liwen01 2024.09.01
前言
最近十幾年，通訊技術發展迅猛，通訊標準更新頻繁，有的裝置還在使用 802.11/b/g/n 協議，有的已支援到 WiFi6、WiFi7。
而國內有關無線 WiFi 的書籍或資料卻很少，就算能找著的，大多也是比較老舊。本文試圖使用最新的資料來介紹 WiFi 相關的一些基礎知識。
關於 WiFi 技術的發展，下面幾個問題看你瞭解多少：
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家用路由器一般都相容支援哪些 WiFi 協議標準？
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802.11 b/g/n/ac/ax 具體是指什麼？與 WiFi4/5/6/7 有什麼區別?
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為什麼不同協議間的最大速率相差巨大？它們實現的原理是什麼？
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在 WiFi 發展中，是由哪些關鍵技術的發展使 WiFi 速率得到顯著提升？
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為什麼實際速都遠低於理論速率？
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有線乙太網與無線 WiFi 在 OSI 七層模型中有哪些差異？
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802.11 a/b/g/n 等這些標準是位於 OSI 的哪一層？
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WiFi 在 2.4Ghz/5GHz 各有多少個可用通道，有沒其它限制？
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WiFi 在 2.4Ghz/5GHz 各有多少個不重疊通道？
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為什麼我們很少見到使用 WiFi5 的裝置？
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在同一個空間，兩臺使用不同協議的路由器相互之間是否會有干擾或影響？
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最新的 WiFi7 可以工作在哪些頻段？
本文主要介紹 WiFi 通道，無線網 OSI 模型，以及802.11b/g/n 標準協議的一些關鍵技術。由於篇幅的限制，WiFi5、WiFi6、WiFi7 將在下一篇中介紹。
(一) IEEE 協會 與 802.11 標準
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)電氣與電子工程師協會,是一個國際性的專業學會組織，是全球最大的技術專業組織
- IEEE 802 是一個標準系列專案，包括乙太網、區域網、都會網路的多個技術標準。
- IEEE 802.11 是 IEEE 802 標準系列中的一個工作組，專注於無線區域網 (WLAN) 技術。
- 802.11a/b/g/n... 是由 IEEE 802.11 工作組下的任務組開發的標準
在早些年，我們看到比較多的 WiFi 分類是按 802.11b/g/n 字母來區分，但是隨著 WiFi 協議的不斷髮展，WiFi 聯盟對不同 WiFi 標準指定了新的名字，也就是 WiFi4、WiFi5、WiFi6、WiFi7 按數字代號表示；其主要目的是方便大家記憶和區分。
802.11 be 也就是 WiFi7，預計在今年(2024)正式釋出,現在網上可以買到的 WiFi7 裝置，應該是預認證裝置，具備 WiFi7 的部分功能，但可能與正式釋出的標準會存在一些差異。
在介紹各 WiFi 協議標準之前，我們先了解一下 WiFi 通道相關的概念。
(二) WiFi通道
目前在安防IPC裝置上，使用比較多的還是 802.11b/g/n 三個標準，但也有不少廠家開始切換到 802.11ax(WiFi6) 協議上來了。
實際上大部分產品是直接 從 802.11n(WiFi4) 直接切換到 802.11ax(WiFi6)。
為什麼不使用 WiFi5，而是從 WiFi4 直接跨越到了 WiFi6 呢？
因為 WiFi5 只支援 5GHz 頻段，對於以前使用 2.4GHz 的裝置就沒法相容了。
(1) 2.4Ghz 頻段通道
- 802.11b使用的通道頻寬是 22MHz，目前使用的其它標準都是 20Mhz通道頻寬
- 每個相鄰通道的中心頻率，相差5MHz(除了14通道)
- 傳統認知上，有 3 個不重疊的通道(1、6、11)
由於 802.11b (使用 DSSS 調製技術頻寬22 MHz) 已經淡出 WLAN 網路，不考慮相容性問題，通常情況下，可以認為1、5、9和13通道也是非重疊通道。
對於 12~14 通道，不同國家有不同的要求規範，實際產品設計需要根據國家碼去適配。
(2) 5GHz 頻段訊號
- 5 GHz 頻段通常被劃分為 4 個 UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) 子頻段。
- DFS(Dynamic Frequency Selection，動態頻率選擇) 通道是為了避免干擾重要的雷達系統而設計的，這些通道需要 WiFi 裝置監測雷達訊號，並在探測到時自動切換通道。
- 20 MHz 通道：是最常用的通道頻寬，適合在裝置較多的環境中使用，以避免干擾
- 40 MHz 通道：透過聚合兩個相鄰的 20 MHz 通道，提供更高的吞吐量，但更容易受到干擾
- 80 MHz 和 160 MHz 通道：適用於對吞吐量要求極高的應用(如 4K 流媒體、高畫質視訊會議)，但在實際使用中較少，因為它們佔用了更多的頻譜資源
- UNII-2 Extended(5470-5725 MHz) 的所有通道在中國都不能使用
- 在中國，只有 UNII-3 的 5 個通道可以在所有場景使用
- 在中國，可以使用的非重疊 5GHz 頻段有 13 個
上面表格資料是來源於華為的一份開源文件，我們可以看到低頻和中頻是被限定在室內使用，但是我們檢視很多其它的資料，發現與華為的資料對不上，比如下圖，它們對我國在 UNII-1 和 UNII-2 的部分通道並沒有做限定。
透過查詢最新版本上的《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》，我們可以看到，華為的資料是對的，在 2023 年我國有規定，UNII-1 和 UNII-2 的通道只能在室內使用。
所以，對於中國 5GHz 可以直接使用的通道，2023年之前的資料會包括UNII-1 和 UNII-2 裡面的通道，但是在2023年之後，UNII-1 和 UNII-2 會被標註為僅限室內使用。
(3) 6GHz 頻段通道
在 WiFi6 和 WiFi7 中會使用到一些 6GHz 的通道，但是目前我國還沒有開放 6GHz 通道的使用。
6GHz 頻段範圍從 5925MHz 擴充套件到 7125MHz，共計 1200MHz 頻譜。它可以透過通道繫結成 3 個 320MHz 通道、7 個 160MHz 通道、14 個 80MHz 通道或者是 29 個40MHz 通道。如果不繫結直接使用，它提供了 59 個 20MHz 通道。
對比 2.4GHz 和 5GHz，6GHz 頻段的頻譜資源比前兩者相加還要多。
隨著 WiFi6、WiFi7 逐漸地普及，國內將來應該也會開放一部分 6GHz 的 WiFi 通道
(三) 無線網中的 OSI 模型
計算機課程中常用網路分層參考7層模型：物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。
上面這個模型其實是非常概括性的，實際要複雜很多，從這個圖上我們看不出乙太網與無線網有什麼差別。
乙太網與無線網在 OSI 模型上主要的差異在於第一和第二層，也就是物理層和資料鏈路層。
(1) 物理層(Physical Layer)
物理層主要負責在網路裝置之間傳輸原始的位元流(0和1)。它涉及物理連線，如電纜、光纖和無線電波，以及資料傳輸的電氣和機械特性。常見的物理層裝置包括網路卡、集線器和電纜。
乙太網：乙太網使用有線連線，如雙絞線電纜或光纖來傳輸資料。物理層定義了傳輸的電訊號、電壓和脈衝等特性。
無線網(Wi-Fi)：Wi-Fi透過無線電波在空氣中傳輸資料。物理層涉及無線頻率的選擇、天線的配置，以及訊號的調製和解調方式
(2) 資料鏈路層(Data Link Layer)
資料鏈路層負責在相鄰節點之間建立可靠的通訊鏈路。它將資料幀從一個節點傳送到下一個節點，並處理幀的傳輸錯誤。資料鏈路層還包括 MAC (介質訪問控制)子層和 LLC (邏輯鏈路控制)子層。常見的裝置有交換機和網橋。
乙太網：在資料鏈路層，乙太網通常使用乙太網幀(Ethernet Frame)進行資料封裝。MAC 地址用於標識網路裝置，並控制對介質的訪問(CSMA/CD，載波偵聽多路訪問/衝突檢測機制)。
無線網(Wi-Fi): 無線網在資料鏈路層也使用幀進行資料封裝，但 Wi-Fi 幀格式與乙太網幀有所不同。Wi-Fi使用 CSMA/CA (載波偵聽多路訪問/衝突避免機制)來管理介質訪問，並增加了加密(如 WPA/WPA2 )和認證(如802.1X)的功能，以增強安全性。
(3) 無線網資料幀封裝
對無線網的物理層和資料鏈路層再進一步劃分，我們可以看到物理層有：PLCP 和 PMD 層，資料鏈路層有：MAC 層和 LLC層
這裡我們簡單介紹一下各層的一個基本功能，詳細的 WiFi 資料幀分析我們將在後面章節來介紹。
- LLC 子層：(Logical Link Control)邏輯鏈路控制子層，為上層網路協議提供統一的介面，管理邏輯鏈路的控制和資料傳輸。
- MAC 子層：(Medium Access Control)媒體訪問控制子層，管理裝置對共享通訊介質的訪問和資料幀的傳輸。
- PLCP 子層：(Physical Layer Convergence Procedure)物理層收斂過程子層，負責在 MAC 層和 PMD 子層之間轉換資料幀格式。
- PMD 子層：(Physical Medium Dependent) 物理介質相關子層，直接處理物理訊號的傳輸和接收。
我們常說的802.11 b/g/n等協議標準，實際上是位於物理層。
(4) 物理層擴頻技術
擴頻技術是無線區域網資料傳輸使用的技術，擴頻技術最初是用於軍事部門防止竊聽或訊號干擾。
WiFi(無線區域網) 使用擴頻技術來提高通訊的可靠性和抗干擾能力，擴頻技術在 WiFi 中的應用主要透過以下幾種方式實現：
(a) 直接序列擴頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
DSSS 透過將資料與一個偽隨機噪聲碼 (PN碼)進行異或運算，將資料分散到一個更寬的頻譜上。這樣做的好處是使得訊號在頻譜中的能量密度降低，從而提高了訊號對噪聲和干擾的抵抗力。
(b) 跳頻擴頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
FHSS 透過快速在多個頻率之間跳轉來避免干擾,這需要提前在傳送和接收端約定好跳頻的規律，實際在WiFi中使用得比較少。
(c) 正交分頻多工 (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)
OFDM 使用多個正交子載波，每個子載波傳輸資料的一部分，這樣就大大降低了多徑效應的影響，並提高了頻譜效率。
上面的這三種擴頻方式看不懂沒關係，下面會有稍微比較詳細的介紹。
(四) 802.11b
802.11b 是1999年釋出的標準，為什麼它最大的理論資料只有11Mps？
這與802.11b 物理層使用的編碼方式和調製方式有關係：
(a) BPSK 與 QPSK調製方式
BPSK: (Binary Phase Shift Keying)每個符號代表1個位元，即每次調製一個符號時只能傳遞1個位元。
QPSK: (Quadrature Phase Shift Keying)每個符號代表2個位元，因為它可以區分四種相位，所以比BPSK效率更高。
(b) Barker 與 CCK 編碼
Barker編碼: Barker 碼是一個 11 位元序列 (例如10110111000)，在無線傳輸方面存在優勢，可以有效降低干擾，不過降低了效率。
每一個位元編碼為一個 11 位 Barker 碼，因此而產生的一個資料物件形成一個chip(碎片)。實際傳輸的資訊量是有效傳輸的 11 倍。
CCK編碼: (Complementary Code Keying)補碼鍵控,採用了複雜的數學轉換函式，可以使用若干個 8-bit 序列在每個碼字中編碼 4 或 8 個位。
補碼鍵控編碼方式能有效防止噪聲及多徑干擾，缺點是補碼鍵控為了對抗多徑干擾，技術複雜，實現困難。
(c) 802.11b 速率計算
關於802.11b 各速率的計算：
1Mbps (Barker + BPSK)
調製方式: BPSK，每個符號1位元。
編碼方式: Barker 編碼，每個符號被編碼為11位。
結果: 由於符號速率是1 MSym/s，BPSK調製1個符號1位元，所以最大理論速率是1 Mbps。
2Mbps (Barker + QPSK)
調製方式: QPSK，每個符號2位元。
編碼方式: Barker編碼。
結果: 符號速率1 MSym/s，每個符號傳輸2位元，所以最大理論速率是2 Mbps。
5.5Mbps (4-bits CCK + QPSK)
調製方式: QPSK，每個符號 2 位元。
編碼方式: 4-bits CCK編碼，利用複雜的編碼方式提高了每符號的位元傳輸效率。
結果: 雖然每個符號代表 2 個位元，但CCK編碼使得每個符號最終可以傳遞 4 個位元。因此最大理論速率是 5.5 Mbps。
11Mbps (8-bits CCK + QPSK)
調製方式: QPSK，每個符號 2 位元。
編碼方式: 8-bits CCK 編碼，每個符號可傳遞 8 個位元。
結果: 在QPSK的基礎上，透過CCK編碼的最佳化使得每個符號可以傳輸8個位元，所以最大理論速率是11 Mbps。
注意：上面 Sym/s 是符號率/碼元速率的單位，用於表示通訊系統中每秒傳輸符號數量的單位。
- 在BPSK (Binary Phase Shift Keying)調製中，一個符號代表1個位元。
- 在QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)調製中，一個符號代表2個位元。
(五) 802.11g
802.11g 可以從 802.11b 中的最大速率 11Mbps 提升到 54Mbps, 核心是使用了OFDM 調製載波技術。
(1)正交分頻多工技術(OFDM)
正交分頻多工 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM) 是一種數字多載波調製方案，它透過在同一單通道內使用多個子載波來擴充套件單子載波調製的概念。
OFDM 不是使用單個子載波傳輸高速率資料流，而是使用大量並行傳輸的緊密間隔的正交子載波。每個子載波均採用傳統的數字調製方案。許多子載波的組合可以在等效頻寬內實現與傳統單載波調製方案類似的資料速率。
OFDM 基於分頻多工 (FDM) 技術，在 FDM 中，不同的資訊流被對映到單獨的並行頻道上，每個 FDM 通道均透過頻率保護帶與其他通道分開，以減少相鄰通道之間的干擾。
OFDM 方案與傳統 FDM 的不同之處在於以下相關方面：
- 多個載波 (稱為子載波)承載資訊流，
- 子載波彼此正交，並且為每個符號新增保護間隔，以最小化通道延遲擴充套件和符號間干擾
上圖說明了 OFDM 訊號的主要概念以及頻域和時域之間的相互關係。
在頻域中，多個相鄰子載波各自獨立地用複數資料進行調製。對頻域子載波執行逆 FFT 變換以產生時域中的 OFDM 符號。
在時域中，在每個符號之間插入保護間隔，以防止由於無線電通道中的多徑延遲擴充套件而在接收機處引起的符號間干擾。可以連線多個符號來建立最終的 OFDM 突發訊號。
在接收器處，對 OFDM 符號執行 FFT 以恢復原始資料位。這裡的 FFT 就是高數中的傅立葉變換。
在802.11g 中，有48個子載波用來傳輸資料，4個子載波用來做相位參考。
為什麼802.11g速率可以達到 54Mbps 呢？
802.11g 除了使用了OFDM調製載波技術，它還使用了64-QAM 的編碼方式。
(2) 64-QAM 編碼方式
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調製，在QAM (正交幅度調製)中，資料訊號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示。模擬訊號的相位調製和數字訊號的PSK (相移鍵控)可以被認為是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調製。
64-QAM 中的每個符號都是一個包含 6 位的星座狀態，每個符號是從 000 000 到 111 111 的 64 種不同狀態中的一種可能組合。由於該調製方案使用二進位制資料，因此可能的組合總數使用6 位為 2的6次方，即 64。
相應的在WiFi中還有使用16-QAM和256-QAM的編碼方式，16-QAM 傳輸4個位，64-QAM 傳輸6個位，256-QAM傳輸8個位。
在802.11g 中使用的是64-QAM，並且它的編位元速率是3/4。
(3) 802.11g 速率計算
資料速率是符號速率、每個符號承載的位元數和通道編位元速率的乘積。
調製方式: 64-QAM，每個符號代表6個位元。
編位元速率: 3/4 (前向糾錯編碼中使用的編位元速率)。
符號速率: 250 ksps。
每個OFDM符號在所有子載波上傳輸的總時間為4微秒 (μs)，其中包括3.2微秒的資料傳輸時間和0.8微秒的保護間隔 (Guard Interval)。
因此，符號週期 (Symbol Period)為4微秒。
由於每個符號週期為4微秒，符號速率為：
- 每個符號可以傳輸的位元數 = 6bit (因為64-QAM)。
- 載波編位元速率是3/4，所以實際有效位元數 = 6bit * 3/4 = 4.5 bit。
- 有48個資料子載波，所以每個OFDM符號可以傳輸的位元數 = 48 * 4.5bit = 216bit。
- 符號速率是250 ksps，所以總資料速率 = 216 位元/符號 * 250 ksps = 54 Mbps。
由上面的計算可以知道，802.11g 最大支援的速率是54Mbps。
於此同時，802.11g可以向下相容，在不同調變方式和編位元速率下，可以匹配到不同的速率上。
| 調製方式 | 編位元速率 | 資料速率 |
|---|---|---|
| BPSK | 1/2 | 6 Mbps |
| BPSK | 3/4 | 9 Mbps |
| QPSK | 1/2 | 12 Mbps |
| QPSK | 3/4 | 18 Mbps |
| 16-QAM | 1/2 | 24 Mbps |
| 16-QAM | 3/4 | 36 Mbps |
| 64-QAM | 2/3 | 48 Mbps |
| 64-QAM | 3/4 | 54 Mbps |
(六) 802.11n (WiFi4)
就目前而言，很多裝置還是使用的 802.11n 協議，特別是在安防 IPC 行業。
那麼，從 2003 年的 802.11g 到 2009 年的 802.11n(WiFi4)，又有哪些關鍵技術的實現讓 WiFi4 的速率得到質的飛躍呢？
WiFi4 核心的技術是 OFDM、FEC、MIMO、40Mhz、Short Gi。
(1) 802.11n 的 OFDM
這裡使用的 OFDM 正交分頻多工技術與 802.11g 中使用的是相同的。不同的點是：
- 802.11g 總共有 52 個子載波，802.11n 有 56 個子載波
- 802.11g 有 48 個資料子載波，802.11n 有 52 個資料子載波
資料子載波數 x 每個符號傳輸位元數 x 載波編位元速率 x 符號速率 = 最大理論速率
52 * 6bit * 3/4 * 250 ksps = 58.5Mbps
資料子載波數量增加了 4 個，所以速率由 802.11g 的 54Mbps 提升到了 58.5Mbps。
(2) 802.11n 的 FEC
前向糾錯編碼 (Forward Error Correction，FEC) 技術在傳送端將原始資料塊進行編碼，新增冗餘資訊形成編碼資料塊。接收端透過解析這些冗餘資訊來檢測和糾正傳輸過程中出現的錯誤。
這種方法不需要反饋和重傳，因此可以顯著提高資料傳輸的效率，特別是在高噪聲或訊號衰減嚴重的無線環境中。
使用 FEC 前向糾錯編碼之後，載波編位元速率由 802.11g 的 3/4 提升到了 5/6 。
資料子載波數 x 每個符號傳輸位元數 x 載波編位元速率 x 符號速率 = 最大理論速率
52 * 6bit * 5/6 * 250 ksps = 65Mbps
使用 FEC 編碼之後，速率提升到了 65Mbps
(3) 802.11n 的 Short Gi
Guard Interval (GI) 是指在每個 OFDM (正交分頻多工) 符號之間插入的一段保護時間，用來防止符號間的干擾 (ISI, Inter-Symbol Interference)。這種干擾通常由多徑傳播引起，即訊號在傳播過程中經過多次反射、折射和散射，從而導致訊號在不同的時間到達接收端。
在傳統的 802.11 系統中，GI 的標準長度為 800 納秒 (ns)，這個時間間隔足夠長，以消除大部分的符號間干擾。然而，長時間的 GI 也意味著浪費了一部分可以用於資料傳輸的時間。
由於保護時間縮短了400ns，所以每個符號週期為4微秒-0.4微秒 = 3.6微秒
符號率為：277.778ksps
資料子載波數 x 每個符號傳輸位元數 x 載波編位元速率 x 符號速率 = 最大理論速率
52 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps = 72.2222Mbps
使用 Short GI技術之後，速率提升到了 72.2222Mbps.
(4) 802.11n 通道捆綁
802.11n 允許使用 通道捆綁 技術，將兩個相鄰的 20 MHz 通道捆綁在一起，形成一個 40 MHz 的通道。這使得資料傳輸可以在更寬的頻譜範圍內進行。
透過增加通道寬度，可以承載更多的子載波 (subcarriers)，從而提高資料的傳輸速率。
- 一個標準通道是 20Mhz 頻寬，包含 52 個子載波
- 兩個相鄰通道捆綁起來就是 40Mhz 頻寬，包含108 (52*2+4=108) 個子載波
為什麼上面兩個通道捆綁到一起後，子載波數還多了4個呢？
因為通道與通道之間有間隙，當兩個通道繫結之後，兩個通道中間的頻段也可以被使用到。
在 2.4G 模式上最多可以有一個 40M 通道，在5G模式上 40M 通道數目因國家不同而不同，理論上最多有11個 40M 通道。
資料子載波數 x 每個符號傳輸位元數 x 載波編位元速率 x 符號速率 = 最大理論速率
108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps = 150Mbps
2.4Ghz頻段通道捆綁注意事項：在 2.4 GHz 頻段，由於可用的通道較少且通道間隔較窄，通常使用的通道捆綁配置包括：
- 通道 1 和 5：這些通道可以捆綁在一起形成 40 MHz 寬的通道。
- 通道 6 和 10：這些通道也可以捆綁在一起形成 40 MHz 寬的通道。
- 通道 11 和 7：這些通道也可以捆綁在一起形成 40 MHz 寬的通道。
由於 2.4 GHz 頻段的通道頻寬較小，捆綁時的通道間隔可能會導致較高的通道重疊和干擾，因此在這個頻段使用通道捆綁時需要特別注意干擾管理。
(5) 802.11n MIMO
MIMO(Multiple Input Multiple Output)概念
多輸入多輸出：MIMO 技術利用多個發射天線和接收天線在無線通訊中進行資料傳輸。透過同時傳輸多個資料流，MIMO 技術可以顯著提高無線網路的吞吐量和覆蓋範圍。
空間複用：MIMO 技術允許在相同的頻譜資源上同時傳輸多個資料流，增加了頻譜的利用效率。這種技術基於空間複用原理，即在同一頻段內透過空間分離的資料流來實現更高的資料傳輸速率。
資料子載波數 x 每個符號傳輸位元數 x 載波編位元速率 x 符號速率 x MIMO = 最大理論速率
108 * 6bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 600Mbps
所以 802.11n 的最大速率是 600Mbps
我們回到最開始的WiFi標準與WiFi世代圖中，我們可以看到 802.11n (WiFi4) 在2.4GHz 的最大速率是 450Mbps,而在 5Ghz 的最大速率是 600Mbps,這是為什麼？
我在網上看的資料是，802.11n 在 2.4GHz 的時候最大是 3 條資料流，而在 5GHz 的時候最大是 4 條資料流。
802.11n 除了上面介紹的 OFDM、FEC、MIMO、40Mhz、Short Gi 這些關鍵技術之外，它還有幀聚合、Block Ack 塊確認、更加高效的MAC層等技術使 WiFi 的整體效能得到了很大的提升。
結尾
上面介紹了 WiFi 通道，無線 WiFi 的 OSI 模型，以及 802.11b/g/n 標準協議的一些關鍵技術，下一篇將介紹 WiFi5、WiFi6、WiFi7 相關的一些內容，以及這些標準在使用時需要注意的事項。
上面內容，如有錯誤，歡迎評論區批評指出，不勝感激。