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[ZZ]Wi-Fi 6关键技术解析
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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，是由Wi-Fi联盟进行技术认证和商标授权的一种无线通信技术。它背后的技术标准，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。 
Wi-Fi联盟（全称：国际Wi-Fi联盟组织，英语：Wi-Fi Alliance，简称WFA）
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，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。
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。 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。
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。
三. Wi-Fi关键技术
为什么Wi-Fi的速度越来越快？
其实，IEEE的802.11系列协议一直在跟3GPP的4G/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
四. Wi-Fi速率的计算
单个频段Wi-Fi的峰值速率，可以用下面的公式来计算：
我们可以用公路系统来类比计算模型。
空间流数相当于多层交通，子载波数量相当于每层公路上的多条车道，调制阶数相当于路上货车的车厢容积，码率相当于给货物增加了包装箱，OFDM符号时长和符号间隔相当于货车在公路的通行时长再加上发车间隔。
空间流数：随着协议的演进，Wi-Fi能支持的空间流数越来越多，推动峰值速率不断提升。
如下表所示，IEEE制定的802.11ac最多能支持8流，但是Wi-Fi联盟（WFA）在认证的时候，觉得这个能力过于强了，实现起来成本太高，因此就分成了两个阶段：wave 1和wave 2。
这两个阶段的能力也比较保守，并未最终实现IEEE的设计能力。Wave 1可支持3流，Wave 2可支持4流。
到了802.11ax，最多可以支持到8流。Wi-Fi联盟将其包装为Wi-Fi 6，也不再搞过渡版本了。但你的路由器到底能支持到几流，还要看厂家具体的实现。
有效子载波数量：802.11系列协议对子载波的划分越来越细，可支持的信道带宽越来越大，这两点促使有效子载波数量不断增加。
如下表所示，802.11n可支持最大40M信道带宽，802.11ac则能支持160M带宽，因此有效子载波数量翻了4倍有余。
到了802.11ax，同样最大支持160M信道宽度，但子载波间隔却仅为之前协议的1/4，从而最大支持的子载波数量相比802.11ac又翻了4倍。
调制阶数：802.11ac最大支持256QAM，调制阶数为8，也就是每个符号可同时携带8个比特的数据。
802.11ax则最大支持到1024QAM，每个符号可同时携带10个比特的数据，比前一代提升了25%。
MCS和码率：协议定义了多种调制方式和码率的组合，就是调制编码策略（Modulation Coding Scheme, MCS）。
调制阶数越高，码率越高，抗干扰能力也就越差。因此在无线信号强度足够，且干扰很小的时候，高阶MCS才能发挥作用。
符号长度 + 符号间隔：在802.11ac及以前，单个符号长度3.2微秒，符号间隔是0.8微秒，但也支持0.4微秒。我们计算峰值速率当然用短的间隔，因此802.11ac的符号长度+符号间隔为3.6微秒。
到了802.11ax，符号长度成了12.8微秒，间隔长度为至少0.8微秒，两者加起来就是13.6微秒。
这个值虽远高于之前的协议，看似吃了亏，但802.11ax在其他方面非常优秀，速率还是对前辈形成了碾压之势。
把上述多个表格中的数据带入公式计算，采用该协议可支持的最高阶调试方式及码率，符号间隔使用最小值，先不考虑空间流数，单流的计算结果见下表。
2.4GHz通常最大支持到40M带宽，5GHz频段可最大支持160M带宽，再根据协议版本的不同，以及空间流数的不同，把两个频段能支持的峰值速率加起来，就是路由器官方宣传的峰值速率了。
上图是蜉蝣君根据路由器的标称速率，来估计2.4G和5G这两个频段可支持的信道带宽以及流数，并对速率计算进行了验证。
举例来说，对于AC1200，其中的AC是指它最高可以支持到802.11ac协议（Wi-Fi 5），2.4GHz频段只能使用802.11n ，支持2x2 MIMO，速率可达300Mbps，5GHz频段也是2x2 MIMO，速率为867Mbps，总和为1167Mbps，就按照1200M来宣传了。
对于AX5600，其中的AX是指它最高可以支持到802.11ax协议（Wi-Fi 6），2.4GHz频段支持2x2 MIMO，速率可达573.6Mbps，5GHz频段可支持160M信道带宽及4x4 MIMO，速率为4804Mbps，总和为5377.6Mbps，就按照5400M来宣传了。
好了，本期的内容就到这里，如果大家觉得所帮助，欢迎转发支持。
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。
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。
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。 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。
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。
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。
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。
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。
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。
三. Wi-Fi关键技术
为什么Wi-Fi的速度越来越快？
其实，IEEE的802.11系列协议一直在跟3GPP的4G/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。
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。
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。
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？
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。
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。
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。
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。
四. Wi-Fi速率的计算
单个频段Wi-Fi的峰值速率，可以用下面的公式来计算：
我们可以用公路系统来类比计算模型。
空间流数相当于多层交通，子载波数量相当于每层公路上的多条车道，调制阶数相当于路上货车的车厢容积，码率相当于给货物增加了包装箱，OFDM符号时长和符号间隔相当于货车在公路的通行时长再加上发车间隔。
空间流数：随着协议的演进，Wi-Fi能支持的空间流数越来越多，推动峰值速率不断提升。
如下表所示，IEEE制定的802.11ac最多能支持8流，但是Wi-Fi联盟（WFA）在认证的时候，觉得这个能力过于强了，实现起来成本太高，因此就分成了两个阶段：wave 1和wave 2。
这两个阶段的能力也比较保守，并未最终实现IEEE的设计能力。Wave 1可支持3流，Wave 2可支持4流。
有效子载波数量：802.11系列协议对子载波的划分越来越细，可支持的信道带宽越来越大，这两点促使有效子载波数量不断增加。
如下表所示，802.11n可支持最大40M信道带宽，802.11ac则能支持160M带宽，因此有效子载波数量翻了4倍有余。
调制阶数：802.11ac最大支持256QAM，调制阶数为8，也就是每个符号可同时携带8个比特的数据。
802.11ax则最大支持到1024QAM，每个符号可同时携带10个比特的数据，比前一代提升了25%。
MCS和码率：协议定义了多种调制方式和码率的组合，就是调制编码策略（Modulation Coding Scheme, MCS）。
调制阶数越高，码率越高，抗干扰能力也就越差。因此在无线信号强度足够，且干扰很小的时候，高阶MCS才能发挥作用。
符号长度 + 符号间隔：在802.11ac及以前，单个符号长度3.2微秒，符号间隔是0.8微秒，但也支持0.4微秒。我们计算峰值速率当然用短的间隔，因此802.11ac的符号长度+符号间隔为3.6微秒。
这个值虽远高于之前的协议，看似吃了亏，但802.11ax在其他方面非常优秀，速率还是对前辈形成了碾压之势。
把上述多个表格中的数据带入公式计算，采用该协议可支持的最高阶调试方式及码率，符号间隔使用最小值，先不考虑空间流数，单流的计算结果见下表。
2.4GHz通常最大支持到40M带宽，5GHz频段可最大支持160M带宽，再根据协议版本的不同，以及空间流数的不同，把两个频段能支持的峰值速率加起来，就是路由器官方宣传的峰值速率了。
上图是蜉蝣君根据路由器的标称速率，来估计2.4G和5G这两个频段可支持的信道带宽以及流数，并对速率计算进行了验证。
举例来说，对于AC1200，其中的AC是指它最高可以支持到802.11ac协议（Wi-Fi 5），2.4GHz频段只能使用802.11n ，支持2x2 MIMO，速率可达300Mbps，5GHz频段也是2x2 MIMO，速率为867Mbps，总和为1167Mbps，就按照1200M来宣传了。
对于AX5600，其中的AX是指它最高可以支持到802.11ax协议（Wi-Fi 6），2.4GHz频段支持2x2 MIMO，速率可达573.6Mbps，5GHz频段可支持160M信道带宽及4x4 MIMO，速率为4804Mbps，总和为5377.6Mbps，就按照5400M来宣传了。
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