一篇文章搞懂无线林林总总

先回顾一下网络传输概念,其实就是IEEE 802国际规定定义出来的,其中802.3定义了有线以太网传输,提出1Mbit/s到10Gbit/s对应的传输标准:

也就是说,要上到万兆,需要用到4对六类或以上的线缆,每对2.5Gbit/s。一直认为在双绞线上不可能实现这么高的传输速率,原因就是运行在这么高工作频率(至少为500MHz)基础上的损耗太大。但标准制定者依靠4项技术构件使10GBase-T变为现实:损耗消除、模拟到数字转换、线缆增强和编码改进。
而802.11则定义无线传输,下面详细说下无线传输(特指WLAN)。

世界各个地区WIFI 2.4G及5G信道划分表(附无线通信频率分配表)

目前主流的无线WIFI网络设备802.11a/b/g/n/ac:

传统 802.11

1997年发布
两个原始数据率:1Mbps 和 2Mbps
跳频展频 (FHSS)或直接序列展布频谱(DSSS)
三个不重叠的信道中,工业、科学、医学 (ISM) 频段频率为2.4GHz
最初定义的载波侦听多点接入/避免冲撞 (CSMA-CA)

802.11a

1999年发布
提供多种调制类型的数据传输率:6、9、12、18、24、36、48 和54Mbps
带52个子载波频道的正交频分复用 (OFDM) 技术
使用不需要许可证的国家信息基础设施 (UNII) 频道内的 12 个 5GHz 互不重叠频带

802.11b

1999年发布
各种调制类型的数据传输率:1、2、5.5和11Mbps
高率直接序列展频 (HR-DSSS)
三个不重叠的信道中工业、科学、医学 (ISM) 频段频率为2.4GHz

802.11g

2003年发布
各种调制类型的数据传输率:6 、 9 、 12 、 18 、 24 、 36 、 48 和 54Mbps;可以降级到 1 、 2 、 5.5 和 11Mbps ,使用 DSSS 和 CCK
带52个子载波频道的正交频分复用(OFDM);使用 DSSS 和 CCK 向下兼容 802.11b
三个不重叠的信道中,工业、科学、医学 (ISM) 频段频率为2.4GHz

802.11n

2009年发布
各种调制类型的数据传输率:1、2 、5.5、6、9 、11、12、18 、24、36、48、54Mbps(请查看下面的表1)
正交频分复用 (OFDM) 技术使用多输入 / 多输出 (MIMO) 和频道绑定 (CB)
三个不重叠的信道中工业、科学、医学 (ISM) 频段频率为 2.4GHz
无论有无 CB,均为不需要许可证的国家信息基础设施 (UNII) 频道内的 12个5GHz互不重叠频带
表1

802.11ac

2014年1月发布
各种调制类型的数据率;200mbps、400mbps、433mbps、600mbps、867mbps、1.3Gbps(请查看下面的表2)
802.11n无线标准在2009年9月11日获得IEEE标准委员会正式批准后,电子电气工程师协会(IEEE)就已经全面转入了下一代802.11ac的制定工作,目标是在2012年带来千兆级别的无线局域网传输速度。而博通(Broadcom)是全球第一使用802.11ac技术的芯片厂商
表2

不管是802.11b/g还是802.11a/b/g/n/ac一般都支持13个信道。它们的中心频率虽然不同,但是因为都占据一定的频率范围,所以会有一些相互重叠的情况。了解这13个信道所处的频段,有助于我们理解人们经常说的三个不互相重叠的信道含义。
信道也称作通道(Channel)、频段,是以无线信号(电磁波)作为传输载体的数据信号传送通道。无线网络(路由器、AP热点、电脑无线网卡)可在多个信道上运行。在无线信号覆盖范围内的各种无线网络设备应该尽量使用不同的信道,以避免信号之间的干扰。
下表是常用的 2.4GHz频带的信道划分。实际一共有14个信道(下面的图中画出了第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。

当然,实际的电磁波谱使用规定因国家不同而有所差异,以上只是举个例子。而且,20MHz的信道宽度也只是“有效带宽”,因为实际上一个信道在其中心频率两侧有很宽的延展,但是超过10MHz以外的部分强度很弱,基本无用。这个就属于比较专业的通信原理问题了。
从下图很容易看到其中 1、6、11 这三个信道之间是完全没有交叠的,也就是人们常说的三个不互相重叠的信道。每个信道 20MHz 带宽。图中也很容易看清楚其他各信道之间频谱重叠的情况。

另外,如果设备支持,除 1、6、11 三个一组互不干扰的信道外,还有 2、7、12;3、8、13;4、9、14 三组互不干扰的信道。

802.11ax

2019年发布
802.11ax技术构成:

802.11ax标准在物理层导入了多项大幅变更。然而,它依旧可向下兼容于802.11a/b/g/n与ac设备。正因如此,802.11ax STA能与旧有STA进行数据传送和接收,旧有客户端也能解调和译码802.11ax封包表头(虽然不是整个802.11ax封包),并于802.11ax STA传输期间进行轮询。下图显示此标准修正最重要的变更以及与现行802.11n和802.11ac的对照。
802.11n、802.11ac和802.11ax的关键PHY比较
以下是在802.11ax当中使用到的关键技术
·OFDMA
·MU-MIMO
·1024-QAM
·Spatial Reuse
·BBS Coloring
OFDMA(正交频分复用多址接入)
OFDMA是通过将子载波子集分配给不同用户在OFDM系统中添加多址的方法。迄今为止,它已被许多无线技术采用,例如3GPP LTE。802.11ax是第一个将OFDMA引入WLAN网络的WLAN标准。此外,802.11ax标准也仿效LTE专有名词,将最小的子信道称为“资源单位(RU)”,每个RU当中至少包含26个子载波。
OFDMA允许同时提供具有不同带宽需求的多个用户,从而有效利用可用频谱。子载波被分成若干组,每组表示为具有最小尺寸为26个子载波(2MHz宽)和最大尺寸为996个子载波(77.8MHz宽)的资源单元(RU)。在用于传统WLAN技术的OFDM中,总信道带宽(例如,20MHz,40MHz等……)用于任何一帧传输。但是在用于802.11ax的OFDMA中,使用的子载波可以分配为小到2 MHz的块或最大带宽的传输。因此,可以针对不同类型的流量(例如即时消息(IM)与视频流)来扩展资源。OFDM和OFDMA之间的区别如下图所示。
OFDM与OFDMA对比
有如下几种子载波类型:
·数据子载波,用于数据传输;
·导频子载波,用于相位信息和参数跟踪;
·未使用的子载波,不用于数据/导频传输,未使用的子载波是DC子载波;
·保护频带子载波,在频带边缘;
·空子载波。
形成RU的子载波是连续的,除了在带的中间,其中空值被放置在DC处。
OFDMA结构由26子载波RU,52子载波RU,106子载波RU,242子载波RU,484子载波RU和996子载波RU组成。下图中显示了最大RU数,RU位置取决于信道带宽。
不同频宽的RU总数
下图显示了用于80MHz信道带宽的26,52,106,242,484和996个子载波RU位置。用户只能分配给一个RU,RU大小≥106可以分配给多个用户。
RU在80MHz中的位置示意图
MU-MIMO(多用户多入多出)
802.11ac标准引入了4x4下行链路MU-MIMO,其中AP同时向多达四个STA发送独立数据流。802.11ax将下行链路MU-MIMO支持的最大用户数扩展到8个。它还增加了对8x8上行链路MU-MIMO的支持,允许多达8个STA通过相同的频率资源同时传输到单个AP。结果是,与802.11ac相比,下行链路容量增加了2倍,上行链路容量增加了8倍。
802.11ax MU-MIMO的特性
1024-QAM
QAM编码是用星座图(点阵图)来做数据的调制解调,实际应用中是2的N次方的关系。比如说16-QAM,16是2的4次方,一次就可以传输4个bit的数据;802.11n是64-QAM,是2的6次方,因此在64个点阵的一个星座集合里面,用任意一个点可以携带六个bit的数据信息。
到了802.11ac,就变成了256-QAM,是2的8次方,802.11ac相对于802.11n在编码上面的速率提升了33%。802.11ax之后引入了更高阶的编码,就是2的10次方,1024-QAM。
我们都知道从8到10的提升是25%,也就是相对于802.11ac来说,802.11ax的性能又提高了25%,变成了1024-QAM,一个符号可以携带10个bit的数据。
256-QAM与1024-QAM的对比
Spatial Reuse(空间复用)
为了在密集部署方案中提高系统级性能和频谱资源的有效使用,802.11ax标准实现了空间重用技术。STA可以识别来自重叠基本服务集(BSS)的信号,并基于该信息做出关于介质争用和干扰管理的决定。
当主动侦听介质的STA检测到802.11ax帧时,它会检查MAC头中的BSS颜色位或MAC地址。但是,利用现有的介质访问规则,来自一个BSS的设备将推迟到另一个同频道BSS,而不会增加网络容量。
BSS着色是802.11ah中引入的一种机制,用于为每个BSS分配不同的“颜色”,将其扩展到11ax,根据检测到的颜色分配新的频道访问行为。
BSS着色机制
当802.11ax STA使用基于颜色代码的CCA规则时,它们也可以与发射功率控制一起调整OBSS信号检测阈值。此调整可提高系统级性能和频谱资源的使用。此外,802.11ax STA可以调整CCA参数,例如能量检测级别和信号检测级别。
动态调整BSS内部的CCA门限
除了使用CCA来确定当前帧的介质是空闲还是繁忙之外,802.11标准还使用网络分配向量(NAV),一种维持未来流量预测的定时器机制,以便STA指示所需紧接在当前帧之后的帧的时间。NAV充当虚拟载波侦听,确保对802.11协议操作关键帧的介质预留,例如控制帧,以及RTS/CTS交换后的数据和ACK。
·Intra-BSS NAV,如果所侦测的协议数据单元(PPDU)中的BSS色彩与所关联AP已公布的色彩相同,STA就会将该帧视为Intra-BSS帧;
·Inter-BSS NAV,如果所侦测帧的BSS色彩不同,STA就会将该帧视为来自重叠BSS的Inter-BSS帧。在这之后,只有在需要STA验证帧是否是Inter-BSS帧期间,STA才将介质当成忙碌中(BUSY)。
该标准仍然必须定义一些忽略来自重叠BSS的业务机制,但是该实现可以包括提高BSS间帧的空闲信道评估信号检测(SD)阈值,同时保持BSS内业务的较低阈值。这样,来自相邻BSS的流量不会产生不必要的信道接入争用。

关于802.11ax较为普遍的认识误区

误区一:包治百病

真相:802.11ax不能解决错误规划设计造成的弊病
对于无线网络,规划设计是重中之重!坚持正确的规划设计,好的产品和系统特性才能发挥到极致,在规划设计和产品选型上的妥协将敞开走向失败的大门!
在实际设计和部署中,简单的提升速度不是万能药,只靠802.11技术标准本身的升级换代是无法解决我们在规划设计和部署阶段就犯的各种错误。
这是因为在当今的无线局域网实际部署环境中主要以高容量接入为目标,无线接入点之间的距离远远比从前以覆盖为目的的方式近,频谱资源的有限会造成信道复用的效率低下。而进行合理的规划设计的首要任务就是要减少介质的竞争和减少射频干扰,即高效信道复用以最小化无线接入点之间的空口共享,然后才是在单一信道的覆盖蜂窝内增加空口利用效率,即让客户端和无线接入点之间建立较高的数据连接速率,也是802.11标准持续提升之处。在前提无法实现的情况下,单纯改善后者没有任何意义!
专家Tips:如果您可以尽早将您的客户端升级到支持802.11ax,那么基于802.11.ax的无线网络基础架构可能、也许会为您的网络增加容量。我之所以说“可能”、“也许”,是因为作为一个有12年无线网络经验的工程师,我看到80%以上的Wi-Fi网络设计和部署都或多或少的存在设计规划和部署问题,以至于没有什么“神奇”的技术或者产品能够帮助他们改正这些问题。这并不是夸张,很多都是用户血的教训和切肤之痛。

误区二:解决2.4GHz频谱面临的问题

真相:802.11ax不能治愈2.4GHz频谱面临的问题
2.4GHz频谱已“死”!虽然802.11ac和802.11ax无线接入点仍然支持2.4GHz频谱,但是这并不意味着这些协议在2.4GHz频谱上还能有更多作为。除去众多的Wi-Fi和非Wi-Fi设备以及干扰源,2.4GHz频谱的核心问题是只有3个非重叠信道可供使用。由于传统客户端数量之庞大,802.11ax在2.4GHz上完全不会帮助到你。
当然,从另外一个角度思考,如果企业大量客户端均采用5GHz频谱连接,那么2.4GHz频谱的窘境必然会有所缓解,但是这和802.11ax协议本身并无关联,使用802.11ac一样可以达到同样的效果。

误区三:帮助提升传统客户端性能、覆盖问题

真相:802.11ax很难有效提高传统客户端的性能
虽然不必担心802.11ax无线接入点和传统协议客户端的互操作性,但是802.11ax无线接入点很难以经济高效的方式帮助提升传统(11a/b/g/n/ac)客户端的性能或覆盖范围。
很多人会说,802.11ax无线接入点既然具备了更多的天线和MIMO处理能力(8×8:8),那是不是意味着无线接入点接收无线客户端的信号会更加敏感?恢复客户端信号的能力会更棒?确实是这样,但是芯片/网络厂商不会这么实现,为什么呢?因为过犹不及,任何超过4×4:4的商用无线接入点都是浪费,难于实现且成本高昂,而最终通过提高灵敏度从而实现额外的上行增益的努力对于灵敏度和可靠性方面的改善微乎其微。这也是为什么第二代802.11ac没有商用化8×8:8(802.11ac标准中也有规定)无线接入点产品的原因。
当然不排除芯片/网络厂商可能会推出相关产品。当然,代价也一定是高昂的,且这部分成本必然会被分摊到用户头上。

误区四:只谈效果,不谈实现的前提条件

真相:802.11ax需要无线网络基础设施和无线客户端协同才能实现既定目标
简单来讲,802.11ax无线客户端相对于802.11ax无线接入点的意义与802.11ac无线客户端相对于802.11ac无线接入点来讲是一样的。没有既定客户端的支持,无线网络基础设施很难有用武之地。
举个例子
如果用802.11n客户端连接802.11ac无线接入点,或者用第一代802.11ac无线客户端连接第二代802.11ac无线接入点,无线接入点必须降级来兼容这些无线客户端,用户实际得到的性能提升基本可以忽略不计。
在现实世界的部署中,由于无线客户端的生命周期问题,实际上很难保证无线接入点在理想纯粹的模式下工作。即使在无线网络终端爆炸性增长的今天,尽管第二代802.11ac标准的客户端还在不断涌现,我们目前也只做到了第一代802.11ac无线客户端的大量普及。
下面是802.11ax的两大类众多技术亮点,也是其提升无线网络效能的关键——
物理层增强与高效,主要包括:
上行和下行方向正交频分多址(OFDMA)
上行和下行方向多用户-多输入多输出(MU-MIMO)(下行MU-MIMO需要第二代802.11ac客户端配合;上行MU-MIMO需要802.11ax无线客户端配合)
上行链路资源调度
最多8个发送天线和8个接收天线,8个空间流
更高的调制方式,1024QAM
MAC层增强与高效,主要包括:
基本服务集着色(BSS Coloring)
双NAV机制
目标唤醒时间(Target Wakeup Time-TWT)
可以看到,缺少了客户端的配合,802.11ac无线客户端连接到802.11ax无线接入点所达到的效果和连接802.11ac无线接入点大致无异,即使在802.11ax和802.11ac无线客户端混合环境中,最终系统能效也由802.11ax无线客户端数量的多少来决定。

误区五:802.11ax就是交换的无线网络

真相:802.11ax并没有实现Wi-Fi交换能力
Wi-Fi(802.11)仍然依赖共享介质,或者说半双工空气介质来传输电磁波。占用介质的方式仍然是载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)。我们以往经常用以太网集线器来做类比。
对于802.11ac引入的MU-MIMO机制(802.11ac为下行[DL],802.11ax还引入了上行[UL])并不是实现了基于共享空气介质的“交换”能力。只是当无线端点赢得占用介质的机会时,它能够同时在下行链路向多个客户端发送,或者使多个客户端同时利用上行链路发送。这种访问机制比一个接一个的发送更有效率。然而802.11ax上行链路的MU-MIMO要求客户端必须是802.11ax客户端,传统客户端不能参与。

误区六:802.11ax可以一次性实现所有创新

真相:802.11ax不会一次实现所有创新
就像802.11ac协议分为两个波次推出市场一样,802.11ax也将以同样的形式进入市场。第一代802.11ax芯片组将不具备下列特性:
MCS 10和11(1024QAM)调制方式
8空间流
BSS着色机制
上行多用户-多输入多输出

总体来讲,802.11ax从两个大方面实现了自己的既定目标,其中MU-MIMO和OFDMA是802.11ax成功的关键。
1.物理层的增强与高效,主要包括:
•上行和下行方向正交频分多址(OFDMA)OFDMA机制可以同时为多个使用者提供较小(但专属)的子信道,进而改善每位用户的平均传输率。
•上行和下行方向多用户-多输入多输出(MU-MIMO)上行链路最多可同时为8个用户提供服务,容量是802.11ac的8倍;下行链路最多可同时为8个用户提供服务,容量是802.11ac的2倍。
•上行链路资源调度在802.11ax中,MU-MIMO和OFDMA技术可以分别使用;OFDMA增加了空口效率;而MU-MIMO提升的是系统容量。
•最多8个发送天线、8个接收天线和8个空间流
•更高的调制方式,1024-QAM每符号可携带10bit,与256-QAM相比,容量提升了25%。
2.MAC层的增强与高效,主要包括:
•基本服务集着色(BSS Coloring)BSS着色机制使设备能够区分自己网络中的传输与邻近网络中的传输,在尽可能的情况下最大限度去减少同频干扰。
•双NAV机制同时拥有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV可以帮助STA预测自身BSS内的流量,并且当它们在得知重叠流量状态时可以进行自由传输
•目标唤醒时间(Target Wake up Time-TWT)减少用户之间的争用和重叠,显著增加STA的休眠时间以降低功耗。
以上就是关于802.11ax技术构成、特点、误区的介绍,相比于之前的协议,802.11ax的目标是实现在高密度部署的环境下,每个用户平均速率的提升(能够达到802.11ac的4倍),网络延时的降低,公平性得到更好的保证。因此也称之为高效无线协议(High Efficiency Wireless)。

解读天线数量与信号强弱的关系

天线越多路由就越好?
“天线越多覆盖越广,天线越多信号越强,总之天线越多路由就越好”——觉得很“常识”的朋友可以继续往下看正文了。为你解读天线数量与信号强弱的关系!
首先,大家也应该注意到了,老一代无线路由器的天线肯定不会超过一根,这里的“老一代”指的是802.11n协议以前的802.11a/b/g路由,老的54M产品就只有一根天线。这样的话,802.11n显然成了一条分水岭,也是从那时开始天线不再只有孤零零的一根(1t1r的150M是个例外),那到底是怎么一回事?这里我们就要提到一项11n协议之后才得到具体应用的多天线技术,也是无线通信领域一项非常重要的技术——MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)

先来看个例子,有人说,为什么我买了一个最新款的3天线支持802.11ac协议的无线路由器,结果信号强度、覆盖范围甚至连速度都没上去呢?天线不够?告诉你,300根也没用,检查一下你用的接受终端支不支持AC协议吧。比如你用的iPhone 3,这手机可只支持11a/b/g连11n都谈不上,那么即便是你给这它拆了加几根天线也没用。怎么解决?加装AC网卡或者换终端,总之加天线是没有用的。
为什么这样说?首先,Wi-Fi应用的环境是室内,我们常用的802.11系列协议也是针对这种条件来建立的。由于发射端到接收端之间存在各种各样的障碍物,收发时几乎不存在直射信号的可能。那怎么办?这个办法叫做多径传输,也叫多径效应。多径,从字面上也很好理解,就是把增加传输途径。

那么问题来了,既然是多径,传输的路程就有长有短,有的可能是从桌子反射过来的,有的可能是穿墙的,这些携带相同信息但是拥有不同相位的信号辗转最终一起汇集到接收端上。现代通信用的是存储转发的分组交换,也叫包交换,传输的是码(Symbol)。由于障碍产生不同的传输时延,就造成了码间干扰ISI(InterSymbolInterference)。为了避免ISI,通信的带宽就必须小于可容忍时延的倒数。

对于802.11a/b/g 20MHz的带宽,最大时延为50ns,多径条件下无ISI的传输半径为15m。在IEEE802.11协议中我们可以看到,这个值最大范围是35m,这是协议中还有误码重传等各种手段保证通信,并不是说有一点ISI就完全不能工作。这样的话你会发现,对于802.11a/b/g协议,即使加装再多的天线也没有任何意义。假设这些天线可以同时工作,反而会使多径效应更加恶劣。
总之,无线路由器的发射范围是这个IEEE802.11协议决定的,而非单纯的看天线。

小结

说了这么多,单天线路由、双天线路由、三线四线甚至更多究竟有没有区别?有,但对于实际使用过程中的影响并不大,这包括信号覆盖、信号强度,天线多速度快就更是无稽之谈了。抛开已经很少见的单天线,剩下的“多天线”都只是实现MIMO技术的“介质”或者说是“工具”,区别在于使用的架构不同而已:常见的双天线产品主要用1T2R或2T2R,三天线产品则用到的是2T3R或3T3R。
理论上,增加天线数量会减少信号覆盖盲点,但我们通过大量的评测证实,这种差异在普通家庭环境中完全可以忽略不计。而且,就像内置天线不输外置一样,三天线覆盖不如双天线的情况也绝非个例,说到底产品质量也是一个重要因素。至于信号强度和“穿墙”则取决于发射功率,这个东西工信部作过规定,不得高于20dBm(即100mW),“天线越多信号越强”也就不攻自破了。最后的结论就是,只要路由采用了有效的MIMO技术,无须在意天线数量。
接下来一页我们会进一步深入了解MIMO技术的神奇。
MIMO技术
搜各种百科资料IEEE802.11词条,我们可以读到,从802.11n开始,数据传输速率或者说承载的数据量有了很大的提升。首先,802.11n有了40MHz模式,然而按照之前的理论,它的发射范围应该因此降低一半才对,但事实上数据反而提升了一倍(70m),这又是怎么一回事?

这就要得益于MIMO技术了,刚才我们讨论的种种手段都是为了对抗恶劣的多径环境,但是多径有没有好的一面呢?事实上,MIMO也是基于多径的,我们称之为空间多样性。多天线的应用有很多种技术手段,这里简单介绍两种:波束成型(Beamforming)和时空分组码(主要介绍Alamouti’scode)。这两种技术的优点是不需要多个接收天线。尤其是Alamouti码,连信道信息都不用,只用数学运算就可以利用两根天线实现3dB的增益,很赞对吧。
而不需要多个接收天线的优点在于并不是所有设备都能装上多天线。为了避免旁瓣辐射(天线方向图上,最大辐射波束叫做主瓣,主瓣旁边的小波束叫做旁瓣),满足空间上的采样定理,一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距。无论是GSM信号1.8GHz,1.9GHz还是Wi-Fi信号的2.4GHz,我们暂取2GHz便于计算,半波长为7.5cm。所以,我们看到的路由器上天线的距离大多如此,也正是因此,我们很难在手机上安装多个天线。
波束成型(Beamforming):借由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中在想要传输的方向,增加信号传输品质,并减少与其他用户间的干扰。我们可以简单笼统地这样理解天线的指向性:假设全指向性天线功率为1,范围只有180度的指向性天线功率可以达到2。于是我们可以用4根90度的天线在理论上提高4倍的功率。波束成型的另外一种模式是通过信道估算接收端的方位,然后有指向性的针对该点发射,提高发射功率(类似于聚光的手电筒,范围越小,光越亮)。智能天线技术的前身就是波束成型。

空时分组码(Space-Time Block Code,即STBC):在多天线上的不同时刻发送不同信息来提高数据可靠性。Alamouti码是空时分组码里最简单的一种。为了传输d1d2两个码,在两根天线1,2上分别发送d1,-d2和d2,d1。由于多径,我们假设两根天线的信道分别为h1h2,于是第一时刻接收端收到的信息r1=d1h1+d2h2,之后接收的信息r2=-d2h1+d1h2。接收到的这个2维方阵只要乘以信道,就可得到d1d2的信息了。看不懂没关系,总之呢就是Alamouti找到一组正交的码率为2×2矩阵,用这种方式在两根天线上发射可以互不影响;可以用一根天线接收,经过数学运算以后得到发射信息的方法。

其他的MIMO呢,在概念上可能比较好理解,比如2个发射天线t1t2分别对两个接收天线r1r2发射,那么相当于两拨人同时干活,速度提升2倍等等。但是实际实现起来一方面在硬件上需要多个接收天线,另一方面需要信道估计等通信算法,那都是非常复杂,并且耗时耗硬件的计算了。
讲上面两种技术实际上是MISO(Multiple-Input Single-Output)的方法,也是想从另外一个方面证明,天线多了不代表他们能一起干活。100年前人们就知道天线越多越好越大越好了,但是天才的Alamouti码1998年才被提出来多天线技术的802.11n协议2009年才开始应用。

20年前,人们用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,即正交频分复用,多载波调制的一种技术)对抗由于城市间或室内障碍太多造成的多径衰落,而如今我们已经开始利用多径来提高通信质量。这是技术上突飞猛进的发展,而不是简单的“想当然”就可以实现的。
写在最后
MIMO本身就是一个时变的、不平稳的多入多出系统。关于MIMO的研究,是一个世界性课题,留下的疑问还有很多,同样的问题学术上甚至也会出现不同的说法。不过,对于一般消费者大可不必深究,认清了开头我们讲的“误区”,知道路由天线是个“工具”,普通家庭双天线足以,选购时看清产品规格,不要被商家误导。

世界各个地区WIFI 2.4G及5G信道一览表

2.4 GHz

5 GHz

史上最全最详细无线通信频率分配表

WIFI 6

越来越多的终端开始支持Wi-Fi 6,由企业级Wi-Fi 6 AP组成的无线网络也即将迎来大规模普及,企业在升级或新部署Wi-Fi网络时,已经不再犹豫是否选择Wi-Fi 6,但面对市场上各种模式的企业级Wi-Fi 6 AP如何选择?如何建网?成为企业IT管理人员应该关注的问题。

决定WLAN网络吞吐量的两大因素

在一个AP覆盖范围内影响吞吐性能、接入容量、并发容量、人均带宽的最重要因素有2个:(1)无线频谱资源(频宽);(2)AP的空间流数量(MU-MIMO能力)。
 图1 更宽的道路                                                    图2 更多的高架层数

频宽好比道路宽度,空间流数量好比高架层数,要么通过拓宽路面提升道路吞吐量,要么通过增加高架层数提升道路吞吐量。虽然两者都可以提升道路吞吐量,但前者会占用更多宝贵的土地资源,造价相对低一些;而后者能尽可能的复用土地资源,但造价相对高一些。

同样,在无线网络中,无线频谱类似于土地资源,也是一个宝贵的资源,在连续组网部署时基本都是不够用的,此时可通过增加空间流来增加吞吐量,企业级Wi-Fi 6 AP单射频最多支持8条空间流,吞吐量可达9.6Gbps。
图3:5GHz射频,HE80MHz下不同空间流数量对应的吞吐量

4x4 MU-MIMO是企业Wi-Fi 6网络的基础需求

空间流越多吞吐量越大,但同样带来的硬件成本也越大,因此,企业要基于业务实际需求来选择,实现最高性价比部署。

业务模型驱动企业部署Wi-Fi 6网络时需要选择更多空间流的AP

图4:不同应用对业务带宽的需求

过去的无线业务一般是以网页、邮件、云桌面、1080P视频等业务为主,每用户4~10Mbps的平均带宽即可满足这些业务需求。但随着流媒体广告、VR/AR、4K高清视频、智能办公系统等新技术新业务的兴起和普及,对无线网络的要求也越来越高,每用户的带宽需求从原先的8Mbps向50Mbps甚至100Mbps演进。根据Tolly实测数据显示,HE40MHz频宽下2x2 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP,在20个终端并发时总吞吐量仅210Mbps,平均10Mbps/用户,当面对更大带宽需求的业务时,2x2 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP带给每用户的平均带宽不足以支撑该业务。因此,在并发规模不变,人均带宽提升1倍,体验不下降的情况下至少需要选择4x4 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP。

终端接入规模驱动企业部署Wi-Fi 6网络时需要选择更多空间流的AP

图5:越来越多的无线终端接入,每AP并发规模提升1倍

无线替代有线的趋势导致随时随地都会有无线终端接入并使用无线网络,这将导致每AP下接入的用户规模大幅度增加,大部分企业在建网前会被建议按每AP下最低30~40个以上并发用户进行规划,以满足企业办公生产需求。根据Tolly实测数据显示,HE40MHz频宽下2x2 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP在终端并发规模提升到20个时总吞吐量仅210Mbps,平均10Mbps/用户,仅能满足1080P视频业务,当用户并发规模增加时,2x2 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP带给每用户的平均带宽会继续下降,不仅影响当前业务,更无法支撑更高带宽的业务。因此,在人均带宽不变,并发规模提升1倍,体验不下降的情况下至少需要选择4x4 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP。

终端类型驱动企业部署Wi-Fi 6网络时需要选择更多空间流的AP

图6:2T2R MU-MIMO终端逐渐成为主流

移动终端的Wi-Fi网卡从过去的1条流(1T1R:1x1 MIMO)为主向2条流(2T2R:2x2 MU-MIMO)转变,2019年之后上市的移动终端普遍支持2条流,比如华为、三星、苹果、小米等终端的Wi-Fi网卡都标配2条流,部分PC终端的Wi-Fi网卡支持3条流。因此,原来2x2 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP每射频可同时满足2个1条流的终端同时并发,当接入的终端是2条流时,2x2 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP每个射频同时仅能处理一个终端,无法发挥MU-MIMO并发接入技术带来的价值,这和单终端依次调度没有任何区别,用户带宽也无法提升。
图7:HE80MHz频宽,2个终端并发时2x2 MU-MIMO AP与4x4 MU-MIMO AP下的用户带宽差异
事实上,根据Tolly实测数据显示,HE80MHz频宽下,2x2 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP单5GHz射频同时接入2个2条流的用户时,由于空口资源竞争关系,每用户平均吞吐量仅为327Mbps;而4x4 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP在同等条件下2个2条流的用户可同时得到调度,每用户平均吞吐量高达604Mbps。因此,在2条流为主的终端场景下,要充分发挥MU-MIMO能力,最低要求选择4x4 MU-MIMO的企业级Wi-Fi 6 AP。

关于频宽

关于80+80和160频宽,80+80是在不连续的信道上组成了160频宽,而160就是在连续的信道上组成。如下图:

要有160MHz频宽,就要设置在低信道上,例如36至64之间。因为中间有些频段是雷达专用的,所有WIFI6路由开机后会有个扫描的动作,5G信号会晚于2.4G出现,不要以为有质量问题。如果用149以上的信道,是不够160MHz使用的,除非以后开放6G频段。还有还有,5G信道一定一定一定不要设置165,你用5G慢,就要看看是否用了165,因为它的频宽只有20MHz,速度就如2.4G那么慢了。

AP选择与测试效果

根据上面提供的资料,正好最近有无线的项目使用AirEngine 5961-11型号的AP,查看官方的产品描述:
支持双射频2.4GHz(2x2) + 5GHz(2x2)同时工作,其中2.4GHz频段最大速率575Mbps,5GHz频段最大速率1.2Gbps,整机速率可达1.77Gbps。
也就是这个产品是2x2 MU-MIMO的,那么单AP支持并发数是多少?

回答这个问题之前,我们再探讨下mu-mimo技术
首先,百度可知。
MU-MIMO 即Multi-User Multiple-Input Multiple-Output 的缩写,直译为“多用户 多输入 多输出”, 是最新Wi-Fi技术标准802.11ac Wave 2(即802.11ac 2.0标准)的最重要特性之一,能彻底改变Wi-Fi网络的运行方式,显著提高网络总吞吐量和总容量,将上网速度提升三倍。802.11ac Wave 2另外两个特性是数据传输通道最高可扩张至160MHz提供第四空间流,可真正实现网络资源的充分利用和性能提升。

SU-MIMO路由器信号一般是一个圆环,一般是以你的路由器为圆心,向外发射信号,根据远近等关系(不是绝对意义上的远近,更多的是信号质量等方面),依次单独与上网设备进行通讯。
这时当接入的设备过多时,就会出现设备等待通讯的情况,网络卡顿的情况就由此产生。
而使用MU-MIMO路由器就不一样了,MU-MIMO路由的信号在时域、频域、空域三个维度上分成多个部分,就像是同时发出多个不同的信号。支持MU-MIMO的路由器能够同时与多部设备协同工作;尤其值得一提的是,由于多个信号互不干扰,资源得到最大化的利用。
路由器在SU-MIMO模式下会给每个设备分带宽,上图说的就是如果路由器一共有100Mbps带宽,那每个设备就是33.3Mbps。但是我们现在的设备一般都可以握手协商出866Mbps的带宽,而且
我听说,网络中要所有设备都支持MU-MIMO才能启用MU-MIMO。只要有一个SU-MIMO整个网络都是SU-MIMO了。
不对不对,非也非也。
首先,如果路由器和终端没有协商成MU-MIMO,只是终端以SU的方式传输,而不是路由器就不能用MU-MIMO工作了,SU和MU是可以混合在一起的使用的。
所以,你的5G有各种终端都可以,只要某几个终端能和路由器协商出MU-MIMO,就会使用MU-MIMO工作。
但是路由器会在某一时刻切换状态。比如你有5个终端,3个不支持MU,2个支持MU(都连入5GWiFi)那么某种情况下,路由器正好要给2个支持MU的终端发送数据,那么这次传输就会使用MU。支持MU不代表会一直MU,需要一定场景来触发MU。理论上不存在一直占用这种情况。比如1个SU和2个MU的终端在同时下电影。那么路由器的发送过程就是SU-MU-SU-MU这要交替的变化。所以不会因为一个设备是su-mimo就导致整个网络都没办法MU-MIMO。
默默说一句:如果一个设备就导致整个网络不能MU,这个标准的制定也太傻了
唉小米10参数说支持 2x2 MIMO,8x8 Sounding for MU-MIMO。到底是2x2还是8x8
针对这个问题,我们举个简单的例子。假设路由器是最多支持到88的MU-MIMO。这88的天线同时在广播自己的信号。
这个时候有4台具备22的想要连接WIFI。这个时候手机端就要开始嗅探(sounding)数据流了。如果这4台手机都可以支持88的嗅探(sounding)。那他们就可以各自占用22的天线。
为了方便理解,画了一张图如下:

但是如果4台具备2
2的想要连接WIFI,但是不支持88的嗅探(sounding),他们只支持了44的嗅探。那他们就可能会出现两两分组的情况。在自己的分组下还是需要出现先后传输-等待的交替进行。
如下图:

但是实际情况远比我们举例的复杂,终端到底跟哪个天线连接是要看手机上的22天线去嗅探路由器的88天线的时候跟哪两根天线的信号质量最好。而不是按顺序连接。同时我们的网络环境也不会刚刚好4个终端的网卡性能一模一样,更多的时候是新老设备同时使用WIFI(甚至有的只支持WIFI4,有的支持WIFI6)。在这些情况下路由器的数据传输情况就会复杂许多。

这样,如果支持2x2的客户端最终达到8Mbit/s的速度,那么理想状态下2.4Ghz频段575/8=71个,而5Ghz下1200/8=150个,合计200多个客户端并发下载可以达到,可以满足企业需求。
最后,附上华为企业级AP的规格:

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