Wi-Fi的那些事：无线电、速率与组网
路由器上标注的网速到底是什么意思？最近大热的Wi-Fi6有什么过人之处？为什么国外版的游戏机搜不到Wi-Fi信号？如果你曾有过这些疑问，相信这篇文章能够给你解答。
Wi-Fi中的无线电
Wi-Fi使用的频段
Wi-Fi使用2.4G频段与5G频段，并且需要占用一定宽度的无线频率进行通信。为了高效的分配稀缺的无线频谱资源，各个频段被划分成了多个信道，信道是无线数据在通信系统中传输的通道。获得更多的频率宽度意味着更高的传输速度。
ISM频段
众所周知，无论何种无线电通信都需要一个特定的无线电频段来发射或接受无线电信号。对于Wi-Fi来说，最耳熟能详的便是2.4G频段与5G频段，购买无线路由器、手机等无线电收发设备不需要申请且无需为无线电频谱支付费用，是因为Wi-Fi所使用的频段均落在ISM（Industrial, Scientific and Medical Band；工业，科学及医学）频段。使用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（例如，在我国使用2.4GHz频段的设备的发射功率需低于100mw）。ISM频段在各个国家与地区的规定并不统一，但是Wi-Fi所使用的2.4G频段与5.8G频段均落在全球各国共有的ISM频段上。
下表中列出了中国大陆地区常见的ISM频段及其应用。
| 频率范围 | 中心频率 | 常见应用 |
|---|---|---|
| 13.553–13.567 MHz | 13.560 MHz | RFID |
| 433.05–434.79 MHz | 433.92 MHz | 无线遥控 无线对讲等 |
| 2.400–2.500 GHz | 2.450 GHz | Wi-Fi 蓝牙 ZigBee等 |
| 5.725–5.875 GHz | 5.800 GHz | Wi-Fi 图传等 |
| 24–24.25 GHz | 24.125 GHz | 微波人体雷达 |
| 61–61.5 GHz | 61.25 GHz | WiGig (802.11ad) |
2.4GHz频段
工作在2.4GHz的设备非常多，例如蓝牙、Wi-Fi、无线键盘鼠标、无线耳机等。使用2.4GHz频段的无线设备较多且发展较早，目前该频段早已拥堵不堪。2.4G频段的无线电相对5GHz频段的波长更短，在空气与墙等介质中的衰减更小，穿透力更强，在增强了信号的同时也加剧了2.4GHz频段的干扰。
ISM中的2.4GHz频段有2.4-2.5GHz，总计100MHz的可用频率。在中国大陆，Wi-Fi使用其中2.40-2.4835GHz，共计83.5MHz的频率来放置各个信道。这些频率被划分为13个20MHz宽的信道，信道与信道的中心频点之间的频率差为5MHz，共使用2.412~2.472GHz这60MHz频率来放置中心频点。为了防止信道之间干扰，每个20MHz宽的信道，实际占用了22MHz的频率，且信道两端各使用了1MHz预留频率来防止干扰。为了不与其他非2.4GHz频段的无线电设备干扰，Wi-Fi还在其起始频率处增加了1MHz的预留频率，来避免与其他频段互相干扰。
除此之外，为了不与其他非2.4GHz频段的无线电设备干扰，Wi-Fi还在其起始频率处增加了1MHz的预留频率，来避免与其他频段互相干扰。于是，Wi-Fi的第1信道的中心频点为2.412GHz (2400MHz + 22MHz/2 + 1MHz)，最后一个频道的中心频点为2.472GHz (2412MHz + 5MHz*12)，Wi-Fi使用频段的末端频率为2.483GHz (2472MHz + 22MHz/2)。
| 频段 | 频率(MHz) | 频率范围(MHz) | 北美 | 日本 | 其他地区 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2412 | 2401–2423 | 是 | 是 | 是 |
| 2 | 2417 | 2406–2428 | 是 | 是 | 是 |
| 3 | 2422 | 2411–2433 | 是 | 是 | 是 |
| 4 | 2427 | 2416–2438 | 是 | 是 | 是 |
| 5 | 2432 | 2421–2443 | 是 | 是 | 是 |
| 6 | 2437 | 2426–2448 | 是 | 是 | 是 |
| 7 | 2442 | 2431–2453 | 是 | 是 | 是 |
| 8 | 2447 | 2436–2458 | 是 | 是 | 是 |
| 9 | 2452 | 2441–2463 | 是 | 是 | 是 |
| 10 | 2457 | 2446–2468 | 是 | 是 | 是 |
| 11 | 2462 | 2451–2473 | 是 | 是 | 是 |
| 12 | 2467 | 2456–2478 | 除加拿大外是 | 是 | 是 |
| 13 | 2472 | 2461–2483 | 否 | 是 | 是 |
| 14 | 2484 | 2473–2495 | 否 | 仅限11b | 否 |
由于信道宽度为20MHz且信道间距为5MHz，各个信道之间均有重叠的部分。完全没有重叠的最多有3个信道，可以为图中的任意一行中的3个信道。
5GHz频段
常见的工作在5GHz频段的设备有Wi-Fi、气象雷达、图传等。5GHz频段发展较晚，目前常见的应用仅有Wi-Fi，且可用频谱充足、干扰小、速率高，是目前Wi-Fi的首选，但也存在信号穿透力差、空气中衰减较大等问题。
5GHz Wi-Fi仍然延续了2.4GHz Wi-Fi信道的命名标准，从5.0GHz开始称为信道1，每个信道宽度为20Mhz，之后每隔5MHz中心频率，信道数增加1。例如，38信道指中心频率为5190Mhz，宽度为的20MHz的信道。
在中国大陆，可供使用的5GHz Wi-Fi频段包括两部分，它们分别是属于ISM频段的5.8GHz频段与工信部于2012年开放的5.2GHz频段。5.8GHz频段范围为5.745–5.825GHz，共计100MHz，划分为149-165信道。5.2GHz频段范围为5150~5350MHz，共计200MHz频率，划分为高低部分，各100Mhz。其中，5250~5330MHz共80MHz，划分为52-64信道，为DFS信道；5170~5250MHz共80MHz，划分为36-48信道，可以直接使用，信道前后各空余的20Mhz频率作为保护带使用。
下表为各个地区可用于Wi-Fi的5GHz频段。1
| 信道 | 中心频率(MHz) | 频率范围(MHz) | 美国 | 日本/欧盟 | 中国 | 中国台湾 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 36 | 5180 | 5170-5190 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 40 | 5200 | 5190-5210 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 44 | 5220 | 5210-5230 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 48 | 5240 | 5230-5250 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 52 | 5260 | 5250-5270 | DFS | DFS | DFS | 是 |
| 56 | 5280 | 5270-5290 | DFS | DFS | DFS | 是 |
| 60 | 5300 | 5290-5310 | DFS | DFS | DFS | 是 |
| 64 | 5320 | 5310-5330 | DFS | DFS | DFS | 是 |
| 100 | 5500 | 5490-5510 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 104 | 5520 | 5510-5530 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 108 | 5540 | 5530-5550 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 112 | 5560 | 5550-5570 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 116 | 5580 | 5570-5590 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 120 | 5600 | 5590-5610 | 否 | DFS | 否 | 是 |
| 124 | 5620 | 5610-5630 | 否 | DFS | 否 | 是 |
| 128 | 5640 | 5630-5650 | 否 | DFS | 否 | 是 |
| 132 | 5660 | 5650-5670 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 136 | 5680 | 5670-5690 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 140 | 5700 | 5690-5710 | DFS | DFS | 否 | 是 |
| 149 | 5745 | 5735-5755 | 是 | 否 | 是 | 是 |
| 153 | 5765 | 5755-5775 | 是 | 否 | 是 | 是 |
| 157 | 5785 | 5775-5795 | 是 | 否 | 是 | 是 |
| 161 | 5805 | 5795-5815 | 是 | 否 | 是 | 是 |
| 165 | 5825 | 5815-5835 | 是 | 否 | 是 | 是 |
5GHz频段中的DFS信道
DFS (Dynamic Frequency Selection，动态信道选择)是一种用于动态选择Wi-Fi中信道的方法。由于5GHz WiFi的主要使用场合为室内，因此其他在5GHz Wi-Fi信道上的室外无线电设备所占用的频段，例如工作在ISM频段的气象雷达的频段，与部分军用频段，仍可以在室内使用。DFS的出现就是为了动态检测环境中是否存在与Wi-Fi信道冲突的无线电设备并做出避让。支持DFS的发射设备（例如无线路由器）在工作在DFS信道时，会每隔一段时间扫描DFS频段上是否有其他无线电信号，若有，则更改Wi-Fi信道进行无线电避让。
在我国，若需要使用160MHz频宽，则只有36-64这一段连续的160Mhz频段，这其中就有落在DFS频段上的频段，因此支持160MHz频宽的路由器一定会支持DFS功能。
Wi-Fi无线电参数
为了增强在复杂环境下的可用性，Wi-Fi无线电中的调制方式 编码率 频段带宽 空间流数 间隙(GI)等参数都是动态可调的。对于Wi-Fi无线电中某一组特定的调制方式与编码率组合，都有一个MCS索引与之对应。路由器与接收端会根据信号质量、干扰强度等环境指标动态调整参数来保证通信的可用性。2
增加频段带宽或空间流数可以成倍地增加网络的速率。对于调制方式，有BPSK QPSK 16QAM 64QAM 256QAM等可选项，越高阶的调制方式可以在同等的频宽下获得更高的速率，同时对接收端信噪比的要求也更高，因此只有在信号强度较高的情况下路由器才会启用更高阶的调制以获得更快的速度。更新的Wi-Fi协议往往也会加入对更高阶调制方式的支持，例如在Wi-Fi4的后期，加入了对256-QAM的支持。
下表为Wi-Fi5下单空间流时不同MSC索引、频段带宽与GI对应的连接速度。
| MCS索引 | 调制方式 | 编码率 | 空间流数 | 速率(Mbps) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20MHz | 40MHz | 80MHz | 160MHz | ||||||||
| 800ns GI |
400ns GI |
800ns GI |
400ns GI |
800ns GI |
400ns GI |
800ns GI |
400ns GI |
||||
| 0 | BPSK | 1/2 | 1 | 6.5 | 7.2 | 13.5 | 15 | 29.3 | 32.5 | 58.5 | 65 |
| 1 | QPSK | 1/2 | 13 | 14.4 | 27 | 30 | 58.5 | 65 | 117 | 130 | |
| 2 | QPSK | 3/4 | 19.5 | 21.7 | 40.5 | 45 | 87.8 | 97.5 | 175.5 | 195 | |
| 3 | 16QAM | 1/2 | 26 | 28.9 | 54 | 60 | 117 | 130 | 234 | 260 | |
| 4 | 16QAM | 3/4 | 39 | 43.3 | 81 | 90 | 175.5 | 195 | 351 | 390 | |
| 5 | 64QAM | 2/3 | 52 | 57.8 | 108 | 120 | 234 | 260 | 468 | 520 | |
| 6 | 64QAM | 3/4 | 58.5 | 65 | 121.5 | 135 | 263.3 | 292.5 | 526.5 | 585 | |
| 7 | 64QAM | 5/6 | 65 | 72.2 | 135 | 150 | 292.5 | 325 | 585 | 650 | |
| 8 | 256QAM | 3/4 | 78 | 86.7 | 162 | 180 | 351 | 390 | 702 | 780 | |
| 9 | 256QAM | 5/6 | N/A | N/A | 180 | 200 | 390 | 433.3 | 780 | 866.7 | |
Wi-Fi的标准与速率
Wi-Fi的标准
IEEE 802.11标准委员会是IEEE下属的无线局域网工作组。IEEE 802.11标准定义一个媒体访问控制（MAC）和几个物理层（PHY）规范，为局域内的固定，便携式和可移动终端（STA）提供无线连接，标准还为监管机构提供了一种标准化方法，对局域网通信的一个或多个频带进行管理。下表为IEEE制定的各代Wi-Fi标准及其所能工作的频段、支持的信道带宽以及可以达到的最高速率。
| 标准 | 制定时间 | 工作频段 | 最高速率 | 信道带宽 |
|---|---|---|---|---|
| 802.11a | 1999 | 5GHz | 54Mbps | 5Mhz/ 10MHz/ 20MHz |
| 802.11b | 2000 | 2.4GHz | 11Mbps | 20MHz |
| 802.11g | 2003 | 2.4GHz | 54Mbps | 20MHz |
| 802.11n | 2009 | 2.4GHz, 5 GHz | 72Mbps(1×1, 20MHz); 150Mbps(2×2, 20MHz); 300Mbps(2×2，40MHz); 400Mbps(2×2, 40MHz, 256-QAM) | 20MHz/ 40MHz |
| 802.11ac | 2013 | 5 GHz | 433Mbps(1×1, 80MHz); 867Mbps(2×2, 80MHz); 6.77Gbps(8×8, 160MHz) | 20Mhz/ 40MHz/ 80MHz/ 160MHz |
| 802.11ax | 2019 | 2.4GHz, 5GHz | 600Mbps(2×2, 40Mhz); 1200Mbps(2×2, 80Mhz); 2400Mbps(2×2, 1600Mhz); 600Mbps(2×2, 40Mhz); | 20Mhz/ 40MHz/ 80MHz/ 160MHz |
802.11g
2003年，802.11g标准发布。802.11g工作在2.4G信道上，物理层速率最高可达54Mbps，使用20Mhz信道宽度，只支持单条空间流。PSP支持的Wi-Fi标准为802.11g，Wi-Fi也从802.11g开始在我国普及。
802.11n
2009年，802.11n标准发布。802.11n工作在2.4G与5G信道上，最大传输速度理论值为600Mbit/s，使用20Mhz或40Mhz信道宽度。802.11n初期最高支持64-QAM调制，后期增加对于256-QAM高阶调制的可选支持，使其理论速率达到了最高800Mbit/s。Wi-Fi4是第一个可以在我国合法使用的Wi-Fi标准，被广泛使用。
802.11n增加了对MIMO（多输入多输出系统）的支持。MIMO可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损的情况下大幅地增加系统的吞吐量及发送距离。MIMO的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供的空间自由度来有效提升无线通信系统的频谱效率，以提升传输速率并改善通信质量。
802.11ac
2013年，802.11ac标准发布。802.11ac工作在5G信道上，最大传输速度理论值为6.77Gbit/s，最大可以使用160MHz信道宽度，支持256-QAM。802.11ac最多允许使用8组天线来同时传输数据（8x8 MIMO）。
802.11ac只工作在5GHz频段，因此ac双频路由器的2.4GHz部分仍然工作在802.11n模式下。在2016年推出的802.11ac wave2中，还增加了MU-MIMO（Multi-User MIMO）的支持（仅下行方向）。在传统的SU-MIMO中，若具有多条空间流的路由器下同时连接了多个只支持单个空间流的设备，在它们同时下载时，路由器只能使用一条空间流轮流与这些设备通信，剩下的空间流均会被浪费。MU-MIMO技术出现后，路由器可以使用不同的空间流（天线）与不同的设备进行通信，显著提高了网络总吞吐量和总容量。
MU-MIMO技术在制定之时，最多只允许3条流同时传输，也就是支持1+1+1或者2+1这两种空间流组合。如今更多手机均使用2x2MIMO，但两台这样的手机是无法激活MU-MIMO的。而且，MU-MIMO仅会在多台均支持MU-MIMO的设备同时吞吐时才会生效，若无线网络中支持MU-MIMO的终端设备较少，MU-MIMO的效果将会非常有限。802.11ax
2019年，802.11ax标准正式敲定。802.11ax同时工作在2.4G与5G信道上，最大传输速度理论值为9.6Gbit/s，最大可以使用160MHz信道宽度，支持1024-QAM高阶调制，相比Wi-Fi5常用的256-QAM提升了25%的频谱效率。802.11ax最多允许使用8组天线来同时传输数据（8x8 MIMO），802.11ax还引入了对OFDMA（频分复用技术）、BSS着色机制等先进技术的支持，MU-MIMO技术也变为了标配，且同时支持上行与下行。
802.11ax之前，数据传输采用的是OFDM模式，用户是通过不同时间片段区分出来的。每一个时间片段，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据包。若数据包较小，则载波利用率会偏低。
802.11ax中引入了一种更高效的数据传输模式OFDMA，它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。将整个信道的资源分成一个个小的固定大小的时频资源块RU。在该模式下，用户的数据是承载在每一个RU上的，故从总的时频资源上来看，每一个时间片上，可有多个用户同时发送。
BSS着色机制可以在PHY报文头中添加BSS color字段对来自不同BSS（基本服务集）的数据进行“染色”，为每个通道分配一种颜色，该颜色标识一组不应干扰的BSS，接收端可以及早识别同频传输干扰信号并停止接收，避免浪费收发机时间。如果颜色相同，则认为是同一BSS内的干扰信号，发送将推迟；如果颜色不同，则认为两者之间无干扰，两个Wi-Fi设备可同信道同频并行传输。
目标唤醒时间（TWT）是802.11ax支持的另一个重要的资源调度功能，它借鉴于802.11ah标准。它允许设备协商什么时候和多久会被唤醒，然后发送或接收数据。此外，Wi-Fi AP可以将客户端设备分组到不同的TWT周期，从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间，对采用电池供电的终端来说，大大提高了电池寿命。3
Wi-Fi速率
下表中，展示了各个Wi-Fi协议下，不同频段以及不同的带宽所能达到的最高速度。速率后的括号代表使用的不同MIMO规格以及调制方式。
| 标准 | 时间 | 工作频段 | 带宽 | 最高速率 | 典型设备 |
|---|---|---|---|---|---|
| 802.11a | 1999 | 5GHz | 20Mhz | 54Mbps | |
| 802.11b | 2000 | 2.4GHz | 20Mhz | 11Mbps | |
| 802.11g | 2003 | 2.4GHz | 20Mhz | 54Mbps | PSP |
| 802.11n (Wi-Fi4) |
2009 | 2.4GHz /5GHz |
20Mhz | 72Mbps (1×1,64-QAM) |
|
| 150Mbps (2×2,64-QAM) |
大部分手机热点 | ||||
| 40Mhz | 150Mbps (1×1,64-QAM) |
||||
| 300Mbps (2×2,64-QAM) |
AC1300路由器的2.4Ghz部分 | ||||
| 400Mbps (2×2,256-QAM) |
AC1900的2.4G部分/华为Mate30系列 | ||||
| 600Mbps (4×4,64-QAM) |
Wi-Fi4理论极限速率 | ||||
| 802.11ac (Wi-Fi5) |
2013 | 5 GHz | 20MHz | 86.7Mbps (1×1) |
|
| 40Mhz | 200Mbps (1×1) |
||||
| 400Mbps (2×2) |
大部分校园网AP的5G部分 | ||||
| 80MHz | 433Mbps (1×1) |
||||
| 867Mbps (2×2) |
AC1300路由器的5Ghz部分 | ||||
| 1300Mbps (3×3) |
AC1900路由器的5Ghz部分 | ||||
| 160Mhz | 1734Mbps (2×2) |
华为Mate30 | |||
| 6.77Gbps (8×8) |
Wi-Fi5理论极限速率 | ||||
| 802.11ax (Wi-Fi6) |
2019 | 2.4GHz | 20Mhz | 287Mbps (2×2) |
东大宿舍华为AirEngine 5760-22W |
| 40Mhz | 287Mbps (1×1) |
||||
| 574Mbps (2×2) |
小米AX1800 | ||||
| 5GHz | 20Mhz | 143.4Mbps (1×1) |
|||
| 286.8Mbps (2×2) |
|||||
| 40Mhz | 286.8Mbps (1×1) |
||||
| 573.5Mbps (2×2) |
|||||
| 1147Mbps (4x4) |
东大宿舍华为AirEngine 5760-22W | ||||
| 80Mhz | 600.5Mbps (1×1) |
||||
| 1201Mbps (2×2) |
iPhone11/小米AX1800 | ||||
| 160Mhz | 1201Mbps (1×1) |
||||
| 2402Mbps (2×2) |
Intel AX200网卡/华为P40 Pro | ||||
| 9608Mbps (8×8) |
Wi-Fi6理论极限速率 |
Wi-Fi的组网
在实际情况中，单一Wi-Fi热点很难实现较大范围的覆盖，因此需要使用多个AP实现组网。
Wi-Fi组网中使用的协议
由多个独立的AP组成的网络，AP之间无法协调无线频段、负载情况，且在漫游时扫描、认证速度较慢。为了实现最好的漫游效果，IEEE 802.11协会针对组网场景提出了一些协议，来提升漫游体验。
802.11k
802.11k可以通过创建优化的频道列表，帮助设备快速搜索附近可作为漫游目标的接入点。如果当前接入点的信号强度变弱，设备将进行扫描来确定是否有此列表中的目标接入点。4
在实际情况中，802.11k可以允许设备在正常连接的同时，搜索附近可用的AP信息，在发生漫游时可以加快速度。
802.11v
802.11v具有基本服务集（BSS）转换管理、紧急解除关联、定向多播服务（DMS）、BSS最大空闲服务等功能。其中，BSS转换管理功能可向网络的控制层提供附近接入点的负载信息，从而影响客户端漫游行为。DMS可优化无线网络上的多播流量传输，设备会利用这些信息来增强多播通信，并保持电池续航能力。“BSS最大空闲服务”有助于客户端和接入点在没有流量传输时，高效地决定保持关联的时长，设备会利用这些信息来保持电池续航能力。4
802.11v中的BSS转换管理可以提供附近AP的负载等信息，帮助设备决定最佳漫游目的AP。
802.11r
当设备从一个接入点漫游至同一网络上的另一个接入点时，802.11r可使用一种名为“快速基本服务集转换(FT)”的功能更快地进行认证。4
802.11r可以预交换Wi-Fi秘钥，在发生漫游时，缩短设备漫游到其他AP时的认证时间。
Wi-Fi组网频率分配
在高校或公司中的密集覆盖中，一般选用40Mhz信道宽度，这样在使用DFS信道的情况下一共可以获得6个不重叠信道：36-40 44-48 52-56 60-64 149-153 157-161。若使用80M信道宽度，则只能获得2个不重叠信道。这在AP并不密集的家用场合可以更好的速度，但在密集覆盖中，则会导致严重的干扰。
Wi-Fi组网架构
校园网拓补
校园网以及企业内网等大型网络，均使用的是AC+AP的方案。其中，AC起到控制局域网内所有AP的作用，负责控制它们的无线参数、设置SSID及密码，并帮助AP在终端漫游时实现上述的802.11k/v/r协议。AP只是单纯的无线接入点，负责发射无线信号，并接受AC的控制。整个网络的NAT及路由均由核心路由器完成，核心路由器还可以接入多个运营商网络，通过登录的账号可以设置向不同运营商的路由。
Mesh组网
Mesh组网将以往企业级的AC+AP方案简化，可以在单个路由器难以覆盖的大户型家庭实现组网，同样可以获得无缝漫游的使用体验。Mesh路由器也使用802.11k/r技术进行无缝漫游，家用路由器由于负载较低，一般不需要使用802.11v协议。在Mesh组网中，主路由器在承载NAT路由、防火墙等功能的同时，也充当AC的功能，管理副路由器的无线配置。副路由器则关闭NAT功能，接受主路由器的控制，仅作为AP使用，发射Wi-Fi信号。
