為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

近兩年來,隨著 Wi-Fi 6 以及 Mesh 組網技術的成熟和普及,高階路由器的價格也逐漸親民,從科技愛好者到普通家庭都使用了支援新一代 Wi-Fi 技術的無線路由器。特別是 2022 年,使用 Wi-Fi 6E 技術的路由器開始進入市場,自然會讓很多消費者認為無線網路取代有線網路指日可待。 

然而真的是這樣嗎,Wi-Fi 6 路由器究竟可以跑出多少快的速度?這些問題看完本文你應該能有新的理解。 

無線網路速度由什麼決定 

家用無線路由器是一個高度內建的一體機,整合了: 

  • 路由器與防火牆:提供三層功能,包括入網以及保護外界入侵。

  • 交換機:多 LAN 口提供了二層也就是區域網站功能。

  • 無線接入點:Access Point 簡稱 AP,也就是發射 Wi-Fi 訊號,讓無線設備接入網路的功能。

本文主要討論家用無線路由器中的無線接入點功能,下文簡稱為 AP。在聊實際速度之前,我們先需要理解一下決定 Wi-Fi 速率的各種因素。 

為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

Wi-Fi 協議

Wi-Fi 協議是最近被提及最多的,因為在 Wi-Fi 5 時代以及之前,協議名稱均由 IEEE 的 802.11 協議規則標準命名,而非簡單的數字代表代數。直到 2018 年 Wi-Fi 6 協議的推出,802.11n 與 802.11ac 才被一起更名稱 Wi-Fi 4 與 Wi-Fi 5,所以大家的感知可能不強。 

目前 Wi-Fi 通訊協議的世代和其對應的 802.11 標準如下: 

  • Wi-Fi 6:IEEE 802.11ax

  • Wi-Fi 5:IEEE 802.11ac

  • Wi-Fi 4:IEEE 802.11n

影響 Wi-Fi 速率的主要因素之一就是 AP 與終端之間採用的 Wi-Fi 協議。 

  • 兩種協議的極限條件下,Wi-Fi 5 的理論速率上限為 3466 Mbps,而 Wi-Fi 6 可以最高達到 9600 Mbps。

  • 使用相同的終端和無線接入點,分別使用 Wi-Fi 5/6 協議連接,Wi-Fi 6 的理論速率相較於 Wi-Fi 5 提升約 38% 。

有關於 Wi-Fi 6 的詳細科普可以閱讀 這篇文章。 

頻率

Wi-Fi 訊號的傳輸依賴於一定頻率的無線電波。目前 Wi-Fi 6 協議中支援三種頻段的無線訊號,而 Wi-Fi 6E 協議則多支援一種 6GHz 的高頻無線電波: 

  • 2.4GHz:2.4GHz 頻段在 IEEE 802.11a 中就得到了應用,由於頻率較低,2.4GHz 可以獲得不錯的覆蓋範圍。值得注意的是 2.4GHz 僅有 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 6 協議支援。

  • 5.2GHz/5.8GHz:這兩個頻段一般統稱為 5GHz,也是目前最常用的高速 Wi-Fi 頻率,相比 2.4GHz,5GHz 覆蓋面積大幅度降低,但速度提升巨大且有更大的頻率範圍,干擾也更少。

  • 6GHz:6GHz 是 Wi-Fi 6E 標準下新劃分給 Wi-Fi 的頻率,相比於 5GHz,Wi-Fi 6E 協議下的 6GHz 頻段並沒有速度提升,但是增加了大量的頻段,減少了同頻干擾,覆蓋面積相較於 5GHz 略有下降。

頻率越高,單位時間無線電波負載的訊息量就越大,因此速度也就越快,相同頻寬下 5GHz 的理論速率相較於 2.4GHz 約有一倍的提升。 

頻寬和 MIMO

2.4GHz 和 5GHz 不僅在頻率上會產生速度差異,所能使用的頻寬寬度也有差異。 

頻寬(Bandwidth)指訊號所佔據的頻帶寬度。這裡可以簡單的把頻寬想像成高速公路的車道數量,車道數量越多,單位時間可以行駛的流量也就越大。 

2.4GHz 僅支援 20Mhz 與 40MHz 的頻寬,而在 5GHz/6GHz 下,則能額外支援更大的 80Mhz 和160Mhz(160Mhz 僅有 5.2 GHz 支援);頻寬和理論速度呈線性增長,頻寬越寬理論速率越大。 

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MIMO 理解起來相對複雜,但是可以簡單的想像成成天線數量,Wi-Fi 技術中,每一條天線都可以負責一個鏈路的數據傳輸,當天線越多傳輸速率也就越快。和頻寬一樣,大家不妨把 MIMO 想像成「立體」的車道,天線數量的翻倍也會帶來 Wi-Fi 速度吞吐量的翻倍。 

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正交振幅調製 QAM

QAM 技術在本文不做過多展開,在 Wi-Fi 5 到 Wi-Fi 6 協議的進步中,最大支援的協議從 256-QAM 提升到了 1024-QAM,這一提升使得速度提升約為 25%。 

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近期也有提前支援的 4k-QAM 的終端出現,相較於 1024-QAM 速度提升 20%。 

總結

我們可以將 Wi-Fi 想像成城市道路——2.4GHz 就是城市的主幹道,干擾嚴重且在城市中心因此執行效率不高;5GHz 則是城市的繞城高速,車輛較少且沒有限速,因此資料可以跑的很快;頻寬和 MIMO 則是一組立體多車道,兩者直接增加了車流量。 

我們把上面的參數整合一下,就可以得到一個無線接入點的無線速率公式了, 

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在 5GHz 下: 

  • Wi-Fi 5 3x3 MIMO 80Mhz 256 QAM 的無線接入點,最高支援 1300 Mbps

  • Wi-Fi 6 4x4 MIMO 160Mhz 1024 QAM 的無線接入點,最高支援 4804 Mbps

如果你增加或者減少 MIMO 的數量或者頻寬的寬度,最大速率也會呈比例降低: 

  • Wi-Fi 5 Wave 2 2x2 MIMO 160Mhz 256 QAM,最高支援 1733 Mbps

  • Wi-Fi 6 4x4 MIMO 80Mhz 1024 QAM,最高支援 2402 Mbps

無線路由器的參數代表了什麼

在解密無線網路的實際速率之前,我們需要先講解一下無線路由器的各項參數究竟代表了什麼。 

首先我們以一款旗艦級無線路由器「小米 AX9000」為例: 

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商品名為:AX9000,其中: 

  • AX:代表支援最高的 Wi-Fi 規格為 IEEE 802.11ax 也就是 Wi-Fi 6 協議。

  • 9000:代表其硬體最高支援的聚合連接速率為 9000 Mbps,也就是 1125 MB/s 的傳輸速率。

而 9000 = 4804 + 2402 + 1196 + 576,相信這一串數字你並不陌生,在上文已經詳細講解了 Wi-Fi 6 協議能達到的各類速率,這邊在詳細解釋一下: 

  • 4804Mbps:在 5.2GHz 下 4x4 MIMO 160MHz 1024-QAM 的規格下能夠達到的理論速率

  • 2402 Mbps:在 5.8GHz 下 4x4 MIMO 80MHz 1024-QAM 的規格下能夠達到的理論速率

  • 1196 Mbps:在 2.4GHz 下 4x4 MIMO 40MHz 1024-QAM 的規格下能夠達到的理論速率

  • 576 Mbps:AIoT 天線速率,不能被終端使用。

9000 兆是由該路由器所有支援的頻段中硬體支援的最高速率加和而成,命名方式也符合 IEEE 的規定,但是這並不代表該無線路由器可以跑出 9000 Mbps 的速率。 

實際握手速率與終端支援

此外我們需要注意兩點,一是高速 Wi-Fi 不僅需要 AP 支援,也需要終端設備支援。另一點則是 Wi-Fi 終端在同一時間只能在一個頻段工作,因此我的設備在這台無線路由器上理論能達到的最高速率為選擇在 5.2GHz 頻段下使用 160Mhz、使用 4x4 MIMO 的終端,這樣的硬體條件下 Wi-Fi 速率可以協商到 4804Mbps 的理論速率。 

由於目前市面上還沒有支援 4x4 MIMO 的 Wi-Fi 6 終端出現,主流設備仍然是 2x2 MIMO,因此我們的速率會再打一個對折,如果使用諸如小米 12 Pro 這樣的支援 160MHz 的移動終端,則可以達到 2402Mbps。 

終端設備諸如 iPhone,在 iPhone 11 系列之後均支援 Wi-Fi 6 協議,只不過僅支援 2x2 MIMO 80Mhz,因此使用 iPhone 11 以後的支援 Wi-Fi 6 的終端設備,僅能達到 1201Mbps。 

而諸如 MacBook Pro 16-inch 2019 這樣僅支援 3x3 Wi-Fi 5 的老設備,僅能達到 Wi-Fi 5 的 1300Mbps。 

以上速率均為終端和路由器之間的協商速率,或者也稱為 PHY 速率或者握手速率,這一速率一定大於在現實環境中可以跑出的無線網路速率。 

Wi-Fi 的一些其它「開銷」

握手速率或者 PHY 速率我們可以理解成電動車的 NEDC 續航里程,根據實際環境的不同速率也會產生折扣。 

由於 Wi-Fi 開銷過於複雜,本文不做深入討論,僅列舉幾種最為明顯的開銷類型: 

  • TCP/IP 開銷 :在所有有線或無線網路中,TCP/IP 連接的開銷約為 5%。這 5% 來自設置連接和解決正在交換的數據包和幀所需的所有數據。在標準幀尺寸下,有線 1Gbps 連接的 TCP 吞吐量約為940-950 Mbps。

  • 信標幀 :這是 AP 向客戶端設備宣傳網路的方式。為了確保範圍內的所有設備都能理解它們,AP 以最低的支援數據速率發送管理流量,如信標幀。這擴大了廣播的範圍,降低了速度傳輸的速率,消耗了寶貴的廣播時間。

  • 半雙工 :基於OFDM的 Wi-Fi 是半雙工的,這意味著一次只能傳輸一台設備,並且只能向一個方向傳輸。可以比喻,Wi-Fi 是一款對講機,而不是電話,這意味著同一時間只能有一人說話。乙太網路是全雙工的,允許同時向雙向傳輸。Wi-Fi 是半雙工並不意味著吞吐量被減半,但它確實意味著 Wi-Fi 設備不能進行多任務處理。下載大型文件時,客戶端設備必須花許多短暫的保護間隔將 TCP 確認幀傳輸回其 AP,或允許其他人傳輸。Wi-Fi 設備無法同時下載和上傳數據,也無法在其終端傳輸中通訊。MU-MIMO 和 OFDMA 技術部分地解決了這個問題。

  • 干擾與重傳 :除了(大部分)是半雙工外,Wi-Fi 還是一種共享媒體。當一台設備在通道上傳輸時,範圍內的所有其他設備都必須等待輪到他們。如果多個設備同時傳輸,可能會發生碰撞,導致傳輸混亂。當碰撞發生時,設備需要隨機等待一段時間才能重新傳輸。協調共享介質的使用和處理碰撞消耗了寶貴的廣播時間,導致每個人的有效吞吐量較低。比如藍牙就會和 2.4GHz Wi-Fi 互相干擾,USB 3.0 也會影響到 5GHz Wi-Fi 訊號。

  • 幀間的調製區別:當看到 1200Mbps 的連接速率時,並不意味著傳輸過程中每幀都以 1024-QAM 調製發送。連接速率更像平均速度限制。隨著通道條件的變化或傳輸失敗,單個幀可能會被發送到高於或低於當前連接速率值。

EIRP:無線訊號發射能力

EIRP 是一種描述 AP 發射訊號能力的參數: 

等效全向異塵餘生功率(英語:equivalent isotropically radiated power,EIRP),或叫有效全向異塵餘生功率(英語:effective isotropically radiated power,EIRP),是 無線電 通信領域的一個常見概念,它指的是 天線 在某個指定方向上的異塵餘生功率,理想狀態下等於 發射器 的發射功率乘以天線的增益。 

通常訊號強度以對數單位 dBm 表示,因此 EIRP = 發射功率 + 天線增益 - 損耗值 

為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

EIRP 在一定程度上可以描述 AP 的無線訊號發射能力。我國工信部對於 Wi-Fi 的 EIRP 有明確的限制: 

  • 2.4 GHz 下,EIRP 限制在 100mW 也就是 20dBm

  • 5 GHz 下,EIRP 限制在 200mW 以下 也就是 23dBm

需要注意的是,這裡限制的功率是 AP 所有天線的總功率,因此在多根天線同時工作的時候,每根天線的發射功率也會相應打下折扣。其所帶來的影響的就是 Wi-Fi 降低連接的速率。 

牆面阻隔、距離與訊號強度

訊號強度也是影響實際 Wi-Fi 速度的重要原因之一,我們的終端接收到的訊號也和 EIRP 一樣都以對數單位 dBm 表示,不過因為實際接收到的訊號折損很大,一般在 AP 周圍一米以內(無遮擋)可以接受到 -30 ~ -25 dBm 的 5GHz 訊號。 

在空間中可以參考下圖: 

為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

國內房屋的非承重混凝土牆壁會對訊號造成 12-20dBm 的衰減,承重牆則更多: 

為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

而無線網路的頻寬和調製技術的敏感程度如下: 

為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

如此這些影響 Wi-Fi 速率的因素存在,我們不必做過多組合計算,只需要知道,理想環境下,實際連接速度最大約為理論速度的 70%-80%,正常環境下: 

  • 80 MHz 信道上的 2x2 設備可以實現 1201 Mbps 的最大協商速率,實際吞吐量約為 800-900 Mbps。

  • 160 MHz信道上的 2x2 設備可以實現 2402 Mbps 的最大協商速率,實際吞吐量約為 1400-1600 Mbps。

總結

看到這裡相信你已經對與 Wi-Fi 的實際傳輸速率有了一定的概念,回到本文最開始的問題,萬兆無線路由器真的能跑出萬兆嗎,答案肯定是否定的:現在市場上的無線路由器由於其命名規則,均為聚合速率,在實際使用中最優秀的終端設備配合最好的 AP 也僅能在理想環境下達到 1.4Gbps-1.6Gbps 的傳輸速度。 

而多設備(2x2 160Mhz Wi-Fi 6)同時使用同一個 AP 進行交換吞吐時,也會受限於 AP 的交換能力和天線功耗的限制,實際也只能達到 1Gbps 的速度。 

為什麼你家 Wi-Fi 總是那麼卡?到底是什麼在影響 Wi-Fi 速度

本文所有討論的情況均在較為理想的環境中,現實生活中的 Wi-Fi 傳輸過程比理想環境複雜,更多的頻段干擾以及更多的信噪比都是影響 Wi-Fi 速度的重大因素。 

原文連結

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本文來自微信公眾號 “少數派”(ID:sspaime),作者:EstrellaXD ,責編:廣陵止息 ,36氪經授權發佈。

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i068
1.  i068 (發表於 2022年4月09日 00:40)
等效全向異塵餘生功率(英語:equivalent isotropically radiated power,EIRP)

(⊙ˍ⊙) "異塵餘生"??

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