看懂WiFi规格的奥义,让你秒变无线路由器导购砖家!

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家用WiFi设备如何选择?你问我干啥?应该问你自己啊!

看懂WiFi规格的奥义,让你秒变无线路由器导购砖家! 

欢迎来到「Kim工房」,今天来科普重新命名的WiFi规格世代,并谈谈次世代的802.11ax有何过人之处。

2018年10月,Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)借着推广802.11ax新标准的机会,正式对WiFi规格世代进行重新命名。主流标准802.11n改名WiFi 4,主流标准802.11ac改名WiFi 5,新标准802.11ax改名WiFi 6。不要问前三代标准去哪儿,既然都是过去式,相逢何必曾相识。

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诚然,WiFi标准启用全新命名系统,确实能在一定程度上让WiFi规格的新旧与高低更直观更友好,不过也只是在一定程度上而已。WiFi规格的高低不完全由世代决定,它还受多重技术因素的影响,因此有必要再科普一把,顺便解读一下WiFi 6到底溜不溜?

友情提醒:本文纯粹讲道理,不推荐任何产品,授人以鱼很简单,但Kim较瘦偏偏不走寻常路,就是要授之以渔。至于家用WiFi产品究竟如何选择,本期课程结束后,请你来告诉我!


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

尾巴、终端才是王道

全文8000字,图片24张。


〇、WiFi溜不溜


所谓WiFi,就是基于IEEE 802.11标准的,用于无线局域网(WLAN)的通信技术。

讲真,直到今天才知道WiFi已经发展到第六代,之前那堆乱七八糟的802.11命名序列显然不是面向普通消费者,撇开非主流的11ad和11ah不谈,光是下列主流标准就足够让人懵逼。

802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax……

当前WiFi主流标准是11ac,但它只支持5GHz频段,因此11n仍是2.4GHz频段下的另一股主流。2017年8月,新标准11ax随华硕新品RT-AX88U一同步入消费视野,然而这款次世代无线路由并未即时发售,而是在一年之后被再次发布,实在耐人寻味。

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事实上,华硕(ASUS)对待11ax的态度非常超前,家用无线路由的另外两位大佬,网件(NETGEAR)与领势(LINKSYS)明显要谨慎得多,至今仍未发布相关产品,甚至吹起押注11ad的非主流风向,难道血统正宗的WiFi 6就这么不被业界看好?

至少Wi-Fi联盟还是乐观的,根据他家最新调研报告预测,2018年度全球WiFi相关产业的(直接与间接)经济价值高达2万亿美元,到2023年更有望增长至3.5万亿美元!其中,美英法德日韩是全球WiFi最发达(财)的国家。

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(较瘦,你车速太快,都跑题了……)看懂WiFi规格的奥义,让你秒变无线路由器导购砖家! 

咳咳,先来看看华硕次世代无线路由的WiFi规格,参数信息还算直观清晰,简单说RT-AX88U是一款AX6000无线路由器,支持4空间流,11ax协议下2.4G理论带宽1148Mbps、5G理论带宽4804Mbps,两个数值累加为5952,向上取整即6000,因此叫AX6000。

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同理,隔壁网件家的无线路由也是这么标定,旗舰款R9000是AD7200规格,即AD4600+AC1733+N800,再向上取整。

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老实说,目前家用WiFi市场直接采用各频段理论带宽累加值来标定WiFi规格的方式,简单粗暴且极不严谨,因为单从累加值无法直观透视它分解后的带宽构成,普通消费者光凭累加值根本无法判断设备规格的高低。关于这个问题,Kim较瘦早在去年就吐槽过,详见前期课程《纸上谈兵系列 @ 篇一:如何选无线路由器》,此处不再赘述。

Kim工房:纸上谈兵系列 @ 篇一:如何选无线路由器序:AC4000、AC2600和AC1900的无线路由到底有啥区别?数字越大越牛么?MU-MIMO又是什么黑科技?常言道纸上得来终觉浅,购物这么严肃的事情,怎么能纸上谈兵呢?可现实情况是,大多数消费行为,都不可能像超市试吃或商场试鞋一般,在消费决策之前就能对商品进行某种程度的体验,因此“做功课”依然cloud_kim| 349 评论205 收藏940查看详情

那么本期课程的问题来啦……

▲1148、4804、1625、1733,理论带宽的数值并不太工整,既然商家喜欢向上取整,为何不直接把带宽做成整数?为什么非要是1148?1150或者1200行不行?

▲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?

带着上述疑问,请系好安全带,接下来Kim较瘦将全方位解读WiFi规格的奥秘。协议、调制、频宽&频段、空间流、OFDMA、WiFi 4、WiFi 5、WiFi 6,真相只有一个!


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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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


回到本期课程的第一大问题:

1148、4804、1625、1733,理论带宽的数值并不太工整,既然商家喜欢向上取整,为何不直接把带宽做成整数?为什么非要是1148?1150或者1200行不行?

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。

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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。

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  • 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……

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▲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。


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▲常见的四流顶配设备,11ac是2167Mbps,假设是双5G频段(即2167Mbps+2167Mbps),再加上11n的1000Mbps(非标1024QAM),就是奢华的AC5300设备。


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▲犹抱琵琶半遮面的四流160MHz次世代设备,11ax(5G频段)是4804Mbps,再加上11ax(2.4G频段)的1148Mbps(287×4),就是开篇的华硕AX6000设备。


六、OFDMA


回到本期课程的第二大问题:

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?

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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小编注:本文作者@cloud_kim  是什么值得买生活家,他的个人自媒体信息为:

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