超能課堂(309)：Wi-Fi簡略進化史

在我們現(xiàn)今的生活中，Wi-Fi無處不在，圍繞人們身邊的幾乎所有的電子產(chǎn)品似乎都離不開它，從智能手機、筆記本電腦、平板電腦到網(wǎng)絡(luò)盒子、支付設(shè)備等。作為一種普遍且簡單的無線網(wǎng)絡(luò)連接方式，早已滲透在我們的日常生活中，被大家熟知，是現(xiàn)代社會里重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

與蜂窩網(wǎng)絡(luò)或藍牙等其他無線連接方式的側(cè)重點不同，Wi-Fi準(zhǔn)確來說就是無線局域網(wǎng)，通過無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以將覆蓋一定區(qū)域內(nèi)、具有Wi-Fi功能的設(shè)備集結(jié)在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。即將到來的Wi-Fi 7是新一代的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目前我們主要使用的是Wi-Fi 5/6，而距最早的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有25年的歷史了。一直以來，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的迭代是一個追求更高帶寬和覆蓋更大范圍的過程，而每一代的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)又發(fā)生了什么樣的變化呢？

IEEE 802.11是無線局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，是由電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）所定義的無線網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)。在官方定義IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的時候，選定了澳大利亞政府研究機構(gòu)CSIRO發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由于澳大利亞政府擁有該技術(shù)的專利，所以在很長時間里都在收取專利費用，直到2013年底專利過期。期間電氣和電子工程師協(xié)會曾要求澳大利亞政府放棄無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專利，不過遭到拒絕。

IEEE 802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議誕生于1997年，標(biāo)準(zhǔn)中定義了媒體訪問控制層（MAC層）和物理層，后者定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種擴頻作調(diào)制方式和一種紅外線傳輸?shù)姆绞剑O(shè)備間的總數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbps（紅外線為1Mbps）。而2.4GHz的ISM頻段則是美國聯(lián)邦通信委員會釋放的，用于商業(yè)和科學(xué)用途，同時也被世界絕大多數(shù)國家所通用。無論從工作方式還是數(shù)據(jù)傳輸速率，都非常原始，不過卻為日后Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展指明了方向。

一方面IEEE 802.11無論傳輸速率還是傳輸距離都難以滿足人們的使用需求，另一方面隨著信息時代的來臨，無線網(wǎng)絡(luò)的連接需求卻越來越強烈。到了1999年，兩個補充協(xié)議出現(xiàn)了，分別是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b，前者為5GHz頻段，傳輸速率為54Mbps，采用OFDM技術(shù)，后者仍然為2.4GHz頻段，傳輸速率為11Mbps，采用DSSS技術(shù)。兩者是完全不同的分支，相互之間并不兼容。

圖：Sony PSP配備了802.11b網(wǎng)卡

雖然IEEE 802.11a有著更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但覆蓋范圍較小，且穿透性較差。相比之下IEEE 802.11b更為實用，且11Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率基本滿足當(dāng)時的需求。此外，滿足IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備成本要高得多。得益于IEEE 802.11b的制定，在2000年前后，第一代Wi-Fi產(chǎn)品上市銷售了，開辟了一個新的時代。

為了推動IEEE 802.11b規(guī)格的制定，以及未來更好地在全球范圍內(nèi)推廣Wi-Fi，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，一個名為無線以太網(wǎng)路相容性聯(lián)盟的全球性非營利性組織成立了，這也就是Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）的前身（2002年改名）。其總部位于美國德克薩斯州的奧斯汀，專門負責(zé)Wi-Fi認證與商標(biāo)授權(quán)的工作，擁有300多名會員。

隨著Wi-Fi的普及，加上對無線傳輸?shù)囊笤絹碓礁?，IEEE 802.11b的11Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率已不能滿足人們數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨罅?。到?003年，新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11g應(yīng)運而生，而且將原有IEEE 802.11a和IEEE 802.11b各自的優(yōu)點做了融合。

IEEE 802.11g采用了IEEE 802.11a的OFDM技術(shù)，同時將頻率定在了2.4GHz，保持了與IEEE 802.11b設(shè)備的兼容性，同時將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到54Mbps，覆蓋范圍已經(jīng)可以滿足相當(dāng)大部分用戶的需求了。IEEE 802.11g在技術(shù)的選擇上非常地合理，不但使得IEEE 802.11b累積的用戶都保留了下來，而且購買新設(shè)備的用戶又能體驗到數(shù)據(jù)傳輸速度的提升，也降低了用戶升級的花費。

IEEE 802.11g的出現(xiàn)非常及時，這時期移動設(shè)備越來越多且大多開始有聯(lián)網(wǎng)的需要（手機、PDA和筆記本電腦等），對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨竺黠@增加。早期許多購買Wi-Fi路由器的用戶，都是從IEEE 802.11g時期開始。

雖然IEEE 802.11g的數(shù)據(jù)傳輸速度對于當(dāng)時不少移動設(shè)備來說是夠用的，不過像筆記本電腦這樣的設(shè)備，這樣的速度遠遠不夠。當(dāng)時有線局域網(wǎng)已逐步向千兆網(wǎng)絡(luò)，54Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率大幅度落后，甚至還比不上使用多年的百兆網(wǎng)絡(luò)。為此，到了2009年，IEEE 802.11n出現(xiàn)了。

圖：AirPort Express 802.11n

為了大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸速度，IEEE 802.11n做了重大的變革，引入了MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)，使用多個****和接收天線來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并使用了空時分組碼來增加傳輸范圍。IEEE 802.11n可以工作在2.4GHz和5GHz兩個頻段，是第一個雙頻的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，這不但能解決設(shè)備越來越多導(dǎo)致2.4GHz頻段擁擠、相互影響的問題，還能滿足一些設(shè)備需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/span>

IEEE 802.11n支持20MHz的標(biāo)準(zhǔn)帶寬，基礎(chǔ)速率提升到72.2Mbit/s，可以使用雙倍頻寬40MHz，加上4x4 MIMO，最高數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了600Mbps，終于趕上了有線局域網(wǎng)絡(luò)的節(jié)奏。事實上，當(dāng)IEEE 802.11n還在草案階段，尚未完成最終的標(biāo)準(zhǔn)制定，就已經(jīng)有不少廠商迫不及待地推出所謂IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，稱之為"Draft N"，可見市場對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣忍嵘卸鄰娏摇?/span>

這時期Wi-Fi聯(lián)盟還推出了新的Wi-Fi CERTiFiED標(biāo)志，相信不少用戶都在路由器產(chǎn)品包裝上看到過。

作為IEEE 802.11n的繼任者，IEEE 802.11ac提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，又稱為Very High Throughput（VHT），發(fā)布于2013年。IEEE 802.11ac推出的時候恰逢智能手機大爆發(fā)時期，大量設(shè)備均采用了支持IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的芯片。

IEEE 802.11ac在技術(shù)上做了多項改進，包括選擇了5GHz頻段，雙倍頻寬由40MHz變成了160MHz，調(diào)制模式由64-QAM提升到256-QAM，引入MU-MIMO應(yīng)答機制，同時MIMO升級到了8天線等，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達到3.5Gbps。由于這時期2.4GHz頻段上已經(jīng)存在太多的設(shè)備，而且藍牙和微波爐等都會對該頻段造成影響，加上Wi-Fi設(shè)備對信道的占用和管理機制問題，使得效率越來越低，而IEEE 802.11ac選擇5GHz頻段解決了很大部分問題。

這時期各種無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品已經(jīng)十分普遍，但一些便宜的設(shè)備在入門甚至主流市場仍有不錯的銷量，市場上混雜著兩代甚至三代Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，對新規(guī)范的推廣造成了障礙。為了讓消費者分清不同的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，2018年Wi-Fi聯(lián)盟簡化了Wi-Fi命名，將即將到來的第六代無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11ax）正式命名為WiFi 6，同時802.11ac和802.11n也被賦予了新的名字，分別叫做Wi-Fi 5和Wi-Fi 4，三個標(biāo)準(zhǔn)之間的差異就一目了然了。

雖然網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)常有人將IEEE 802.11a/b/g稱為Wi-Fi 1/2/3，但事實上Wi-Fi聯(lián)盟并沒有這么做，至少沒有公開說過。這幾個Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)相隔時間實在比較長，市面上基本不會看到相關(guān)的產(chǎn)品，所以Wi-Fi聯(lián)盟沒有特意去做區(qū)分。

近兩年來，如果談起Wi-Fi會經(jīng)常聽到一個名字，就是Wi-Fi 6，也就是以往稱為IEEE 802.11ax的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。以目前Wi-Fi 6出現(xiàn)和討論的頻率來看，Wi-Fi聯(lián)盟新的命名方式似乎非常成功。

與Wi-Fi 5一樣，Wi-Fi 6同樣支持20/40/80/80+80/160MHz頻寬，而Wi-Fi 6覆蓋了2.4GHz和5GHz頻段，則有別于Wi-Fi 5只涉及5GHz頻段，這使得低速設(shè)備和高速設(shè)備都覆蓋了。Wi-Fi 6在調(diào)制模式上從Wi-Fi 5的256-QAM提升為1024-QAM，數(shù)據(jù)流最大支持數(shù)量也從4個提高到了8個，使用了OFDMA技術(shù)和上/下行MU-MIMO，以及CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）機制和TWT（Target Wake Time）機制，讓W(xué)i-Fi 6的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了9.6Gbps，設(shè)備的連接效率也大大提高。

除了Wi-Fi 6以外，還有一個名為Wi-Fi 6E的擴展，在前者基礎(chǔ)上引入了6GHz頻段的支持，使得Wi-Fi 6可以從原來使用的2.4GHz/5GHz頻段擴展為2.4GHz/5GHz/6GHz頻段，具體頻率是從5925MHz到7125MHz。如果完全利用6GHz頻段的帶寬，基于Wi-Fi 6E的無線網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)設(shè)備容納數(shù)量翻倍的效果（具體可看《超能課堂(263)：WiFi 6E來了，它相比WiFi 6有什么不同嗎？》）。

不過WiFi 6E面臨一個很重要的問題，就是世界各個國家和地區(qū)對6GHz頻段的開放程度。無線頻譜作為一種國家級的資源，只有相應(yīng)的國家和地區(qū)實現(xiàn)開放之后，才能用于個人的WiFi網(wǎng)絡(luò)上。目前針對6GHz頻段的開放問題，大多數(shù)國家和地區(qū)其實都還在調(diào)研當(dāng)中，而且并未達成共識，比如北美地區(qū)是傾向于將其作為非授權(quán)頻段使用，可用于個人組建Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，而中國則傾向作為授權(quán)頻段，用于5G通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，這就意味著個人在6GHz頻段的使用上會受到限制。

雖然Wi-Fi 6/6E的設(shè)備還在普及當(dāng)中，但Wi-Fi 7的腳步卻越來越近了，預(yù)計完整的標(biāo)準(zhǔn)版本要到2024年底才會正式公布。如果有留意新聞，會看到近期高通已發(fā)布Wi-Fi 7的相關(guān)解決方案。高通表示2022年下半年將向客戶出樣，商業(yè)移動終端會在2022年末出貨。

Wi-Fi 7對應(yīng)的是IEEE 802.11be EHT（Extremely High Throughput）標(biāo)準(zhǔn)，在Wi-Fi 6E的基礎(chǔ)上引入了320MHz頻寬、4096-QAM調(diào)制、Multi-RU、多鏈路操作、增強MU-MIMO、多AP協(xié)作（常說的MESH組網(wǎng)）等技術(shù)而來，這使得Wi-Fi 7相較于Wi-Fi 6E可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的延時。Wi-Fi 7可以支持高達30Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，相當(dāng)于Wi-Fi 6的3倍，可以滿足高碼率4K/8K視頻、VR/AR應(yīng)用、遠程辦公、視頻會議以及云計算多種場景的使用。

由于Wi-Fi 7所依賴的6GHz頻段目前使用存疑，所以實際使用上可能會受到限制，這也影響著目前市場上銷售的Wi-Fi 6E產(chǎn)品。倘若世界各國睇地區(qū)對6GHz頻段的使用不能達成共識，最終沒有開放，那么Wi-Fi 7上所帶來的提升就大打折扣了，甚至?xí)绊懳磥鞼i-Fi的技術(shù)發(fā)展和規(guī)范制定工作。