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上下二十年 WiFi标准六代发展史

2018-10-12
王伟
关键词: WiFi 802.11

  WiFi是当下人们最常用的无线局域网连接技术,没有之一,多见于家居生活和公共场所中的手机、平板、笔记本设备的连接。本月4日, WiFi联盟公布了最新的网络协议新标准WiFi 6,它的标准代码为802.11ax,这是迄今为止最新的WiFi标准,距离第一代WiFi标准的出现已有20余年时间。在这20年的时间里,WiFi标准经历六代变迁,这些标准有何不同?让我们来看一下。

  WiFi ≠802.11

  既然是讲Wi-Fi协议,那么首先就要纠正一个常识性误区,即将WiFi等同于802.11协议。简单来说,802.11是由电气和电子工程师协会IEEE内的工作组制定的一系列标准,而WiFi是无线局域网联盟WLANA的一个商标,该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作,与标准本身实际上没有关系。但是因为WiFi主要采用802.11系列的无线通信协议标准,因此人们逐渐习惯用WiFi来称呼802.11协议。

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  WiFi无线协议的演变

  第一代WiFi标准:802.11

  20世纪90年代初,IEEE成立了专门的802.11工作组,专门研究和定制WLAN标准协议,并在1997年6月推出了第一代WLAN协议--IEEE 802.11-1997。此处的802.11指的是IEEE制订的第一代协议,并非是整个系列协议,在802.11之后的协议(802.11a/b/g/n/ac/ax) 都是由802.11发展而来的,且加入了字母后缀来进行区分,不同的后缀代表着不同的物理层标准工作频段和不同的传输速率。

  作为IEEE最初制定的一个无线局域网标准,802.11协议定义了物理层工作在ISM的2.4G频段,数据传输速率设计为2Mbps。很遗憾的是,由于它在传输速度和传输距离上的表现都不尽如人意,因此并未被大规模使用。

  第二代WiFi标准:802.11b

  1999年,IEEE吸取了上一次的教训,在制定802.11a标准的时候,直接将频段定在了5GHz,物理层的最高速率也随之水涨船高到了54Mbps。但是,802.11a协议也并没有被市场认可,相对来说表现的更出色的反而是几乎和它同时制订的802.11b协议。

  尽管2003世界无线电通信会议让802.11a在全球的应用变得更容易,不同的国家还是有不同的规定支持。美国和日本甚至都已经出现了相关规定对802.11a进行了认可,但是在其他地区,如欧盟却因为标准的问题被禁止使用。再加上802.11a产品中5GHz的组件研制成功太慢,等其开始大规模推广的时候,市场早已被大批的802.11b产品占领,802.11a没有被广泛的采用。再加上802.11a的一些弱点,和一些地方的规定限制,使得它的使用范围更窄了。

  802.11b协议可以说是802.11a是同胞兄弟了。但它本身却是基于2.4GHz频率,同时最大的传输速度相比802.11a来说也只有11Mbps。11Mbps的传输速率在现在看来肯定算不了什么,但在2000年的时候,虽然不是翘楚,但也已经能够满足大部分人的需求了。更何况基于2.4GHz的802.11b在传输距离和穿墙能力上本来就比基于5GHz的802.11a协议要有优势,加上当时802.11a的核心芯片研发进度缓慢,802.11b就此抓住了机会,占领了市场,为日后称霸天下打下了坚实的基础。

  第三代WiFi标准:802.11g

  2003年7月,IEEE制订了第三代Wi-Fi标准:802.11g。(为什么不是c呢?因为802.11协议还应用在其他的很多领域,有些字母被用了,就只能排到g了)。

  802.11g继承了802.11b的2.4GHz频段和802.11a的最高54Mbps传输速率。同时,它还使用了CCK技术后向兼容802.11b产品。此时开始,IEEE在制订每一代新协议的时候都会将后向兼容考虑进去,毕竟换了新路由器旧手机就因为不支持新协议而连不上Wi-Fi这种情况谁都受不了。

  说到这里,就还要再提一下在802.11a和802.11g上都有使用到的一种技术:OFDM。OFDM即正交频分复用技术,是由MCM发展而来的一种实现复杂度低、应用最广的一种多载波传输方案,可以消除码间串扰,同时使得信道均衡变得相对容易。OFDM技术也因此被应用在之后的每一代Wi-Fi协议中。

  第四代WiFi标准:802.11n

  如果说802.11b是奠定了整个帝国的基础的一代,那么802.11n一定是给帝国开疆扩土的一代。时间继续推进,这时的互联网已经开始出现了在线图片、视频、流媒体等服务,而随着YouTube、无线家庭媒体网关、企业VoIP Over WLAN等应用对WLAN技术提出了越来越高的带宽要求,传统技术802.11a/g已经无法支撑。用户需求呼唤着全新一代WLAN接入技术。

  2009年,IEEE宣布了新的802.11n标准。虽然802.11n协议还是基于2.4GHz频段,但传输速率最高可达600Mbps。这是因为采用了MIMO、波束成形和40Mhz绑定技术。802.11n通过MIMO和40Mhz绑定技术使得传输速率大大提升,而波束成形则增大了传输距离。

  第五代WiFi标准:802.11ac

  随着时代的继续发展,人们身边拥有着越来越多的无线设备,而2.4GHz这个频段,因为本身的优越性,被各种协议使用(常见的蓝牙4.0系列协议、无线键鼠等),已经变得拥挤不堪,IEEE此时就将新的第五代Wi-Fi协议制订在了5GHz的频段上。现在说的很多双频Wi-Fi,其实就是2.4GHz和5GHz的混合双频Wi-Fi。

  802.11ac在提供良好的后向兼容性的同时,把每个通道的工作频宽将由802.11n的40MHz,提升到80MHz甚至是160MHz,再加上大约10%的实际频率调制效率提升,最终理论传输速度将由802.11n最高的600Mbps跃升至1Gbps。当然,实际传输率可能在300Mbps~400Mbps之间,接近目前802.11n实际传输率的3倍(目前802.11n无线路由器的实际传输率为75Mbps~150Mbps之间),完全足以在一条信道上同时传输多路压缩视频流。

  实际上,802.11ac协议还分为wave1和wave2两个阶段,两者的主要区别就在于后者提升多用户数据并发处理能力和网络效率。而这背后的功臣,就非MU-MIMO莫属了。MU-MIMO技术可以理解为MIMO的升级版或者是多用户版本,MU-MIMO技术赋予了路由器并行处理的能力,让路由器同时和多个设备进行沟通,这极大的改善了网络资源利用率。

  第六代WiFi标准:802.11ax

  802.11ax早在2015年就制定标准规范了,不过2017年开始才真正有路由器支持802.11ax标准。

  802.11ax协议基于2.4GHz和5GHz两个频段,并非是ac双频路由器那样不同的频段对应不同的协议,ax协议本身就支持两个频段。这显然迎合了当下物联网、智能家居等发展潮流。

  802.11ax又被称为“高效率无线标准”(High-Efficiency Wireless,HEW),将大幅度提升用户密集环境中的每位用户的平均传输率,即在高密环境下为更多用户提供一致且稳定的数据流(平均传输率),将有效减少网络拥塞、大幅提升无线速度与覆盖范围。其实,设计802.11ax的首要目的是解决网络容量问题,因为随着公共Wi-Fi的普及,网络容量问题已成为机场、体育赛事和校园等密集环境中的一个大问题。

  802.11ax采用了两个关键新技术,即上行MU-MIMO和OFDMA。

  MU-MIMO技术在前面已经提到过,802.11ac协议中的MU-MIMO技术只是单纯的下行MU-MIMO,只有在路由器给设备传输数据的时候才可以用,而如今随着智能设备的发展,人们对于上行速率的要求也在提高,传个超清视频图片什么的已经是家常便饭了。上行MU-MIMO技术就是为此而生,改善了设备在向路由器传输数据时的拥堵情况,提高了网络资源利用率。

  OFDMA的采用是802.11ax与以前的无线局域网系统相比最大的变化。在OFDM系统中,用户占用了整个信道。随着用户数量的增多,用户之间的数据请求会发生冲突,从而造成瓶颈,导致当这些用户在请求数据(特别是在流式视频等高带宽应用中)时,服务质量较差。而在OFDMA中,用户仅在规定时间内占用子载波的一个子集。OFDMA要求所有用户同时传输,因此每个用户都需要将其数据包缓冲为相同的规定比特数,这样无论数据量有多少所有用户都能在时间上保持一致。此外,OFDMA AP可根据用户对带宽的需求来动态地改变用户所占用频谱的数量。

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  Wi-Fi各协议参数

  从IEEE通过802.11标准起,到现在已经有二十年,期间更是克服了众多的技术挑战,WiFi逐渐演变成我们今天所熟知的超快速、高便利的无线标准。未来随着无线技术的不断发展,WiFi还将迎来更多新的里程碑。