前面我們介紹了 802.11 b/g/n 的一些核心技術和基礎概念，本章將介紹目前比較新的 WiFi5 和 WiFi6，以及在今年會發佈的 WiFi7。 ...
liwen01 2024.09.08
前言
經過二十多年的發展，WiFi 在硬體能力、軟體和演算法、頻譜資源、市場需求、電源與能效方面都有了很大的提升。所以我們能看到從最開始只有幾 M 速率的 802.11b，發展到現在幾十 G 速率的 WiFi6，WiFi7。
前面我們介紹了 802.11 b/g/n 的一些核心技術和基礎概念，本章將介紹目前比較新的 WiFi5 和 WiFi6，以及在今年會發佈的 WiFi7。
- WiFi4 (802.11n，2009)：首次引入 MIMO 和 40 MHz 頻寬，基礎的高效無線網路標準。
- WiFi5 (802.11ac，2013)：更高數據速率，專註於 5 GHz 頻段，適合高清流媒體和線上游戲。
- WiFi6 (802.11ax,2019)：更高效率，適合密集設備環境，支持更低的延遲和更高的節能表現。
- WiFi7 (802.11be，2024)：預計今年(2024)會發佈的新一代標準，提供超高數據速率，支持更高帶寬需求。
我們先回顧一下上一章已介紹過的 WiFi4，後面介紹的 WiFi5、WiFi6、WiFi7 實際也是從 WiFi4 基礎上迭代發展出來的，它們也都支持向下相容。
本章涉及到比較多之前已介紹過的知識，這裡只進行概括描述，詳細介紹可以參考前面文章：
《wifi基礎(一)：無線電波與WIFI信號干擾、衰減》
《WiFi基礎(二)：最新WiFi通道、無線OSI模型與802.11b/g/n》
(一) 802.11n (WiFi4)
(1) OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)正交頻分復用調製技術，將信號分成多個窄帶子載波，每個子載波獨立調製。子載波之間是相互正交的，避免了相互干擾。
優點：
- 抗多徑干擾能力強，特別適用於室內無線環境。
- 頻譜效率高，能夠在有限頻譜內傳輸更高的數據速率。
缺點：
- 對頻率偏移和相位雜訊敏感。
- 實現較為複雜，需要精確的同步。
(2) FEC
FEC (Forward Error Correction) 前向糾錯技術，在數據傳輸過程中增加冗餘信息，以便在接收端進行錯誤檢測和修正，從而提高數據傳輸的可靠性。
優點：
- 提高數據傳輸的可靠性，降低重傳率。
- 提高了在通道質量較差情況下的通信質量。
缺點：
- 增加了數據包的長度和編碼複雜度。
- 導致帶寬開銷增加。
(3) MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output) 技術通過在發送端和接收端使用多個天線來同時傳輸和接收多路數據流，從而顯著提高數據傳輸速率和網路覆蓋範圍。
優點：
- 大幅提高了數據傳輸速率 (通過空間復用)。
- 增強了信號覆蓋範圍和通道容量。
缺點：
- 實現成本較高，需要額外的硬體支持 (如多天線)。
- 天線之間的相互干擾可能會降低性能。
(4) Short GI
Short GI (Short Guard Interval) 是指將 OFDM 符號之間的保護間隔 (Guard Interval) 從標準的 800ns 縮短為 400ns。保護間隔用於減少符號間干擾。
優點： 縮短保護間隔可以提高數據傳輸速率 (提高約 11%)。
缺點： 短保護間隔在多徑效應嚴重的環境中可能會導致符號間干擾，反而降低性能。
(5) 40 MHz 頻寬
802.11n 支持將兩個 20 MHz 的頻段合併為一個 40 MHz 的頻段，從而提高數據傳輸帶寬和速率。
優點： 通過增大頻寬，數據傳輸速率可以翻倍。
缺點：
- 在 2.4 GHz 頻段上，40 MHz 頻寬容易導致與其他設備 (如藍牙設備、微波爐)發生干擾，特別是在頻譜資源緊張的環境中。
- 可能影響其他使用相鄰頻段的無線設備的正常工作。
通過這些技術，802.11n 在實際應用中達到了比之前標準更高的吞吐量和更穩定的連接，但也面臨著複雜性增加和部分場景中干擾增加的問題。
(6) WiFi4 最大速率
數據子載波數 x 每個符號傳輸比特數 x 載波編碼率 x 符號速率 x MIMO = 最大理論速率
108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 600Mbps(二) 802.11ac(WiFi5)
WiFi5 只支持 5GHz 頻段，與 WiFi4 相比，有一個大的突破是使用了 MU-MIMO 技術。
(1) MU - MIMO 技術
(a) MIMO 基本原理
MIMO 通過使用多個天線在發送端和接收端同時發送和接收多路數據流，來增加數據傳輸速率和信號覆蓋範圍。
在傳統的單用戶 MIMO (SU-MIMO)中，一次只能為一個設備 (用戶)提供多路數據流，所有的天線資源只服務於一個設備。
(b) MU-MIMO 的原理
MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) 是 MIMO 的多用戶版本，它允許路由器 (AP) 使用多個天線同時向多個設備 (用戶) 傳輸數據。這種方式顯著提高了網路的併發能力和頻譜利用效率。
(c) 如何工作
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多個數據流：MU-MIMO 能夠同時向多個設備發送不同的數據流，而不是像 SU-MIMO 那樣一次只能向一個設備發送數據流。
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分配天線資源：MU-MIMO 技術根據設備的需求和通道狀態，動態地分配天線資源，使得多個設備可以同時利用無線帶寬。
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空間分集：利用空間分集技術，MU-MIMO 可以區分和識別空間中不同用戶設備的信號，避免相互干擾。
(d) 優點
提高效率：MU-MIMO 能夠同時為多個設備提供數據服務，避免了設備之間的競爭，減少了空閑時間和通信延遲，尤其在高密度設備環境下 (如家庭、辦公場所、公共場所)表現尤為明顯。
增加吞吐量：通過多設備同時傳輸，MU-MIMO 提高了總體的網路吞吐量，使得更多設備能夠獲得穩定的高數據速率。
改善用戶體驗：減少了由於設備增多而導致的網路擁堵問題，特別是在多設備同時進行高帶寬需求操作 (如視頻流、線上游戲)時效果顯著。
(e) 限制和挑戰
設備支持：MU-MIMO 需要路由器和客戶端設備 (如手機、平板、筆記本電腦)同時支持該技術。如果客戶端不支持 MU-MIMO，無法受益於該技術。
物理限制：MU-MIMO 的性能受限於設備的天線數量、天線間隔、以及環境的多徑效應。一般家庭路由器可能只能同時支持2-4個設備的MU-MIMO。
複雜度：由於需要同時管理多個用戶的數據流，MU-MIMO 技術的實現複雜度較高，尤其是在動態環境中，通道狀態會隨時變化，需要更複雜的演算法來維持高效傳輸。
(f) 與 SU-MIMO 的比較
SU-MIMO：一次只能為一個用戶提供多路數據流，適合單個設備高速傳輸。
MU-MIMO：能夠同時為多個用戶提供多路數據流，更加高效地利用無線資源，適合多設備併發環境。
WiFi5 Wave2 因為使用了 MU-MIMO, 實現了 WiFi 從 1 對 1 的傳輸，跨越到 1 對多的傳輸，但是這裡需要註意，在WiFi5 Wave2 中，只支持下行方向的 MU-MIMO 。
(2) 802.11Wave1 速率計算
Wave1 與 WiFi 相比，使用了 256-QAM 編碼，也就是每個符號可以傳輸 8bit 數。通道綁定由原來的 40MHz，現在提升到了 80MHz，數據子載波數提升到了 234 個。
數據子載波數 x 每個符號傳輸比特數 x 載波編碼率 x 符號速率 x MIMO = 最大理論速率
234 * 8bit * 5/6 * 277.778 ksps *3 = 1300Mbps(3) 802.11Wave2 速率計算
Wave 2 可以最大支持 160MHz 的帶寬，數據子載波的數量有 468 個，空間流由 wave1 的 3 個提升到了 4 個。
數據子載波數 x 每個符號傳輸比特數 x 載波編碼率 x 符號速率 x MIMO = 最大理論速率
468 * 8bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 3466.67Mbps在最新的一些資料上看，WiFi5 wave1 可以支持到 3.47Gbps， wave2 可以支持到最大速率 6.9Gbps。主要是支持的空間流數的增加和通道帶寬的增加。
最大速率是需要 AP 和 STA 都要支持對應的標準協議，並且有對應的硬體支持(比如天線個數)，如果 AP 有多天線且運行 802.11ac 協議，但 STA 只支持 802.11n，並且只有單天線，那最大也就只能支持一個空間流，實際最大速率與理論最大速率之間會有很大的差異。
(4) 802.11 Wave2 跨通道綁定
我們看到 802.11ac Wave2 中，提供的通道有一個 80+80 的通道，它表示可以將不相鄰的兩個 80MHz 通道進行聚合綁定，使通道頻寬變得更寬更靈活。該技術也應用到了後面更新的 WiFi6 和 WiFi7 標準中。
(三) 802.11ax (WiFi6)
WiFi6 是現在正在逐漸推廣的一個標準，它同時支持 2.4GHz 和 5GHz 頻段。與 WiFi4 和 WiFi5 相比，WiFi6 的關鍵技術有：1024QAM、OFDMA多址，上下行MU-MIMO，空間復用、TWT 技術。
(1) OFDMA多址技術
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access 正交頻分多址) 用於將無線通道劃分為多個子通道 (也稱為子載波)，每個子通道可以被不同的用戶同時使用。
這種技術在4G LTE 網路中已經廣泛應用，現在也被引入到了 WiFi 中，以提高網路效率。
(a) OFDMA的工作原理:
通道劃分： 在OFDMA中，整個 WiFi 通道被劃分為多個較窄的子通道 (子載波)，每個子載波可以攜帶一部分數據。
用戶分配： 不同的用戶可以同時使用這些子載波進行通信。例如，一個用戶可以使用某些子載波，而另一個用戶可以使用其他子載波，這樣可以在同一時刻支持多個用戶進行數據傳輸。
提高效率： 通過允許多個用戶共用同一通道，OFDMA 減少了通道的閑置時間，並提高了頻譜利用率。這對於高密度環境 (如體育場、會議室等) 尤為重要，因為它能顯著減少用戶之間的干擾和競爭。
(b) OFDMA的優勢
低延遲： OFDMA 減少了用戶之間的競爭，因此可以降低網路延遲，特別是在高流量環境下。
高效頻譜利用： 通過靈活地分配子載波，OFDMA 能夠更高效地利用頻譜資源，避免通道資源的浪費。
更好的服務質量 (QoS)： OFDMA 允許網路根據需求分配資源，從而可以為不同的應用提供更好的服務質量，如流媒體、視頻會議等。
支持更多用戶： OFDMA 使得 802.11ax 能夠支持更多的併發用戶，而不會顯著降低每個用戶的帶寬。
(2) 空間復用
空間復用 (Spatial Reuse) 是利用空間分隔來增加同一頻譜資源使用效率的技術。具體而言，它允許多個設備在同一時間內通過同一通道進行通信，只要這些設備之間的物理距離足夠遠，不會相互干擾。
(a) 空間復用的工作原理
(I) BSS Coloring：
BSS (基本服務集)：在 WiFi 網路中，每個接入點 (AP)及其關聯的設備形成一個BSS。傳統 WiFi 網路中，如果相鄰的 BSS 使用相同的通道，它們之間的信號會相互干擾，導致設備不得不等待通道空閑。
BSS Coloring：WiFi6 通過引入BSS Coloring (BSS上色)技術來區分相鄰的 BSS。每個 BSS 可以被賦予一個“顏色”，以幫助設備識別信號是否來自同一 BSS 。如果信號來自不同的 BSS 且干擾較小，設備仍然可以傳輸數據，從而實現空間復用。
(II) 目標信噪比 (SNR)調整：
傳統的 WiFi 網路中，設備會通過檢測通道上的能量水平來決定是否可以發送數據。如果檢測到某個信號能量超過一定閾值，就認為通道被占用。
在 WiFi6 中，通過調節信噪比閾值，允許設備在感知到相對較弱的干擾信號時繼續傳輸數據。這種調整使得空間復用變得更加有效。
(III) 靈活的頻譜使用：
WiFi6 允許更靈活的頻譜使用，能夠根據當前的網路環境動態調整。這意味著在同一通道上，多個 AP 可以更高效地分配資源，減少因相互干擾而導致的頻譜浪費。
(b) 空間復用的優勢
提高網路容量：空間復用通過允許更多的設備同時在同一通道上進行通信，極大地提高了網路的總體容量。
減少等待時間：由於設備可以更頻繁地訪問通道，因此可以減少數據傳輸的等待時間，提升整體網路效率。
優化高密度環境：在用戶設備密集的場景 (如大型會議、體育場等)，空間復用能夠顯著減少干擾，提高每個用戶的體驗。
(3) TWT 目標喚醒時間技術
TWT (Target Wake Time) 允許設備與接入點 (AP) 之間協商喚醒時間，從而減少設備的電池消耗。TWT 是 WiFi 6 引入的一項重要創新技術，它在節能和網路效率方面具有顯著的優勢。
工作原理：
時間協商：設備和 AP 協商一個 TWT 協議，確定設備何時可以進入休眠模式，以及何時需要喚醒以發送或接收數據。這個協商可以根據設備的使用模式、數據傳輸需求和電源管理策略進行定製。
節能：通過 TWT，設備可以在不需要頻繁通訊的情況下長時間保持休眠狀態，僅在預定的時間喚醒以處理數據。這大大減少了設備的功耗，特別是對於電池供電的設備如手機、物聯網設備和感測器等。
減少干擾：TWT 還可以減少不同設備之間的信號干擾。因為設備在不同的時間段內喚醒和傳輸數據，多個設備不會在同一時間段爭搶無線通道，從而提高了整體網路的效率。
TWT 的類型
TWT 可以分為以下兩種類型：
單個TWT：在這種模式下，設備和 AP 協商一個單獨的喚醒時間表。例如，設備可能每隔一段時間喚醒一次，以發送或接收數據。
廣播TWT：在廣播 TWT 模式下，AP 可以向多個設備發送一個統一的 TWT 調度表。這樣多個設備可以在相同的時間段內喚醒，進行同步的數據傳輸。
TWT 的應用場景
物聯網設備： 許多物聯網設備需要長時間待機且偶爾傳輸少量數據，TWT 技術可以顯著延長這些設備的電池壽命。
移動設備： 智能手機、平板等移動設備可以通過 TWT 在 WiFi連接期間節省電量，尤其是在後臺數據傳輸較少的情況下。
(4) WiFi6 的優勢
WiFi6 與 WiFi5 相比，在大帶寬、高併發、低延時、低功耗方面都有大幅度的提升。
大帶寬：WiFi6 可以支持到 160MHz 頻寬的通道綁定，使用 1024-QAM 的編碼，最大支持 8 路空間流，使 WiFi6 的理論最大速率達到了 9.6Gbps
高併發：支持上下行 MU-MIMO 與上下行 OFDMA 兩種多用戶傳輸技術，減少多用戶並行傳輸時的通道開銷，提升多用戶場景下的空間通道利用率，另外 WiFi6 每個 AP 支持 1024 個終端接入。
低延時：通過 OFDMA 和 MU-MIMO 技術減少了設備之間的競爭時間，從而加快了數據傳輸速度。
低功耗：通過 TWT 和 Beamforming(波束成形) 技術，減少設備喚醒次數和優化信號傳輸來降低 STA 設備端的功耗。
WiFi6 與移動通訊中的 5G 非常類似，正逐漸地被推廣使用。
(四) 802.11be (WiFi7)
(1) WiFi7 的關鍵技術
(a) 更寬的通道帶寬
320MHz帶寬：WiFi7 支持 320 MHz的超寬通道帶寬，相較於 WiFi6 的最大 160 MHz，帶寬翻倍。這種帶寬的擴展使得數據傳輸速率大大提高。
通道聚合：WiFi7 支持將多個非連續頻段聚合為一個邏輯通道，從而進一步提高帶寬利用率。
(b) 更高階的調製技術
4096-QAM (4K-QAM)：WiFi7 引入了更高階的調製方式 4096-QAM，相比 WiFi6 的 1024-QAM，數據密度增加了 50%。這意味著在相同通道條件下，WiFi7 能夠傳輸更多數據，從而提升整體吞吐量。
(c) 多鏈路操作 (Multi-Link Operation, MLO)
多鏈路聚合：WiFi7 允許設備同時在多個頻段 (例如2.4 GHz、5 GHz和6 GHz)上傳輸數據，最大化帶寬利用率，並提高傳輸的穩定性和速度。
鏈路負載平衡：MLO技術還能根據網路負載和干擾情況，動態選擇最優鏈路進行數據傳輸，減少延遲和通道擁堵。
(d) 增強的 OFDMA 和 MU-MIMO
增強的 OFDMA (正交頻分多址)：WiFi7進一步優化了 OFDMA 技術，支持更多的子載波和更細粒度的頻譜分配，從而提高多用戶環境下的網路效率。
MU-MIMO (多用戶多輸入多輸出)：WiFi7 支持 32 個空間流 (相比 WiFi6 的 8 個)，這意味著能夠同時為更多設備提供高速連接，特別是在密集環境下。
(e) 極低延遲和時間敏感網路 (Time-Sensitive Networking, TSN)
低延遲傳輸：WiFi7 通過改進的調度演算法和更靈活的頻譜管理，實現了極低的傳輸延遲，非常適合需要高實時性的數據傳輸場景，如 AR/VR 和工業自動化。
TSN 支持：WiFi7 引入了時間敏感網路支持，能夠在無線網路中提供類似於有線網路的時間敏感數據傳輸，確保關鍵任務數據的穩定傳輸。
(f) 改進的BSS Coloring技術
增強的BSS Coloring：WiFi7 進一步改進了 BSS Coloring 技術，使其在高密度網路環境下更有效地減少干擾，並提高通道復用效率。
(2) WiFi7 的理論最大速率
通過上述技術的綜合應用，WiFi7 的理論最大速率可以達到 46 Gbps，這是WiFi6最大速率的近5倍。這種速度提升主要得益於更寬的通道帶寬 (320 MHz)、更高階的調製 (4096-QAM) 和多鏈路操作 (MLO)等技術的結合。
(五) WiFi 依然面臨的問題
雖然 WiFi 技術在不斷地發展，但是需要面對的問題也會越來越多。多用戶併發、視頻媒體重度發展、新老標準協議並存、各式物聯網設備對 WiFi 實時性、功耗的不同要求，等等。
(1) 信號干擾與擁堵：
隨著無線設備的普及，WiFi 信號的干擾會更加明顯，辦公區、商場、會展中心等環境經常會遇到各種問題，比如：能搜到 WiFi 熱點，但卻連接不上，就算連接上了，網速也很慢。
WiFi 熱點眾多，樓上樓下周圍鄰居間相互干擾，新老設備運行不同協議標準，多用戶同時併發，導致信號干擾和擁堵明顯。
(2) 帶寬限制與速率瓶頸：
視頻媒體重度發展，對高帶寬、低延遲有極大的需求。儘管新的 WiFi 標準 (如 WiFi6 和 WiFi7) 提供了更高的理論最大速率，但在現實環境中，帶寬的限制和設備間的競爭仍然可能導致網路速度無法達到預期。
(3) 覆蓋範圍與信號衰減：
WiFi 信號的覆蓋範圍有限，尤其在有牆壁或其他障礙物的情況下，信號衰減顯著，導致信號質量下降，需要通過增加路由器或使用中繼器來擴展覆蓋範圍。
對於戶外高溫、雨淋等環境，對設備可靠性和穩定性要求又很高。
(4) 安全性問題：
雖然 WiFi 安全性不斷提升 (例如 WPA3 標準) ，但仍然存在潛在的安全漏洞，如中間人攻擊、密碼破解等。此外，許多用戶在安全配置上意識不足，也可能導致網路被未經授權的設備訪問。
(5) 功耗與設備相容性：
隨著物聯網設備的普及，WiFi 網路連接的設備類型和數量大幅增加。這些設備對功耗和相容性的要求各不相同，可能導致網路效率降低或設備無法有效連接。
(6) 技術更新與過渡：
隨著 WiFi 技術的快速發展，新舊標準的過渡帶來了一定的相容性問題。用戶可能需要更新硬體設備才能完全利用新標準的優勢，比如增加天線個數。
對於對成本敏感的物聯網設備，它們奉行的原則大多都是夠用就好，所以這個技術過渡期會比較漫長。
結尾
關於 802.11 WiFi 相關標準的簡單介紹到這裡就結束了，下一章我們將介紹 WiFi 的工作原理，以及 WiFi 的接入過程分析。
上面內容，如有錯誤，歡迎評論區提示指出，不勝感激。
