WiFi6标准的含义以及它的原理

【Wi-Fi到底是什么？】

Wi-Fi是一种技术，通过电磁波来传输数据的方式，进行连网。

故事还要从20多年前说起。

1997年，全球最大的专业学术组织电气电子工程师协会（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，IEEE）推出了世界上第一个无线局域网标准IEEE802.11，工作频段为2.4GHz，数据传输速率为2Mbit/s，实现了无线上网，解决了上网受网线束缚的问题。为满足日益增长的无线上网需求，IEEE先后推出了802.11a，802.11b，802.11ｇ，802.11ｎ，802.11ac等标准，得到了大量厂商支持，获得了广泛应用，特别是广泛应用于宾馆、饭店、机场、车站、体育馆、会场、大学教室、图书馆、办公室、家庭等室内。

【Wi-Fi名称的来历】

Wi-Fi起名故事：Wi-Fi联盟创始人之一 Phil Belanger，提议去找品牌咨询公司 Interbrand 来协助完成命名工作。

根据Interbrand官网的介绍，“Wi-Fi”的灵感来源于“Hi-Fi”。Hi-Fi意为“高保真”，指高质量、高还原的音频。Interbrand把“H”换成了Wireless(无线)的首字母“W”。Interbrand想通过“Wi-Fi”的名称表达出该无线以太网技术的强大——可以在无线的情况下提供高质量、低损失、遍布各处的网络，并非像广为流传的那样，先想到 wireless fidelity，再缩成 Wi-Fi。所以Wi-Fi并没有任何的意思，也不是任何单词的缩写。

Wi-Fi联盟不承认“WiFi”，“Wifi”，或“wifi”等字眼。但是很多人都称Wi-Fi为WiFi，我们知道它们是一个意思即可。

【Wi-Fi的标准和发展版本】

在不久之前，这个新一代Wi-Fi网络标准还在以IEEE(电气和电子工程师协会)指定的标准名称802.11ax来称呼，就像前几代Wi-Fi网络标准802.11n或是802.11ac一样令人费解，无法直接从数字和后缀名上理解命名的理由以及代际的区分。

【Wi-Fi 6 是什么】

Wi-Fi 6 是Wi-Fi联盟给IEEE Std. P802.11ax起的别名。

为了终结消费者产生的诸多困惑，设定Wi-Fi标准的行业组织——Wi-Fi联盟终于决定在新一代Wi-Fi上启用数字来表示代际，802.11ax从此就被称作Wi-Fi 6，此前的802.11n和802.11ac分别被称为Wi-Fi 4、Wi-Fi 5。从而也可以将之前的 802.11 a/b/g/n/ac 依次追加为 Wi-Fi 1/2/3/4/5。

WiFi 6，其实就是第6代无线技术——IEEE 802.11 ax。

2.4GHz 频段支持以下标准（802.11b/g/n/ax），5GHz 频段支持以下标准（802.11a/n/ac/ax），由此可见，只有802.11n/ax 同时工作在 2.4GHz 和 5GHz 频段，所以这两个标准是兼容双频工作。

电气电子工程师学会为其定义的名称为IEEE 802.11ax，负责商业认证的Wi-Fi联盟为方便宣传而称作WiFi 6

WiFi6有哪些特点？

1. 速度：WiFi 6在160MHz信道宽度下，单流最快速率为1201Mbit/s，理论最大数据吞吐量9.6Gbps。
   

2. 续航：这里的续航针对连接上WiFi 6路由器的终端。WiFi 6采用TWT（目标唤醒时间），路由器可以统一调度无线终端休眠和数据传输的时间，不仅可以唤醒协调无线终端发送、接收数据的时机，减少多设备无序竞争信道的情况，还可以将无线终端分组到不同的TWT周期，增加睡眠时间，提高设备电池寿命。

3. 延迟：WiFi 6平均延迟降低为：20ms，WiFi 5平均延迟是30ms。

4. 安全：强制的安全认证，上了一个台阶。
   

2.4GHz频带的信道划分

实际一共有14个信道（上面的图中画出了第14信道），但第14信道一般不用。表中只列出信道的中心频率。每个信道的有效宽度是 20MHz，另外还有2MHz的强制隔离频带（类似于公路上的隔离带）。即，对于中心频率为 2412 MHz 的1信道，其频率范围为2401~2423MHz。

5G频带的信道划分

随着技术的发展，WiFi协议的迭代，对单流带宽影响最大的，一个是调制，一个是频宽。

所谓调制，就是将电信号转换为无线电波的过程，反之则称为解调，其核心技术是调制方式，调制方式越高阶，转换过程中数据密度就越高。

随着集成电路的发展，硬件性能逐渐提高，传输信号的密度会逐渐增加。

调制方式决定无线信号子载波单个符号的数据密度，折算方法很简单，QAM数值是2的N次方，对应的符号位长就是N。因此，64QAM符号位长6bit，表示一次可传输6bit的数据，256QAM符号位长8bit，1024QAM符号位长自然就是10bit。这就是11n的单流带宽从150Mbps提升至200Mbps甚至250Mbps的奥秘。

为保证数据传输的完整性，在调制过程中需要插入一些冗余数据用于纠错校验，因此有个码率的概念，它以分数形式来体现每次传输时有效数据的占比。例如，1/2表示只有一半是有效数据，另一半是冗余数据；5/6表示5/6是有效数据，1/6是冗余数据。

将调制方式与码率组合起来，就得到一张神奇的MCS（Modulation and Coding Scheme）策略表，WiFi设备的实际连接速率，其实就是在这张表里动态自适应选择的。当无线信号强劲时，MCS会尽量选择高阶组合（高bit+低冗余），当无线信号羸弱时，MCS会尽量选择低阶组合（低bit+高冗余）。赶紧看看你手头的终端，WiFi速率是不是在特定数值之间动态切换（飘来飘去）？

这是为什么呢？鱼与熊掌的老问题。

随着数据密度的提升，数字调制的抗干扰能力却在下降，这就对无线信号的质量提出更高的要求。回到之前的MCS策略表，WiFi速率自适应的原理就这么简单，协议与频宽确定的情况下，终端与AP距离越近遮挡越少，WiFi信号质量就越好，MCS就会自动选择高阶组合，数据密度与码率就越高，WiFi速率自然就越高。

值得注意的是，整个MCS动态选择机制完全由WiFi设备根据当前信号质量自行评估并选择，不需要也不可能由用户来控制。比如在无线信号较差的情况下，你愿意接受丢包来换取更高的WiFi空口速率，不好意思，802.11不同意。

PS：本文所谈及的单流带宽与理论带宽，均指MCS最高阶情况下的WiFi速率，即极限空口速率，与无线信号质量无关，特此声明。

频宽&频段

与幕后默默奉献的MCS策略不同，频宽更为消费者所熟知，因为它本身就是WiFi设备的核心设置选项之一。无论2.4G还是5G频段，最小信道都是20MHz的带宽，简称频宽，两个相邻小信道可聚合成一个大信道，此时传输带宽翻倍，以此类推促成WiFi单流带宽成倍增长。

无线电波在信道内以帧的形式传输，每一帧又由若干子载波组成，子载波的数量直接反映传输带宽的高低。以11n/ac为例，20MHz信道支持64个子载波，扣掉抗扰子载波与导频子载波后，实际用于数据传输的子载波为52个，而40MHz信道的数据子载波为108个，是前者的2.08倍（并非工整的两倍）。

有意思的是，11ax在20MHz的数据子载波数量“暴增”至234个，莫非有何黑科技？这就要从帧传输周期谈起……

在11n/ac标准中，每一帧是发送3.2微秒，再停止0.4微秒（即帧间隔，Guard Interval），接着继续发下一帧，那么每一帧的传输周期是3.6微秒。

11ax标准将帧结构重新设计，单帧容量增至原来的四倍（即256个子载波/20MHz），帧发送时长自然也是原来的四倍（12.8微秒），不过帧间隔仅为原来的两倍（0.8微秒），即每一帧的传输周期是13.6微秒。

因此，没有所谓黑科技，11ax不过是利用接近4倍的传输周期，发送略高于4倍的数据子载波数量，整体的效率提升大约10%多一点，仅此而已。

诚然，频宽越大，单帧发送的数据子载波就越多，WiFi速率就越高，但仍离不开鱼与熊掌的问题。频宽越大，WiFi信号质量越差，覆盖能力越弱，兼容性也不理想。所以，通常无线路由器或AP上都有频宽设置选项，由用户根据终端与应用情况自行取舍。

那么问题来啦，频段跟WiFi带宽又是什么关系？5G频段一定比2.4G频段更快么？

事实上，频段跟带宽并无直接关联，之所以5G频段的理论带宽远高于2.4G频段，仅仅缘于频谱分配上的先天优势，5G频段中用于WiFi传输的频谱比2.4G宽很多，因此穷孩子2.4G频段最高只能 聚合出 40MHz频宽，而富二代5G频段可以轻松上80MHz甚至160MHz频宽。

假设两者站在同一起跑线，即相同协议、相同MCS范围、相同频宽、相同空间流的情况下，2.4G与5G频段下的理论带宽其实一样样！再考虑到5G频段在传输距离与越障能力方面的劣势，实际的WiFi速率还不如2.4G频段……

空间流

空间流（Spatial Stream）源于MIMO技术，即多天线同步收发，通常以I×O来标识接收/发送的天线数，两者可以是任意比例，不过在WiFi设备里基本是收发对等，例如2×2或4×4，即2条空间流（2SS）或4条空间流（4SS）。因此，在单流带宽确定的情况下，WiFi设备的理论带宽＝单流带宽×空间流数。

注意空间流是在设备两端就低适配的，无论4×4的无线路由器搭配2×2的终端，还是2×2的无线路由器搭配4×4的终端，实际运行的空间流都是2条。

既然空间流多多益善，而且早在11ac标准就已经支持8条空间流，为何家用无线路由器最高却只到4×4规格？因为终端跟不上，目前绝大多数的智能手机或平板电脑最高只到2×2，台式机或笔记本基本也是2×2，只有极少数发烧级电脑才会配置3×3甚至4×4的无线网卡。道理很简单，天线越多，功耗越大，而移动终端最紧张的永远是电量……

WiFi速率算法

WiFi设备的理论带宽不工整，是缘于单流带宽本身就不工整，简单归纳一下，近三代标准在不同调制&频宽情况下的单流带宽是这样滴，基本乘上个二三四，就是你所熟悉的理论带宽。

事实上，WiFi理论带宽的计算公式远比你想象中简单，所有关键因素均已在前篇科普，并有明确的取值范围，只需根据WiFi技术规格选取相应的数值，丢进公式掐指一算即可。

• 符号位长，由MCS策略表里的调制方式决定，64QAM是6bit，256QAM是8bit，1024QAM是10bit。

• 子载波数，特指数据子载波数，由协议&频宽决定，11n/ac与11ax的帧结构不同，子载波数基本与频宽成正比。

• 码率，由MCS策略表决定，与调制方式有一定关联，对于高阶调制（64/256/1024QAM）码率都取5/6。

• 传输周期，由协议决定，11n/ac按3.6微秒（3.2＋0.4）取值，11ax按13.6微秒（12.8＋0.8）取值。

• 空间流数，由WiFi设备的天线数决定，通常会在参数中标识，取值范围是1~4之间的整数。

接下来举几颗栗子，看看理论带宽的计算过程有多稀松……

1、常见的三流设备规格，11ac是1300Mbps，再加上11n的450Mbps（标准64QAM）或600Mbps（非标256QAM），就是AC1750或AC1900设备。

2、常见的四流顶配设备，11ac是2167Mbps，假设是双5G频段（即2167Mbps＋2167Mbps），再加上11n的1000Mbps（非标1024QAM），就是奢华的AC5300设备。

3、犹抱琵琶半遮面的四流160MHz次世代设备，11ax（5G频段）是4804Mbps，再加上11ax（2.4G频段）的1148Mbps（287×4），就是开篇的华硕AX6000设备。

OFDMA

承前所述，单纯从规格上看，11ax相比当红的11ac＋11n非标搭档并没有明显优势……

• 2.4G频段：非标11n单流带宽也能跑到250Mbps，与11ax的287Mbps没差多少，短期内WiFi终端最高就4条空间流，根本拉不开差距。

• 5G频段：非标11ac单流带宽1083Mbps，同样紧跟11ax的1201Mbps，而且大家都支持8条空间流，就算多战几个回合，11ac仍有还手之力。

• 并行传输：11ac也有乞丐版MU-MIMO，11ax不就满血MU-MIMO么，有啥特别的，咦，这个OFDMA是什么鬼？

为什么要引入并行传输？这得从MIMO谈起……

严格来说，原有的MIMO也叫SU-MIMO（即单用户MIMO），虽然它支持多天线同步传输，但在同一信道&同一时刻，无线路由器只能与一个终端通信，即串行传输。

假设路由器支持4条空间流，在信道149（5G频段）下挂三台终端，分别是2×2的笔记本电脑、1×1的手机A和1×1的手机B，那么在某一时刻，路由器只能三选一来通信，如果选中笔记本，那么其他终端就要排队，即使2×2笔记本只占用4条空间流中的2条，剩余2条也没法分配给两台手机。

于是MU-MIMO（即多用户MIMO）应运而生，它在SU-MIMO的基础上，增加多终端同步传输机制，从而提高空间流的利用率。还是之前的例子，在支持MU-MIMO的情况下，4条空间流恰好满足三台终端同时传输而且不会降速，高端路由器终于物尽其用。

然而，MU-MIMO并不完美，它的运行状态不够稳定，很容易受终端影响。还是之前的例子，4条空间流只能满足合计4SS的终端完美跑MU-MIMO，基本就是下面这五种组合，顶多支持四台终端。一旦终端数量超过4台，就要排队；一旦合计负载超过4SS，就要降速。

下面掌声有请，11ax真正的黑科技OFDMA，压轴登场！

长久以来，WiFi一直采用OFDM作为核心传输方案，11ax在OFDM的基础上加入多址（即多用户）技术，从而演进成OFDMA。简单说，OFDMA将帧结构重新设计，细分成若干资源单元（RU），从而为多个用户服务。

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），正交频分多址。

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），正交频分复用。

以20MHz信道为例，在OFDM方案（即11n/ac）里每一帧由52个数据子载波组成，这组子载波只能为一个终端服务，如果该终端传输的数据包较小（聊天消息），根本就装不满52个子载波，那么空载的子载波也无法分配给其他终端。

在OFDMA方案（即11ax）里每一帧由234个数据子载波组成，但在帧内进行二次分组，每26个子载波定义为一个RU（Resource Unit，资源单元），每个RU可以为一个终端服务，那么每一帧就被分成9份，可以同时为9个用户服务！

用卡车拉货来解释更直观，OFDM方案是按订单发车，不管货物多少，来一单发一趟，哪怕车厢空荡荡；OFDMA方案会将多个订单聚合起来，尽量让卡车满载上路，使得运输效率大大提升。

看到这里，你可能会以为OFDMA跟MU-MIMO差不多呢，其实差很大。尽管两者均为并行传输解决方案，但既不是迭代关系，也不是竞争关系，而是互补关系。它们的技术原理不尽相同，适用的场景也有所区别，具体视服务的应用类型而定。

▲OFDMA：适用于小数据包的并行传输，提升单空间流的信道利用率与传输效率，减少应用延迟与用户排队。运行状态稳定，不容易受终端影响。

▲MU-MIMO：适用于大数据包的并行传输，提升多空间流的利用率与系统容量，提高单用户的有效带宽，同样能减少时延。运行状态不够稳定，很容易受终端影响。

▲好消息是，两种方案不冲突，甚至可以叠加，用户无需操心并行传输背后的运行机制，唯一的感受就是，再多的终端网络也不卡顿！

▲坏消息是，两种方案都需要WiFi设备的支持，而且只有同一信道下的所有终端都支持11ax的情况下，并行传输的运行状态才是完美的，否则效果会严重打折，打骨折。

尾巴、终端才是王道

诚然，11ax的新特性远不止于此，考虑到课堂时间有限（估计你们也快睡着），暂时就到这里吧。前五代WiFi标准的发展，主要致力于无线带宽的提升，当WiFi带宽追平有线网络后，WiFi标准开始横向发展，次世代的11ax着重改善多终端的用户体验。

回到开篇的命题，家用WiFi设备如何选择？一句话：终端决定一切。

从WiFi规格的迭代历程不难看出，真正的瓶颈并不在无线路由器或AP上，而是你手头的终端。路由器的规格再高，终端不行也白搭，理论上高端路由器确实能带更多的终端，前提是你的终端全得支持MU-MIMO或OFDMA，问题是你有么？

讲道理，家用WiFi设备的选购从来就不是技术活，而是量体裁衣的艺术活，仅当路由器/AP与终端之间门当户对时，才是物尽其用的最佳拍档，至于多出来的性能与功能，真的只是摆设。