無線速率即無線網路的傳輸速率,是WIFI的關鍵引數,它表明了無線裝置支援多少頻寬,也就是說能有多少速率來互相連線。常見的無線路由器所標識的無線傳輸速率均是以Mbps為單位的;Mbps是一種傳輸速率單位,指每秒傳輸的位(位元)數量。1Mbps代表每秒傳輸1000000位(bit)。
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無線速率 簡介
無線速率是WIFI(即無線網路)的關鍵引數,它表明了你這個無線裝置支援多少頻寬,也就是說能有多少速率來互相連線。
常見的無線路由器所標識的無線傳輸速率均是以Mbps為單位的。
Mbps是megabits per second的縮寫,是一種傳輸速率單位,指每秒傳輸的位(位元)數量。1Mbps代表每秒傳輸1,000,000位(bit),即每秒傳輸的資料量為:1,000,000/8=125,000Byte/s。
MB,全稱MByte,含義是「兆位元組」
Mb,全稱Mbit,含義是「兆位元」。
其中,MByte是指位元組數量,而Mbit則是指位元位數,兩者都是資料量度單位,但數量級卻是完全不同的。
Byte是「位元組數」,bit是「位數」,在計算機中每八位為一位元組,也就是1Byte=8bit,即兩者是8:1的比例關係
例如54M是指支援802.11G協定的無線技術,一般這個速率我們會有54/8=6.75MB/s的理論傳輸速率;108M是支援802.11N協定的無線技術,同上,理論傳輸速率為13.5MB/SXXMB/S,這個數值就是我們平時在迅雷下東西時看到的那個速率單位。
無線速率瓶頸與相關技術
當今社會,人民已越來越離不開無處不在的WiFi,雖然這幾年WiFi越來越穩,越來越快,但體驗和穩定性卻仍遠沒有有線好,在各大運營商大提速的時代,無線也在速率上有一定瓶頸,這是為什麼呢?
一是無線技術遠比有線技術複雜得太多,包括了物理層(MIMO、SDM、MIMO-OFD、MFEC (ForwardError Correction)、Short GuardInterval(GI)、通道繫結技術、 MCS (Modulation Coding Scheme)、MRC (Maximal-Ratio Combining)……)和MAC層(幀聚合、 Block ACK……)等眾多技術,再一次印證了越是簡單的模型結構穩定性就越好的道理;二是無線的使用環境特性,除了依靠不怎麼靠譜空氣傳播之外,就是使用者千差萬別的使用環境,註定了其比有線更容易受到干擾。
下面進入正題,因為所含技術比較多,不可能一一點到,這裡也只挑幾個比較有代表性的來說,歡迎各位路友進行補充討論。
一、頻段頻寬
也常被稱為通道頻寬,是調變載波佔據的頻率範圍,也是傳送無線訊號頻率的標準。對於無線技術,提高所用頻譜的寬度,可以最為直接地提高吞吐。這就好比將原本正反方向的道路隔離帶拆掉,併為同一條單行道,直接提高通車能力。傳統802.11a/g使用的頻寬是20MHz,而用40MHz繫結技術,可以對兩個20MHz通道加以捆綁,直接提高吞吐,這樣整個2.4GHz(2.4-2.4835GHz)頻段範圍內只能容納一個40MHz的頻寬。而5GHz頻段支援80MHz的通道,即繫結4個通道,並且最高可以支援繫結8個通道,從而整個通道能夠到達160MHz,如果將頻譜資源比喻成馬路的話,802.11a/b/g時代就好像是單車道,承載能力有限,而到了802.11n時代發展為雙車道,大大提高了流量,而802.11ac可以達到8車道,承載能力可想而知。
需要注意的是:在2.4GHz頻段下,對於一條空間流,並不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2)Mbps。對於20MHz頻寬,為了減少相鄰通道的干擾,在其兩側預留了一小部分的頻寬邊界。而通過40MHz繫結技術,這些預留的頻寬也可以用來通訊,可以將子載體從104(52×2)提高到108。按照72.2x2x108/104進行計算,所得吞吐能力就達到了150Mbps。
Short Guard Interval (GI)這裡先跳過,等下會說到
任何事物都具兩面性,有利必有弊,通道繫結技術雖然提速很明顯,但會導致無線訊號的抗干擾能力大幅降低,是速度還是穩定,這就要看各自的需求了,如果不想費事,那就預設路由的「自動」模式吧。
二、QAM(即正交幅度調變,Quadrature Amplitude Modulation)。
這是與無線傳輸速度緊密相關的「硬指標」之一。QAM是幅度、相位聯合調變的技術,它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞資訊位元,因此在最小距離相同的條件下可實現更高的頻帶利用率。調變方式通常有二進位制QAM(4QAM)、四進位制QAM(16QAM)、八進位制QAM(64QAM)……,對應的空間訊號向量端點分佈圖被稱為「星座圖」,分別有4、16、64……個向量端點。如下圖:
理論上,樣點數目越多,其傳輸效率越高,但其效能受到路由主控晶片、無線控制晶片規格、無線技術規範以及頻段等多方面因素的影響,目前最高已達1024QAM,但支援裝置極少,接入終端普遍不支援。
大多數無線產品2.4G頻段部分一般最高只支援64 QAM的調變模式。即單條空間流理論傳輸速率為150Mbps(執行在40MHz頻寬時)。使用了TurboQAM等黑科技的裝置,通過向下載入256QAM(在802.11n下執行),可以使單條空間流理論傳輸速率達到200Mbps,提升約1.3倍。
而採用1024QAM的裝置,單條空間流可進一步提升到250Mbps,再提速25%。這也就是為什麼有的路由,同樣4根天線,旗艦路由速率可以達到800-1000Mbps,普通路由卻只有600Mbps重要原因了。如採用博通BCM4366晶片組的網件R8500(1000+2167+2167),還未上市的TL-WDR9540(1000+2167+2167)等等。
欲瞭解更多資訊,可以自行搜尋關鍵詞「QAM」。
三、MIMO——Multiple-InputMultiple-Output(多入多出技術)
「雙拳難敵四手」,單條空間流的速率提升畢竟有限,於是乎多天線系統的就出現了。MIMO是802.11n物理層的核心,同時也是當今3/4/5G、IEEE 802.16e WIMAX等的射頻關鍵技術。
顧名思義,MIMO就是通過多種天線對無線訊號進行同步收發,以此來抑制訊號衰減,改善通訊品質,並在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下,成倍增加資料傳輸率。網路資料通過多重切割之後,經過多重天線進行同步傳送,由於無線訊號在傳送的過程當中,為了避免發生干擾,會走不同的反射或穿透路徑,因此到達接收端的時間會不一致。為了避免資料不一致而無法重新組合,因此接收端會同時具備多重天線接收,然後利用DSP重新計算的方式,根據時間差的因素,將分開的資料重新作組合,然後傳送出正確且快速的資料流。
目前2.4GHz頻段最高上最高可支援4x4架構,5GHz頻最高可到8x8架構(802.11ax協定標準下)。
發射/接收端均為4x4架構圖示。
3.1 SDM:MIMO系統遵循「短板效應」。即支援空間流的數量取決於傳送天線和接收天線的最小值。如傳送天線數量為3,而接收天線數量為2,則支援的空間流為2。MIMO/SDM系統一般用「發射天線數量×接收天線數量」表示。如上圖為2x2 MIMO/SDM系統。顯然,增加天線可以提高MIMO支援的空間流數。但是綜合成本、實效等多方面因素,目前業界的手機/平板等行動終端普遍採用1x1或2x2架構,無線網路卡普遍採用2x2架構,AP則普遍採用3x3架構。
MIMO/SDM是在發射端和接收端之間,通過存在的多條路徑(通道)來同時傳播多條流。有意思的事情出現了:一直以來,無線技術(如OFMD)總是企圖克服多徑效應的影響,而MIMO恰恰是在利用多徑來傳輸資料。
3.2 MIMO-OFDM
在室內等典型應用環境下,由於多徑效應的影響,訊號在接收側很容易發生(ISI),從而導致高誤位元速率。OFDM調變技術是將一個物理通道劃分為多個子載體(sub-carrier),將高速率的資料流調變成多個較低速率的子資料流,通過這些子載體進行通訊,從而減少ISI機會,提高物理層吞吐。
OFDM在802.11a/g時代已經成熟使用,到了802.11n時代,它將MIMO支援的子載體從52個提高到56個。需要注意的是,無論802.11a/g,還是802.11n,它們都使用了4個子載體作為pilot的載體,而這些子載體並不用於資料的傳遞。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統的54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54x52/48)。倒回去看圖5。
3.3 FEC (Forward Error Correction)
按照無線通訊的基本原理,為了使資訊適合在無線通道這樣不可靠的媒介中傳遞,發射端將把資訊進行編碼並攜帶冗餘資訊,以提高系統的糾錯能力,使接收端能夠恢復原始資訊。802.11n所採用的64QAM編碼機制可以將編位元速率(有效資訊和整個編碼的比率)從3/4 提高到5/6。所以,對於一條空間流,在MIMO-OFDM基礎之上,物理速率從58.5提高到了65Mbps(即58.5乘以5/6除以3/4)。還是倒回去看圖5。
3.4 Short Guard Interval (GI)
由於多徑效應的影響,資訊符號(Information Symbol)將通過多條路徑傳遞,可能會發生彼此碰撞,導致ISI干擾。為此,802.11a/g標準要求在傳送資訊符號時,必須保證在資訊符號之間存在800 ns的時間間隔,這個間隔被稱為Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用預設使用800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時,使用者可以將該間隔設定為400,對於一條空間流,可以將吞吐提高近10%,即從65Mbps提高到72.2 Mbps。對於多徑效應較明顯的環境,不建議使用Short Guard Interval (GI)。
四、無線通道:
無線通道就是常說的通道(Channel),類似於車道,不是獨佔,而是所有同通道AP共用,相同通道上工作AP會降低吞吐量,尤其是一些高層住宅區,周圍電磁環境複雜,擁擠通道對無線傳輸速度的影響會十分明顯。
盡信書不如無書,不要信什麼所謂教學,將通道固定在那幾個所謂「獨立」通道上。因為這幾個通道別人也會用,尤其是運營商部署人員為了省事,一般會使用,此時如果在設定到這幾個通道這樣只會讓你的無線更慢。
還有「自動」模式一般只在路由啟動過程中對通道進行優選,所以建議使用者可以使用wirelessmon(PC端)、行動端WIFI分析儀、CLoudWalker等軟體(行動端)掃描周圍無線分佈,然後選擇一個同頻、鄰頻沒人使用或相對最少人使用的通道,減少干擾,這才是保證通道流暢的正解。
目前WiFi使用最廣泛的有2.4GHz和5GHz兩個頻段,802.11ad之後又出現了60GHz頻段,出於安全等考慮,各國開放的程度也不同,其中2.4GHz(2.412-2.484GHz)頻段一共有14個通道;而5GHz頻段一共擁有201個通道。
目前我大天朝開放等通道範圍有:
2.4GHz頻段:1-13通道(歐盟一樣),美國則只使用1-11通道,因此美標裝置到了中國,12/13通道是搜不到的。
5GHz頻段:最初開放的僅有149/153/157/161/165這5個通道,之後又陸續開放了36/40/44/48/52/56/60/64等 8個DFS 通道,至此我國5G頻段同樣開放了13個通道。但DFS通道與(歐盟)軍用、氣象雷達頻率一致,因此使用時會有一定限制,當檢測到與周圍訊號存在干擾時,通道頻率會自動調整。
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