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无线速率是什么意思1000兆宽带(WiFi无线覆盖范围、穿墙能力)

无线速率是什么意思

目前,市面上的路由品牌、种类繁多,普通用户在选购时往往会有一些误区,如天线越多路由速率越高、信号越好、覆盖范围越大等等,造成的原因一是普通消费者缺乏相关知识,二是厂商或者店小二的忽悠。ZBT科研站就是这么一个答疑解惑的科普类栏目。

前两期分别聊了下目前无线路由SoC芯片厂商和无线覆盖范围、穿墙能力,那这期继续来聊下WiFi的“秘密”。

你知道什么是无线速率吗?3分钟看懂无线速率的秘密

当今社会,人民已越来越离不开无处不在的WiFi,虽然这几年WiFi越来越稳,越来越快,但体验和稳定性却仍远没有有线好,在各大运营商大提速的时代,无线也在速率上有一定瓶颈,这是为什么呢?

一是无线技术远比有线技术复杂得太多,包括了物理层(MIMO、SDM、MIMO-OFD、MFEC (ForwardError Correction)、Short GuardInterval(GI)、信道绑定技术、 MCS (Modulation Coding Scheme)、MRC (Maximal-Ratio Combining)……)和MAC层(帧聚合、 Block ACK……)等众多技术,再一次印证了越是简单的模型结构稳定性就越好的道理;二是无线的使用环境特性,除了依靠不怎么靠谱空气传播之外,就是上一期提到的用户千差万别的使用环境,注定了其比有线更容易受到干扰。

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下面进入正题,因为所含技术比较多,不可能一一点到,这里也只挑几个比较有代表性的来说,欢迎各位路友进行补充讨论。

一、频段频宽

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也常被称为信道带宽,是调制载波占据的频率范围,也是发送无线信号频率的标准。对于无线技术,提高所用频谱的宽度,可以最为直接地提高吞吐。这就好比将原本正反方向的道路隔离带拆掉,并为同一条单行道,直接提高通车能力。传统802.11a/g使用的频宽是20MHz,而用40MHz绑定技术,可以对两个20MHz信道加以捆绑,直接提高吞吐,这样整个2.4GHz(2.4-2.4835GHz)频段范围内只能容纳一个40MHz的频宽。而5GHz频段支持80MHz的信道,即绑定4个信道,并且最高可以支持绑定8个信道,从而整个信道能够到达160MHz,如果将频谱资源比喻成马路的话,802.11a/b/g时代就好像是单车道,承载能力有限,而到了802.11n时代发展为双车道,大大提高了流量,而802.11ac可以达到8车道,承载能力可想而知。

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需要注意的是:在2.4GHz频段下,对于一条空间流,并不是仅仅将吞吐从72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2)Mbps。对于20MHz频宽,为了减少相邻信道的干扰,在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过40MHz绑定技术,这些预留的带宽也可以用来通讯,可以将子载体从104(52×2)提高到108。按照72.2x2x108/104进行计算,所得吞吐能力就达

到了150Mbps。

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Short Guard Interval (GI)这里先跳过,等下会说到

任何事物都具两面性,有利必有弊,信道绑定技术虽然提速很明显,但会导致无线信号的抗干扰能力大幅降低,是速度还是稳定,这就要看各自的需求了,如果不想费事,那就默认路由的“自动”模式吧。

二、QAM(即正交幅度调制,Quadrature Amplitude Modulation)。这是与无线传输速度紧密相关的“硬指标”之一。QAM是幅度、相位联合调制的技术,它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特,因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率。调制方式通常有二进制QAM(4QAM)、四进制QAM(16QAM)、八进制QAM(64QAM)……,对应的空间信号矢量端点分布图被称为“星座图”,分别有4、16、64……个矢量端点。如下图:

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理论上,样点数目越多,其传输效率越高,但其性能受到路由主控芯片、无线控制芯片规格、无线技术规范以及频段等多方面因素的影响,目前最高已达1024QAM,但支持设备极少,接入终端普遍不支持。

大多数无线产品2.4G频段部分一般最高只支持64 QAM的调制模式。即单条空间流理论传输速率为150Mbps(运行在40MHz频宽时)。使用了TurboQAM等黑科技的设备,通过向下加载256QAM(在802.11n下运行),可以使单条空间流理论传输速率达到200Mbps,提升约1.3倍。

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而采用1024QAM的设备,单条空间流可进一步提升到250Mbps,再提速25%。这也就是为什么有的路由,同样4根天线,旗舰路由速率可以达到800-1000Mbps,普通路由却只有600Mbps重要原因了。如采用博通BCM4366芯片组的网件R8500(1000 2167 2167),还未上市的TL-WDR9540(1000 2167 2167)等等。图5

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欲了解更多信息,可以自行搜索关键词“QAM”。

三、MIMO——Multiple-InputMultiple-Output(多入多出技术)

“双拳难敌四手”,单条空间流的速率提升毕竟有限,于是乎多天线系统的就出现了。MIMO是802.11n物理层的核心,同时也是当今3/4/5G、IEEE 802.16e WIMAX等的射频关键技术。

顾名思义,MIMO就是通过多种天线对无线讯号进行同步收发,以此来抑制信号衰减,改善通信质量,并在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,成倍增加资料传输率。网络资料通过多重切割之后,经过多重天线进行同步传送,由于无线讯号在传送的过程当中,为了避免发生干扰,会走不同的反射或穿透路径,因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合,因此接收端会同时具备多重天线接收,然后利用DSP重新计算的方式,根据时间差的因素,将分开的资料重新作组合,然后传送出正确且快速的资料流。

目前2.4GHz频段最高上最高可支持4×4架构,5GHz频最高可到8×8架构(802.11ax协议标准下)。

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发射/接收端均为4×4架构图示。

3.1 SDM:MIMO系统遵循“短板效应”。即支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3,而接收天线数量为2,则支持的空间流为2。MIMO/SDM系统一般用“发射天线数量×接收天线数量”表示。如上图为2×2 MIMO/SDM系统。显然,增加天线可以提高MIMO支持的空间流数。但是综合成本、实效等多方面因素,目前业界的手机/平板等移动终端普遍采用1×1或2×2架构,无线网卡普遍采用2×2架构,AP则普遍采用3×3架构。

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MIMO/SDM是在发射端和接收端之间,通过存在的多条路径(通道)来同时传播多条流。有意思的事情出现了:一直以来,无线技术(如OFMD)总是企图克服多径效应的影响,而MIMO恰恰是在利用多径来传输数据。

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3.2 MIMO-OFDM

在室内等典型应用环境下,由于多径效应的影响,信号在接收侧很容易发生(ISI),从而导致高误码率。OFDM调制技术是将一个物理信道划分为多个子载体(sub-carrier),将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流,通过这些子载体进行通讯,从而减少ISI机会,提高物理层吞吐。

OFDM在802.11a/g时代已经成熟使用,到了802.11n时代,它将MIMO支持的子载体从52个提高到56个。需要注意的是,无论802.11a/g,还是802.11n,它们都使用了4个子载体作为pilot的载体,而这些子载体并不用于数据的传递。所以802.11n MIMO将物理速率从传统的54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54×52/48)。倒回去看图5。

3.3 FEC (Forward Error Correction)

按照无线通信的基本原理,为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递,发射端将把信息进行编码并携带冗余信息,以提高系统的纠错能力,使接收端能够恢复原始信息。802.11n所采用的64QAM编码机制可以将编码率(有效信息和整个编码的比率)从3/4 提高到5/6。所以,对于一条空间流,在MIMO-OFDM基础之上,物理速率从58.5提高到了65Mbps(即58.5乘以5/6除以3/4)。还是倒回去看图5。

3.4 Short Guard Interval (GI)

由于多径效应的影响,信息符号(Information Symbol)将通过多条路径传递,可能会发生彼此碰撞,导致ISI干扰。为此,802.11a/g标准要求在发送信息符号时,必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔,这个间隔被称为Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用缺省使用800 ns GI。当多径效应不是很严重时,用户可以将该间隔配置为400,对于一条空间流,可以将吞吐提高近10%,即从65Mbps提高到72.2 Mbps。对于多径效应较明显的环境,不建议使用Short Guard Interval (GI)。

四、无线信道:

无线信道就是常说的通道(Channel),类似于车道,不是独占,而是所有同信道AP共用,相同信道上工作AP会降低吞吐量,尤其是一些高层住宅区,周围电磁环境复杂,拥挤信道对无线传输速度的影响会十分明显。

尽信书不如无书,不要信什么所谓教程,将信道固定在那几个所谓“独立”信道上。因为这几个信道别人也会用,尤其是运营商部署人员为了省事,一般会使用,此时如果在设置到这几个信道这样只会让你的无线更慢。

还有“自动”模式一般只在路由启动过程中对信道进行优选,所以建议用户可以使用wirelessmon(PC端)、移动端WIFI分析仪、CLoudWalker等软件(移动端)扫描周围无线分布,然后选择一个同频、邻频没人使用或相对最少人使用的信道,减少干扰,这才是保证信道流畅的正解。

目前WiFi使用最广泛的有2.4GHz和5GHz两个频段,802.11ad之后又出现了60GHz频段,出于安全等考虑,各国开放的程度也不同,其中2.4GHz(2.412-2.484GHz)频段一共有14个信道;而5GHz频段一共拥有201个信道。

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目前我大天朝开放等信道范围有:

2.4GHz频段:1-13信道(欧盟一样),美国则只使用1-11信道,因此美标设备到了中国,12/13信道是搜不到的。

5GHz频段:最初开放的仅有149/153/157/161/165这5个信道,之后又陆续开放了36/40/44/48/52/56/60/64等 8个DFS 信道,至此我国5G频段同样开放了13个信道。但DFS信道与(欧盟)军用、气象雷达频率一致,因此使用时会有一定限制,当检测到与周围信号存在干扰时,信道频率会自动调整。

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