看懂WiFi規格的奧義，讓你秒變無線路由器導購磚家！

本文作者：cloud_kim

家用WiFi設備如何選擇？你問我幹啥？應該問你自己啊！

歡迎來到「Kim工房」，今天來科普重新命名的WiFi規格世代，並談談次世代的802.11ax有何過人之處。

2018年10月，Wi-Fi聯盟（Wi-Fi Alliance）借著推廣802.11ax新標準的機會，正式對WiFi規格世代進行重新命名。主流標準802.11n改名WiFi 4，主流標準802.11ac改名WiFi 5，新標準802.11ax改名WiFi 6。不要問前三代標準去哪兒，既然都是過去式，相逢何必曾相識。

誠然，WiFi標準啟用全新命名系統，確實能在一定程度上讓WiFi規格的新舊與高低更直觀更友好，不過也只是在一定程度上而已。WiFi規格的高低不完全由世代決定，它還受多重技術因素的影響，因此有必要再科普一把，順便解讀一下WiFi 6到底溜不溜？

友情提醒：本文純粹講道理，不推薦任何產品，授人以魚很簡單，但Kim較瘦偏偏不走尋常路，就是要授之以漁。至於家用WiFi產品究竟如何選擇，本期課程結束後，請你來告訴我！

本文概況：

〇、WiFi溜不溜

一、協議

二、調製

三、頻寬&頻段

四、空間流

五、WiFi速率演算法

六、OFDMA

尾巴、終端才是王道

全文8000字，圖片24張。

〇、WiFi溜不溜

所謂WiFi，就是基於IEEE 802.11標準的，用於無線區域網（WLAN）的通信技術。

講真，直到今天才知道WiFi已經發展到第六代，之前那堆亂七八糟的802.11命名序列顯然不是面向普通消費者，撇開非主流的11ad和11ah不談，光是下列主流標準就足夠讓人懵逼。

802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax……

當前WiFi主流標準是11ac，但它只支持5GHz頻段，因此11n仍是2.4GHz頻段下的另一股主流。2017年8月，新標準11ax隨華碩新品RT-AX88U一同步入消費視野，然而這款次世代無線路由並未即時發售，而是在一年之後被再次發布，實在耐人尋味。

事實上，華碩（ASUS）對待11ax的態度非常超前，家用無線路由的另外兩位大佬，網件（NETGEAR）與領勢（LINKSYS）明顯要謹慎得多，至今仍未發布相關產品，甚至吹起押注11ad的非主流風向，難道血統正宗的WiFi 6就這麼不被業界看好？

至少Wi-Fi聯盟還是樂觀的，根據他家最新調研報告預測，2018年度全球WiFi相關產業的（直接與間接）經濟價值高達2萬億美元，到2023年更有望增長至3.5萬億美元！其中，美英法德日韓是全球WiFi最發達（財）的國家。

（較瘦，你車速太快，都跑題了……）

咳咳，先來看看華碩次世代無線路由的WiFi規格，參數信息還算直觀清晰，簡單說RT-AX88U是一款AX6000無線路由器，支持4空間流，11ax協議下2.4G理論帶寬1148Mbps、5G理論帶寬4804Mbps，兩個數值累加為5952，向上取整即6000，因此叫AX6000。

同理，隔壁網件家的無線路由也是這麼標定，旗艦款R9000是AD7200規格，即AD4600＋AC1733＋N800，再向上取整。

老實說，目前家用WiFi市場直接採用各頻段理論帶寬累加值來標定WiFi規格的方式，簡單粗暴且極不嚴謹，因為單從累加值無法直觀透視它分解後的帶寬構成，普通消費者光憑累加值根本無法判斷設備規格的高低。關於這個問題，Kim較瘦早在去年就吐槽過，詳見前期課程《紙上談兵系列 @ 篇一：如何選無線路由器》，此處不再贅述。

那麼本期課程的問題來啦……

1148、4804、1625、1733，理論帶寬的數值並不太工整，既然商家喜歡向上取整，為何不直接把帶寬做成整數？為什麼非要是1148？1150或者1200行不行？

眼尖的同學應該有留意，華碩RT-AX88U的5G頻段下，11ax理論帶寬為4804Mbps，而11ac也能跑到4333Mbps呀，號稱次世代的11ax就這麼點能耐？

帶著上述疑問，請系好安全帶，接下來Kim較瘦將全方位解讀WiFi規格的奧秘。協議、調製、頻寬&頻段、空間流、OFDMA、WiFi 4、WiFi 5、WiFi 6，真相只有一個！

一、協議

先從開篇的WiFi規格世代談起，所謂的WiFi 4－5－6就是IEEE 802.11規範里的若干標準或協議。不管11n、11ac還是11ax，每套標準都由若干技術、規格與功能組成，並形成統一的行業規範，從而確保設備的兼容性與一致性。

WiFi 4

802.11n誕生於2009年，它憑藉40MHz頻寬與MIMO黑科技，將WiFi理論帶寬從11a/g的54Mbps飆升至600Mbps（150Mbps×4條空間流），而且11n同時支持2.4G/5G頻段，最終完美取代舊標準，從此一統江湖。

WiFi 5

802.11ac誕生於2013年，最初版本（Wave 1）憑藉80MHz頻寬與256QAM調製，將WiFi單流帶寬提升至433Mbps；2016年第二版（Wave 2）借鑒部分11ax的特性，將頻寬再次翻倍到160MHz，更帶來噱頭十足（然並卵）的MU-MIMO，不過此MU-MIMO並非完整版，它只支持下行多終端並行傳輸，而且使用局限性較大（只有同一信道下的所有終端都兼容MU-MIMO的情況下，MU-MIMO機制才會生效！）。

儘管11ac理論上支持8條空間流，但在家用WiFi市場基本只做到4×4（80MHz）或2×2（160MHz），即理論帶寬為1733Mbps，距離11ac極限帶寬（6.9Gbps）差很大，但仍足以將WiFi帶寬提升到千兆，與家用有線網路平級。

值得注意的是，11ac僅支持5G頻段，在技術上無法完全取代支持2.4G頻段的11n，因此所謂的WiFi 4與WiFi 5其實是基友關係（平行標準），Wi-Fi聯盟將它們定義為迭代關係，多少有些不夠嚴謹。

WiFi 6

嚴格來說，802.11ax還在娘胎，預產期2018年底或2019年初，不過它絕大部分技術規範均已公開。單從理論帶寬來看，11ax似乎乏善可陳，例行更新的1024QAM調製並沒有帶來突飛猛進的單流帶寬，極限帶寬（1.2×8＝9.6Gbps）僅比11ac（6.9Gbps）提高40%左右。

好消息是，11ax同時支持2.4G/5G頻段，是真正意義上的第六代WiFi標準，勢必取代11n與11ac，重新一統江湖。

天大好消息是，11ax帶來完整版MU-MIMO，支持8個終端上行/下行MU-MIMO，同時引入OFDMA黑科技，實現與MU-MIMO互補的另外一種並行傳輸能力，而且比MU-MIMO更靈活更實用。

二、調製

從WiFi協議迭代歷程不難看出，對單流帶寬影響最大的，一個是調製，一個是頻寬。所謂調製，就是將電信號轉換為無線電波的過程，反之則稱為解調，其核心技術是調製方式，調製方式越高階，轉換過程中數據密度就越高。

根據802.11的標準協議，11n最高支持64QAM，11ac最高256QAM，11ax最高1024QAM，不過某些晶元/設備廠家，將高階調製技術移植到低級協議中，使得11n協議也能支持256QAM甚至1024QAM，從而讓單流帶寬從150Mbps提升到200Mbps甚至250Mbps。同理，前述華碩RT-AX88U在「11ac協議＋160MHz頻段＋4空間流」的情況下，居然能跑到4333Mbps，正是依賴1024QAM在11ac協議上的非標拓展。

調製方式決定無線信號子載波單個符號的數據密度，折算方法很簡單，QAM數值是2的N次方，對應的符號位長就是N。因此，64QAM符號位長6bit，表示一次可傳輸6bit的數據，256QAM符號位長8bit，1024QAM符號位長自然就是10bit。這就是11n的單流帶寬從150Mbps提升至200Mbps甚至250Mbps的奧秘。

為保證數據傳輸的完整性，在調製過程中需要插入一些冗餘數據用於糾錯校驗，因此有個碼率的概念，它以分數形式來體現每次傳輸時有效數據的佔比。例如，1/2表示只有一半是有效數據，另一半是冗餘數據；5/6表示5/6是有效數據，1/6是冗餘數據。

將調製方式與碼率組合起來，就得到一張神奇的MCS（Modulation and Coding Scheme）策略表，WiFi設備的實際連接速率，其實就是在這張表裡動態自適應選擇的。當無線信號強勁時，MCS會盡量選擇高階組合（高bit+低冗餘），當無線信號羸弱時，MCS會盡量選擇低階組合（低bit+高冗餘）。趕緊看看你手頭的終端，WiFi速率是不是在特定數值之間動態切換（飄來飄去）？

這是為什麼呢？魚與熊掌的老問題。

隨著數據密度的提升，數字調製的抗干擾能力卻在下降，這就對無線信號的質量提出更高的要求。回到之前的MCS策略表，WiFi速率自適應的原理就這麼簡單，協議與頻寬確定的情況下，終端與AP距離越近遮擋越少，WiFi信號質量就越好，MCS就會自動選擇高階組合，數據密度與碼率就越高，WiFi速率自然就越高。

值得注意的是，整個MCS動態選擇機制完全由WiFi設備根據當前信號質量自行評估並選擇，不需要也不可能由用戶來控制。比如在無線信號較差的情況下，你願意接受丟包來換取更高的WiFi空口速率，不好意思，802.11不同意。

PS：本文所談及的單流帶寬與理論帶寬，均指MCS最高階情況下的WiFi速率，即極限空口速率，與無線信號質量無關，特此聲明。

三、頻寬&頻段

與幕後默默奉獻的MCS策略不同，頻寬更為消費者所熟知，因為它本身就是WiFi設備的核心設置選項之一。無論2.4G還是5G頻段，最小信道都是20MHz的帶寬，簡稱頻寬，兩個相鄰小信道可聚合成一個大信道，此時傳輸帶寬翻倍，以此類推促成WiFi單流帶寬成倍增長。

無線電波在信道內以幀的形式傳輸，每一幀又由若干子載波組成，子載波的數量直接反映傳輸帶寬的高低。以11n/ac為例，20MHz信道支持64個子載波，扣掉抗擾子載波與導頻子載波後，實際用於數據傳輸的子載波為52個，而40MHz信道的數據子載波為108個，是前者的2.08倍（並非工整的兩倍）。

有意思的是，11ax在20MHz的數據子載波數量「暴增」至234個，莫非有何黑科技？這就要從幀傳輸周期談起……

在11n/ac標準中，每一幀是發送3.2微秒，再停止0.4微秒（即幀間隔，Guard Interval），接著繼續發下一幀，那麼每一幀的傳輸周期是3.6微秒。

11ax標準將幀結構重新設計，單幀容量增至原來的四倍（即256個子載波/20MHz），幀發送時長自然也是原來的四倍（12.8微秒），不過幀間隔僅為原來的兩倍（0.8微秒），即每一幀的傳輸周期是13.6微秒。

因此，沒有所謂黑科技，11ax不過是利用接近4倍的傳輸周期，發送略高於4倍的數據子載波數量，整體的效率提升大約10%多一點，僅此而已。

誠然，頻寬越大，單幀發送的數據子載波就越多，WiFi速率就越高，但仍離不開魚與熊掌的問題。頻寬越大，WiFi信號質量越差，覆蓋能力越弱，兼容性也不理想。所以，通常無線路由器或AP上都有頻寬設置選項，由用戶根據終端與應用情況自行取捨。

那麼問題來啦，頻段跟WiFi帶寬又是什麼關係？5G頻段一定比2.4G頻段更快么？

事實上，頻段跟帶寬並無直接關聯，之所以5G頻段的理論帶寬遠高於2.4G頻段，僅僅緣於頻譜分配上的先天優勢，5G頻段中用於WiFi傳輸的頻譜比2.4G寬很多，因此窮孩子2.4G頻段最高只能聚合出40MHz頻寬，而富二代5G頻段可以輕鬆上80MHz甚至160MHz頻寬。

假設兩者站在同一起跑線，即相同協議、相同MCS範圍、相同頻寬、相同空間流的情況下，2.4G與5G頻段下的理論帶寬其實一樣樣！再考慮到5G頻段在傳輸距離與越障能力方面的劣勢，實際的WiFi速率還不如2.4G頻段……

四、空間流

空間流（Spatial Stream）源於MIMO技術，即多天線同步收發，通常以I×O來標識接收/發送的天線數，兩者可以是任意比例，不過在WiFi設備里基本是收發對等，例如2×2或4×4，即2條空間流（2SS）或4條空間流（4SS）。因此，在單流帶寬確定的情況下，WiFi設備的理論帶寬＝單流帶寬×空間流數。

注意空間流是在設備兩端就低適配的，無論4×4的無線路由器搭配2×2的終端，還是2×2的無線路由器搭配4×4的終端，實際運行的空間流都是2條。

既然空間流多多益善，而且早在11ac標準就已經支持8條空間流，為何家用無線路由器最高卻只到4×4規格？因為終端跟不上，目前絕大多數的智能手機或平板電腦最高只到2×2，台式機或筆記本基本也是2×2，只有極少數發燒級電腦才會配置3×3甚至4×4的無線網卡。道理很簡單，天線越多，功耗越大，而移動終端最緊張的永遠是電量……

五、WiFi速率演算法

回到本期課程的第一大問題：

1148、4804、1625、1733，理論帶寬的數值並不太工整，既然商家喜歡向上取整，為何不直接把帶寬做成整數？為什麼非要是1148？1150或者1200行不行？

WiFi設備的理論帶寬不工整，是緣於單流帶寬本身就不工整，簡單歸納一下，近三代標準在不同調製&頻寬情況下的單流帶寬是這樣滴，基本乘上個二三四，就是你所熟悉的理論帶寬。

事實上，WiFi理論帶寬的計算公式遠比你想像中簡單，所有關鍵因素均已在前篇科普，並有明確的取值範圍，只需根據WiFi技術規格選取相應的數值，丟進公式掐指一算即可。

符號位長，由MCS策略表裡的調製方式決定，64QAM是6bit，256QAM是8bit，1024QAM是10bit。

子載波數，特指數據子載波數，由協議&頻寬決定，11n/ac與11ax的幀結構不同，子載波數基本與頻寬成正比。

碼率，由MCS策略表決定，與調製方式有一定關聯，對於高階調製（64/256/1024QAM）碼率都取5/6。

傳輸周期，由協議決定，11n/ac按3.6微秒（3.2＋0.4）取值，11ax按13.6微秒（12.8＋0.8）取值。

空間流數，由WiFi設備的天線數決定，通常會在參數中標識，取值範圍是1~4之間的整數。

接下來舉幾顆栗子，看看理論帶寬的計算過程有多稀鬆……

常見的三流設備規格，11ac是1300Mbps，再加上11n的450Mbps（標準64QAM）或600Mbps（非標256QAM），就是AC1750或AC1900設備。

常見的四流頂配設備，11ac是2167Mbps，假設是雙5G頻段（即2167Mbps＋2167Mbps），再加上11n的1000Mbps（非標1024QAM），就是奢華的AC5300設備。

猶抱琵琶半遮面的四流160MHz次世代設備，11ax（5G頻段）是4804Mbps，再加上11ax（2.4G頻段）的1148Mbps（287×4），就是開篇的華碩AX6000設備。

六、OFDMA

回到本期課程的第二大問題：

眼尖的同學應該有留意，華碩RT-AX88U的5G頻段下，11ax理論帶寬為4804Mbps，而11ac也能跑到4333Mbps呀，號稱次世代的11ax就這麼點能耐？

承前所述，單純從規格上看，11ax相比當紅的11ac＋11n非標搭檔並沒有明顯優勢……

2.4G頻段：非標11n單流帶寬也能跑到250Mbps，與11ax的287Mbps沒差多少，短期內WiFi終端最高就4條空間流，根本拉不開差距。

5G頻段：非標11ac單流帶寬1083Mbps，同樣緊跟11ax的1201Mbps，而且大家都支持8條空間流，就算多戰幾個回合，11ac仍有還手之力。

並行傳輸：11ac也有乞丐版MU-MIMO，11ax不就滿血MU-MIMO么，有啥特別的，咦，這個OFDMA是什麼鬼？

為什麼要引入並行傳輸？這得從MIMO談起……

嚴格來說，原有的MIMO也叫SU-MIMO（即單用戶MIMO），雖然它支持多天線同步傳輸，但在同一信道&同一時刻，無線路由器只能與一個終端通信，即串列傳輸。

假設路由器支持4條空間流，在信道149（5G頻段）下掛三台終端，分別是2×2的筆記本電腦、1×1的手機A和1×1的手機B，那麼在某一時刻，路由器只能三選一來通信，如果選中筆記本，那麼其他終端就要排隊，即使2×2筆記本只佔用4條空間流中的2條，剩餘2條也沒法分配給兩台手機。

於是MU-MIMO（即多用戶MIMO）應運而生，它在SU-MIMO的基礎上，增加多終端同步傳輸機制，從而提高空間流的利用率。還是之前的例子，在支持MU-MIMO的情況下，4條空間流恰好滿足三台終端同時傳輸而且不會降速，高端路由器終於物盡其用。

然而，MU-MIMO並不完美，它的運行狀態不夠穩定，很容易受終端影響。還是之前的例子，4條空間流只能滿足合計4SS的終端完美跑MU-MIMO，基本就是下面這五種組合，頂多支持四台終端。一旦終端數量超過4台，就要排隊；一旦合計負載超過4SS，就要降速。

下面掌聲有請，11ax真正的黑科技OFDMA，壓軸登場！

長久以來，WiFi一直採用OFDM作為核心傳輸方案，11ax在OFDM的基礎上加入多址（即多用戶）技術，從而演進成OFDMA。簡單說，OFDMA將幀結構重新設計，細分成若干資源單元（RU），從而為多個用戶服務。

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），正交頻分多址。

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），正交頻分復用。

以20MHz信道為例，在OFDM方案（即11n/ac）里每一幀由52個數據子載波組成，這組子載波只能為一個終端服務，如果該終端傳輸的數據包較小（聊天消息），根本就裝不滿52個子載波，那麼空載的子載波也無法分配給其他終端。

在OFDMA方案（即11ax）里每一幀由234個數據子載波組成，但在幀內進行二次分組，每26個子載波定義為一個RU（Resource Unit，資源單元），每個RU可以為一個終端服務，那麼每一幀就被分成9份，可以同時為9個用戶服務！

用卡車拉貨來解釋更直觀，OFDM方案是按訂單發車，不管貨物多少，來一單發一趟，哪怕車廂空蕩蕩；OFDMA方案會將多個訂單聚合起來，盡量讓卡車滿載上路，使得運輸效率大大提升。

看到這裡，你可能會以為OFDMA跟MU-MIMO差不多呢，其實差很大。儘管兩者均為並行傳輸解決方案，但既不是迭代關係，也不是競爭關係，而是互補關係。它們的技術原理不盡相同，適用的場景也有所區別，具體視服務的應用類型而定。

OFDMA：適用於小數據包的並行傳輸，提升單空間流的信道利用率與傳輸效率，減少應用延遲與用戶排隊。運行狀態穩定，不容易受終端影響。

MU-MIMO：適用於大數據包的並行傳輸，提升多空間流的利用率與系統容量，提高單用戶的有效帶寬，同樣能減少時延。運行狀態不夠穩定，很容易受終端影響。

好消息是，兩種方案不衝突，甚至可以疊加，用戶無需操心並行傳輸背後的運行機制，唯一的感受就是，再多的終端網路也不卡頓！

壞消息是，兩種方案都需要WiFi設備的支持，而且只有同一信道下的所有終端都支持11ax的情況下，並行傳輸的運行狀態才是完美的，否則效果會嚴重打折，打骨折。

尾巴、終端才是王道

誠然，11ax的新特性遠不止於此，考慮到課堂時間有限（估計你們也快睡著），暫時就到這裡吧。前五代WiFi標準的發展，主要致力於無線帶寬的提升，當WiFi帶寬追平有線網路後，WiFi標準開始橫向發展，次世代的11ax著重改善多終端的用戶體驗。

回到開篇的命題，家用WiFi設備如何選擇？一句話：終端決定一切。

從WiFi規格的迭代歷程不難看出，真正的瓶頸並不在無線路由器或AP上，而是你手頭的終端。路由器的規格再高，終端不行也白搭，理論上高端路由器確實能帶更多的終端，前提是你的終端全得支持MU-MIMO或OFDMA，問題是你有么？

講道理，家用WiFi設備的選購從來就不是技術活，而是量體裁衣的藝術活，僅當路由器/AP與終端之間門當戶對時，才是物盡其用的最佳拍檔，至於多出來的性能與功能，真的只是擺設。

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