路由知識小課堂：無線速率的秘密

jhddxb · 發(fā)表于 2016-11-22 08:15

路由無線技術(shù)單是使用的技術(shù)就遠(yuǎn)比有線多得多，包括了物理層（MIMO、SDM、MIMO-OFD、MFEC (Forward Error Correction)、Short Guard Interval (GI)、40MHz綁定技術(shù)、 MCS (Modulation Coding Scheme)、MRC (Maximal-Ratio Combining)……）和MAC層（幀聚合、 Block ACK……）等眾多技術(shù)，而事實(shí)多次證明越是簡單的模型穩(wěn)定性就越好；并且無線使用環(huán)境的特性，也注定了其比有線更容易受到干擾。
進(jìn)入正題，因?yàn)樗夹g(shù)比較多，不可能一一點(diǎn)到，這里也只挑幾個(gè)來說，歡迎各位路友進(jìn)行補(bǔ)充討論。
一般來說，同無線傳輸速度緊密相關(guān)的是無線芯片采用的正交幅度調(diào)制（即QAM，Quadrature Amplitude Modulation）和頻段帶寬模式。
而QAM是一種在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式，它的碼率長度會(huì)影響無線傳輸?shù)膸?。一般講QAM長度受到主控芯片性能、無線控制芯片規(guī)格、無線技術(shù)規(guī)范以及頻段等多方面因素的影響。但理論上，QAM越長，每個(gè)載波傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越多，通道的速度也就越高。
QAM具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在802.11n（2.4GHz）制式下，無線產(chǎn)品可以采用16位、32位、64位QAM的調(diào)制模式，一般最高只能達(dá)到64位QAM的調(diào)制模式。在64QAM的限制下，單天線在每通道的理論速率最高只能到達(dá)150Mbps（運(yùn)行在40MHz頻寬）。路由知識小課堂：無線速率的秘密

而隨著無線技術(shù)的演進(jìn)，802.11ac（5GHz）時(shí)代，可以進(jìn)一步加大信號承載密度，QAM被放寬到256位，單載波承載的數(shù)據(jù)量可以達(dá)到8個(gè)比特（bit），（而802.11n只能達(dá)到6個(gè)比特（bit），所以吞吐量也隨之增加）就好比小車變成了大貨車。配合80MHz的高頻寬，802.11ac路由器可以將每通道理論傳輸速度提升到433.3Mbps。因此如果采用了最新的TurboQAM技術(shù)，將802.11ac支持的256QAM調(diào)制運(yùn)行到802.11n制式下，那么一個(gè)波段上便可以傳遞更多的數(shù)據(jù)，來提升整體傳輸速度。
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因此，從第一張圖中可以看出，802.11n制式下加載了TurboQAM技術(shù)后，2.4GHz頻段的每條流可實(shí)現(xiàn)200Mbps的最高速度，而再配合4x4 MU-MIMO架構(gòu)的話，即使2.4G下也能擁有800Mbps高傳輸速率了（如Linksys EA8500）。
1、頻段帶寬：
也常被稱為信道帶寬，是調(diào)制載波占據(jù)的頻率范圍，也是發(fā)送無線信號頻率的標(biāo)準(zhǔn)。在常用的2.4GHz（2.4-2.4835GHz）頻段上，每個(gè)信道的帶寬為20MHz。頻率越高越容易失真，其中20MHz抗干擾較好，傳輸距離遠(yuǎn)（約100米左右）；40MHz速度快，傳輸距離近（約50米左右）。
為了讓802.11n提高速率，突破其自身協(xié)議限制，最直接的就是提高頻譜的寬度，這就好比將原來正反向的道路把隔離帶拆掉，并為同一條單行道，提高通車能力。傳統(tǒng)802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而用40MHz綁定技術(shù)，可以對兩個(gè)20MHz信道加以捆綁，直接提高吞吐，這樣整個(gè)2.4GHz頻段范圍內(nèi)只能容納一個(gè)40MHz的頻寬。而一旦使用了40MHz的頻寬，整個(gè)2.4GHz就只有一個(gè)信道可用，容易產(chǎn)生干擾，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸。而5GHz頻段支持80MHz的信道，即綁定4個(gè)信道，并且最高可以支持綁定8個(gè)信道，從而整個(gè)信道能夠到達(dá)160MHz，如果將頻譜資源比喻成馬路的話，802.11a/b/g時(shí)代就好像是單車道，承載能力有限，而到了802.11n時(shí)代發(fā)展為雙車道，大大提高了流量，而802.11ac可以達(dá)到8車道，承載能力可想而知。

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需要注意的是：對于一條空間流，并不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4（即72.2×2）Mbps。對于20MHz頻寬，為了減少相鄰信道的干擾，在其兩側(cè)預(yù)留了一小部分的帶寬邊界。而通過40MHz綁定技術(shù)，這些預(yù)留的帶寬也可以用來通訊，可以將子載體從104（52×2）提高到108。按照72.2x2x108/104進(jìn)行計(jì)算，所得吞吐能力就達(dá)到了150Mbps。
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65Mbps：為20Mhz模式下單條流的最大物理發(fā)送速率（沒有啟動(dòng)short GI），一些早期的無線網(wǎng)卡和2012年左右的許多手機(jī)可能都是一條流的11gn網(wǎng)卡，此類網(wǎng)卡數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)使用一條流，所以只能夠達(dá)到的最大物理速率為65Mbps；
130Mbps：主流的11gn的物理速率，由于11gn不重疊信道只有3個(gè)，所以通常采用20Mhz模式而且不應(yīng)用short GI特性，此時(shí)基本的無線客戶端使用兩條流進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，可以達(dá)到最大物理速率為130Mbps；
300Mbps：11an不重疊信道相對11gn比較多，所以在11an模式下可以選擇采用40Mhz模式并可以啟動(dòng)short GI功能，這樣比較主流的11n客戶端使用兩條流發(fā)送數(shù)據(jù)，例如P1等路由，可以實(shí)現(xiàn)300Mbps的最大物理速率。
PS：由于多徑效應(yīng)的影響，信息符號（Information Symbol）將通過多條路徑傳遞，可能會(huì)發(fā)生彼此碰撞，導(dǎo)致ISI干擾。為此，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)要求在發(fā)送信息符號時(shí)，必須保證在信息符號之間存在800 ns的時(shí)間間隔，這個(gè)間隔被稱為Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用缺省使用800ns GI。當(dāng)多徑效應(yīng)不是很嚴(yán)重時(shí)，用戶可以將該間隔配置為400，對于一條空間流，可以將吞吐提高近10％，即從65Mbps提高到72.2 Mbps。對于多徑效應(yīng)較明顯的環(huán)境，不建議使用short GI。
2、標(biāo)稱速率≠實(shí)際速率
首選無線路由標(biāo)稱的150M/300M/450M/600M……不是距離是速率，更準(zhǔn)確的來說是物理層速率（更可以理解為只是一個(gè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)而已，如P1所使用的是802.11n 300Mbps標(biāo)準(zhǔn)），并不等于實(shí)際速率，也和平時(shí)使用時(shí)最直觀的實(shí)際吞吐量是有區(qū)別的，有些產(chǎn)品是完整標(biāo)出的。
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802.11n主要是結(jié)合物理層和MAC層的優(yōu)化來提高無線吞吐。物理層采用的主要技術(shù)有MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI、FEC、MRC等，從而將物理層速率提高到600Mbps。如果僅僅提高物理層的速率，而沒有對空口訪問等MAC協(xié)議層的優(yōu)化，802.11n的物理層優(yōu)化將無從發(fā)揮。就好比建了很寬的馬路，但如果車流的調(diào)度管理跟不上，仍然會(huì)出現(xiàn)擁堵和低效。所以802.11n對MAC層采用了Block確認(rèn)、幀聚合等技術(shù)，大大提高M(jìn)AC層的效率。
802.11n還由于采用了多天線技術(shù)技術(shù)，可以多根獨(dú)立天線組成陣列（如P1使用的是2x2 MIMO架構(gòu)，雙發(fā)雙收的雙天線設(shè)計(jì)），無線信號（對應(yīng)同一條空間流）將通過多條路徑從發(fā)射端到接收端，從而提供了分集效應(yīng)。在接收端采用一定方法對多個(gè)天線收到信號進(jìn)行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使在接收端較遠(yuǎn)時(shí)，也能獲得較好的信號質(zhì)量，從而間接提高了信號覆蓋范圍和傳輸速率。其典型的技術(shù)包括了MRC等。
PS：實(shí)際使用時(shí)實(shí)際速率基本可以砍半之后往下算，如同樣是真300Mbps（2x2MIMO對稱架構(gòu)）的設(shè)備對連，并設(shè)置在802.11n only模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)對拷，測試端電腦網(wǎng)卡為千兆口時(shí)，周圍基本沒有干擾的環(huán)境時(shí)，是有可能超過百兆水平的，但已目前移動(dòng)終端的硬件2.4G下跑百兆是完全不可能的。一般實(shí)際環(huán)境下，基本就能跑50兆水平，甚至更低。而隨著百兆入戶的增多，家里如果超過50兆以上帶寬的用戶，想讓移動(dòng)設(shè)備盡量跑滿速，又不想投入過多的話，便宜的AC雙頻路由才是首選。
3、MIMO——Multiple-Input Multiple-Output（多入多出技術(shù)），這貨是無線速率能大幅提高的重要功臣，當(dāng)然也會(huì)對無線速率產(chǎn)生很大影響，后續(xù)貼還會(huì)進(jìn)一步說。
顧名思義，就是通過多重天線對無線訊號進(jìn)行同步收發(fā)，以此來抑制信號衰減，改善通信質(zhì)量，并在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，成倍增加資料傳輸率。
網(wǎng)絡(luò)資料通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進(jìn)行同步傳送，由于無線訊號在傳送的過程當(dāng)中，為了避免發(fā)生干擾，會(huì)走不同的反射或穿透路徑，因此到達(dá)接收端的時(shí)間會(huì)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(huì)同時(shí)具備多重天線接收，然后利用DSP重新計(jì)算的方式，根據(jù)時(shí)間差的因素，將分開的資料重新作組合，然后傳送出正確且快速的資料流。
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這是4x4 MIMO架構(gòu)的圖，對稱架構(gòu)設(shè)計(jì)可以提供更好的保障無線傳輸速度和穩(wěn)定性。
2.4GHz頻段下，采用2x2 MIMO的路由物理層速率能達(dá)到300Mbps（目前大多數(shù)無線路由就是這種架構(gòu)，如P1）；3x3 MIMO則是450Mbps（TP的WR885/886等）（當(dāng)然黑科技可以54，,如網(wǎng)件的R7000/R6900等，3x3架構(gòu)卻能達(dá)到600Mbps）；4x4 MIMO則是600Mbps，這種架構(gòu)的基本都是比較新的路由了（華碩RT-AC87U 這個(gè)價(jià)格嘛也相當(dāng)感人）。
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其中思科的Linksys EA8500（TP-Link使用最新802.11ad技術(shù)的AD7200 Talon，雖然可以提供高達(dá)7Gbps的無線速率，但2.4G只有600Mbps，故不在討論范圍），2.4GHz頻段可以達(dá)到800Mbps，而使用博通最新的BCM4366芯片組更是可以將其速率提升至1000Mbps。
4、無線信道：
無線信道就是常說的通道（Channel），類似于車道，不是獨(dú)占，而是所有同信道AP共用，相同信道上工作AP會(huì)降低吞吐量，尤其是一些高層住宅區(qū)，周圍電磁環(huán)境復(fù)雜，擁擠信道對無線傳輸速度的影響會(huì)十分明顯。
盡信書不如無書，不要信什么所謂教程，將信道固定在某幾個(gè)信道上和使用自動(dòng)選擇，因?yàn)檫@是動(dòng)態(tài)的，每個(gè)人周圍環(huán)境也完全不一樣。PC端可以使用wirelessmon、移動(dòng)端可以使用路小胖、WIFI分析儀、CLoudWalker等軟件掃描周圍無線分布，然后選擇一個(gè)同頻、鄰頻沒人使用或相對最少人使用的信道，減少干擾，這也是論壇很多路友晚高峰時(shí)使用無線，反饋不穩(wěn)定的問題所在之一。
被WIFI使用的信道主要集中在2.4GHz和5GHz兩個(gè)公共頻段，802.11ad之后又出現(xiàn)了60Ghz，出于安全等考慮，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(gè)信道；而5GHz頻段一共擁有201個(gè)信道，但我國目前開放的僅有5個(gè)信道（149,153,157,161,165），而5GHz DFS Channel（36,40,44,48,52,56,60,64）與歐盟軍用雷達(dá)頻率一致，因此是不能隨便用的，聯(lián)想等一些國際大廠考慮市場準(zhǔn)入因素，newifi系列就對其進(jìn)行了限制，而360 P2，小米等不考慮進(jìn)軍歐洲，所有就無所謂了。
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其中只有3個(gè)不重疊信道（1/6/11、2/7/12、3/8/13……）
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我國2.4GHz（2.412-2.472GHz）頻段可選擇的一共有1-13信道，美國則只有1-11，因此美標(biāo)的無線網(wǎng)卡到了中國，12/13信道是搜不到的。
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人見百態(tài) · 發(fā)表于 2016-11-22 09:01

哎呦，這個(gè)不錯(cuò) 感謝樓主的分享！

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