深入浅出说Wi-Fi，买路由器必看

大家好，我是蜉蝣君。

上期我们讲述了什么是无线路由器，本期我们紧跟其上，聊聊无线路由器的无线接入功能，也就是我们耳熟能详的Wi-Fi相关的历史，频段，以及关键技术。

无线路由器的无线接入功能，就是之前说过的无线局域网（WLAN）。目前WLAN只有Wi-Fi这一种主流技术，因此可以认为两者是等同的。

Wi-Fi由Wi-Fi联盟进行技术认证和商标授权。实际应用中Wi-Fi经常被写作WiFi或者Wifi，但这两种写法并没有被联盟认可。

Wi-Fi联盟（全称：国际Wi-Fi联盟组织，英语：Wi-Fi Alliance，简称WFA），是一个商业联盟，拥有 Wi-Fi的商标。. 它负责Wi-Fi 认证与商标授权的工作，总部位于美国德克萨斯州奥斯汀（Austin）。

Wi-Fi这个朗朗上口的名字被广泛认为是对无线高保真（Wireless Fidelity）的缩写，实际上是误读。它只是个单纯的名称，并没有实际含义，当然也没有全称。

Wi-Fi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。
IEEE

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系列协议发展历程
在最初的很多年里，Wi-Fi虽然一代代向前发展，但世界上并没有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。至于更早的技术，反正也没人关注了，也就不用再起马甲了。
Wi-Fi 6的出现
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。
在这里插入图片描述

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。当万家灯火，你和楼上楼下的邻居在用Wi-Fi愉快上网的时候，路由器却在背后默默地挑选信道，协调干扰。

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。
2.4GHz及信道
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。就好比一条很窄的路，上面通行的车却很多，堵车频频，势必造成通行速度的下降。
2.4Ｇ不交叠信道分布
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的穿透损耗比较
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。

如果仅考虑到家里的各种智能家居的联网，2.4GHz的覆盖和容量通常就够用了。但如果需要高速上网，最大化发挥家庭宽带的价值，就必须依靠5GHz才能实现。

因此，Wi-Fi的覆盖建议不用考虑2.4GHz，直接以5GHz全屋覆盖作为设计目标。一般情况下单个路由器在家庭的复杂环境下难以实现无死角覆盖，需要考虑多台路由器之间的组网以及漫游问题，这点后面再讲。

三. Wi-Fi关键技术

为什么Wi-Fi的速度越来越快？其实在IEEE的802.11系列协议一直在跟3GPP的4Ｇ和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的子载波更多
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和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。

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。
多种调制方式
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
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。