看懂WiFi规格的奥义，让你秒变无线路由器导购砖家！

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本文作者：cloud_kim
家用WiFi设备如何选择？你问我干啥？应该问你自己啊！
欢迎来到「Kim工房」，今天来科普重新命名的WiFi规格世代，并谈谈次世代的802.11ax有何过人之处。
2018年10月，Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）借着推广802.11ax新标准的机会，正式对WiFi规格世代进行重新命名。主流标准802.11n改名WiFi 4，主流标准802.11ac改名WiFi 5，新标准802.11ax改名WiFi 6。不要问前三代标准去哪儿，既然都是过去式，相逢何必曾相识。
诚然，WiFi标准启用全新命名系统，确实能在一定程度上让WiFi规格的新旧与高低更直观更友好，不过也只是在一定程度上而已。WiFi规格的高低不完全由世代决定，它还受多重技术因素的影响，因此有必要再科普一把，顺便解读一下WiFi 6到底溜不溜？
友情提醒：本文纯粹讲道理，不推荐任何产品，授人以鱼很简单，但Kim较瘦偏偏不走寻常路，就是要授之以渔。至于家用WiFi产品究竟如何选择，本期课程结束后，请你来告诉我！
本文概况：
〇、WiFi溜不溜
一、协议
二、调制
三、频宽&频段
四、空间流
五、WiFi速率算法
六、OFDMA
尾巴、终端才是王道
全文8000字，图片24张。
〇、WiFi溜不溜
所谓WiFi，就是基于IEEE 802.11标准的，用于无线局域网（WLAN）的通信技术。
讲真，直到今天才知道WiFi已经发展到第六代，之前那堆乱七八糟的802.11命名序列显然不是面向普通消费者，撇开非主流的11ad和11ah不谈，光是下列主流标准就足够让人懵逼。
802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax……
当前WiFi主流标准是11ac，但它只支持5GHz频段，因此11n仍是2.4GHz频段下的另一股主流。2017年8月，新标准11ax随华硕新品RT-AX88U一同步入消费视野，然而这款次世代无线路由并未即时发售，而是在一年之后被再次发布，实在耐人寻味。
事实上，华硕（ASUS）对待11ax的态度非常超前，家用无线路由的另外两位大佬，网件（NETGEAR）与领势（LINKSYS）明显要谨慎得多，至今仍未发布相关产品，甚至吹起押注11ad的非主流风向，难道血统正宗的WiFi 6就这么不被业界看好？
至少Wi-Fi联盟还是乐观的，根据他家最新调研报告预测，2018年度全球WiFi相关产业的（直接与间接）经济价值高达2万亿美元，到2023年更有望增长至3.5万亿美元！其中，美英法德日韩是全球WiFi最发达（财）的国家。
（较瘦，你车速太快，都跑题了……）
咳咳，先来看看华硕次世代无线路由的WiFi规格，参数信息还算直观清晰，简单说RT-AX88U是一款AX6000无线路由器，支持4空间流，11ax协议下2.4G理论带宽1148Mbps、5G理论带宽4804Mbps，两个数值累加为5952，向上取整即6000，因此叫AX6000。
同理，隔壁网件家的无线路由也是这么标定，旗舰款R9000是AD7200规格，即AD4600＋AC1733＋N800，再向上取整。
老实说，目前家用WiFi市场直接采用各频段理论带宽累加值来标定WiFi规格的方式，简单粗暴且极不严谨，因为单从累加值无法直观透视它分解后的带宽构成，普通消费者光凭累加值根本无法判断设备规格的高低。关于这个问题，Kim较瘦早在去年就吐槽过，详见前期课程《纸上谈兵系列 @ 篇一：如何选无线路由器》，此处不再赘述。
那么本期课程的问题来啦……
▲1148、4804、1625、1733，理论带宽的数值并不太工整，既然商家喜欢向上取整，为何不直接把带宽做成整数？为什么非要是1148？1150或者1200行不行？
▲眼尖的同学应该有留意，华硕RT-AX88U的5G频段下，11ax理论带宽为4804Mbps，而11ac也能跑到4333Mbps呀，号称次世代的11ax就这么点能耐？
带着上述疑问，请系好安全带，接下来Kim较瘦将全方位解读WiFi规格的奥秘。协议、调制、频宽&频段、空间流、OFDMA、WiFi 4、WiFi 5、WiFi 6，真相只有一个！
一、协议
先从开篇的WiFi规格世代谈起，所谓的WiFi 4－5－6就是IEEE 802.11规范里的若干标准或协议。不管11n、11ac还是11ax，每套标准都由若干技术、规格与功能组成，并形成统一的行业规范，从而确保设备的兼容性与一致性。
WiFi 4
802.11n诞生于2009年，它凭借40MHz频宽与MIMO黑科技，将WiFi理论带宽从11a/g的54Mbps飙升至600Mbps（150Mbps×4条空间流），而且11n同时支持2.4G/5G频段，最终完美取代旧标准，从此一统江湖。
WiFi 5
802.11ac诞生于2013年，最初版本（Wave 1）凭借80MHz频宽与256QAM调制，将WiFi单流带宽提升至433Mbps；2016年第二版（Wave 2）借鉴部分11ax的特性，将频宽再次翻倍到160MHz，更带来噱头十足（然并卵）的MU-MIMO，不过此MU-MIMO并非完整版，它只支持下行多终端并行传输，而且使用局限性较大（只有同一信道下的所有终端都兼容MU-MIMO的情况下，MU-MIMO机制才会生效！）。
尽管11ac理论上支持8条空间流，但在家用WiFi市场基本只做到4×4（80MHz）或2×2（160MHz），即理论带宽为1733Mbps，距离11ac极限带宽（6.9Gbps）差很大，但仍足以将WiFi带宽提升到千兆，与家用有线网络平级。
值得注意的是，11ac仅支持5G频段，在技术上无法完全取代支持2.4G频段的11n，因此所谓的WiFi 4与WiFi 5其实是基友关系（平行标准），Wi-Fi联盟将它们定义为迭代关系，多少有些不够严谨。
WiFi 6
严格来说，802.11ax还在娘胎，预产期2018年底或2019年初，不过它绝大部分技术规范均已公开。单从理论带宽来看，11ax似乎乏善可陈，例行更新的1024QAM调制并没有带来突飞猛进的单流带宽，极限带宽（1.2×8＝9.6Gbps）仅比11ac（6.9Gbps）提高40%左右。
好消息是，11ax同时支持2.4G/5G频段，是真正意义上的第六代WiFi标准，势必取代11n与11ac，重新一统江湖。
天大好消息是，11ax带来完整版MU-MIMO，支持8个终端上行/下行MU-MIMO，同时引入OFDMA黑科技，实现与MU-MIMO互补的另外一种并行传输能力，而且比MU-MIMO更灵活更实用。
二、调制
从WiFi协议迭代历程不难看出，对单流带宽影响最大的，一个是调制，一个是频宽。所谓调制，就是将电信号转换为无线电波的过程，反之则称为解调，其核心技术是调制方式，调制方式越高阶，转换过程中数据密度就越高。
根据802.11的标准协议，11n最高支持64QAM，11ac最高256QAM，11ax最高1024QAM，不过某些芯片/设备厂家，将高阶调制技术移植到低级协议中，使得11n协议也能支持256QAM甚至1024QAM，从而让单流带宽从150Mbps提升到200Mbps甚至250Mbps。同理，前述华硕RT-AX88U在“11ac协议＋160MHz频段＋4空间流”的情况下，居然能跑到4333Mbps，正是依赖1024QAM在11ac协议上的非标拓展。
调制方式决定无线信号子载波单个符号的数据密度，折算方法很简单，QAM数值是2的N次方，对应的符号位长就是N。因此，64QAM符号位长6bit，表示一次可传输6bit的数据，256QAM符号位长8bit，1024QAM符号位长自然就是10bit。这就是11n的单流带宽从150Mbps提升至200Mbps甚至250Mbps的奥秘。
为保证数据传输的完整性，在调制过程中需要插入一些冗余数据用于纠错校验，因此有个码率的概念，它以分数形式来体现每次传输时有效数据的占比。例如，1/2表示只有一半是有效数据，另一半是冗余数据；5/6表示5/6是有效数据，1/6是冗余数据。
将调制方式与码率组合起来，就得到一张神奇的MCS（Modulation and Coding Scheme）策略表，WiFi设备的实际连接速率，其实就是在这张表里动态自适应选择的。当无线信号强劲时，MCS会尽量选择高阶组合（高bit+低冗余），当无线信号羸弱时，MCS会尽量选择低阶组合（低bit+高冗余）。赶紧看看你手头的终端，WiFi速率是不是在特定数值之间动态切换（飘来飘去）？
这是为什么呢？鱼与熊掌的老问题。
随着数据密度的提升，数字调制的抗干扰能力却在下降，这就对无线信号的质量提出更高的要求。回到之前的MCS策略表，WiFi速率自适应的原理就这么简单，协议与频宽确定的情况下，终端与AP距离越近遮挡越少，WiFi信号质量就越好，MCS就会自动选择高阶组合，数据密度与码率就越高，WiFi速率自然就越高。
值得注意的是，整个MCS动态选择机制完全由WiFi设备根据当前信号质量自行评估并选择，不需要也不可能由用户来控制。比如在无线信号较差的情况下，你愿意接受丢包来换取更高的WiFi空口速率，不好意思，802.11不同意。
PS：本文所谈及的单流带宽与理论带宽，均指MCS最高阶情况下的WiFi速率，即极限空口速率，与无线信号质量无关，特此声明。
三、频宽&频段
与幕后默默奉献的MCS策略不同，频宽更为消费者所熟知，因为它本身就是WiFi设备的核心设置选项之一。无论2.4G还是5G频段，最小信道都是20MHz的带宽，简称频宽，两个相邻小信道可聚合成一个大信道，此时传输带宽翻倍，以此类推促成WiFi单流带宽成倍增长。
无线电波在信道内以帧的形式传输，每一帧又由若干子载波组成，子载波的数量直接反映传输带宽的高低。以11n/ac为例，20MHz信道支持64个子载波，扣掉抗扰子载波与导频子载波后，实际用于数据传输的子载波为52个，而40MHz信道的数据子载波为108个，是前者的2.08倍（并非工整的两倍）。
有意思的是，11ax在20MHz的数据子载波数量“暴增”至234个，莫非有何黑科技？这就要从帧传输周期谈起……在11n/ac标准中，每一帧是发送3.2微秒，再停止0.4微秒（即帧间隔，Guard Interval），接着继续发下一帧，那么每一帧的传输周期是3.6微秒。11ax标准将帧结构重新设计，单帧容量增至原来的四倍（即256个子载波/20MHz），帧发送时长自然也是原来的四倍（12.8微秒），不过帧间隔仅为原来的两倍（0.8微秒），即每一帧的传输周期是13.6微秒。
因此，没有所谓黑科技，11ax不过是利用接近4倍的传输周期，发送略高于4倍的数据子载波数量，整体的效率提升大约10%多一点，仅此而已。
诚然，频宽越大，单帧发送的数据子载波就越多，WiFi速率就越高，但仍离不开鱼与熊掌的问题。频宽越大，WiFi信号质量越差，覆盖能力越弱，兼容性也不理想。所以，通常无线路由器或AP上都有频宽设置选项，由用户根据终端与应用情况自行取舍。
那么问题来啦，频段跟WiFi带宽又是什么关系？5G频段一定比2.4G频段更快么？
事实上，频段跟带宽并无直接关联，之所以5G频段的理论带宽远高于2.4G频段，仅仅缘于频谱分配上的先天优势，5G频段中用于WiFi传输的频谱比2.4G宽很多，因此穷孩子2.4G频段最高只能聚合出40MHz频宽，而富二代5G频段可以轻松上80MHz甚至160MHz频宽。
假设两者站在同一起跑线，即相同协议、相同MCS范围、相同频宽、相同空间流的情况下，2.4G与5G频段下的理论带宽其实一样样！再考虑到5G频段在传输距离与越障能力方面的劣势，实际的WiFi速率还不如2.4G频段……
四、空间流
空间流（Spatial Stream）源于MIMO技术，即多天线同步收发，通常以I×O来标识接收/发送的天线数，两者可以是任意比例，不过在WiFi设备里基本是收发对等，例如2×2或4×4，即2条空间流（2SS）或4条空间流（4SS）。因此，在单流带宽确定的情况下，WiFi设备的理论带宽＝单流带宽×空间流数。
注意空间流是在设备两端就低适配的，无论4×4的无线路由器搭配2×2的终端，还是2×2的无线路由器搭配4×4的终端，实际运行的空间流都是2条。
既然空间流多多益善，而且早在11ac标准就已经支持8条空间流，为何家用无线路由器最高却只到4×4规格？因为终端跟不上，目前绝大多数的智能手机或平板电脑最高只到2×2，台式机或笔记本基本也是2×2，只有极少数发烧级电脑才会配置3×3甚至4×4的无线网卡。道理很简单，天线越多，功耗越大，而移动终端最紧张的永远是电量……
五、WiFi速率算法
回到本期课程的第一大问题：
1148、4804、1625、1733，理论带宽的数值并不太工整，既然商家喜欢向上取整，为何不直接把带宽做成整数？为什么非要是1148？1150或者1200行不行？
WiFi设备的理论带宽不工整，是缘于单流带宽本身就不工整，简单归纳一下，近三代标准在不同调制&频宽情况下的单流带宽是这样滴，基本乘上个二三四，就是你所熟悉的理论带宽。
事实上，WiFi理论带宽的计算公式远比你想象中简单，所有关键因素均已在前篇科普，并有明确的取值范围，只需根据WiFi技术规格选取相应的数值，丢进公式掐指一算即可。 符号位长，由MCS策略表里的调制方式决定，64QAM是6bit，256QAM是8bit，1024QAM是10bit。子载波数，特指数据子载波数，由协议&频宽决定，11n/ac与11ax的帧结构不同，子载波数基本与频宽成正比。码率，由MCS策略表决定，与调制方式有一定关联，对于高阶调制（64/256/1024QAM）码率都取5/6。传输周期，由协议决定，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。空间流数，由WiFi设备的天线数决定，通常会在参数中标识，取值范围是1~4之间的整数。
接下来举几颗栗子，看看理论带宽的计算过程有多稀松……
▲常见的三流设备规格，11ac是1300Mbps，再加上11n的450Mbps（标准64QAM）或600Mbps（非标256QAM），就是AC1750或AC1900设备。
▲常见的四流顶配设备，11ac是2167Mbps，假设是双5G频段（即2167Mbps＋2167Mbps），再加上11n的1000Mbps（非标1024QAM），就是奢华的AC5300设备。
▲犹抱琵琶半遮面的四流160MHz次世代设备，11ax（5G频段）是4804Mbps，再加上11ax（2.4G频段）的1148Mbps（287×4），就是开篇的华硕AX6000设备。
六、OFDMA
回到本期课程的第二大问题：
眼尖的同学应该有留意，华硕RT-AX88U的5G频段下，11ax理论带宽为4804Mbps，而11ac也能跑到4333Mbps呀，号称次世代的11ax就这么点能耐？
承前所述，单纯从规格上看，11ax相比当红的11ac＋11n非标搭档并没有明显优势……2.4G频段：非标11n单流带宽也能跑到250Mbps，与11ax的287Mbps没差多少，短期内WiFi终端最高就4条空间流，根本拉不开差距。5G频段：非标11ac单流带宽1083Mbps，同样紧跟11ax的1201Mbps，而且大家都支持8条空间流，就算多战几个回合，11ac仍有还手之力。并行传输：11ac也有乞丐版MU-MIMO，11ax不就满血MU-MIMO么，有啥特别的，咦，这个OFDMA是什么鬼？
为什么要引入并行传输？这得从MIMO谈起……
严格来说，原有的MIMO也叫SU-MIMO（即单用户MIMO），虽然它支持多天线同步传输，但在同一信道&同一时刻，无线路由器只能与一个终端通信，即串行传输。
假设路由器支持4条空间流，在信道149（5G频段）下挂三台终端，分别是2×2的笔记本电脑、1×1的手机A和1×1的手机B，那么在某一时刻，路由器只能三选一来通信，如果选中笔记本，那么其他终端就要排队，即使2×2笔记本只占用4条空间流中的2条，剩余2条也没法分配给两台手机。
于是MU-MIMO（即多用户MIMO）应运而生，它在SU-MIMO的基础上，增加多终端同步传输机制，从而提高空间流的利用率。还是之前的例子，在支持MU-MIMO的情况下，4条空间流恰好满足三台终端同时传输而且不会降速，高端路由器终于物尽其用。
然而，MU-MIMO并不完美，它的运行状态不够稳定，很容易受终端影响。还是之前的例子，4条空间流只能满足合计4SS的终端完美跑MU-MIMO，基本就是下面这五种组合，顶多支持四台终端。一旦终端数量超过4台，就要排队；一旦合计负载超过4SS，就要降速。
下面掌声有请，11ax真正的黑科技OFDMA，压轴登场！
长久以来，WiFi一直采用OFDM作为核心传输方案，11ax在OFDM的基础上加入多址（即多用户）技术，从而演进成OFDMA。简单说，OFDMA将帧结构重新设计，细分成若干资源单元（RU），从而为多个用户服务。
OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），正交频分多址。
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），正交频分复用。
以20MHz信道为例，在OFDM方案（即11n/ac）里每一帧由52个数据子载波组成，这组子载波只能为一个终端服务，如果该终端传输的数据包较小（聊天消息），根本就装不满52个子载波，那么空载的子载波也无法分配给其他终端。
在OFDMA方案（即11ax）里每一帧由234个数据子载波组成，但在帧内进行二次分组，每26个子载波定义为一个RU（Resource Unit，资源单元），每个RU可以为一个终端服务，那么每一帧就被分成9份，可以同时为9个用户服务！
用卡车拉货来解释更直观，OFDM方案是按订单发车，不管货物多少，来一单发一趟，哪怕车厢空荡荡；OFDMA方案会将多个订单聚合起来，尽量让卡车满载上路，使得运输效率大大提升。
看到这里，你可能会以为OFDMA跟MU-MIMO差不多呢，其实差很大。尽管两者均为并行传输解决方案，但既不是迭代关系，也不是竞争关系，而是互补关系。它们的技术原理不尽相同，适用的场景也有所区别，具体视服务的应用类型而定。
▲OFDMA：适用于小数据包的并行传输，提升单空间流的信道利用率与传输效率，减少应用延迟与用户排队。运行状态稳定，不容易受终端影响。
▲MU-MIMO：适用于大数据包的并行传输，提升多空间流的利用率与系统容量，提高单用户的有效带宽，同样能减少时延。运行状态不够稳定，很容易受终端影响。
▲好消息是，两种方案不冲突，甚至可以叠加，用户无需操心并行传输背后的运行机制，唯一的感受就是，再多的终端网络也不卡顿！
▲坏消息是，两种方案都需要WiFi设备的支持，而且只有同一信道下的所有终端都支持11ax的情况下，并行传输的运行状态才是完美的，否则效果会严重打折，打骨折。
尾巴、终端才是王道
诚然，11ax的新特性远不止于此，考虑到课堂时间有限（估计你们也快睡着），暂时就到这里吧。前五代WiFi标准的发展，主要致力于无线带宽的提升，当WiFi带宽追平有线网络后，WiFi标准开始横向发展，次世代的11ax着重改善多终端的用户体验。
回到开篇的命题，家用WiFi设备如何选择？一句话：终端决定一切。
从WiFi规格的迭代历程不难看出，真正的瓶颈并不在无线路由器或AP上，而是你手头的终端。路由器的规格再高，终端不行也白搭，理论上高端路由器确实能带更多的终端，前提是你的终端全得支持MU-MIMO或OFDMA，问题是你有么？
讲道理，家用WiFi设备的选购从来就不是技术活，而是量体裁衣的艺术活，仅当路由器/AP与终端之间门当户对时，才是物尽其用的最佳拍档，至于多出来的性能与功能，真的只是摆设。