头的终端,WiFi 速率是不是在特定数值之间动态切换(飘来飘去)?

这是为什么呢?鱼与熊掌的老问题。

随着数据密度的提升,数字调制的抗干扰能力却在下降,这就对无线信号的质量提出更高的要求。回到之前的 MCS 策略表,WiFi 速率自适应的原理就这么简单,协议与频宽确定的情况下,终端与 AP 距离越近遮挡越少,WiFi 信号质量就越好,MCS 就会自动选择高阶组合,数据密度与码率就越高,WiFi 速率自然就越高。

值得注意的是,整个 MCS 动态选择机制完全由 WiFi 设备根据当前信号质量自行评估并选择,不需要也不可能由用户来控制。比如在无线信号较差的情况下,你愿意接受丢包来换取更高的 WiFi 空口速率,不好意思,802.11 不同意。

PS:本文所谈及的单流带宽与理论带宽,均指 MCS 最高阶情况下的 WiFi 速率,即极限空口速率,与无线信号质量无关,特此声明。

三、频宽 & 频段

与幕后默默奉献的 MCS 策略不同,频宽更为消费者所熟知,因为它本身就是 WiFi 设备的核心设置选项之一。无论 2.4G 还是 5G 频段,最小信道都是 20MHz 的带宽,简称频宽,两个相邻小信道可聚合成一个大信道,此时传输带宽翻倍,以此类推促成 WiFi 单流带宽成倍增长。

无线电波在信道内以帧的形式传输,每一帧又由若干子载波组成,子载波的数量直接反映传输带宽的高低。以 11n/ac 为例,20MHz 信道支持 64 个子载波,扣掉抗扰子载波与导频子载波后,实际用于数据传输的子载波为 52 个,而 40MHz 信道的数据子载波为 108 个,是前者的 2.08 倍(并非工整的两倍)。

有意思的是,11ax 在 20MHz 的数据子载波数量 “暴增” 至 234 个,莫非有何黑科技?这就要从帧传输周期谈起……

  • 在 11n/ac 标准中,每一帧是发送 3.2 微秒,再停止 0.4 微秒(即帧间隔,Guard Interval),接着继续发下一帧,那么每一帧的传输周期是 3.6 微秒。
  • 11ax 标准将帧结构重新设计,单帧容量增至原来的四倍(即 256 个子载波 / 20MHz),帧发送时长自然也是原来的四倍(12.8 微秒),不过帧间隔仅为原来的两倍(0.8 微秒),即每一帧的传输周期是 13.6 微秒。

因此,没有所谓黑科技,11ax 不过是利用接近 4 倍的传输周期,发送略高于 4 倍的数据子载波数量,整体的效率提升大约 10% 多一点,仅此而已。

诚然,频宽越大,单帧发送的数据子载波就越多,WiFi 速率就越高,但仍离不开鱼与熊掌的问题。频宽越大,WiFi 信号质量越差,覆盖能力越弱,兼容性也不理想。所以,通常无线路由器或 AP 上都有频宽设置选项,由用户根据终端与应用情况自行取舍。

那么问题来啦,频段跟 WiFi 带宽又是什么关系?5G 频段一定比 2.4G 频段更快么?

事实上,频段跟带宽并无直接关联,之所以 5G 频段的理论带宽远高于 2.4G 频段,仅仅缘于频谱分配上的先天优势,5G 频段中用于 WiFi 传输的频谱比 2.4G 宽很多,因此穷孩子 2.4G 频段最高只能聚合出 40MHz 频宽,而富二代 5G 频段可以轻松上 80MHz 甚至 160MHz 频宽。

假设两者站在同一起跑线,即相同协议、相同 MCS 范围、相同频宽、相同空间流的情况下,2.4G 与 5G 频段下的理论带宽其实一样样!再考虑到 5G 频段在传输距离与越障能力方面的劣势,实际的 WiFi 速率还不如 2.4G 频段……

四、空间流

空间流(Spatial Stream)源于 MIMO 技术,即多天线同步收发,通常以 I×O 来标识接收 / 发送的天线数,两者可以是任意比例,不过在 WiFi 设备里基本是收发对等,例如 2×2 或 4×4,即 2 条空间流(2SS)或 4 条空间流(4SS)。因此,在单流带宽确定的情况下,WiFi 设备的理论带宽=单流带宽 × 空间流数。

注意空间流是在设备两端就低适配的,无论 4×4 的无线路由器搭配 2×2 的终端,还是 2×2 的无线路由器搭配 4×4 的终端,实际运行的空间流都是 2 条。

既然空间流多多益善,而且早在 11ac 标准就已经支持 8 条空间流,为何家用无线路由器最高却只到 4×4 规格?因为终端跟不上,目前绝大多数的智能手机或平板电脑最高只到 2×2,台式机或笔记本基本也是 2×2,只有极少数发烧级电脑才会配置 3×3 甚至 4×4 的无线网卡。道理很简单,天线越多,功耗越大,而移动终端最紧张的永远是电量……

五、WiFi 速率算法

WiFi 设备的理论带宽不工整,是缘于单流带宽本身就不工整,简单归纳一下,近三代标准在不同调制 & 频宽情况下的单流带宽是这样滴,基本乘上个二三四,就是你所熟悉的理论带宽。

事实上,WiFi 理论带宽的计算公式远比你想象中简单,所有关键因素均已在前篇科普,并有明确的取值范围,只需根据 WiFi 技术规格选取相应的数值,丢进公式掐指一算即可。

  • 符号位长,由 MCS 策略表里的调制方式决定,64QAM 是 6bit,256QAM 是 8bit,1024QAM 是 10bit。
  • 子载波数,特指数据子载波数,由协议 & 频宽决定,11n/ac 与 11ax 的帧结构不同,子载波数基本与频宽成正比。
  • 码率,由 MCS 策略表决定,与调制方式有一定关联,对于高阶调制(64/256/1024QAM)码率都取 5/6。
  • 传输周期,由协议决定,11n/ac 按 3.6 微秒(3.2+0.4)取值,11ax 按 13.6 微秒(12.8+0.8)取值。
  • 空间流数,由 WiFi 设备的天线数决定,通常会在参数中标识,取值范围是 1~4 之间的整数。

接下来举几颗栗子,看看理论带宽的计算过程有多稀松……

常见的三流设备规格,11ac 是 1300Mbps,再加上 11n 的 450Mbps(标准 64QAM)或 600Mbps(非标 256QAM),就是 AC1750 或 AC1900 设备。

六、OFDMA

眼尖的同学应该有留意,华硕 RT-AX88U 的 5G 频段下,11ax 理论带宽为 4804Mbps,而 11ac 也能跑到 4333Mbps 呀,号称次世代的 11ax 就这么点能耐?

承前所述,单纯从规格上看,11ax 相比当红的 11ac+11n 非标搭档并没有明显优势……

  • 2.4G 频段:非标 11n 单流带宽也能跑到 250Mbps,与 11ax 的 287Mbps 没差多少,短期内 WiFi 终端最高就 4 条空间流,根本拉不开差距。
  • 5G 频段:非标 11ac 单流带宽 1083Mbps,同样紧跟 11ax 的 1201Mbps,而且大家都支持 8 条空间流,就算多战几个回合,11ac 仍有还手之力。
  • 并行传输:11ac 也有乞丐版 MU-MIMO,11ax 不就满血 MU-MIMO 么,有啥特别的,咦,这个 OFDMA 是什么鬼?

为什么要引入并行传输?这得从 MIMO 谈起……

严格来说,原有的 MIMO 也叫 SU-MIMO(即单用户 MIMO),虽然它支持多天线同步传输,但在同一信道 & 同一时刻,无线路由器只能与一个终端通信,即串行传输。

假设路由器支持 4 条空间流,在信道 149(5G 频段)下挂三台终端,分别是 2×2 的笔记本电脑、1×1 的手机 A 和 1×1 的手机 B,那么在某一时刻,路由器只能三选一来通信,如果选中笔记本,那么其他终端就要排队,即使 2×2 笔记本只占用 4 条空间流中的 2 条,剩余 2 条也没法分配给两台手机。

于是 MU-MIMO(即多用户 MIMO)应运而生,它在 SU-MIMO 的基础上,增加多终端同步传输机制,从而提高空间流的利用率。还是之前的例子,在支持 MU-MIMO 的情况下,4 条空间流恰好满足三台终端同时传输而且不会降速,高端路由器终于物尽其用。

然而,MU-MIMO 并不完美,它的运行状态不够稳定,很容易受终端影响。还是之前的例子,4 条空间流只能满足合计 4SS 的终端完美跑 MU-MIMO,基本就是下面这五种组合,顶多支持四台终端。一旦终端数量超过 4 台,就要排队;一旦合计负载超过 4SS,就要降速。

下面掌声有请,11ax 真正的黑科技 OFDMA,压轴登场!

长久以来,WiFi 一直采用 OFDM 作为核心传输方案,11ax 在 OFDM 的基础上加入多址(即多用户)技术,从而演进成 OFDMA。简单说,OFDMA 将帧结构重新设计,细分成若干资源单元(RU),从而为多个用户服务。

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access),正交频分多址。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing),正交频分复用。

以 20MHz 信道为例,在 OFDM 方案(即 11n/ac)里每一帧由 52 个数据子载波组成,这组子载波只能为一个终端服务,如果该终端传输的数据包较小(聊天消息),根本就装不满 52 个子载波,那么空载的子载波也无法分配给其他终端。

 OFDMA 方案(即 11ax)里每一帧由 234 个数据子载波组成,但在帧内进行二次分组,每 26 个子载波定义为一个 RU(Resource Unit,资源单元),每个 RU 可以为一个终端服务,那么每一帧就被分成 9 份,可以同时为 9 个用户服务!

用卡车拉货来解释更直观,OFDM 方案是按订单发车,不管货物多少,来一单发一趟,哪怕车厢空荡荡;OFDMA 方案会将多个订单聚合起来,尽量让卡车满载上路,使得运输效率大大提升。

看到这里,你可能会以为 OFDMA 跟 MU-MIMO 差不多呢,其实差很大。尽管两者均为并行传输解决方案,但既不是迭代关系,也不是竞争关系,而是互补关系。它们的技术原理不尽相同,适用的场景也有所区别,具体视服务的应用类型而定。

  • OFDMA:适用于小数据包的并行传输,提升单空间流的信道利用率与传输效率,减少应用延迟与用户排队。运行状态稳定,不容易受终端影响。
  • MU-MIMO:适用于大数据包的并行传输,提升多空间流的利用率与系统容量,提高单用户的有效带宽,同样能减少时延。运行状态不够稳定,很容易受终端影响。
  • ▲好消息是,两种方案不冲突,甚至可以叠加,用户无需操心并行传输背后的运行机制,唯一的感受就是,再多的终端网络也不卡顿!
  • ▲坏消息是,两种方案都需要 WiFi 设备的支持,而且只有同一信道下的所有终端都支持 11ax 的情况下,并行传输的运行状态才是完美的,否则效果会严重打折,打骨折。

尾巴、终端才是王道

诚然,11ax 的新特性远不止于此,考虑到课堂时间有限(估计你们也快睡着),暂时就到这里吧。前五代 WiFi 标准的发展,主要致力于无线带宽的提升,当 WiFi 带宽追平有线网络后,WiFi 标准开始横向发展,次世代的 11ax 着重改善多终端的用户体验。

回到开篇的命题,家用 WiFi 设备如何选择?一句话:终端决定一切

从 WiFi 规格的迭代历程不难看出,真正的瓶颈并不在无线路由器或 AP 上,而是你手头的终端。路由器的规格再高,终端不行也白搭,理论上高端路由器确实能带更多的终端,前提是你的终端全得支持 MU-MIMO 或 OFDMA,问题是你有么?

讲道理,家用 WiFi 设备的选购从来就不是技术活,而是量体裁衣的艺术活,仅当路由器 / AP 与终端之间门当户对时,才是物尽其用的最佳拍档,至于多出来的性能与功能,真的只是摆设。

发布者

胡中元

《中原驿站》站长

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