Wi-Fi知識(shí)知多少 ：Wi-Fi速率怎么得來(lái)的？
從2013年發(fā)布的Wi-Fi5標(biāo)準(zhǔn)，到19年發(fā)布的Wi-Fi6，21年發(fā)布的Wi-Fi6E，到24年的Wi-Fi7逐步普及，更多的Wi-Fi7設(shè)備也來(lái)到了我們身邊。當(dāng)我們挑選無(wú)線路由器的時(shí)候，會(huì)遇到商品介紹里會(huì)提到BE7200，BE6500，AX3000這樣的字眼。可能會(huì)讓大家困惑，BE和AX分別是什么，以及后面的數(shù)字代表什么意思？下面我們將簡(jiǎn)單為您介紹。
這里的BE對(duì)應(yīng)的是802.11be協(xié)議，也就是Wi-Fi7標(biāo)準(zhǔn)，AX則對(duì)應(yīng)的是802.11ax協(xié)議，也就是Wi-Fi6標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)的更早的Wi-Fi5即802.11ac協(xié)議，以及Wi-Fi4即802.11n協(xié)議等等。下圖顯示了Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的主要發(fā)展階段和其主要的指標(biāo)區(qū)別。
在圖中我們能看到Max data rate這個(gè)參數(shù)，也就是協(xié)商的物理層理論最大速率。那么這個(gè)速率是怎么計(jì)算出來(lái)的呢，下面我們將進(jìn)行討論。
Symbol
在802.11協(xié)議中，我們會(huì)用到Symbol這個(gè)概念，由于Wi-Fi系統(tǒng)采用OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，而Symbol是OFDM通信中傳遞信息的最小單位，每個(gè)Symbol根據(jù)帶寬和子載波數(shù)量攜帶一定量的bits，在時(shí)域上表示一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
OFDM是采用正交子載波進(jìn)行工作的一種模式，即將整個(gè)數(shù)據(jù)信道分解成很多個(gè)子載波，這些子載波在數(shù)學(xué)上是正交的。所以在頻域上，多個(gè)子載波合成一個(gè)Symbol，每個(gè)子載波在頻譜上等間隔分布，Symbol包含所有子載波的信息總和。
在給定Symbol周期的情況下，發(fā)送速率實(shí)際上是由這個(gè)Symbol上所能夠攜帶的信息量決定的，而這個(gè)信息量又是由調(diào)制方式和編碼率決定的，后面我們會(huì)相繼說(shuō)明。
下圖從時(shí)域和頻域?qū)ymbol的概念做了一個(gè)立體的全方位的展示。
傳輸時(shí)間
傳輸時(shí)間則表示傳輸這些符號(hào)所需要的時(shí)間。而相鄰的兩個(gè)Symbol之間需要有一定的空隙（GI），以避免 Symbol 之間的干擾。
那么傳輸一個(gè)Symbol需要多長(zhǎng)時(shí)間呢，802.11ac以及之前802.11協(xié)議中，OFDM符號(hào)時(shí)間被定義為3.2μs，Wi-Fi 6將OFDM符號(hào)時(shí)間增加了4倍，即增加到了12.8μs，Wi-Fi 7的單Symbol傳輸時(shí)間沒(méi)有變化，單Symbol傳輸時(shí)長(zhǎng)都是12.8μs。較長(zhǎng)的符號(hào)時(shí)間有助于延遲擴(kuò)展較大的傳播環(huán)境，因?yàn)楦L(zhǎng)的 OFDM 符號(hào)允許在不犧牲頻譜效率的情況下增加保護(hù)間隔的長(zhǎng)度，這能夠提高對(duì)較大延遲的傳播環(huán)境的抗擾度，在多徑信道條件下的傳輸更加穩(wěn)健。
GI
保護(hù)間隔GI，是防止Symbol之間的多徑干擾，在Wi-Fi6之前，還支持Short GI，即400ns。但是在Wi-Fi6之后因?yàn)閟ymbol時(shí)域變長(zhǎng)了，為了對(duì)抗多徑，所以GI不能太短，默認(rèn)保留最低為800ns，另外Wi-Fi6之后考慮了更多室外覆蓋場(chǎng)景，所以可以選擇超過(guò)800ns的更大GI。在增加保護(hù)間隔的同時(shí)還考慮到了將保護(hù)間隔占符號(hào)時(shí)間的百分比可以減少到更小，從而提高頻譜效率。綜上，為了保證每個(gè)Symbol之間不受到干擾，需要傳輸時(shí)間13.6μs。
下面為了計(jì)算Symbol的大小，即與bit之間的換算，我們介紹幾個(gè)概念。
編碼率
編碼率：
指數(shù)據(jù)流中有用部分（非冗余）的比例。之所以需要編碼率，是因?yàn)檫@些冗余部分是一些校驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了確保接收的數(shù)據(jù)是正確的，需要留一些數(shù)據(jù)空間來(lái)給校驗(yàn)數(shù)據(jù)，不然接收的數(shù)據(jù)無(wú)法判斷是否正確接收，那么數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率就會(huì)很高，所以這個(gè)是必須要有的。
在802.11n之前沒(méi)有支持MIMO-OFDM，最高的編碼率為3/4，使用MIMO-OFDM技術(shù)后，最高的編碼率為5/6，速率也進(jìn)一步提升。
空間流
就是使用多少根天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，即多輸入多輸出技術(shù)（MIMO），802.11ax最大支持8x8MIMO，802.11be則最大支持16x16MIMO。
符號(hào)位長(zhǎng)度
一個(gè)符號(hào)可以攜帶若干位，根據(jù)調(diào)制方式的不同而變化。對(duì)比支持使用1024-QAM調(diào)制的Wi-Fi 6，Wi-Fi 7支持的4K-QAM傳輸技術(shù)將單個(gè)時(shí)間單位內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)密度提升20%。
下圖顯示的是1024-QAM和4096-QAM星座圖對(duì)比，每個(gè)符號(hào)可以在一個(gè)二維星座圖上有4096個(gè)不同的狀態(tài)或點(diǎn)。這意味著每個(gè)調(diào)制符號(hào)可以同時(shí)攜帶12位的信息（因?yàn)?的12次方等于4096）。
子載波數(shù)量
子載波類似于頻域上的 Symbol，一個(gè)子載波承載一個(gè) Symbol。以802.11ax為例，最小資源單元 RU 尺寸為 2MHz， 最小子載波帶寬是 78.125KHz， 因此最小 RU 類型為26 子載波 RU。以此類推， 還有 52 子載波 RU， 106 子載波 RU， 242 子載波 RU， 484 子載波 RU 和 996 子載波 RU， 對(duì)于Wi-Fi6使用80M的帶寬，可以理論容納996個(gè)子載波，由于使用OFDM技術(shù)后子信道組成的信道頻寬會(huì)小于20MHz，并且要去掉保護(hù)間隔，實(shí)際可用子載波為980個(gè)。
各個(gè)帶寬對(duì)應(yīng)的有效子載波數(shù)量如下表格。
有了以上的參數(shù)，我們就可以通過(guò)以下公式計(jì)算Wi-Fi理論速率了。
理論Wi-Fi速率=符號(hào)/符號(hào)時(shí)間=(符號(hào)位長(zhǎng)度*碼率*子載波數(shù)*空間流)/傳輸時(shí)間。
以Wi-Fi7 160M 4*4MIMO來(lái)計(jì)算如下：
(12bit * 5/6 * (2*980) * 4) / (12.8+0.8) μs = 5764.7 Mbps
那么如文章開(kāi)頭提到的BE6500是怎么得出來(lái)的呢？這里還需要加上另外一個(gè)2.4G頻段的理論速率，也就是：
(12bit * 5/6 * (2*468) * 2) / (12.8+0.8) μs =688.2 Mbps
這兩個(gè)值加起來(lái)就接近6500了，代表這個(gè)路由器在Wi-Fi7的5G和2.4G兩個(gè)頻段理論速率的總和。你會(huì)計(jì)算了么？
當(dāng)然，理論速率是計(jì)算得出的最大值，實(shí)際速率受到無(wú)線環(huán)境，系統(tǒng)開(kāi)銷，終端適配等多種因素的影響，通常遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值。
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