liwen01 2024.09.08
前言
經過二十多年的發展，WiFi 在硬體能力、軟體和演算法、頻譜資源、市場需求、電源與能效方面都有了很大的提升。所以我們能看到從最開始只有幾 M 速率的 802.11b，發展到現在幾十 G 速率的 WiFi6，WiFi7。
前面我們介紹了 802.11 b/g/n 的一些核心技術和基礎概念，本章將介紹目前比較新的 WiFi5 和 WiFi6，以及在今年會發布的 WiFi7。
- WiFi4 (802.11n，2009)：首次引入 MIMO 和 40 MHz 頻寬，基礎的高效無線網路標準。
- WiFi5 (802.11ac，2013)：更高資料速率，專注於 5 GHz 頻段，適合高畫質流媒體和線上遊戲。
- WiFi6 (802.11ax,2019)：更高效率，適合密集裝置環境，支援更低的延遲和更高的節能表現。
- WiFi7 (802.11be，2024)：預計今年(2024)會發布的新一代標準，提供超高資料速率，支援更高頻寬需求。
我們先回顧一下上一章已介紹過的 WiFi4，後面介紹的 WiFi5、WiFi6、WiFi7 實際也是從 WiFi4 基礎上迭代發展出來的，它們也都支援向下相容。
本章涉及到比較多之前已介紹過的知識，這裡只進行概括描述，詳細介紹可以參考前面文章：
《wifi基礎(一)：無線電波與WIFI訊號干擾、衰減》
《WiFi基礎(二)：最新WiFi通道、無線OSI模型與802.11b/g/n》
(一) 802.11n (WiFi4)
(1) OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)正交分頻多工調製技術，將訊號分成多個窄帶子載波，每個子載波獨立調製。子載波之間是相互正交的，避免了相互干擾。
優點：
- 抗多徑干擾能力強，特別適用於室內無線環境。
- 頻譜效率高，能夠在有限頻譜內傳輸更高的資料速率。
缺點：
- 對頻率偏移和相位噪聲敏感。
- 實現較為複雜，需要精確的同步。
(2) FEC
FEC (Forward Error Correction) 前向糾錯技術，在資料傳輸過程中增加冗餘資訊，以便在接收端進行錯誤檢測和修正，從而提高資料傳輸的可靠性。
優點：
- 提高資料傳輸的可靠性，降低重傳率。
- 提高了在通道質量較差情況下的通訊質量。
缺點：
- 增加了資料包的長度和編碼複雜度。
- 導致頻寬開銷增加。
(3) MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output) 技術透過在傳送端和接收端使用多個天線來同時傳輸和接收多路資料流，從而顯著提高資料傳輸速率和網路覆蓋範圍。
優點：
- 大幅提高了資料傳輸速率 (透過空間複用)。
- 增強了訊號覆蓋範圍和通道容量。
缺點：
- 實現成本較高，需要額外的硬體支援 (如多天線)。
- 天線之間的相互干擾可能會降低效能。
(4) Short GI
Short GI (Short Guard Interval) 是指將 OFDM 符號之間的保護間隔 (Guard Interval) 從標準的 800ns 縮短為 400ns。保護間隔用於減少符號間干擾。
優點： 縮短保護間隔可以提高資料傳輸速率 (提高約 11%)。
缺點： 短保護間隔在多徑效應嚴重的環境中可能會導致符號間干擾，反而降低效能。
(5) 40 MHz 頻寬
802.11n 支援將兩個 20 MHz 的頻段合併為一個 40 MHz 的頻段，從而提高資料傳輸頻寬和速率。
優點： 透過增大頻寬，資料傳輸速率可以翻倍。
缺點：
- 在 2.4 GHz 頻段上，40 MHz 頻寬容易導致與其他裝置 (如藍芽裝置、微波爐)發生干擾，特別是在頻譜資源緊張的環境中。
- 可能影響其他使用相鄰頻段的無線裝置的正常工作。
透過這些技術，802.11n 在實際應用中達到了比之前標準更高的吞吐量和更穩定的連線，但也面臨著複雜性增加和部分場景中干擾增加的問題。
(6) WiFi4 最大速率
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(二) 802.11ac(WiFi5)
WiFi5 只支援 5GHz 頻段，與 WiFi4 相比，有一個大的突破是使用了 MU-MIMO 技術。
(1) MU - MIMO 技術
(a) MIMO 基本原理
MIMO 透過使用多個天線在傳送端和接收端同時傳送和接收多路資料流，來增加資料傳輸速率和訊號覆蓋範圍。
在傳統的單使用者 MIMO (SU-MIMO)中，一次只能為一個裝置 (使用者)提供多路資料流，所有的天線資源只服務於一個裝置。
(b) MU-MIMO 的原理
MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) 是 MIMO 的多使用者版本，它允許路由器 (AP) 使用多個天線同時向多個裝置 (使用者) 傳輸資料。這種方式顯著提高了網路的併發能力和頻譜利用效率。
(c) 如何工作
-
多個資料流：MU-MIMO 能夠同時向多個裝置傳送不同的資料流，而不是像 SU-MIMO 那樣一次只能向一個裝置傳送資料流。
-
分配天線資源：MU-MIMO 技術根據裝置的需求和通道狀態，動態地分配天線資源，使得多個裝置可以同時利用無線頻寬。
-
空間分集：利用空間分集技術，MU-MIMO 可以區分和識別空間中不同使用者裝置的訊號，避免相互干擾。
(d) 優點
提高效率：MU-MIMO 能夠同時為多個裝置提供資料服務，避免了裝置之間的競爭，減少了空閒時間和通訊延遲，尤其在高密度裝置環境下 (如家庭、辦公場所、公共場所)表現尤為明顯。
增加吞吐量：透過多裝置同時傳輸，MU-MIMO 提高了總體的網路吞吐量，使得更多裝置能夠獲得穩定的高資料速率。
改善使用者體驗：減少了由於裝置增多而導致的網路擁堵問題，特別是在多裝置同時進行高頻寬需求操作 (如影片流、線上遊戲)時效果顯著。
(e) 限制和挑戰
裝置支援：MU-MIMO 需要路由器和客戶端裝置 (如手機、平板、膝上型電腦)同時支援該技術。如果客戶端不支援 MU-MIMO，無法受益於該技術。
物理限制：MU-MIMO 的效能受限於裝置的天線數量、天線間隔、以及環境的多徑效應。一般家庭路由器可能只能同時支援2-4個裝置的MU-MIMO。
複雜度：由於需要同時管理多個使用者的資料流，MU-MIMO 技術的實現複雜度較高，尤其是在動態環境中，通道狀態會隨時變化，需要更復雜的演算法來維持高效傳輸。
(f) 與 SU-MIMO 的比較
SU-MIMO：一次只能為一個使用者提供多路資料流，適合單個裝置高速傳輸。
MU-MIMO：能夠同時為多個使用者提供多路資料流，更加高效地利用無線資源，適合多裝置併發環境。
WiFi5 Wave2 因為使用了 MU-MIMO, 實現了 WiFi 從 1 對 1 的傳輸，跨越到 1 對多的傳輸，但是這裡需要注意，在WiFi5 Wave2 中，只支援下行方向的 MU-MIMO 。
(2) 802.11Wave1 速率計算
Wave1 與 WiFi 相比，使用了 256-QAM 編碼，也就是每個符號可以傳輸 8bit 數。通道繫結由原來的 40MHz，現在提升到了 80MHz，資料子載波數提升到了 234 個。
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
234 * 8bit * 5/6 * 277.778 ksps *3 = 1300Mbps(3) 802.11Wave2 速率計算
Wave 2 可以最大支援 160MHz 的頻寬，資料子載波的數量有 468 個，空間流由 wave1 的 3 個提升到了 4 個。
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
468 * 8bit * 5/6 * 277.778 ksps *4 = 3466.67Mbps在最新的一些資料上看，WiFi5 wave1 可以支援到 3.47Gbps， wave2 可以支援到最大速率 6.9Gbps。主要是支援的空間流數的增加和通道頻寬的增加。
最大速率是需要 AP 和 STA 都要支援對應的標準協議，並且有對應的硬體支援(比如天線個數)，如果 AP 有多天線且執行 802.11ac 協議，但 STA 只支援 802.11n，並且只有單天線，那最大也就只能支援一個空間流，實際最大速率與理論最大速率之間會有很大的差異。
(4) 802.11 Wave2 跨通道繫結
我們看到 802.11ac Wave2 中，提供的通道有一個 80+80 的通道，它表示可以將不相鄰的兩個 80MHz 通道進行聚合繫結，使通道頻寬變得更寬更靈活。該技術也應用到了後面更新的 WiFi6 和 WiFi7 標準中。
(三) 802.11ax (WiFi6)
WiFi6 是現在正在逐漸推廣的一個標準，它同時支援 2.4GHz 和 5GHz 頻段。與 WiFi4 和 WiFi5 相比，WiFi6 的關鍵技術有：1024QAM、OFDMA多址，上下行MU-MIMO，空間複用、TWT 技術。
(1) OFDMA多址技術
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access 正交分頻多重進接) 用於將無線通道劃分為多個子通道 (也稱為子載波)，每個子通道可以被不同的使用者同時使用。
這種技術在4G LTE 網路中已經廣泛應用，現在也被引入到了 WiFi 中，以提高網路效率。
(a) OFDMA的工作原理:
通道劃分： 在OFDMA中，整個 WiFi 通道被劃分為多個較窄的子通道 (子載波)，每個子載波可以攜帶一部分資料。
使用者分配： 不同的使用者可以同時使用這些子載波進行通訊。例如，一個使用者可以使用某些子載波，而另一個使用者可以使用其他子載波，這樣可以在同一時刻支援多個使用者進行資料傳輸。
提高效率： 透過允許多個使用者共享同一通道，OFDMA 減少了通道的閒置時間，並提高了頻譜利用率。這對於高密度環境 (如體育場、會議室等) 尤為重要，因為它能顯著減少使用者之間的干擾和競爭。
(b) OFDMA的優勢
低延遲： OFDMA 減少了使用者之間的競爭，因此可以降低網路延遲，特別是在高流量環境下。
高效頻譜利用： 透過靈活地分配子載波，OFDMA 能夠更高效地利用頻譜資源，避免通道資源的浪費。
更好的服務質量 (QoS)： OFDMA 允許網路根據需求分配資源，從而可以為不同的應用提供更好的服務質量，如流媒體、視訊會議等。
支援更多使用者： OFDMA 使得 802.11ax 能夠支援更多的併發使用者，而不會顯著降低每個使用者的頻寬。
(2) 空間複用
空間複用 (Spatial Reuse) 是利用空間分隔來增加同一頻譜資源使用效率的技術。具體而言，它允許多個裝置在同一時間內透過同一通道進行通訊，只要這些裝置之間的物理距離足夠遠，不會相互干擾。
(a) 空間複用的工作原理
(I) BSS Coloring：
BSS (基本服務集)：在 WiFi 網路中，每個接入點 (AP)及其關聯的裝置形成一個BSS。傳統 WiFi 網路中，如果相鄰的 BSS 使用相同的通道，它們之間的訊號會相互干擾，導致裝置不得不等待通道空閒。
BSS Coloring：WiFi6 透過引入BSS Coloring (BSS上色)技術來區分相鄰的 BSS。每個 BSS 可以被賦予一個“顏色”，以幫助裝置識別訊號是否來自同一 BSS 。如果訊號來自不同的 BSS 且干擾較小，裝置仍然可以傳輸資料，從而實現空間複用。
(II) 目標訊雜比 (SNR)調整：
傳統的 WiFi 網路中，裝置會透過檢測通道上的能量水平來決定是否可以傳送資料。如果檢測到某個訊號能量超過一定閾值，就認為通道被佔用。
在 WiFi6 中，透過調節訊雜比閾值，允許裝置在感知到相對較弱的干擾訊號時繼續傳輸資料。這種調整使得空間複用變得更加有效。
(III) 靈活的頻譜使用：
WiFi6 允許更靈活的頻譜使用，能夠根據當前的網路環境動態調整。這意味著在同一通道上，多個 AP 可以更高效地分配資源，減少因相互干擾而導致的頻譜浪費。
(b) 空間複用的優勢
提高網路容量：空間複用透過允許更多的裝置同時在同一通道上進行通訊，極大地提高了網路的總體容量。
減少等待時間：由於裝置可以更頻繁地訪問通道，因此可以減少資料傳輸的等待時間，提升整體網路效率。
最佳化高密度環境：在使用者裝置密集的場景 (如大型會議、體育場等)，空間複用能夠顯著減少干擾，提高每個使用者的體驗。
(3) TWT 目標喚醒時間技術
TWT (Target Wake Time) 允許裝置與接入點 (AP) 之間協商喚醒時間，從而減少裝置的電池消耗。TWT 是 WiFi 6 引入的一項重要創新技術，它在節能和網路效率方面具有顯著的優勢。
工作原理：
時間協商：裝置和 AP 協商一個 TWT 協議，確定裝置何時可以進入休眠模式，以及何時需要喚醒以傳送或接收資料。這個協商可以根據裝置的使用模式、資料傳輸需求和電源管理策略進行定製。
節能：透過 TWT，裝置可以在不需要頻繁通訊的情況下長時間保持休眠狀態，僅在預定的時間喚醒以處理資料。這大大減少了裝置的功耗，特別是對於電池供電的裝置如手機、物聯網裝置和感測器等。
減少干擾：TWT 還可以減少不同裝置之間的訊號干擾。因為裝置在不同的時間段內喚醒和傳輸資料，多個裝置不會在同一時間段爭搶無線通道，從而提高了整體網路的效率。
TWT 的型別
TWT 可以分為以下兩種型別：
單個TWT：在這種模式下，裝置和 AP 協商一個單獨的喚醒時間表。例如，裝置可能每隔一段時間喚醒一次，以傳送或接收資料。
廣播TWT：在廣播 TWT 模式下，AP 可以向多個裝置傳送一個統一的 TWT 排程表。這樣多個裝置可以在相同的時間段內喚醒，進行同步的資料傳輸。
TWT 的應用場景
物聯網裝置： 許多物聯網裝置需要長時間待機且偶爾傳輸少量資料，TWT 技術可以顯著延長這些裝置的電池壽命。
移動裝置： 智慧手機、平板等移動裝置可以透過 TWT 在 WiFi連線期間節省電量，尤其是在後臺資料傳輸較少的情況下。
(4) WiFi6 的優勢
WiFi6 與 WiFi5 相比，在大頻寬、高併發、低延時、低功耗方面都有大幅度的提升。
大頻寬：WiFi6 可以支援到 160MHz 頻寬的通道繫結，使用 1024-QAM 的編碼，最大支援 8 路空間流，使 WiFi6 的理論最大速率達到了 9.6Gbps
高併發：支援上下行 MU-MIMO 與上下行 OFDMA 兩種多使用者傳輸技術，減少多使用者並行傳輸時的通道開銷，提升多使用者場景下的空間通道利用率，另外 WiFi6 每個 AP 支援 1024 個終端接入。
低延時：透過 OFDMA 和 MU-MIMO 技術減少了裝置之間的競爭時間，從而加快了資料傳輸速度。
低功耗：透過 TWT 和 Beamforming(波束成形) 技術，減少裝置喚醒次數和最佳化訊號傳輸來降低 STA 裝置端的功耗。
WiFi6 與移動通訊中的 5G 非常類似，正逐漸地被推廣使用。
(四) 802.11be (WiFi7)
(1) WiFi7 的關鍵技術
(a) 更寬的通道頻寬
320MHz頻寬：WiFi7 支援 320 MHz的超寬通道頻寬，相較於 WiFi6 的最大 160 MHz，頻寬翻倍。這種頻寬的擴充套件使得資料傳輸速率大大提高。
通道聚合：WiFi7 支援將多個非連續頻段聚合為一個邏輯通道，從而進一步提高頻寬利用率。
(b) 更高階的調製技術
4096-QAM (4K-QAM)：WiFi7 引入了更高階的調製方式 4096-QAM，相比 WiFi6 的 1024-QAM，資料密度增加了 20%。這意味著在相同通道條件下，WiFi7 能夠傳輸更多資料，從而提升整體吞吐量。
(c) 多鏈路操作 (Multi-Link Operation, MLO)
多鏈路聚合：WiFi7 允許裝置同時在多個頻段 (例如2.4 GHz、5 GHz和6 GHz)上傳輸資料，最大化頻寬利用率，並提高傳輸的穩定性和速度。
鏈路負載平衡：MLO技術還能根據網路負載和干擾情況，動態選擇最優鏈路進行資料傳輸，減少延遲和通道擁堵。
(d) 增強的 OFDMA 和 MU-MIMO
增強的 OFDMA (正交分頻多重進接)：WiFi7進一步最佳化了 OFDMA 技術，支援更多的子載波和更細粒度的頻譜分配，從而提高多使用者環境下的網路效率。
MU-MIMO (多使用者多輸入多輸出)：WiFi7 支援 32 個空間流 (相比 WiFi6 的 8 個)，這意味著能夠同時為更多裝置提供高速連線，特別是在密集環境下。
(e) 極低延遲和時間敏感網路 (Time-Sensitive Networking, TSN)
低延遲傳輸：WiFi7 透過改進的排程演算法和更靈活的頻譜管理，實現了極低的傳輸延遲，非常適合需要高實時性的資料傳輸場景，如 AR/VR 和工業自動化。
TSN 支援：WiFi7 引入了時間敏感網路支援，能夠在無線網路中提供類似於有線網路的時間敏感資料傳輸，確保關鍵任務資料的穩定傳輸。
(f) 改進的BSS Coloring技術
增強的BSS Coloring：WiFi7 進一步改進了 BSS Coloring 技術，使其在高密度網路環境下更有效地減少干擾，並提高通道複用效率。
(2) WiFi7 的理論最大速率
透過上述技術的綜合應用，WiFi7 的理論最大速率可以達到 46 Gbps，這是WiFi6最大速率的近5倍。這種速度提升主要得益於更寬的通道頻寬 (320 MHz)、更高階的調製 (4096-QAM) 和多鏈路操作 (MLO)等技術的結合。
(五) WiFi 依然面臨的問題
雖然 WiFi 技術在不斷地發展，但是需要面對的問題也會越來越多。多使用者併發、影片媒體重度發展、新老標準協議並存、各式物聯網裝置對 WiFi 實時性、功耗的不同要求，等等。
(1) 訊號干擾與擁堵：
隨著無線裝置的普及，WiFi 訊號的干擾會更加明顯，辦公區、商場、會展中心等環境經常會遇到各種問題，比如：能搜到 WiFi 熱點，但卻連線不上，就算連線上了，網速也很慢。
WiFi 熱點眾多，樓上樓下週圍鄰居間相互干擾，新老裝置執行不同協議標準，多使用者同時併發，導致訊號干擾和擁堵明顯。
(2) 頻寬限制與速率瓶頸：
影片媒體重度發展，對高頻寬、低延遲有極大的需求。儘管新的 WiFi 標準 (如 WiFi6 和 WiFi7) 提供了更高的理論最大速率，但在現實環境中，頻寬的限制和裝置間的競爭仍然可能導致網路速度無法達到預期。
(3) 覆蓋範圍與訊號衰減：
WiFi 訊號的覆蓋範圍有限，尤其在有牆壁或其他障礙物的情況下，訊號衰減顯著，導致訊號質量下降，需要透過增加路由器或使用中繼器來擴充套件覆蓋範圍。
對於戶外高溫、雨淋等環境，對裝置可靠性和穩定性要求又很高。
(4) 安全性問題：
雖然 WiFi 安全性不斷提升 (例如 WPA3 標準) ，但仍然存在潛在的安全漏洞，如中間人攻擊、密碼破解等。此外，許多使用者在安全配置上意識不足，也可能導致網路被未經授權的裝置訪問。
(5) 功耗與裝置相容性：
隨著物聯網裝置的普及，WiFi 網路連線的裝置型別和數量大幅增加。這些裝置對功耗和相容性的要求各不相同，可能導致網路效率降低或裝置無法有效連線。
(6) 技術更新與過渡：
隨著 WiFi 技術的快速發展，新舊標準的過渡帶來了一定的相容性問題。使用者可能需要更新硬體裝置才能完全利用新標準的優勢，比如增加天線個數。
對於對成本敏感的物聯網裝置，它們奉行的原則大多都是夠用就好，所以這個技術過渡期會比較漫長。
結尾
關於 802.11 WiFi 相關標準的簡單介紹到這裡就結束了，下一章我們將介紹 WiFi 的工作原理，以及 WiFi 的接入過程分析。
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