本篇文章我們聊聊無線路由器的無線接入功能，也就是我們耳熟能詳的Wi-Fi相關的歷史，頻段，以及關鍵技術。

無線路由器

無線路由器的無線接入功能，就是之前說過的無線局域網(WLAN)。目前WLAN只有Wi-Fi這一種主流技術，因此可以認為兩者是等同的。

Wi-Fi由Wi-Fi聯盟進行技術認證和商標授權。實際應用中Wi-Fi經常被寫作WiFi或者Wifi，但這兩種寫法并沒有被聯盟認可。

Wi-Fi聯盟(全稱：國際Wi-Fi聯盟組織，英語：Wi-Fi Alliance，簡稱WFA)，是一個 商業聯盟 ，擁有 Wi-Fi的商標。. 它負責Wi-Fi 認證與商標授權的工作，總部位于美國德克薩斯州 奧斯汀 (Austin)。

Wi-Fi這個朗朗上口的名字被廣泛認為是對無線高保真(Wireless Fidelity)的縮寫，實際上是誤讀。它只是個單純的名稱，并沒有實際含義，當然也沒有全稱。

Wi-Fi背后的技術標準，則是由美國的電氣電子工程師協會(IEEE)制定的802.11系列協議。

IEEE全稱：Institute of Electrical and Electronics Enginees

一、Wi-Fi協議的發展

從1997年的第一個版本開始，802.11系列協議不斷向前演進，經歷了802.11a/b/g/n/ac等多個版本，支持的上網速率也不斷提升。目前最新的協議版本是802.11ax，也就是近年來迅速發展的Wi-Fi 6。

IEEE 802.11系列標準的發展歷程，從第一代到第六代

在最初的很多年里，Wi-Fi雖然一代代向前發展，但世界上并沒有Wi-Fi幾代這樣的說法，直接就用802.11后面加幾個字母這樣的協議編號，對普通用戶非常不友好。

直到2018年，Wi-Fi聯盟才決定把下一代技術標準802.11ax用更為簡單易懂的Wi-Fi 6來宣傳，上一代的802.11ac和802.11n就順理成章地成了Wi-Fi5和Wi-Fi4。至于更早的技術，反正也沒人關注了，也就不用再起馬甲了。

Wi-Fi 6 誕生之后，才有了Wi-Fi 5的叫法

2019年9月16日，Wi-Fi聯盟宣布啟動Wi-Fi 6認證計劃。此后，Wi-Fi 6的大名響徹了全世界，目前新發布的設備基本都已經支持Wi-Fi 6了。

二、Wi-Fi信道及使用的頻段

Wi-Fi主要工作在2.4GHz和5GHz這兩個頻段上。這兩個頻段被稱作ISM(Industrial Scientific Medical 工業，科學，醫學)頻段，只要發射功率滿足國家標準要求，就可以不用授權直接使用。

不同國家的ISM頻段有所不同

2.4GHz作為全球最早啟用的ISM頻段，頻譜范圍是2.40GHz～2.4835GHz，共83.5M帶寬。

我們常用的藍牙，ZigBee，無線USB也工作在2.4GHz頻段。此外，微波爐和無繩電話使用的頻段也是2.4GHz。甚至，有線USB接口的內部芯片在工作時，也會發射2.4GHz的無用信號，造成干擾。

由此可見，2.4GHz上同時工作的設備眾多，頻段擁擠不堪，干擾嚴重。當萬家燈火，你和樓上樓下的鄰居在用Wi-Fi愉快上網的時候，路由器卻在背后默默地挑選信道，協調干擾。

Wi-Fi把2.4G上的83.5M帶寬劃分為13個信道，每20M一個。注意這些信道是交疊的，本來只能放下3個，現在卻硬生生地擠進去了13個，相互之間的干擾難以避免，只能盡量減輕，大不了大家速度慢一些，排隊輪著用。

2.4G頻譜及信道(第14信道在國內是不允許使用的)

信道交疊到什么程度呢?由下圖可以比較直觀地看出，在這些信道里面，只有1，6，11或者2，7，12，或者3，8，13這三組是完全沒有交疊的，可見2.4GHz頻段的擁堵程度。就好比一條很窄的路，上面通行的車卻很多，堵車頻頻，勢必造成通行速度的下降。

2.4G不交疊的信道分布

到了802.11n，用戶可以使用40M的信道，但2.4GHz頻段依然只有83.5M的總帶寬，就只能容納兩個信道了。因此只有在夜深人靜網絡空閑的時候，單個用戶才有可能使用40M信道，加之來自隔壁老王家的干擾，802.11n的高速率很大程度上難以達到。

2.4G 40M帶寬信道

如果說2.4GHz頻段是羊腸小道的話，5GHz頻段無疑就是康莊大道了。

5GHz頻段的可用范圍是4.910GHz～5.875GHz，有900多M的帶寬，是2.4G的10倍還多!這段頻譜過于寬了，不同國家根據自身情況，定義了Wi-Fi可以使用的范圍。

比如，在中國5GHz頻譜共有13個20M信道可用作Wi-Fi，連續的20M信道還可以組成40M，80M，甚至160M信道。

中國5G信道分布圖

5GHz的帶寬大，上面跑的的設備少，用起來自然速度快，干擾小。因此，如果想要家庭網絡達到良好的速率體驗，可用考慮用5GHz來進行全屋覆蓋。

然而尺有所短，寸有所長，5GHz雖然帶寬大干擾小，但是信號傳播衰減快，還很容易被阻擋，穿墻能力很弱。

2.4G和5G Wi-Fi信號的穿透損耗

因此，跟2.4GHz相比，5GHz信號通常要弱得多。至于它們到底各能覆蓋多少米，這個由于路由器的天線增益，接收靈敏度，家里墻體和障礙物的分布，以及個人期望達到的上網速率都有關聯，很難具體給出。

如果僅考慮到家里的各種智能家居的聯網，2.4GHz的覆蓋和容量通常就夠用了。但如果需要高速上網，最大化發揮家庭寬帶的價值，就必須依靠5GHz才能實現。

因此，Wi-Fi的覆蓋建議不用考慮2.4GHz，直接以5GHz全屋覆蓋作為設計目標。一般情況下單個路由器在家庭的復雜環境下難以實現無死角覆蓋，需要考慮多臺路由器之間的組網以及漫游問題，這點后面再講。

三、Wi-Fi關鍵技術

為什么Wi-Fi的速度越來越快?其實在IEEE的802.11系列協議一直在跟3GPP的4G和5G相互借鑒，使用的底層技術都是通用的。

OFDM/OFDMA

OFDM的全稱是正交頻分復用。系統會在頻域上把載波帶寬分割為多個相互正交的子載波，相當于把一條大路劃分成了并行多個車道，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)，子載波寬度是312.5KHz，到了Wi-Fi 6(802.11ax)，子載波寬度縮小為78.125KHz，相當于將同樣寬度的路劃分成了更多的車道。

Wi-Fi 6的擁有更多的子載波

在OFDM下，每個用戶必須同時占用全帶寬下的所有子載波。如果某個需要發送的數據沒那么多，把頻率資源用不滿的話，其他用戶也沒法靈活使用，只能干巴巴地排隊等著，頻譜資源的使用效率不高。

為了解決這個問題，Wi-Fi 6引入了OFDMA技術，后面多了個字母A，其全稱也就變成了正交頻分復用多址。多址就是多用戶復用的意思。

OFDM vs. OFDMA

OFDMA可以支持多個用戶在同一時刻共享所有子載波。相當于運輸公司把多個用戶的數據統一打包，共同裝車，充分利用車廂容量，大家的發貨速度就都加快了，頻譜效率得以提升。

MIMO/波束賦形

路由器上面的天線數量是越來越多，從看不到天線，到一根，兩根，三根，四根，六根，八根...現在不管啥價錢的路由器，都長得跟螃蟹似的，張牙舞爪好不唬人。

為啥要用這么多天線?就是為了更好地實現MIMO(多輸入多輸出)技術。簡單來說，就是在信號發射時，用多根天線來同時發送多路不同的數據，速度自然成倍提升;在接收時，多個天線同時接收手機發來的信號，跟戴了助聽器一樣，接收靈敏度也得到了增強。

單用戶MIMO(SU-MIMO)

如果所有天線同時只為一個用戶服務，就叫做單用戶MIMO(SU-MIMO)。更進一步，路由器四路發射，手機四路接收，也可以更精細地叫做4x4 MIMO。

有時候，路由器的天線眾多能力強悍，但四顧茫然，發現手機個個都是弱雞。路由器能發4路信號，但手機最多只能收兩路，最終下來路由器也就不得不配合著只發兩路。這不是浪費么?

多用戶MIMO(MU-MIMO)

解決辦法也是有的，一個手機的接收天線少，多個手機加起來不就多了?于是，路由器便將多個手機一起考慮，視作一個功能強大的虛擬手機，這樣就又能實現高階MIMO了。這種多手機共同參與的MIMO就叫做多用戶MIMO(MU- MIMO)，又叫虛擬MIMO。

除此之外，多個天線還可以通過波束賦形技術，形成指向性的窄波束，對準用戶精準覆蓋。由于窄波束的能量集中，因此可以覆蓋得更遠，穿墻效果也能得以提升。

波束賦形

這樣看來，路由器的天線個數是多多益善呀，買路由器就一定要挑天線多的嗎?這可能是一個陷阱。天線再多，只是在堆一些外部看得見的硬件而已，看起來牛逼閃閃，但內部的設計到底能否支撐這么多天線還是未知數。

更重要的是，不論是MIMO，還是波束賦形，都是需要軟件算法支撐的，這里面的復雜度遠高于硬件，不同廠家算法優化能力不同，可能導致很大的性能差異。

因此，建議在購買路由器時，不用太關注外部到底能看到多少根天線，而要看他們的產品宣傳，是否支持波束賦形，4x4MIMO，或者MU-MIMO?如果廠家在這方面的宣傳聲勢很大，那至少說明他們對這些功能比較自信并將其作為賣點。

調制編碼策略(MCS)

調制編碼，分為調制和編碼兩部分，它們共同決定了單位時間可以同時發送的比特數。調制編碼策略一般將調制和編碼兩部分綜合起來分為多個等級，級別越高，數據發送的速率也就越快。

調制的作用就是把經過編碼的數據(一串0和1的隨機組合)映射到前面所說幀結構的最小單元：OFDM符號上。經過調制的信號才能最終發射出去。

BPSK，QPSK，16QAM，64QAM及256QAM星座圖

常用的調制方式包括BPSK、QPSK、16QAM，64QAM和256QAM，能同時發送的比特數為1個，2個，4個，6個和8個。Wi-Fi 6可以支持1024QAM，可同時發送10個比特的數據，速率自然大為提升。

256QAM和1024QAM對比圖

可是，原始數據在編碼時，為了糾錯而加入了很多的冗余比特，真正的有用數據其實只占一部分。我們考慮上網速率時，說的僅僅是有用數據的收發速率，冗余比特都在解碼的時候丟棄掉了。

這就要引入碼率的概念，也即是有用的數據在編碼后總數據量中的占比。如果碼率是3/4，就是指編碼后的數據中，3/4是有用數據，1/4是后來添加的冗余比特。

不同的調制方式，加上不同的碼率，就組成了調制編碼策略(MCS)。下表是Wi-Fi 6中的MCS表，可以看出最高階MCS為11，對應于1024QAM加5/6的碼率。

Wi-Fi 6 的MCS表

正是通過這些技術的不斷演進，Wi-Fi標準一代代向前，速率越來越高，讓我們更為暢快地上網。