第六代Wi-Fi協議的前世今生
引言
近日，英特爾宣布：將從今年（2018年）開始添加對802.11ax的支持，包括路由晶元和消費級零售產品。其實早在去年，通信行業巨頭博通就發布了三款支持802.11ax的晶元BCM43684/43694/4375，高通也宣布了IPQ8074/QCA6290。至此，三家晶元巨頭都表明了對802.11ax協議的支持，802.11ax也終於是坐穩了第六代Wi-Fi協議的位置了。
本文將介紹歷代Wi-Fi協議，按照順序依次為802.11a/b/g/n/ac/ax，本文旨在讓不了解Wi-Fi協議的讀者對其能有一個粗略的認識，並不涉及過深的專業知識，同時文章本身不短，閱讀耗時較長，請各位讀者耐心閱讀。
筆者注：802.11系列協議應用非常廣泛，協議本身也非常複雜龐大，本文只涉及上述的6種協議和802.11ad協議共計7種。
什麼是Wi-Fi？
既然是講Wi-Fi協議，那麼首先講的必然就應該是Wi-Fi了。Wi-Fi其實說白了就是一種讓包括電腦手機平板在內的電子設備能夠連接到一個無線網路的技術。但很多人都不知道的是，Wi-Fi本身是一個品牌或者說是商標，由Wi-Fi聯盟所持有。Wi-Fi聯盟的前身是1999年成立的無線乙太網兼容性聯盟WECA（Wireless Ethernet Compatibility Alliance）。而Wi-Fi聯盟一直在使用的這個802.11系列的無線通信協議標準，是由IEEE下屬的802.11工作組所制定的。
筆者注：電氣和電子工程師協會( IEEE，全稱是Institute of Electrical and Electronics Engineers)是一個國際性的電子技術與信息科學工程師的協會，是目前全球最大的非營利性專業技術學會，其會員人數超過40萬，遍布160多個國家。IEEE致力於電氣、電子、計算機工程和與科學有關的領域的開發和研究，在太空、計算機、電信、生物醫學、電力及消費性電子產品等領域已制定了900多個行業標準，現已發展成為具有較大影響力的國際學術組織。
看到這裡是不是覺得很懵？簡單來說就是由IEEE內的802.11工作組制定802.11系列標準，而Wi-Fi聯盟對使用802.11系列標準的設備進行認定，符合Wi-Fi聯盟的認定標準的設備就可以打上Wi-Fi的這個logo。
下面進入正文。
802.11——過於平庸的一代
二戰之後，世界科技進入迅猛發展時期，人們對於無線通訊的需要開始爆發性地增長，IEEE在20世紀90年代初成立了專門的802.11工作組，專門研究和定製WLAN（無線區域網）的標準協議，並在1997年6月推出了第一代WLAN協議——IEEE 802.11-1997。
筆者注：此處的802.11指的是IEEE制訂的第一代協議，並非是整個系列協議，在802.11之後的協議都加入了字母后綴來進行區分。
作為IEEE最初制定的一個無線區域網標準，802.11協議定義了物理層工作在ISM的2.4G頻段，數據傳輸速率設計為2Mbps。很遺憾的是，由於它在傳輸速度和傳輸距離上的表現都不盡如人意，因此並未被大規模使用。
802.11a——生不逢時的一代
1999年.IEEE吸取了上一次的教訓，這一次就直接下了猛葯。在制定802.11a標準的時候，直接將頻段定在了5GHz（頻率越高最高傳輸速度越快），物理層的最高速率也隨之水漲船高到了54Mbps。相比前一代來說，不可謂不給力。但是，802.11a協議也並沒有被市場認可，相對來說表現的更出色的反而是幾乎和它同時制訂的802.11b協議。
儘管2003世界無線電通信會議讓802.11a在全球的應用變得更容易，不同的國家還是有不同的規定支持。美國和日本甚至都已經出現了相關規定對802.11a進行了認可，但是在其他地區，如歐盟卻因為標準的問題被禁止使用。再加上802.11a產品中5GHz的組件研製成功太慢，等其開始大規模推廣的時候，市場早已被大批的802.11b產品佔領，802.11a沒有被廣泛的採用。再加上802.11a的一些弱點，和一些地方的規定限制，使得它的使用範圍更窄了。
802.11b——奠定基礎的一代
802.11b協議可以說是802.11a是同胞兄弟了。但它本身卻是基於2.4GHz頻率，同時最大的傳輸速度相比802.11a來說也只有11Mbps。11Mbps的傳輸速率在現在看來肯定算不了什麼，但在2000年的時候，雖然不是翹楚，但也已經能夠滿足大部分人的需求了。更何況基於2.4GHz的802.11b在傳輸距離和穿牆能力上本來就比基於5GHz的802.11a協議要有優勢（高頻率波傳輸距離和穿牆能力較低頻率波差），加上當時802.11a的核心晶元研發進度緩慢，802.11b就此抓住了機會，佔領了市場，為日後稱霸天下打下了堅實的基礎。
802.11g——融合前人的一代
時間來到了2003年7月，IEEE制訂了第三代Wi-Fi標準：802.11g。（為什麼不是C呢？因為802.11協議還應用在其他的很多領域，有些字母被用了，就只能排到g了）
802.11g繼承了802.11b的2.4GHz頻段和802.11a的最高54Mbps傳輸速率。同時，它還使用了CCK技術後向兼容802.11b產品。此時開始，IEEE在制訂每一代新協議的時候都會將後向兼容考慮進去，畢竟換了新路由器舊手機就因為不支持新協議而連不上Wi-Fi這種情況誰都受不了。
說到這裡，就還要再提一下在802.11a和802.11g上都有使用到的一種技術：OFDM。
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復用技術，是由MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調製）發展而來的一種實現複雜度低、應用最廣的一種多載波傳輸方案。OFDM主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成並行的低速子數據流，調製到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端採用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ISI）。每個子信道上的信號帶寬小於信道的相關帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾，而且由於每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
上面這段很難理解？沒關係，看筆者打個比喻你們就懂了。
假設我們現在有很多車要從A地到B地，沒有使用OFDM技術之前，路是一條路，所有的車四處亂開，橫衝直撞，結果誰都快不了。現在使用了OFDM技術，將一條大路劃分為很多個車道，大家都按照車道駕駛，這樣既可以提高速度，又能減少車與車之間的干擾。同時這條道的車多了，就勻一點到那條車少的道上去，管理上也方便很多。
OFDM技術也因此被應用在之後的每一代Wi-Fi協議中。
802.11n——初露鋒芒的一代
如果說802.11b是奠定了整個帝國的基礎的一代，那麼802.11n一定是給帝國開疆擴土的一代。
時間繼續推進，這時的互聯網已經開始出現了在線圖片、視頻、流媒體等服務，而隨著YouTube、無線家庭媒體網關、企業VoIP Over WLAN等應用對WLAN技術提出了越來越高的帶寬要求，傳統技術802.11a/g已經無法支撐。用戶需求呼喚著全新一代WLAN接入技術。
2009年，IEEE宣布了新的802.11n標準。傳輸速率最高可達600Mbps。
但是，802.11n協議還是基於2.4GHz頻段，速度怎麼突然就快了這麼多呢？正所謂事出反常必有妖，而這背後的「妖」，就是MIMO、波束成形和40Mhz綁定。
MIMO
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的中文名稱為多輸入多輸出技術，是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。
MIMO技術最早是由馬可尼於1908年提出的，它利用發射端的多個天線各自獨立發送信號，同時在接收端用多個天線接收並恢復原信息，就可以實現以更小的代價達到更高的用戶速率。MIMO可大大提高網路傳輸速率、覆蓋範圍和性能。當基於MIMO而同時傳遞多條獨立空間流時，系統的吞吐量可成倍地提高。
簡單來說，MIMO技術就是在信號的發射源和接收源都安裝了多個天線，通過堆天線的方式來實現更高的傳輸速率，因此現在的買路由器看天線數量這一個說話雖然不可靠，但也不是沒有歷史淵源的。
通過MIMO傳遞多條空間流（圖片來自網路）
MIMO系統支持空間流的數量取決於發送天線和接收天線的最小值。如發送天線數量為3,而接收天線數量為2，則支持的空間流為2。MIMO/SDM系統一般用「發射天線數量×接收天線數量」表示。如上圖為2*2 MIMO/SDM系統。顯然，增加天線可以提高MIMO支持的空間流數。但是綜合成本、實效等多方面因素，當時業界的WLAN AP都普遍採用3×3的模式。而現在的旗艦級路由器都輕鬆的堆到8×8或者更高。
圖為MIMO利用多徑傳輸數據（圖片來自網路）
波束成形
而至於波束成形技術，它本身並不是什麼新名詞，波束成形是天線技術與數字信號處理技術的結合，目的用於定向信號傳輸或接收。在20世紀60年代，波束成形技術就已經在軍事應用上得到了相當高的重視。
只不過，由於早年半導體技術還處在微米級，所以它沒有在民用通信中發揮到理想的狀態。
而發展到無線通訊階段，特別是應用在消費級產品中，信號傳輸距離和信道質量以及無線通信的抗干擾問題便成為瓶頸。提高傳輸速率是WLAN技術發展歷程的關鍵。802.11n主要是結合物理層和MAC層的優化，來充分提高WLAN技術的吞吐。此時，波束成形又有了用武之地。
波束成形技術的具體原理很複雜，筆者在這裡用圖片給大家簡單展示一下，波束成形就是將原本發散的波聚合，再往指定的方向發送，從而提高傳輸距離。
波束成形技術增加傳輸距離的示意圖（圖片來自網路）
但是波束成形技術固然能改善系統性能，增加接收距離，但同時也會增加設備成本和功耗。在多天線都處於連接的狀態下，即使在嚴重的衰落情況下，它提供的信號增益也可獲提高，但要求信號處理能力也要很強。所以，多天線帶來的問題是要求數據處理速度高，控制成本，並降低功耗。
40Mhz綁定
事實上，802.11n協議還使用了40Mhz綁定技術。這個技術最容易理解，對於無線技術來說，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。就好比是馬路變寬了，車輛的通行能力自然提高。傳統802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。
圖左為802.11a/g，圖右為802.11n
MCS
802.11n引進了如此多的新技術，導致它的速率也會因為配置方法不同而不同。在802.11a/b/g時代，配置AP工作的速率非常簡單，只要指定特定radio類型（802.11a/b/g）所使用的速率集，速率範圍從1Mbps到54Mbps，一共有12種可能的物理速率。到了802.11n時代，由於物理速率依賴於調製方法、編碼率、空間流數量、是否40MHz綁定等多個因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，將產生非常多的物理速率供選擇使用。
對此，IEEE直接推出了MCS (Modulation Coding Scheme)，MCS可以理解為將上述影響速率因素的完整組合，每種組合用整數來唯一標示。給每種情況標碼，然後直接看對應的MCS碼就可以知道準確的速率。
802.11n小結
總的來說，MIMO和40Mhz綁定技術使得傳輸速率大大提升，而波束成形則增大了傳輸距離。
802.11ac——鋒芒畢露的一代
隨著時代的繼續發展，人們身邊擁有著越來越多的無線設備，而2.4GHz這個頻段，因為本身的優越性，被各種協議使用（常見的藍牙4.0系列協議，無線鍵鼠等），已經變得擁擠不堪，IEEE此時就將新的第五代Wi-Fi協議制訂在了5GHz的頻段上。現在說的很多雙頻Wi-Fi，其實就是2.4GHz和5GHz的混合雙頻Wi-Fi，而這種路由器常見的四天線設計，一般都是兩根天線基於2.4GHz，兩根基於5GHz。
802.11ac在提供良好的後向兼容性的同時，把每個通道的工作頻寬將由802.11n的40MHz，提升到80MHz甚至是160MHz，再加上大約10%的實際頻率調製效率提升，最終理論傳輸速度將由802.11n最高的600Mbps躍升至1Gbps。當然，實際傳輸率可能在300Mbps～400Mbps之間，接近目前802.11n實際傳輸率的3倍（目前802.11n無線路由器的實際傳輸率為75Mbps～150Mbps之間），完全足以在一條信道上同時傳輸多路壓縮視頻流。
MU-MIMO
實際上，802.11ac協議還分為wave1和wave2兩個階段，兩者的主要區別就在於後者提升多用戶數據並發處理能力和網路效率。而這背後的功臣，就非MU-MIMO莫屬了。
前面已經跟大家介紹過了，IEEE在802.11n協議時代就引入了MIMO技術，而MU-MIMO技術可以理解為它的升級版或者是多用戶版本。
為什麼這麼說呢？看下面的圖片大家就明白了。
高通官方展示MU-MIMO技術所用的圖片
MU-MIMO是Multi-User Multiple-Input Multiple-Output（多用戶-多輸入多輸出）的英文縮寫。顧名思義，MU-MIMO能讓路由器同時和多個設備進行溝通，這極大的改善了網路資源利用率。
通俗來說，以前在802.11n上面的MIMO只能說是SU-MIMO（Single-User），傳統的SU-MIMO路由器信號呈現一個圓環，以路由器圓心，呈360度向外發射信號，並依據遠近親疏，依次單獨與上網設備進行通訊。當接入的設備過多時，就會出現設備等待通訊的情況，網路卡頓的情況就由此產生；更為嚴重的是，這種依次單獨的通訊，是基於設備對AP（路由器或熱點等）總頻寬的平均值。也就是說，如果擁有100MHz的頻寬，按照「一次只能服務一個」的原理，在有3個設備同時接入網路的情況下，每個設備只能得到約33.3MHz頻寬，另外的66.6MHz則處於閑置狀態。即在同一個Wi-Fi區域內，連接設備越多寬頻被平均得越小，浪費的資源越多，網速也就越慢。
圖為SU-MIMO（左）和MU-MIMO（右）的對比
MU-MIMO路由器則不同，MU-MIMO路由的信號在時域、頻域、空域三個維度上分成三部分，就像是同時發出三個不同的信號，能夠同時與三部設備協同工作；尤其值得一提的是，由於三個信號互不干擾，因此每台設備得到的頻寬資源並沒有打折扣，資源得到最大化的利用，從路由器角度衡量，數據傳輸速率提高了3倍，改善了網路資源利用率，從而確保Wi-Fi無間斷連接。
MU-MIMO技術就賦予了路由器並行處理的能力，讓它能夠同時為多台設備傳輸數據，極大地改善了網路擁堵的情況。在今天這種無線聯網設備數量爆髮式增長的時代，它是比單純提高速率更有實際意義的。
世界上首台支持MU-MIMO的路由器是Linksys EA8500於2015年發布，採用的是全高通的MU-MIMO解決方案（Qualcomm MU | EFX）。現在MU-MIMO已經是旗艦級路由器的標配了，而那些寫著ac雙頻路由器卻不支持MU-MIMO技術的，都只能算是殘缺的ac雙頻路由器或者是ac wave1階段的路由器。
這裡放一張到ac為止各代協議的主要參數對比圖（圖片來自網路）：
802.11ad——先天不足的一代
在確定第六代的Wi-Fi協議標準的時候，有一段時間，大家都認為會是802.11ad協議，說這個名字大家可以不太熟悉，它另一個名字叫WiGig。
相比我們熟知的802.11n（工作在2.4GHz和5GHz頻段）和802.11ac（工作在5GHz頻段），802.11ad則是工作在60GHz頻段，且無線傳輸速率可高達7Gbps！當然，802.11ac標準也可以通過堆BUFF（8x8 MIMO、256 QAM調製和信道綁定4個40 MHz信道）達到7Gbps的理論無線傳輸速率；但是，11ad達到7Gbps的速度，僅需通過一個空間流、64QAM調製和單個信道即可實現。此外，802.11ad還在容量、功耗和延遲方面有著11ac無法比擬的優勢，特別是在延遲方面，其延遲通常僅有10微秒，堪比有線!
但可惜，802.11ad協議有著它的先天不足——60GHz，這麼高的頻率註定它的傳輸距離和穿牆能力弱到不堪一擊，而在一些知名評測媒體的評測中，人們驚人地發現只需要一個紙皮箱就能隔絕802.11ad協議路由器的信號。真是可謂成也蕭何，敗也蕭何。
802.11ax——肩負使命的一代
802.11ax協議基於2.4GHz和5GHz兩個頻段，對，就是兩個頻段，並非是ac雙頻路由器那樣不同的頻段對應不同的協議，ax協議本身就支持兩個頻段。這顯然迎合了當下物聯網、智能家居等發展潮流。對於一些對帶寬需要不高的智能家居設備，可以使用2.4GHz頻段去連接，保證足夠的傳輸距離，而對於需要高速傳輸的設備，就使用5GHz頻段。這看起來和現在的ac雙頻路由器是一樣的，但實際上，ax作為第六代Wi-Fi協議的扛把子，可不只這兩把刷子。
802.11ax又被稱為「高效率無線標準」（High-Efficiency Wireless，HEW），將大幅度提升用戶密集環境中的每位用戶的平均傳輸率，即在高密環境下為更多用戶提供一致且穩定的數據流（平均傳輸率），將有效減少網路擁塞、大幅提升無線速度與覆蓋範圍。其實，設計802.11ax的首要目的是解決網路容量問題，因為隨著公共Wi-Fi的普及，網路容量問題已成為機場、體育賽事和校園等密集環境中的一個大問題。
此處要介紹兩個新技術，上行MU-MIMO和OFDMA。
上行MU-MIMO
MU-MIMO技術在前面已經提到過，802.11ac協議中的MU-MIMO技術只是單純的下行MU-MIMO，只有在路由器給設備傳輸數據的時候才可以用，而如今隨著智能設備的發展，人們對於上行速率的要求也在提高，傳個超清視頻圖片什麼的已經是家常便飯了。上行MU-MIMO技術就是為此而生，改善了設備在向路由器傳輸數據時的擁堵情況，提高了網路資源利用率。
OFDMA
802.11ax與以前的無線區域網（WLAN）系統相比最大的變化在於其是採用了「正交頻分多址接入」（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）。
在OFDM系統中，用戶佔用了整個信道。隨著用戶數量的增多，用戶之間的數據請求會發生衝突，從而造成瓶頸，導致當這些用戶在請求數據（特別是在流式視頻等高帶寬應用中）時，服務質量較差。
而在OFDMA中，用戶僅在規定時間內佔用子載波的一個子集。OFDMA要求所有用戶同時傳輸，因此每個用戶都需要將其數據包緩衝為相同的規定比特數，這樣無論數據量有多少所有用戶都能在時間上保持一致。此外，OFDMA AP可根據用戶對帶寬的需求來動態地改變用戶所佔用頻譜的數量。例如，相比較對實時性能要求不高的電子郵件，流媒體視頻用戶需要更多子載波（頻譜）。
不理解的話我們看下圖：
用戶在ODFM中佔據整個信道，而在「正交頻分多址接入」(OFDMA)中不是
我們還是用回馬路開車的例子，假設現在有一條馬路有三條車道，現在有甲乙丙三個車隊要走這條路（每隊都要走一個小時，走前需要半個小時準備），如果按照一次走一個車隊的方法，甲乙丙依次走完需要四個半小時，而使用OFDMA技術，給他們一隊一條道，則只需要三個半小時，省下了一個小時的準備時間。OFDM和OFDMA在用戶數量少的時候差距可能不大，但是一旦用戶數量多了起來，差距可就不是一星半點了。
OFDMA一路走來，其實就是「從無到有，再從有到善用」的演變歷程。
802.11ax小結
實際上，802.11ax給WLAN連接帶來的提升遠不止此，其他的如更低的延遲、更精確的功耗控制等等也是不可忽略的一環。現在市面上使用802.11ax協議的產品並不是很多，只是零星的幾款，但是好在它的太子身份已經確定，登基只是早晚的問題。而按照目前的進度來看，筆者預計2019年802.11ax的產品就能實現不錯的普及率。
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