大家好，我是蜉蝣君。
上期我們講述了什麼是無線路由器，本期我們緊跟其上，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區域網（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，但這兩種寫法並沒有被聯盟認可。
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，總部位於美國德克薩斯州 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，並沒有實際含義，當然也沒有全稱。
Wi-Fi背後的技術標準，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，支援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
在最初的很多年裡，Wi-Fi雖然一代代向前發展，但世界上並沒有Wi-Fi幾代這樣的說法，直接就用802。11後面加幾個字母這樣的協議編號，對普通使用者非常不友好。
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。至於更早的技術，反正也沒人關注了，也就不用再起馬甲了。
Wi-Fi 6 誕生之後，才有了Wi-Fi 5的叫法
2019年9月16日，Wi-Fi聯盟宣佈啟動Wi-Fi 6認證計劃。此後，Wi-Fi 6的大名響徹了全世界，目前新發布的裝置基本都已經支援Wi-Fi 6了。
二. Wi-Fi通道及使用的頻段
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，頻譜範圍是2。40GHz～2。4835GHz，共83。5M頻寬。
我們常用的藍芽，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介面的內部晶片在工作時，也會發射2。4GHz的無用訊號，造成干擾。
由此可見，2。4GHz上同時工作的裝置眾多，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，路由器卻在背後默默地挑選通道，協調幹擾。
Wi-Fi把2。4Ｇ上的83。5M頻寬劃分為13個通道，每20M一個。注意這些通道是交疊的，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，只能儘量減輕，大不了大家速度慢一些，排隊輪著用。
2。4G頻譜及通道（第14通道在國內是不允許使用的）
通道交疊到什麼程度呢？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不交疊的通道分佈
到了802。11n，使用者可以使用40M的通道，但2。4GHz頻段依然只有83。5M的總頻寬，就只能容納兩個通道了。因此只有在夜深人靜網路空閒的時候，單個使用者才有可能使用40M通道，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頻寬通道
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頻段的可用範圍是4。910GHz～5。875GHz，有900多M的頻寬，是2。4G的10倍還多！這段頻譜過於寬了，不同國家根據自身情況，定義了Wi-Fi可以使用的範圍。
比如，在中國5GHz頻譜共有13個20M通道可用作Wi-Fi，連續的20M通道還可以組成40M，80M，甚至160M通道。
中國5G通道分佈圖
5GHz的頻寬大，上面跑的的裝置少，用起來自然速度快，干擾小。因此，如果想要家庭網路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雖然頻寬大幹擾小，但是訊號傳播衰減快，還很容易被阻擋，穿牆能力很弱。
2。4G和5G Wi-Fi訊號的穿透損耗
因此，跟2。4GHz相比，5GHz訊號通常要弱得多。至於它們到底各能覆蓋多少米，這個由於路由器的天線增益，接收靈敏度，家裡牆體和障礙物的分佈，以及個人期望達到的上網速率都有關聯，很難具體給出。
如果僅考慮到家裡的各種智慧家居的聯網，2。4GHz的覆蓋和容量通常就夠用了。但如果需要高速上網，最大化發揮家庭寬頻的價值，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複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遊問題，這點後面再講。
三. Wi-Fi關鍵技術
為什麼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相互借鑑，使用的底層技術都是通用的。
OFDM/OFDMA
OFDM的全稱是正交頻分複用。系統會在頻域上把載波頻寬分割為多個相互正交的子載波，相當於把一條大路劃分成了並行多個車道，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，相當於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，每個使用者必須同時佔用全頻寬下的所有子載波。如果某個需要傳送的資料沒那麼多，把頻率資源用不滿的話，其他使用者也沒法靈活使用，只能乾巴巴地排隊等著，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，後面多了個字母A，其全稱也就變成了正交頻分複用多址。多址就是多使用者複用的意思。
OFDM vs。 OFDMA
OFDMA可以支援多個使用者在同一時刻共享所有子載波。相當於運輸公司把多個使用者的資料統一打包，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。
為啥要用這麼多天線？就是為了更好地實現MIMO（多輸入多輸出）技術。簡單來說，就是在訊號發射時，用多根天線來同時傳送多路不同的資料，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訊號，跟戴了助聽器一樣，接收靈敏度也得到了增強。
單使用者MIMO（SU-MIMO）
如果所有天線同時只為一個使用者服務，就叫做單使用者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路訊號，但手機最多隻能收兩路，最終下來路由器也就不得不配合著只發兩路。這不是浪費麼？
多使用者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？於是，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就叫做多使用者MIMO（MU- MIMO），又叫虛擬MIMO。
除此之外，多個天線還可以透過波束賦形技術，形成指向性的窄波束，對準使用者精準覆蓋。由於窄波束的能量集中，因此可以覆蓋得更遠，穿牆效果也能得以提升。
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體而已，看起來牛逼閃閃，但內部的設計到底能否支撐這麼多天線還是未知數。
更重要的是，不論是MIMO，還是波束賦形，都是需要軟體演算法支撐的，這裡面的複雜度遠高於硬體，不同廠家演算法最佳化能力不同，可能導致很大的效能差異。
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，是否支援波束賦形，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並將其作為賣點。
調製編碼策略（MCS）
調製編碼，分為調製和編碼兩部分，它們共同決定了單位時間可以同時傳送的位元數。調製編碼策略一般將調製和編碼兩部分綜合起來分為多個等級，級別越高，資料傳送的速率也就越快。
調製的作用就是把經過編碼的資料（一串0和1的隨機組合）對映到前面所說幀結構的最小單元：OFDM符號上。經過調製的訊號才能最終發射出去。
BPSK，QPSK，16QAM，64QAM及256QAM星座圖
常用的調製方式包括BPSK、QPSK、16QAM，64QAM和256QAM，能同時傳送的位元數為1個，2個，4個，6個和8個。Wi-Fi 6可以支援1024QAM，可同時傳送10個位元的資料，速率自然大為提升。
256QAM和1024QAM對比圖
可是，原始資料在編碼時，為了糾錯而加入了很多的冗餘位元，真正的有用資料其實只佔一部分。我們考慮上網速率時，說的僅僅是有用資料的收發速率，冗餘位元都在解碼的時候丟棄掉了。
這就要引入位元速率的概念，也即是有用的資料在編碼後總資料量中的佔比。如果位元速率是3/4，就是指編碼後的資料中，3/4是有用資料，1/4是後來新增的冗餘位元。
不同的調製方式，加上不同的位元速率，就組成了調製編碼策略（MCS）。下表是Wi-Fi 6中的MCS表，可以看出最高階MCS為11，對應於1024QAM加5/6的位元速率。
Wi-Fi 6 的MCS表
正是透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。
好了，本期的內容就到這裡，希望對大家有所幫助。
