从WiFi速率到无线通信

 

各种WiFi的速率是怎么来的?WiFi的速度靠什么提高?如何理解和应用相关理论来改善网络质量?业余解释

各种WiFi的速率是怎么来的?WiFi的速度靠什么提高?如何理解和应用相关理论来改善网络质量?业余解释

缘起于Win10显示的图书馆的WiFi信息

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5GHz,165信道,WiFi 4???这个是什么情况呢,是不是有哪里显示错了?然后就是速率最高只有144MHz,这个速率又是怎么来的?

从网络协商速率开始

tnext wifi linkspeed

这里以802.11AC 1T1R MCS9 HT80 带宽Short GI为例计算网络连接速率,由上面的公式以及下面的引用可以知道:

\[Rate HT80 = (234MHz* 8bit *5/6 )/(3.2us + 0.4us)= 433.33Mbps\]

这个也就是最常见的单天线的5G WiFi速率,大概的解释如下

80MHz中一个符号有234个数据子载波,使用256QAM时每个子载波每次传输8bits数据,编码率为5/6,而传输时间等于符号持续时间加上保护间隔

802.11ax子载波带宽

从OpenWrt主页的Associated Stations右侧的字段的含义又是什么呢?

650.0 Mbit/s, 80MHz, VHT-MCS 7, VHT-NSS 2, Short GI
650.0 Mbit/s, 80MHz, VHT-MCS 7, VHT-NSS 2, Short GI

我按照个人理解的通信流程整理下,水平有限…

通信部分的概念

把速率计算公式根据后面的原理部分化简一下: \(\begin{align}Rate & =(N_{sub}\times log(N_{QAM}) \times R_{coding})/(N_{sub}/N_{HT}+GI) \\& =\frac{log(N_{QAM}) \times R_{coding}}{1/N_{HT}+GI/N_{sub}}\end{align} \\\) 其中$N_{sub}$为子载波数,$N_{HT}$为频宽

提高网络速率的方法可以粗略的归结到各个子项上面

物理层

频段与频宽

WiFi所用的频段主要是三个,下图也列出了不同的频宽下选择某个信道对频段的占用情况

802.11n: 2.4G频段

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每相邻的2个信道之间的频宽就是5Mhz,最大频宽为40MHz,对于国内的2.4G只有1-13信道可以用,用1信道,频宽为20Mhz,则信道2,3,4,5都被占用了;如果是40Mhz,侧信道2,3,4,5,6,7,8,9也被占用了,当然只在传输数据时才会占用的。这就为什么在家附近因有大量wifi造成网络堵塞缓慢的原因了。

802.11ac: 5G频段

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中国WIFI设备在5GHz下可以使用的信道有36,40, 44, 48, 52, 56, 60, 64, 149,153, 157, 161, 165。而每个信道频宽为20Mhz,如果信道为149,当要用80Mhz时,则153,157,161都要被占用了

802.11ad: 60G频段,近距离高速无线传输专用,现在基本上见不到了

802.11ax: WiFi 6的频段依然是之前的2.4G和5G频段,主要是把最大频宽定在了160MHz

比较有趣的是某个WiFi对频宽的占用越大,有效的传输距离越短,对环境的干扰越小,最后又作用与可以占用更大的频宽来做近距离的高速传输,故各种规格的WiFi是可以和谐共处的

MIMO技术

通过多条通道来发送数据,常用 nTnR,或者 n x n 来表示,比如说2T2R也就是2x2 MIMO,以及OpenWrt上用的NSS:Number of spatial streams后接数字表示空间流的数目

看起来是最简单粗暴的提高无线速率的方式,然而实际上会遇到多径效应导致高误码率,最终还是采取了一系列的措施来尽量克服多径效应

FEC:QAM

FEC (Forward Error Correction):按照无线通信的基本原理,为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递,发射端将把信息进行编码并携带冗余信息,以提高系统的纠错能力,使接收端能够恢复原始信息。

正交幅度调制QAMQuadrature Amplitude Modulation)是一种在两个正交载波上进行幅度调制调制方式。这两个载波通常是相位差为90(π/2)的正弦波,因此被称作正交载波,这种调制方式因此而得名

802.11n所采用的QAM-64的编码机制可以将编码率(有效信息和整个编码的比率)从3/4 提高到5/6。所以,对于一条空间流,在MIMO-OFDM基础之上,物理速率从58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)

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

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MIMO-OFDM

在室内等典型应用环境下,由于多径效应的影响,信号在接收侧很容易发生(ISI),从而导致高误码率。OFDM调制技术是将一个物理信道划分为多个子载体(sub-carrier),将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流,通过这些子载体进行通讯,从而减少ISI机会,提高物理层吞吐。

用于Wi-Fi通信的有OFDM和OFDMA技术:802.11a/g/n/ac无线电当前使用正交频分复用(OFDM)用于802.11频率上的单用户传输,将比特串流对应到QAM调制的符号

子载波的分类

OFDM有三种类型的子载波,如下所示:

数据子载波:这些子载波将使用与802.11ac相同的调制和编码方案(MCS)以及两个新的MCS,并添加1024-QAM

导频子载波:导频子载波不携带调制数据;它们用于接收器和发射器之间的同步

未使用的子载波:剩余的未使用的子载波主要用作保护载波或空子载波以抵抗来自相邻信道或子信道的干扰

例如:20 MHz 802.11n/ac 信道由64个子载波组成——52个子载波用于承载调制数据; 4个子载波用作导频载波;8个子载波用作保护频带;每个OFDM子载波的宽度是20MHz/64=312.5KHz。

TNEXT 802.11 OFDM

不同频宽的数据子载波的数量(第三列)关系见下表

802.11ac 子载波数参数

OFDM符号持续时间

把每个子载波传输的内容是一个符号(比如QAM调制的结果),由于把一个载波分为了多个子载波并行处理,符号持续时间隔也就是处理单个子载波的时间, 为实现最大频谱效率,一般取符号持续时间=1/子载波间隔 ,对802.11 n/ac,符号持续时间为 3.2us=1/312.5

保护间隔

Short Guard Interval (GI),由于多径效应(即使单路传输也存在)的影响,信息符号(Information Symbol)将通过多条路径传递,可能会发生彼此碰撞,导致ISI干扰。为此,802.11a/g标准要求在发送信息符号时,必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔,这个间隔被称为Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用缺省使用800 ns GI

当多径效应不是很严重时,用户可以将该间隔配置为400ns(=0.4us即Short GI),对于一条空间流,可以将吞吐提高近10%,即从65Mbps提高到72.2 Mbps。对于多径效应较明显的环境,不建议使用Short Guard Interval (Short GI)

预设的调制和编码方案

HT/VHT/HEW

分别对应802.11 n/ac/ax,指的是高、超高吞吐,高效无线网络(High-Efficiency Wireless - HEW),后接数字指示频宽

MCS

MCS (Modulation Coding Scheme)调制和编码方案

在802.11a/b/g时代,配置AP工作的速率非常简单,只要指定特定radio类型(802.11a/b/g)所使用的速率集,速率范围从1Mbps到54Mbps,一共有12种可能的物理速率。

到了802.11n时代,由于物理速率依赖于调制方法、编码率、空间流数量、是否40MHz绑定等多个因素。这些影响吞吐的因素组合在一起,将产生非常多的物理速率供选择使用。比如基于Short GI,40MHz绑定等技术,在4条空间流的条件下,物理速率可以达到600Mbps(即4*150)

为此,802.11n提出了MCS的概念。MCS可以理解为这些影响速率因素的完整组合,每种组合用整数来唯一标示,于是就有了下表

ieee-802-11n-ac-modulation-coding-schemes

至于802.11ax暂时作为上面的补充,添加了MCS10,11

TNEXT 802.11ax速率表

回到最开始的问题

把本文最开始的OpenWrt的截图中的VHT-MCS 9对应过来就可以很方便的查到是866.7Mbps的速率

对于斐讯K3的5G速率可以由 256-QAM 4ss 80MHz SGI来计算1024QAM的速率,即由8bit到10bit,增加25%的速率,大约2100Mbps

144Mbps的由来,可以在Spatial Streams = 2的几行中找到对应的HT20-MCS 15 SGI以及VHT20-MCS 7 SGI,也就是说两种都有可能,后面我还是拿专业点的软件测试了下,确实是5G的WiFi,参考下表就有该5G WiFi不符合WiFi 5的标准,降为WiFi 4情有可原,只是后面那个802.11n就有些尴尬了

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学校的AP是双频的,因为AP数量比较多,组网的时候几乎全频段都有,所以每个频段的频宽都设置的比较低以避免互相干扰,144Mpbs的协商速率对单设备限制50Mbps的情况足够了

另外有了上面的一些基础概念之后,方便选择合适的路由器和网卡,尤其是在当前这个向WiFi 6 过渡的阶段

WiFi 6的新特性

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▲802.11ax技术构成模块示意图

TP-LINK的官网已经有比较简洁美观的介绍了,本文就接着上文提到的部分加以延伸

MU-MIMO

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

802.11ax设备借鉴了802.11ac的部署经验,将使用波束成形技术同步将数据包发送至不同空间的用户。 换言之,AP会计算每个用户的信道矩阵,并同时将波束导向不同的用户——每路波束包含针对其目标用户的特定数据包。 802.11ax一次可支持8个多用户MIMO传输包的发送,而802.11ac一次可支持4个MIMO数据包。 而且,每次MU-MIMO传输都可能有自己的调制和解码集(MCS)和不同数量的空间串流。 以此类推,当使用MU-MIMO空间复用时,接入点会与以太网交换机进行比较,将冲突域从大型计算机网络缩小至单个端口。

作为MU-MIMO上行方向的新增功能,AP将通过一个触发帧从每个STA发起上行同步传输。 当多个用户及其数据包同时响应时,AP将信道矩阵应用于所接收的波束并将每个上行波束包含的信息分开, 同时它还可能发起上行多用户传输,从而接收来自所有参与STA的波束形成反馈信息

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至于MU-MIMO的实际情况可以参考有关的测试:ACWIFI

OFDMA

802.11ax无线电可以利用正交频分多址(OFDMA) ,其是OFDM数字调制技术的多用户版本。OFDMA将信道细分为较小的频率分配,称为资源单元(RU)。

OFDM和OFDMA都通过称为逆快速傅立叶变换(IFFT)的数学函数将信道划分为子载波。子载波的间隔是正交的,因此尽管它们之间缺少保护带,它们也不会相互干扰。

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通过细分信道,可以同时发生小帧到多个用户的并行传输。每个资源单元内的数据和导频子载波在OFDMA信道内都是相邻且连续的

802.11 OFDMA

802.11ax引入了更长的12.8μs的OFDM符号时间,这是传统符号时间3.2μs的四倍。子载波间隔等于符号时间的倒数。由于符号时间较长,子载波大小和间隔从312.5KHz降低到78.125KHz。窄子载波间隔允许更好的均衡并因此增强信道鲁棒性。

上面提到的OFDMA规格对理论速率提升约为10%

MU-OFDMA

802.11ax标准借鉴4G蜂窝技术的技术进步,在相同信道带宽中服务更多用户的另一技术是: 正交频分多址(OFDMA)。 基于802.11ac已经使用的现有正交频分多路复用(OFDM)数字调制方案,802.11ax标准进一步将特定的子载波集分配给个体用户, 即,它将现有的802.11信道(20、40、80和160MHz频宽)分为带有预定义数量的副载波的更小子信道。 802.11ax标准还借用现代LTE术语,将最小子信道称为资源单元(RU),最少包含26个副载波。

密集用户环境下,许多用户通常无力争夺信道的使用机会,现在正交频分多址使用更小巧——但更具专用性的子信道同时服务多个用户,因此提升了每个用户的平均数据吞吐量。 802.11ax系统可能通过不同的资源单元规模实现信道的多路复用。注意,对于每20MHz带宽,信道的最小部分可容纳9个用户

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AP依据多个用户的通信需求决定如何分配信道,始终在下行方向分配所有可用的资源单元。 它可能一次将整个信道仅分配给一个用户——与802.11ac当前功能相同——或者它可能对其进行分区,以便同时服务多个用户。

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BSS Color

BBS(Base Service Station) Color, 基于色码的空间复用,为了改善密集部署场景中的系统层级性能以及频谱资源的使用效率,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,并根据这项信息来做出媒体竞争和干扰管理决策。

这部分和速率关系不大

信号质量与无线速率

信号的衡量标准

一般我们都会有个信号强弱的标准,比如常用的WiFi和Cellular的Icon上被填满的图标面积,然而打开一些调试工具看到的是dbm这个单位,例如在OpenWrt的Wireless详情中有: Tx-Power: 23 dBm Signal: -64 dBm | Noise: 0 dBm Tx-Power指的是路由器信号的发射功率,无线功率一般以mw为单位,但是因为WiFi信号的能量通常为mw级,因此业界将WIFI信号大小表示为与1mw的强度比,用dbm来表示,对应关系是 \(signal=10log(\frac{P}{1mw})\) 这就有个非常方便的计算方式:

降低3dBm,是指信号强度降低到原先的1/2(二分之一)。

降低10dBm,是指信号强度降低到原先的1/10(十分之一)。

降低30dBm,是指信号强度降低到原先的1/1000(千分之一)。

有了这个之后,可以对信号的强度做一个大致的判断: 下图来自RSSI等级和信号强度

使用上图来源的网站提供的软件可以绘制出一个大致的信号强度分布图,可以参考来的调整AP的位置

除了dbm表示无线的收发功率之外,还要考虑到信道中的信噪比(SNR),噪声也可以使用dbm为单位,所以计算dbm为SNR单位的时候把二者相减即可

与无线速率的关系

首先是会影响到协商速率,在发射端的信号到接收端,中间存在衰减和损失,其对通信的影响就是会产生高误码率,故为了达到可靠通信的需求需要采取高纠错性能的编码和调制方式,也就是影响到MCS,进而影响到协商速率和实际传输速率,而调整的标准就看设备的厂商的调教了

应用

有了上述的铺垫,就有了一些改善无线网络质量的途径,但是最重要的还是认清现实,理性对待

频段

因为某一个频段内的信道容量有限,在拥挤的时候噪声也多,故在选择频段的时候,尽可能的避开当前区域拥挤的信道,可以使用路由器的无线桥接功能(wireless scan)工具,查看路由器附近的信道占用的情况,或者用Netspot工具检测当前区域网络情况

特别说明的是2.4G频段已经相当的拥挤了,对于有高可靠性网络环境要求的情况,建议还是网线或者使用5G频段

提高发射功率

这里可以说是个经验上的技巧,首先,路由器的发射功率是受到国家标准的严格限制的,但是对于某些可以切换无线地区的路由器来说,可以通过该途径来提高发射功率,或者使用某些频段进而提高发射功率

使用高增益的天线,使用内置信号放大器的AP也是同样的逻辑

增加AP

Mesh,信号放大器,主路由+AP,无线漫游都是类似的途径,高端的设备往往配备了更好的硬件和算法,这点也是毋庸置疑的

参考

802.11 WiFi协议浅析

802.11ax高效率无线标准介绍-National Instruments

第七代无线技术802.11ax详解

02.11ax 11ac 11n WiFi全速率表

简说各种wifi无线协议的传输速率

IEEE 802.11理论速率计算