WiFi基础(三)：802.11ac/ax/be 与 WiFi4、WiFi5、WiFi6、WiFi7

liwen01 2024.09.08

前言

经过二十多年的发展，WiFi 在硬件能力、软件和算法、频谱资源、市场需求、电源与能效方面都有了很大的提升。所以我们能看到从最开始只有几 M 速率的 802.11b，发展到现在几十 G 速率的 WiFi6，WiFi7。

前面我们介绍了 802.11 b/g/n 的一些核心技术和基础概念，本章将介绍目前比较新的 WiFi5 和 WiFi6，以及在今年会发布的 WiFi7。

• WiFi4 (802.11n，2009)：首次引入 MIMO 和 40 MHz 频宽，基础的高效无线网络标准。
• WiFi5 (802.11ac，2013)：更高数据速率，专注于 5 GHz 频段，适合高清流媒体和在线游戏。
• WiFi6 (802.11ax,2019)：更高效率，适合密集设备环境，支持更低的延迟和更高的节能表现。
• WiFi7 (802.11be，2024)：预计今年(2024)会发布的新一代标准，提供超高数据速率，支持更高带宽需求。

我们先回顾一下上一章已介绍过的 WiFi4，后面介绍的 WiFi5、WiFi6、WiFi7 实际也是从 WiFi4 基础上迭代发展出来的，它们也都支持向下兼容。

本章涉及到比较多之前已介绍过的知识，这里只进行概括描述，详细介绍可以参考前面文章：

《wifi基础(一)：无线电波与WIFI信号干扰、衰减》
《WiFi基础(二)：最新WiFi信道、无线OSI模型与802.11b/g/n》

(一) 802.11n (WiFi4)

(1) OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)正交频分复用调制技术，将信号分成多个窄带子载波，每个子载波独立调制。子载波之间是相互正交的，避免了相互干扰。

优点：

1. 抗多径干扰能力强，特别适用于室内无线环境。
2. 频谱效率高，能够在有限频谱内传输更高的数据速率。

缺点：

1. 对频率偏移和相位噪声敏感。
2. 实现较为复杂，需要精确的同步。

(2) FEC

FEC (Forward Error Correction) 前向纠错技术，在数据传输过程中增加冗余信息，以便在接收端进行错误检测和修正，从而提高数据传输的可靠性。

优点：

1. 提高数据传输的可靠性，降低重传率。
2. 提高了在信道质量较差情况下的通信质量。

缺点：

1. 增加了数据包的长度和编码复杂度。
2. 导致带宽开销增加。

(3) MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) 技术通过在发送端和接收端使用多个天线来同时传输和接收多路数据流，从而显著提高数据传输速率和网络覆盖范围。

优点：

1. 大幅提高了数据传输速率 (通过空间复用)。
2. 增强了信号覆盖范围和信道容量。

缺点：

1. 实现成本较高，需要额外的硬件支持 (如多天线)。
2. 天线之间的相互干扰可能会降低性能。

(4) Short GI

Short GI (Short Guard Interval) 是指将 OFDM 符号之间的保护间隔 (Guard Interval) 从标准的 800ns 缩短为 400ns。保护间隔用于减少符号间干扰。

优点： 缩短保护间隔可以提高数据传输速率 (提高约 11%)。

缺点： 短保护间隔在多径效应严重的环境中可能会导致符号间干扰，反而降低性能。

(5) 40 MHz 频宽

802.11n 支持将两个 20 MHz 的频段合并为一个 40 MHz 的频段，从而提高数据传输带宽和速率。

优点： 通过增大频宽，数据传输速率可以翻倍。

缺点：

1. 在 2.4 GHz 频段上，40 MHz 频宽容易导致与其他设备 (如蓝牙设备、微波炉)发生干扰，特别是在频谱资源紧张的环境中。
2. 可能影响其他使用相邻频段的无线设备的正常工作。

通过这些技术，802.11n 在实际应用中达到了比之前标准更高的吞吐量和更稳定的连接，但也面临着复杂性增加和部分场景中干扰增加的问题。

(6) WiFi4 最大速率

数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 x MIMO = 最大理论速率

108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 600Mbps

(二) 802.11ac(WiFi5)

WiFi5 只支持 5GHz 频段，与 WiFi4 相比，有一个大的突破是使用了 MU-MIMO 技术。

(1) MU - MIMO 技术

(a) MIMO 基本原理

MIMO 通过使用多个天线在发送端和接收端同时发送和接收多路数据流，来增加数据传输速率和信号覆盖范围。

在传统的单用户 MIMO (SU-MIMO)中，一次只能为一个设备 (用户)提供多路数据流，所有的天线资源只服务于一个设备。

(b) MU-MIMO 的原理

MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) 是 MIMO 的多用户版本，它允许路由器 (AP) 使用多个天线同时向多个设备 (用户) 传输数据。这种方式显著提高了网络的并发能力和频谱利用效率。

(c) 如何工作

• 多个数据流：MU-MIMO 能够同时向多个设备发送不同的数据流，而不是像 SU-MIMO 那样一次只能向一个设备发送数据流。

• 分配天线资源：MU-MIMO 技术根据设备的需求和信道状态，动态地分配天线资源，使得多个设备可以同时利用无线带宽。

• 空间分集：利用空间分集技术，MU-MIMO 可以区分和识别空间中不同用户设备的信号，避免相互干扰。

(d) 优点

提高效率：MU-MIMO 能够同时为多个设备提供数据服务，避免了设备之间的竞争，减少了空闲时间和通信延迟，尤其在高密度设备环境下 (如家庭、办公场所、公共场所)表现尤为明显。

增加吞吐量：通过多设备同时传输，MU-MIMO 提高了总体的网络吞吐量，使得更多设备能够获得稳定的高数据速率。

改善用户体验：减少了由于设备增多而导致的网络拥堵问题，特别是在多设备同时进行高带宽需求操作 (如视频流、在线游戏)时效果显著。

(e) 限制和挑战

设备支持：MU-MIMO 需要路由器和客户端设备 (如手机、平板、笔记本电脑)同时支持该技术。如果客户端不支持 MU-MIMO，无法受益于该技术。

物理限制：MU-MIMO 的性能受限于设备的天线数量、天线间隔、以及环境的多径效应。一般家庭路由器可能只能同时支持2-4个设备的MU-MIMO。

复杂度：由于需要同时管理多个用户的数据流，MU-MIMO 技术的实现复杂度较高，尤其是在动态环境中，信道状态会随时变化，需要更复杂的算法来维持高效传输。

(f) 与 SU-MIMO 的比较

SU-MIMO：一次只能为一个用户提供多路数据流，适合单个设备高速传输。

MU-MIMO：能够同时为多个用户提供多路数据流，更加高效地利用无线资源，适合多设备并发环境。

WiFi5 Wave2 因为使用了 MU-MIMO, 实现了 WiFi 从 1 对 1 的传输，跨越到 1 对多的传输，但是这里需要注意，在WiFi5 Wave2 中，只支持下行方向的 MU-MIMO 。

(2) 802.11Wave1 速率计算

Wave1 与 WiFi 相比，使用了 256-QAM 编码，也就是每个符号可以传输 8bit 数。信道绑定由原来的 40MHz，现在提升到了 80MHz，数据子载波数提升到了 234 个。

数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 x MIMO = 最大理论速率

234 * 8bit * 5/6 * 277.778 ksps *3 = 1300Mbps

(3) 802.11Wave2 速率计算

Wave 2 可以最大支持 160MHz 的带宽，数据子载波的数量有 468 个，空间流由 wave1 的 3 个提升到了 4 个。

数据子载波数 x 每个符号传输比特数 x 载波编码率 x 符号速率 x MIMO = 最大理论速率

468 * 8bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 3466.67Mbps

在最新的一些资料上看，WiFi5 wave1 可以支持到 3.47Gbps， wave2 可以支持到最大速率 6.9Gbps。主要是支持的空间流数的增加和信道带宽的增加。

最大速率是需要 AP 和 STA 都要支持对应的标准协议，并且有对应的硬件支持(比如天线个数)，如果 AP 有多天线且运行 802.11ac 协议，但 STA 只支持 802.11n，并且只有单天线，那最大也就只能支持一个空间流，实际最大速率与理论最大速率之间会有很大的差异。

(4)  802.11 Wave2 跨信道绑定

我们看到 802.11ac Wave2 中，提供的信道有一个 80+80 的信道，它表示可以将不相邻的两个 80MHz 信道进行聚合绑定，使信道频宽变得更宽更灵活。该技术也应用到了后面更新的 WiFi6 和 WiFi7 标准中。

(三) 802.11ax (WiFi6)

WiFi6 是现在正在逐渐推广的一个标准，它同时支持 2.4GHz 和 5GHz 频段。与 WiFi4 和 WiFi5 相比，WiFi6 的关键技术有：1024QAM、OFDMA多址，上下行MU-MIMO，空间复用、TWT 技术。

(1) OFDMA多址技术

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access 正交频分多址) 用于将无线信道划分为多个子信道 (也称为子载波)，每个子信道可以被不同的用户同时使用。

这种技术在4G LTE 网络中已经广泛应用，现在也被引入到了 WiFi 中，以提高网络效率。

(a) OFDMA的工作原理:

信道划分： 在OFDMA中，整个 WiFi 信道被划分为多个较窄的子信道 (子载波)，每个子载波可以携带一部分数据。

用户分配： 不同的用户可以同时使用这些子载波进行通信。例如，一个用户可以使用某些子载波，而另一个用户可以使用其他子载波，这样可以在同一时刻支持多个用户进行数据传输。

提高效率： 通过允许多个用户共享同一信道，OFDMA 减少了信道的闲置时间，并提高了频谱利用率。这对于高密度环境 (如体育场、会议室等) 尤为重要，因为它能显著减少用户之间的干扰和竞争。

(b) OFDMA的优势

低延迟： OFDMA 减少了用户之间的竞争，因此可以降低网络延迟，特别是在高流量环境下。

高效频谱利用： 通过灵活地分配子载波，OFDMA 能够更高效地利用频谱资源，避免信道资源的浪费。

更好的服务质量 (QoS)： OFDMA 允许网络根据需求分配资源，从而可以为不同的应用提供更好的服务质量，如流媒体、视频会议等。

支持更多用户： OFDMA 使得 802.11ax 能够支持更多的并发用户，而不会显著降低每个用户的带宽。

(2) 空间复用

空间复用 (Spatial Reuse) 是利用空间分隔来增加同一频谱资源使用效率的技术。具体而言，它允许多个设备在同一时间内通过同一信道进行通信，只要这些设备之间的物理距离足够远，不会相互干扰。

(a) 空间复用的工作原理

(I) BSS Coloring：

BSS (基本服务集)：在 WiFi 网络中，每个接入点 (AP)及其关联的设备形成一个BSS。传统 WiFi 网络中，如果相邻的 BSS 使用相同的信道，它们之间的信号会相互干扰，导致设备不得不等待信道空闲。

BSS Coloring：WiFi6 通过引入BSS Coloring (BSS上色)技术来区分相邻的 BSS。每个 BSS 可以被赋予一个“颜色”，以帮助设备识别信号是否来自同一 BSS 。如果信号来自不同的 BSS 且干扰较小，设备仍然可以传输数据，从而实现空间复用。

(II) 目标信噪比 (SNR)调整：

传统的 WiFi 网络中，设备会通过检测信道上的能量水平来决定是否可以发送数据。如果检测到某个信号能量超过一定阈值，就认为信道被占用。

在 WiFi6 中，通过调节信噪比阈值，允许设备在感知到相对较弱的干扰信号时继续传输数据。这种调整使得空间复用变得更加有效。

(III) 灵活的频谱使用：

WiFi6 允许更灵活的频谱使用，能够根据当前的网络环境动态调整。这意味着在同一信道上，多个 AP 可以更高效地分配资源，减少因相互干扰而导致的频谱浪费。

(b) 空间复用的优势

提高网络容量：空间复用通过允许更多的设备同时在同一信道上进行通信，极大地提高了网络的总体容量。

减少等待时间：由于设备可以更频繁地访问信道，因此可以减少数据传输的等待时间，提升整体网络效率。

优化高密度环境：在用户设备密集的场景 (如大型会议、体育场等)，空间复用能够显著减少干扰，提高每个用户的体验。

(3) TWT 目标唤醒时间技术

TWT (Target Wake Time) 允许设备与接入点 (AP) 之间协商唤醒时间，从而减少设备的电池消耗。TWT 是 WiFi 6 引入的一项重要创新技术，它在节能和网络效率方面具有显著的优势。

工作原理：

时间协商：设备和 AP 协商一个 TWT 协议，确定设备何时可以进入休眠模式，以及何时需要唤醒以发送或接收数据。这个协商可以根据设备的使用模式、数据传输需求和电源管理策略进行定制。

节能：通过 TWT，设备可以在不需要频繁通讯的情况下长时间保持休眠状态，仅在预定的时间唤醒以处理数据。这大大减少了设备的功耗，特别是对于电池供电的设备如手机、物联网设备和传感器等。

减少干扰：TWT 还可以减少不同设备之间的信号干扰。因为设备在不同的时间段内唤醒和传输数据，多个设备不会在同一时间段争抢无线信道，从而提高了整体网络的效率。

TWT 的类型

TWT 可以分为以下两种类型：

单个TWT：在这种模式下，设备和 AP 协商一个单独的唤醒时间表。例如，设备可能每隔一段时间唤醒一次，以发送或接收数据。

广播TWT：在广播 TWT 模式下，AP 可以向多个设备发送一个统一的 TWT 调度表。这样多个设备可以在相同的时间段内唤醒，进行同步的数据传输。

TWT 的应用场景

物联网设备： 许多物联网设备需要长时间待机且偶尔传输少量数据，TWT 技术可以显著延长这些设备的电池寿命。

移动设备： 智能手机、平板等移动设备可以通过 TWT 在 WiFi连接期间节省电量，尤其是在后台数据传输较少的情况下。

(4) WiFi6 的优势

WiFi6 与 WiFi5 相比，在大带宽、高并发、低延时、低功耗方面都有大幅度的提升。

大带宽：WiFi6 可以支持到 160MHz 频宽的信道绑定，使用 1024-QAM 的编码，最大支持 8 路空间流，使 WiFi6 的理论最大速率达到了 9.6Gbps

高并发：支持上下行 MU-MIMO 与上下行 OFDMA 两种多用户传输技术，减少多用户并行传输时的信道开销，提升多用户场景下的空间信道利用率，另外 WiFi6 每个 AP 支持 1024 个终端接入。

低延时：通过 OFDMA 和 MU-MIMO 技术减少了设备之间的竞争时间，从而加快了数据传输速度。

低功耗：通过 TWT 和 Beamforming(波束成形) 技术，减少设备唤醒次数和优化信号传输来降低 STA 设备端的功耗。

WiFi6 与移动通讯中的 5G 非常类似，正逐渐地被推广使用。

(四) 802.11be (WiFi7)

(1) WiFi7 的关键技术

(a) 更宽的信道带宽

320MHz带宽：WiFi7 支持 320 MHz的超宽信道带宽，相较于 WiFi6 的最大 160 MHz，带宽翻倍。这种带宽的扩展使得数据传输速率大大提高。

信道聚合：WiFi7 支持将多个非连续频段聚合为一个逻辑信道，从而进一步提高带宽利用率。

(b) 更高阶的调制技术

4096-QAM (4K-QAM)：WiFi7 引入了更高阶的调制方式 4096-QAM，相比 WiFi6 的 1024-QAM，数据密度增加了 50%。这意味着在相同信道条件下，WiFi7 能够传输更多数据，从而提升整体吞吐量。

(c) 多链路操作 (Multi-Link Operation, MLO)

多链路聚合：WiFi7 允许设备同时在多个频段 (例如2.4 GHz、5 GHz和6 GHz)上传输数据，最大化带宽利用率，并提高传输的稳定性和速度。

链路负载平衡：MLO技术还能根据网络负载和干扰情况，动态选择最优链路进行数据传输，减少延迟和信道拥堵。

(d) 增强的 OFDMA 和 MU-MIMO

增强的 OFDMA (正交频分多址)：WiFi7进一步优化了 OFDMA 技术，支持更多的子载波和更细粒度的频谱分配，从而提高多用户环境下的网络效率。

MU-MIMO (多用户多输入多输出)：WiFi7 支持 32 个空间流 (相比 WiFi6 的 8 个)，这意味着能够同时为更多设备提供高速连接，特别是在密集环境下。

(e) 极低延迟和时间敏感网络 (Time-Sensitive Networking, TSN)

低延迟传输：WiFi7 通过改进的调度算法和更灵活的频谱管理，实现了极低的传输延迟，非常适合需要高实时性的数据传输场景，如 AR/VR 和工业自动化。

TSN 支持：WiFi7 引入了时间敏感网络支持，能够在无线网络中提供类似于有线网络的时间敏感数据传输，确保关键任务数据的稳定传输。

(f) 改进的BSS Coloring技术

增强的BSS Coloring：WiFi7 进一步改进了 BSS Coloring 技术，使其在高密度网络环境下更有效地减少干扰，并提高信道复用效率。

(2) WiFi7 的理论最大速率

通过上述技术的综合应用，WiFi7 的理论最大速率可以达到 46 Gbps，这是WiFi6最大速率的近5倍。这种速度提升主要得益于更宽的信道带宽 (320 MHz)、更高阶的调制 (4096-QAM) 和多链路操作 (MLO)等技术的结合。

(五) WiFi 依然面临的问题

虽然 WiFi 技术在不断地发展，但是需要面对的问题也会越来越多。多用户并发、视频媒体重度发展、新老标准协议并存、各式物联网设备对 WiFi 实时性、功耗的不同要求，等等。

(1) 信号干扰与拥堵：

随着无线设备的普及，WiFi 信号的干扰会更加明显，办公区、商场、会展中心等环境经常会遇到各种问题，比如：能搜到 WiFi 热点，但却连接不上，就算连接上了，网速也很慢。

WiFi 热点众多，楼上楼下周围邻居间相互干扰，新老设备运行不同协议标准，多用户同时并发，导致信号干扰和拥堵明显。

(2) 带宽限制与速率瓶颈：

视频媒体重度发展，对高带宽、低延迟有极大的需求。尽管新的 WiFi 标准 (如 WiFi6 和 WiFi7) 提供了更高的理论最大速率，但在现实环境中，带宽的限制和设备间的竞争仍然可能导致网络速度无法达到预期。

(3) 覆盖范围与信号衰减：

WiFi 信号的覆盖范围有限，尤其在有墙壁或其他障碍物的情况下，信号衰减显著，导致信号质量下降，需要通过增加路由器或使用中继器来扩展覆盖范围。

对于户外高温、雨淋等环境，对设备可靠性和稳定性要求又很高。

(4) 安全性问题：

虽然 WiFi 安全性不断提升 (例如 WPA3 标准) ，但仍然存在潜在的安全漏洞，如中间人攻击、密码破解等。此外，许多用户在安全配置上意识不足，也可能导致网络被未经授权的设备访问。

(5) 功耗与设备兼容性：

随着物联网设备的普及，WiFi 网络连接的设备类型和数量大幅增加。这些设备对功耗和兼容性的要求各不相同，可能导致网络效率降低或设备无法有效连接。

(6) 技术更新与过渡：

随着 WiFi 技术的快速发展，新旧标准的过渡带来了一定的兼容性问题。用户可能需要更新硬件设备才能完全利用新标准的优势，比如增加天线个数。

对于对成本敏感的物联网设备，它们奉行的原则大多都是够用就好，所以这个技术过渡期会比较漫长。

结尾

关于 802.11 WiFi 相关标准的简单介绍到这里就结束了，下一章我们将介绍 WiFi 的工作原理，以及 WiFi 的接入过程分析。

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