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为什么你家 Wi-Fi 总是那么卡?到底是什么在影响 Wi-Fi 速度

admin2022-12-1439

近两年来,随着 Wi-Fi 6 以及《ji》 Mesh 组网技术的成熟和普及,高阶路由器的价格也逐渐亲民,从科技爱好者到普通家庭都使用了支援新一代 Wi-Fi 技术的无线路由器。特别是 2022 年,使用 Wi-Fi 6E 技术的路由器开始进入市场,自然会『hui』让很多消费者认为无线网路取代有线网路指日可待。 

然而真的是这样吗,所谓的万兆无线路由器究竟可以跑出多少快的速度?这些问题看完本文你应该能有新的理解。 

无线网路速度由什么决定 

家用无线路由器是一个高度内建的一体机,整合了: 

  • 路由器与防火墙:提供三层功能,包括入网以及保护外界入侵。

  • 交换机:多 LAN 口提供了二层也就是区域网站功能。

  • 无线接入点:Access Point 简称 AP,也就是发射 Wi-Fi 讯号,让无线设备接入网路的功能。

本文主要讨论家用无线路由器中的无线接入点功能,下文简称为 AP。在聊实际速度之前,我们先需要理解一下决定 Wi-Fi 速率的各种因素。 

Wi-Fi 协议

Wi-Fi 协议是最近被提及最多的,因为在 Wi-Fi 5 时代以及之前,协议名称均由 IEEE 的 802.11 协议规则标准命名,而非简单的数字代表代数。直到 2018 年 Wi-Fi 6 协议的推出,802.11n 与 802.11ac 才被一起更名称 Wi-Fi 4 与 Wi-Fi 5,所以大家的感知可能不强。 

目前 Wi-Fi 通讯协议的世代和其对应的 802.11 标准如下: 

  • Wi-Fi 6:IEEE 802.11ax

  • Wi-Fi 5:IEEE 802.11ac

  • Wi-Fi 4:IEEE 802.11n

影响 Wi-Fi 速率的主要因素之一就是 AP 与终端之间采用的 Wi-Fi 协议。 

  • 两种协议的极限条件下,Wi-Fi 5 的理论速率上限为 3466 Mbps,而 Wi-Fi 6 可以最高达到 9600 Mbps。

  • 使用相同的终端和无线接入点,分别使用 Wi-Fi 5/6 协议连接,Wi-Fi 6 的理论速率相较于 Wi-Fi 5 提升约 38% 。

有关于 Wi-Fi 6 的详细“xi”科普可以阅读 这篇文章。 

频率

Wi-Fi 讯号的传输依赖于一定频率的无线电波。目前 Wi-Fi 6 协议中支援三种频段的无线讯号,而 Wi-Fi 6E 协议则多支援一种 6GHz 的高频无线电波: 

  • 2.4GHz:2.4GHz 频段在 IEEE 802.11a 中就得到了应用,由于频率较低,2.4GHz 可以获得不错的覆蓋范围。值得注意的是 2.4GHz 仅有 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 6 协议支援。

  • 5.2GHz/5.8GHz:这两个《ge》频段一般统称为 5GHz,也是目前最常用的高速 Wi-Fi 频率,相比 2.4GHz,5GHz 覆蓋面积大幅度降低,但速度提升巨大且有更大的频率范围,干扰也更少。

  • 6GHz:6GHz 是 Wi-Fi 6E 标准下新划分给 Wi-Fi 的频率,相比于 5GHz,Wi-Fi 6E 协议下的 6GHz 频段并没有速度提升,但是增加了大量的频段,减少了同频干扰,覆蓋面积相较于 5GHz 略有下降。

频率越高,单位时间无线电波负载的讯息量就越大,因此速度也就越快,相同频宽下 5GHz 的理论速率相较于 2.4GHz 约有一倍的提升。 

频宽和 MIMO

2.4GHz 和 5GHz 不仅在频率上会产生速度差异,所能使用的频宽宽度也有差异。 

频宽(Bandwidth)指讯号所占据的频带宽度。这里可以简单的把频宽想像成高速公路的车道数量,车道数量越多,单位时间可以行驶的流量也就越大。 

2.4GHz 仅支援 20Mhz 与 40MHz 的频宽,而在 5GHz/6GHz 下,则能额外支援更大的 80Mhz 和160Mhz(160Mhz 仅有 5.2 GHz 支援);频宽和理论速度呈线〖xian〗性增长,频宽越宽理论速率越大。 

MIMO 理解起来相对复杂,但是可以简单的想像成成天线数量,Wi-Fi 技术中,每一条天线都可以负责一个链路的数据传输,当天线越多传输速率也{ye}就越快。和『he』频宽一样,大家不妨把 MIMO 想像成「立体」的车道,天线数量的翻倍也会带来 Wi-Fi 速度吞吐量的翻倍。 

正交振幅调制 QAM

QAM 技术在本文不做过多展开,在 Wi-Fi 5 到 Wi-Fi 6 协议的进步中,最大支援的协议从 256-QAM 提升到了 1024-QAM,这一提升使得速度提升约为 25%。 

近期也有提前支援的 4k-QAM 的终端出现,相较于 1024-QAM 速度提升 20%。 

总结

我们可以将 Wi-Fi 想像成城市道路——2.4GHz 就是城市的主干道,干扰严重且在城市中心因此执行效率不高;5GHz 则是城市的绕城高速,车辆较少且没有限速,因此资料可以跑的很快;频宽和 MIMO 则是一组立体多车道,两者直接增加了车流量。 

我们把上面的参数整合一下,就可以得到一个无线接入点的无线速率公式了, 

在 5GHz 下: 

  • Wi-Fi 5 3x3 MIMO 80Mhz 256 QAM 的无线接入点,最高支援 1300 Mbps

  • Wi-Fi 6 4x4 MIMO 160Mhz 1024 QAM 的无线接入点,最高支援 4804 Mbps

如果你增加或者减少 MIMO 的数量或者频宽的宽度,最大速率也会呈比例降低: 

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

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

在解密无线网路的实际速率之〖zhi〗前,我们需要先讲解一下无线路由器的各项参数究竟代表了什么。 

首先我们以一款旗舰级无线路由器「小米 AX9000」为例: 

商品名为:AX9000,其中: 

  • AX:代表支援最高的 Wi-Fi 规格为 IEEE 802.11ax 也就是 Wi-Fi 6 协议。

  • 9000:代表其硬体最高支援的聚合连接速率为 9000 Mbps,也就是 1125 MB/s 的传输速率。

而 9000 = 4804 + 2402 + 1196 + 576,相信这一串数字你并不陌生,在上文已经详细讲解了 Wi-Fi 6 协议能达到的各类速率,这边在【zai】详细解释一下: 

  • 4804Mbps:在 5.2GHz 下 4x4 MIMO 160MHz 1024-QAM 的规格下能够达到的理论速率

  • 2402 Mbps:在 5.8GHz 下 4x4 MIMO 80MHz 1024-QAM 的规格下能够达到的理论速率

  • 1196 Mbps:在 2.4GHz 下 4x4 MIMO 40MHz 1024-QAM 的规格下能够达到的理论速率

  • 576 Mbps:AIoT 天线速率,不能被终端使用。

9000 兆是由该路由器所有支援的频段中硬体支援的最高速率加和而成,命名方式也符合 IEEE 的规定,但是这并不代表该无线路由器可以跑出 9000 Mbps 的速率。 

实际握手速率与终端支援

此外我们需要注意「yi」两点,一是高速 Wi-Fi 不仅需要 AP 支援,也需“xu”要终端设备支援。另一点则是 Wi-Fi 终端「duan」在同一时间只能在一个频段工作,因此我的设备在这台无线路由器上理论能达到的最高速率为选择在 5.2GHz 频段【duan】下使用 160Mhz、使用 4x4 MIMO 的终端,这样的硬体条件下‘xia’ Wi-Fi 速率可以协商到 4804Mbps 的理论速率。 

由于目前市面上还没有支援 4x4 MIMO 的 Wi-Fi 6 终端出现,主流设备仍然是 2x2 MIMO,因此我们的速率会再打一个对折,如果使用诸如小米 12 Pro 这样的支援 160MHz 的移动终端,则可以达到 2402Mbps。 

终端设备诸如 iPhone,在 iPhone 11 系列之后均支援 Wi-Fi 6 协议,只不过仅支援 2x2 MIMO 80Mhz,因此使用 iPhone 11 以后的支援 Wi-Fi 6 的终端设备,仅能达到 1201Mbps。 

而诸如 MacBook Pro 16-inch 2019 这样仅支援 3x3 Wi-Fi 5 的老设备,仅能达到 Wi-Fi 5 的 1300Mbps。 

以上速率均为终端和路由器之间的协商速率,或者也称为 PHY 速率或者【zhe】握手速率,这一速率一定大于在现实环境中可以跑出的无线网路速率。 

Wi-Fi 的一些‘xie’其它「开销」

握手速率或者 PHY 速率我们可以理解成电动车的 NEDC 续航里程,根据实际环境的不同速率也会产生折扣。 

由于 Wi-Fi 开销过于复杂,本文不做深入讨论,仅列举几种最为明显的开销类型: 

  • TCP/IP 开销 :在所有有线或无线网路中,TCP/IP 连接的开销约为 5%。这 5% 来自设置连接和解决正在交换的数据包和帧所需的所有数据。在标准帧尺寸下,有线 1Gbps 连接的 TCP 吞吐量约为940-950 Mbps。

  • 信标帧 :这是 AP 向客户端设备宣传网路的方式。为了确保范围内的所有设备都能理解它们,AP 以最低的支援数据速率发送管理流量,如信标帧‘zheng’。这扩大了广播的范围,降低了速度传输的速率,消耗了宝贵的广播时间。

  • 半双工 :基于OFDM的 Wi-Fi 是半双工的,这意味着一次只能传输一台设备,并且只能向一个方向传输。可以比喻,Wi-Fi 是一款对讲机,而不是电话,这意味着同一时间只能有一人说话。乙太网路是全双工的,允许同时向双向传输。Wi-Fi 是半双工并不意味着吞吐量被减半,但它确实意味着 Wi-Fi 设备不能进行多任务处理。下载大型文件时,客户端设备必须花许多短暂的保护间隔将 TCP 确认帧传输回其 AP,或允许其他人传输。Wi-Fi 设备无法同时下载和上传数据,也无法在其终端传输中通讯。MU-MIMO 和 OFDMA 技术部分地解决了这个问题。

  • 干扰与重传 :除了(大部分)是半双工外,Wi-Fi 还是一种共享媒体。当一台设备在通道上传“chuan”输时,范围内的所有其他设备都必须等待轮到他们。如果多个设备同时传输,可能会发生碰撞,导致传输混乱。当碰撞发生时,设备需要随机等待一段时间才能重新传输。协调共享介质的使用和处理碰撞消耗了宝贵的广播时间,导致每个人的有效吞吐量较低。比如蓝牙就会和 2.4GHz Wi-Fi 互相干扰,USB 3.0 也会影响到 5GHz Wi-Fi 讯号。

  • 帧间的调制区别:当看到 1200Mbps 的连接速率时,并不意味着传输过程中每帧都以 1024-QAM 调制发送。连接速率更像平均速度限制。随着通道条件的变化或传输失败,单个帧可能会被发送到高于或低于当前连接速率值。

EIRP:无线讯号发射能力

EIRP 是一种描述 AP 发射讯号能力的参数: 

等效全向异尘余生功率(英语:equivalent isotropically radiated power,EIRP),或叫有效全向异尘余生功率(英语:effective isotropically radiated power,EIRP),是 无线电 通信领域的一个常见概念,它指的是 天线 在某个指定方向上的异尘余生功率,理想状态下等于 发射器 的发射功率乘以天线的增益。 

通常讯号强度以对数单位 dBm 表示,因此 EIRP = 发射功率 + 天线增益 - 损耗值 

EIRP 在一定程度上可以描述 AP 的无线讯号发射能力。我国工信部对于 Wi-Fi 的 EIRP 有明确的限制: 

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

  • 5 GHz 下,EIRP 限制在 200mW 以下 也〖ye〗就是 23dBm

需要注意的是,这里限制的功率是 AP 所有天线的总功率,因此在多根天线同时工作的时候,每根天线的发射功率也会相应打下折扣。其所带来的影响的就是 Wi-Fi 降低连接的速率。 

墙面阻隔、距离与讯号强度

讯号强度也是影响实际 Wi-Fi 速度的重要《yao》原因之一,我们的终端接收到的讯号也和 EIRP 一样都以对数单位 dBm 表示,不过因为实际接收到的讯号折损很大,一般在 AP 周围《wei》一米以内(无遮挡)可以接受到 -30 ~ -25 dBm 的 5GHz 讯号。 

在空间中可以参考下图: 

国内房屋的非承重混凝土墙壁会对讯号造成 12-20dBm 的衰减‘jian’,承重墙则更多: 

而无线网路的频宽和调制技术的敏感程度如下: 

如此这些影响 Wi-Fi 速率的因素存在,我们不必做过多组合计算,只需要知道‘dao’,理想环境下,实际连接速度最大约为理「li」论速度的 70%-80%,正常环境下: 

  • 80 MHz 信道上的 2x2 设备可以实现 1201 Mbps 的最大协商速率,实际吞吐量约为 800-900 Mbps。

  • 160 MHz信道上的 2x2 设备可以实现 2402 Mbps 的最大协商速率,实际吞吐量约为 1400-1600 Mbps。

总结

看到这里相信你已经对与 Wi-Fi 的实际传输速率有了一定的概念,回到本文最开始的问题,万兆无线路由器真的能跑出万兆吗,答案肯定是否定的:现在市场上的无线路由器由于其命名规则,均为聚合速率,在实际使用中最优秀的(de)终端设备配合最好的 AP 也仅能在理想环境下达到 1.4Gbps-1.6Gbps 的传输速度。 

而多设备(2x2 160Mhz Wi-Fi 6)同时使用同一个 AP 进行交换吞吐时,也会受限于 AP 的交换能力和天线功耗的限制,实际也只能达到 1Gbps 的速度。 

本文所有讨论的情况均在较为理想的环境中,现实生活中的 Wi-Fi 传输过程比理想环境复杂,更多的频段干扰以及更多的信噪比都是影响 Wi-Fi 速度的重大因素。 

https://sspai.com/post/71581?utm_source=wechat&utm_medium=social 

本文来自微信公众号 “少数派”(ID:sspaime),作者:EstrellaXD ,责编:广陵止息 ,36氪经授权发布。

网友评论

1条评论
  • 2022-12-14 00:13:29

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