绿茶视频

WiFi6标准的含义以及它的原理

http://17jiuzhaigou.com 2020年02月28日        

【Wi-Fi到底是什么?】

绿茶视频Wi-Fi是一种技术,通过电磁波来传输数据的方式,进行连网。

故事还要从20多年前说起。

1997年,全球最大的专业学术组织电气电子工程师协会(Institute of Electrical and ElectronicsEngineers,IEEE)推出了世界上第一个无线局域网标准IEEE802.11,工作频段为2.4GHz,数据传输速率为2Mbit/s,实现了无线上网,解决了上网受网线束缚的问题。为满足日益增长的无线上网需求,IEEE先后推出了802.11a,802.11b,802.11g,802.11n,802.11ac等标准,得到了大量厂商支持,获得了广泛应用,特别是广泛应用于宾馆、饭店、机场、车站、体育馆、会场、大学教室、图书馆、办公室、家庭等室内。


【Wi-Fi名称的来历】

Wi-Fi起名故事:Wi-Fi联盟创始人之一 Phil Belanger,提议去找品牌咨询公司 Interbrand 来协助完成命名工作。

绿茶视频根据Interbrand官网的介绍,“Wi-Fi”的灵感来源于“Hi-Fi”。Hi-Fi意为“高保真”,指高质量、高还原的音频。Interbrand把“H”换成了Wireless(无线)的首字母“W”。Interbrand想通过“Wi-Fi”的名称表达出该无线以太网技术的强大——可以在无线的情况下提供高质量、低损失、遍布各处的网络,并非像广为流传的那样,先想到 wireless fidelity,再缩成 Wi-Fi。所以Wi-Fi并没有任何的意思,也不是任何单词的缩写。

Wi-Fi联盟不承认“WiFi”,“Wifi”,或“wifi”等字眼。但是很多人都称Wi-Fi为WiFi,我们知道它们是一个意思即可。


【Wi-Fi的标准和发展版本】

在不久之前,这个新一代Wi-Fi网络标准还在以IEEE(电气和电子工程师协会)指定的标准名称802.11ax来称呼,就像前几代Wi-Fi网络标准802.11n或是802.11ac一样令人费解,无法直接从数字和后缀名上理解命名的理由以及代际的区分。


【Wi-Fi 6 是什么】

解析WiFi 6标准的含义以及它的特点

Wi-Fi 6 Wi-Fi联盟IEEE Std. P802.11ax起的别名。

绿茶视频为了终结消费者产生的诸多困惑,设定Wi-Fi标准的行业组织——Wi-Fi联盟终于决定在新一代Wi-Fi上启用数字来表示代际,802.11ax从此就被称作Wi-Fi 6,此前的802.11n和802.11ac分别被称为Wi-Fi 4、Wi-Fi 5。从而也可以将之前的 802.11 a/b/g/n/ac 依次追加为 Wi-Fi 1/2/3/4/5。

绿茶视频WiFi 6,其实就是第6代无线技术——IEEE 802.11 ax。

2.4GHz 频段支持以下标准(802.11b/g/n/ax),5GHz 频段支持以下标准(802.11a/n/ac/ax),由此可见,只有802.11n/ax 同时工作在 2.4GHz 和 5GHz 频段,所以这两个标准是兼容双频工作。


电气电子工程师学会为其定义的名称为IEEE 802.11ax,负责商业认证的Wi-Fi联盟为方便宣传而称作WiFi 6

WiFi 版本WiFi 标准发布时间最高速率工作频段
WiFi 6IEEE 802.11ax2019 年11Gbps2.4GHz 或 5GHz
WiFi 5IEEE 802.11ac2014 年1Gbps5GHz
WiFi 4IEEE 802.11n2009 年600Mbps2.4GhHz或5GHz
WiFi 3IEEE 802.11g2003 年54Mbps2.4GHz
WiFi 2IEEE 802.11b1999 年11Mbps2.4GHz
WiFi 1IEEE 802.11a1999 年54Mbps5GHz
WiFi 0IEEE 802.111997 年2Mbps2.4GHz

WiFi6有哪些特点?

  1. 速度:WiFi 6在160MHz信道宽度下,单流最快速率为1201Mbit/s,理论最大数据吞吐量9.6Gbps。

  2. 绿茶视频续航:这里的续航针对连接上WiFi 6路由器的终端。WiFi 6采用TWT(目标唤醒时间),路由器可以统一调度无线终端休眠和数据传输的时间,不仅可以唤醒协调无线终端发送、接收数据的时机,减少多设备无序竞争信道的情况,还可以将无线终端分组到不同的TWT周期,增加睡眠时间,提高设备电池寿命。

  3. 绿茶视频延迟:WiFi 6平均延迟降低为:20ms,WiFi 5平均延迟是30ms。

  4. 安全:强制的安全认证,上了一个台阶。




绿茶视频2.4GHz频带的信道划分


实际一共有14个信道(上面的图中画出了第14信道),但第14信道一般不用。表中只列出信道的中心频率。每个信道的有效宽度是 20MHz绿茶视频,另外还有2MHz的强制隔离频带(类似于公路上的隔离带)。即,对于中心频率为 2412 MHz 的1信道,其频率范围为2401~2423MHz。



5G频带的信道划分




随着技术的发展,WiFi协议的迭代,对单流带宽影响最大的,一个是调制,一个是频宽。

绿茶视频所谓调制,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。


随着集成电路的发展,硬件性能逐渐提高,传输信号的密度会逐渐增加。


绿茶视频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。


绿茶视频值得注意的是,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。


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

绿茶视频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)。

绿茶视频有意思的是,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。


绿茶视频诚然,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……

空间流

绿茶视频空间流(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。

绿茶视频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……


WiFi速率算法


绿茶视频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……

1、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。

2、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。


3、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。

OFDMA

绿茶视频承前所述,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。

绿茶视频假设路由器支持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绿茶视频: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!

绿茶视频▲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。

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