【路由知识小课堂】之三 无线速率的秘密（2018.1.4修订版）

目前，市面上的路由品牌、种类繁多，普通用户在选购时往往会有一些误区，如天线越多路由速率越高、信号越好、覆盖范围越大等等，造成的原因一是普通消费者缺乏相关知识，二是厂商或者店小二的忽悠。路由知识小课堂就是这么一个答疑解惑的科普类栏目。

前两期分别聊了下目前无线路由SoC芯片厂商和无线覆盖范围、穿墙能力，那这期继续来聊下WiFi的“秘密”。

当今社会，人民已越来越离不开无处不在的WiFi，虽然这几年WiFi越来越稳，越来越快，但体验和稳定性却仍远没有有线好，在各大运营商大提速的时代，无线也在速率上有一定瓶颈，这是为什么呢？

一是无线技术远比有线技术复杂得太多，包括了物理层（MIMO、SDM、MIMO-OFD、MFEC (ForwardError Correction)、Short GuardInterval（GI）、信道绑定技术、 MCS (Modulation Coding Scheme)、MRC (Maximal-Ratio Combining)……）和MAC层（帧聚合、 Block ACK……）等众多技术，再一次印证了越是简单的模型结构稳定性就越好的道理；二是无线的使用环境特性，除了依靠不怎么靠谱空气传播之外，就是上一期提到的用户千差万别的使用环境，注定了其比有线更容易受到干扰。

下面进入正题，因为所含技术比较多，不可能一一点到，这里也只挑几个比较有代表性的来说，欢迎各位路友进行补充讨论。

一、频段频宽

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也常被称为信道带宽，是调制载波占据的频率范围，也是发送无线信号频率的标准。对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。这就好比将原本正反方向的道路隔离带拆掉，并为同一条单行道，直接提高通车能力。传统802.11a/g使用的频宽是20MHz，而用40MHz绑定技术，可以对两个20MHz信道加以捆绑，直接提高吞吐，这样整个2.4GHz（2.4-2.4835GHz）频段范围内只能容纳一个40MHz的频宽。而5GHz频段支持80MHz的信道，即绑定4个信道，并且最高可以支持绑定8个信道，从而整个信道能够到达160MHz，如果将频谱资源比喻成马路的话，802.11a/b/g时代就好像是单车道，承载能力有限，而到了802.11n时代发展为双车道，大大提高了流量，而802.11ac可以达到8车道，承载能力可想而知。

需要注意的是：在2.4GHz频段下，对于一条空间流，并不是仅仅将吞吐从72.2 Mbps提高到144.4（即72.2×2）Mbps。对于20MHz频宽，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过40MHz绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载体从104（52×2）提高到108。按照72.2x2x108/104进行计算，所得吞吐能力就达
到了150Mbps。

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Short Guard Interval （GI）这里先跳过，等下会说到

任何事物都具两面性，有利必有弊，信道绑定技术虽然提速很明显，但会导致无线信号的抗干扰能力大幅降低，是速度还是稳定，这就要看各自的需求了，如果不想费事，那就默认路由的“自动”模式吧。

二、QAM（即正交幅度调制，Quadrature Amplitude Modulation）。这是与无线传输速度紧密相关的“硬指标”之一。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率。调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（16QAM）、八进制QAM（64QAM）……，对应的空间信号矢量端点分布图被称为“星座图”，分别有4、16、64……个矢量端点。如下图：

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理论上，样点数目越多，其传输效率越高，但其性能受到路由主控芯片、无线控制芯片规格、无线技术规范以及频段等多方面因素的影响，目前最高已达1024QAM，但支持设备极少，接入终端普遍不支持。

大多数无线产品2.4G频段部分一般最高只支持64 QAM的调制模式。即单条空间流理论传输速率为150Mbps（运行在40MHz频宽时）。使用了TurboQAM等黑科技的设备，通过向下加载256QAM（在802.11n下运行），可以使单条空间流理论传输速率达到200Mbps，提升约1.3倍。

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而采用1024QAM的设备，单条空间流可进一步提升到250Mbps，再提速25%。这也就是为什么有的路由，同样4根天线，旗舰路由速率可以达到800-1000Mbps，普通路由却只有600Mbps重要原因了。如采用博通BCM4366芯片组的网件R8500（1000+2167+2167），还未上市的TL-WDR9540（1000+2167+2167）等等。图5

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欲了解更多信息，可以自行搜索关键词“QAM”。

三、MIMO——Multiple-InputMultiple-Output（多入多出技术）

“双拳难敌四手”，单条空间流的速率提升毕竟有限，于是乎多天线系统的就出现了。MIMO是802.11n物理层的核心，同时也是当今3/4/5G、IEEE 802.16e WIMAX等的射频关键技术。

顾名思义，MIMO就是通过多重天线对无线讯号进行同步收发，以此来抑制信号衰减，改善通信质量，并在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍增加资料传输率。网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。

目前2.4GHz频段最高上最高可支持4x4架构，5GHz频最高可到8x8架构（802.11ax协议标准下）。

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发射/接收端均为4x4架构图示。

3.1 SDM：MIMO系统遵循“短板效应”。即支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3，而接收天线数量为２，则支持的空间流为2。MIMO/SDM系统一般用“发射天线数量×接收天线数量”表示。如上图为2x2 MIMO/SDM系统。显然，增加天线可以提高MIMO支持的空间流数。但是综合成本、实效等多方面因素，目前业界的手机/平板等移动终端普遍采用1x1或2x2架构，无线网卡普遍采用2x2架构，AP则普遍采用3x3架构。

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MIMO/SDM是在发射端和接收端之间，通过存在的多条路径（通道）来同时传播多条流。有意思的事情出现了：一直以来，无线技术(如OFMD)总是企图克服多径效应的影响，而MIMO恰恰是在利用多径来传输数据。

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3.2 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。

OFDM在802.11a/g时代已经成熟使用，到了802.11n时代，它将MIMO支持的子载体从52个提高到56个。需要注意的是，无论802.11a/g，还是802.11n，它们都使用了4个子载体作为pilot子载体，而这些子载体并不用于数据的传递。所以802.11n MIMO将物理速率从传统的54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54x52/48）。倒回去看图5。

3.3 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。802.11n所采用的64QAM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乘以5/6除以3/4）。还是倒回去看图5。

3.4 Short Guard Interval (GI)　

由于多径效应的影响，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400，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 (GI)。

四、无线信道：

无线信道就是常说的通道（Channel），类似于车道，不是独占，而是所有同信道AP共用，相同信道上工作AP会降低吞吐量，尤其是一些高层住宅区，周围电磁环境复杂，拥挤信道对无线传输速度的影响会十分明显。

尽信书不如无书，不要信什么所谓教程，将信道固定在那几个所谓“独立”信道上。因为这几个信道别人也会用，尤其是运营商部署人员为了省事，一般会使用，此时如果在设置到这几个信道这样只会让你的无线更慢。

还有“自动”模式一般只在路由启动过程中对信道进行优选，所以建议用户可以使用wirelessmon（PC端）、移动端WIFI分析仪、CLoudWalker等软件（移动端）扫描周围无线分布，然后选择一个同频、邻频没人使用或相对最少人使用的信道，减少干扰，这才是保证信道流畅的正解。

目前WiFi使用最广泛的有2.4GHz和5GHz两个频段，802.11ad之后又出现了60GHz频段，出于安全等考虑，各国开放的程度也不同，其中2.4GHz（2.412-2.484GHz）频段一共有14个信道；而5GHz频段一共拥有201个信道。

目前我大天朝开放等信道范围有：

2.4GHz频段：1-13信道（欧盟一样），美国则只使用1-11信道，因此美标设备到了中国，12/13信道是搜不到的。

5GHz频段：最初开放的仅有149/153/157/161/165这5个信道，之后又陆续开放了36/40/44/48/52/56/60/64等 8个DFS 信道，至此我国5G频段同样开放了13个信道。但DFS信道与（欧盟）军用、气象雷达频率一致，因此使用时会有一定限制，当检测到与周围信号存在干扰时，信道频率会自动调整。

各国开放信道信息可以参考：https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_WLAN_channels

你知道那个版本最稳定么？

我只是在y1群里看到！就发来了！当然我和你比，还差的很远！我就是买了360p1,y1路由器才开始聊解路由器的！在中国好像盗版不违法吧？原版没申请专利吧？

支持一下我们另外的一位路版

发表于 2016-3-13 16:21
支持一下我们另外的一位路版

感谢总版路过支持~

群里真需要多点像你懂的人！可惜的是好多人！你给他说都说不明白！

发表于 2016-3-13 16:20
我只是在y1群里看到！就发来了！当然我和你比，还差的很远！我就是买了360p1,y1路由器才开始聊解路由器的！ ...

在我朝因盗版进去的不少吧，就最近被爆学术/论文剽窃悲剧的也不少，这几年也一直在强调保护知识产权问题。这类科普性质的文章通过转载等形式让更多的人能看到是好事，但直接赤果果的复制粘贴就有问题了，虽然知识是死的，但通过整理重新编译出来是要花时间的，原帖作者最起码的著作权还是有的。
即使是安卓等开源生态圈，盗包之类现象很多，但也并非主流，而绝大多数转发的人也起码会标明原文出处，表示对原帖作者的尊重，而不是一字不差的复制粘贴。
→_→不过话说之前被我删的一贴好像和你没什么关系吧，在这说这个问题。

前排支持

哥错了还不行！哥对不起你了！那你以后多发发！我也学学习习！我发错了！你给我改正！只要不骂我就行！我也学习了！

版主棒棒滴:)

好专业，学习了

学习了

为什么我的无线信号强度是稳定的，但是网速却不稳定？同一个路由器出来的有线网速是稳定的，