超能課堂(309):Wi-Fi簡略進化史

在我們現今的生活中,Wi-Fi無處不在,圍繞人們身邊的幾乎所有的電子產品似乎都離不開它,從智慧型手機、筆記本電腦、平板電腦到網絡盒子、支付設備等。作為一種普遍且簡單的無線網絡連接方式,早已滲透在我們的日常生活中,被大家熟知,是現代社會里重要的基礎設施。

超能課堂(309):Wi-Fi簡略進化史

與蜂窩網絡或藍牙等其他無線連接方式的側重點不同,Wi-Fi准確來說就是無線區域網,通過無線聯網技術,可以將覆蓋一定區域內、具有Wi-Fi功能的設備集結在同一網絡內。即將到來的Wi-Fi 7是新一代的無線網絡標准,目前我們主要使用的是Wi-Fi 5/6,而距最早的Wi-Fi標准已經有25年的歷史了。一直以來,Wi-Fi標準的疊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標准又發生了什麼樣的變化呢?

IEEE 802.11

IEEE 802.11是無線區域網的通用標准,是由電氣和電子工程師協會(IEEE)所定義的無線網絡通信的標准。在官方定義IEEE 802.11標準的時候,選定了澳大利亞政府研究機構CSIRO發明的無線網絡技術。由於澳大利亞政府擁有該技術的專利,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會曾要求澳大利亞政府放棄無線網絡技術專利,不過遭到拒絕。

IEEE 802.11無線區域網協議誕生於1997年,標准中定義了媒體訪問控制層(MAC層)和物理層,後者定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種擴頻作調制方式和一種紅外線傳輸的方式,設備間的總數據傳輸速率為2Mbps(紅外線為1Mbps)。而2.4GHz的ISM頻段則是美國聯邦通信委員會釋放的,用於商業和科學用途,同時也被世界絕大多數國家所通用。無論從工作方式還是數據傳輸速率,都非常原始,不過卻為日後Wi-Fi標準的發展指明了方向。

IEEE 802.11a / IEEE 802.11b

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,另一方面隨著資訊時代的來臨,無線網絡的連接需求卻越來越強烈。到了1999年,兩個補充協議出現了,分別是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b,前者為5GHz頻段,傳輸速率為54Mbps,採用OFDM技術,後者仍然為2.4GHz頻段,傳輸速率為11Mbps,採用DSSS技術。兩者是完全不同的分支,相互之間並不兼容。

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圖:Sony PSP配備了802.11b網卡

雖然IEEE 802.11a有著更高的數據傳輸速率,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的數據傳輸速率基本滿足當時的需求。此外,滿足IEEE 802.11a標準的設備成本要高得多。得益於IEEE 802.11b的制定,在2000年前後,第一代Wi-Fi產品上市銷售了,開辟了一個新的時代。

為了推動IEEE 802.11b規格的制定,以及未來更好地在全球范圍內推廣Wi-Fi,採用統一的標准設備,一個名為無線乙太網路相容性聯盟的全球性非營利性組織成立了,這也就是Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)的前身(2002年改名)。其總部位於美國德克薩斯州的奧斯汀,專門負責Wi-Fi認證與商標授權的工作,擁有300多名會員。

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IEEE 802.11g

隨著Wi-Fi的普及,加上對無線傳輸的要求越來越高,IEEE 802.11b的11Mbps數據傳輸速率已不能滿足人們數據傳輸的需求了。到了2003年,新的Wi-Fi標准IEEE 802.11g應運而生,而且將原有IEEE 802.11a和IEEE 802.11b各自的優點做了融合。

IEEE 802.11g採用了IEEE 802.11a的OFDM技術,同時將頻率定在了2.4GHz,保持了與IEEE 802.11b設備的兼容性,同時將數據傳輸速率提高到54Mbps,覆蓋范圍已經可以滿足相當大部分用戶的需求了。IEEE 802.11g在技術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,而且購買新設備的用戶又能體驗到數據傳輸速度的提升,也降低了用戶升級的花費。

IEEE 802.11g的出現非常及時,這時期移動設備越來越多且大多開始有聯網的需要(手機、PDA和筆記本電腦等),對無線數據傳輸的需求明顯增加。早期許多購買Wi-Fi路由器的用戶,都是從IEEE 802.11g時期開始。

IEEE 802.11n(Wi-Fi 4)

雖然IEEE 802.11g的數據傳輸速度對於當時不少移動設備來說是夠用的,不過像筆記本電腦這樣的設備,這樣的速度遠遠不夠。當時有線區域網已逐步向千兆網絡,54Mbps的數據傳輸速率大幅度落後,甚至還比不上使用多年的百兆網絡。為此,到了2009年,IEEE 802.11n出現了。

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圖:AirPort Express 802.11n

為了大幅度提高數據傳輸速度,IEEE 802.11n做了重大的變革,引入了MIMO(多輸入多輸出)技術,使用多個發射和接收天線來提高數據傳輸速率,並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標准,這不但能解決設備越來越多導致2.4GHz頻段擁擠、相互影響的問題,還能滿足一些設備需要高速數據傳輸的需求。

IEEE 802.11n支持20MHz的標准帶寬,基礎速率提升到72.2Mbit/s,可以使用雙倍頻寬40MHz,加上4×4 MIMO,最高數據傳輸速率提高到了600Mbps,終於趕上了有線區域網絡的節奏。事實上,當IEEE 802.11n還在草案階段,尚未完成最終的標准制定,就已經有不少廠商迫不及待地推出所謂IEEE 802.11n標準的產品,稱之為”Draft N”,可見市場對無線數據傳輸的速度提升有多強烈。

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這時期Wi-Fi聯盟還推出了新的Wi-Fi CERTiFiED標志,相信不少用戶都在路由器產品包裝上看到過。

IEEE 802.11ac(Wi-Fi 5)

作為IEEE 802.11n的繼任者,IEEE 802.11ac提供了更高的數據傳輸速度,又稱為Very High Throughput(VHT),發布於2013年。IEEE 802.11ac推出的時候恰逢智慧型手機大爆發時期,大量設備均採用了支持IEEE 802.11ac標準的晶片。

IEEE 802.11ac在技術上做了多項改進,包括選擇了5GHz頻段,雙倍頻寬由40MHz變成了160MHz,調制模式由64-QAM提升到256-QAM,引入MU-MIMO應答機制,同時MIMO升級到了8天線等,數據傳輸速率最高可達到3.5Gbps。由於這時期2.4GHz頻段上已經存在太多的設備,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。

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這時期各種無線網絡產品已經十分普遍,但一些便宜的設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標準的產品,對新規范的推廣造成了障礙。為了讓消費者分清不同的Wi-Fi標准,2018年Wi-Fi聯盟簡化了Wi-Fi命名,將即將到來的第六代無線網絡標准(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 4,三個標准之間的差異就一目瞭然了。

雖然網絡上經常有人將IEEE 802.11a/b/g稱為Wi-Fi 1/2/3,但事實上Wi-Fi聯盟並沒有這麼做,至少沒有公開說過。這幾個Wi-Fi標准相隔時間實在比較長,市面上基本不會看到相關的產品,所以Wi-Fi聯盟沒有特意去做區分。

IEEE 802.11ax(Wi-Fi 6)

近兩年來,如果談起Wi-Fi會經常聽到一個名字,就是Wi-Fi 6,也就是以往稱為IEEE 802.11ax的Wi-Fi標准。以目前Wi-Fi 6出現和討論的頻率來看,Wi-Fi聯盟新的命名方式似乎非常成功。

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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,則有別於Wi-Fi 5隻涉及5GHz頻段,這使得低速設備和高速設備都覆蓋了。Wi-Fi 6在調制模式上從Wi-Fi 5的256-QAM提升為1024-QAM,數據流最大支持數量也從4個提高到了8個,使用了OFDMA技術和上/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Wi-Fi 6的數據傳輸速率提高到了9.6Gbps,設備的連接效率也大大提高(具體可看《超能課堂(188):WiFi 6憑什麼可以如此「六」?》)。

除了Wi-Fi 6以外,還有一個名為Wi-Fi 6E的擴展,在前者基礎上引入了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,基於Wi-Fi 6E的無線網絡可以實現設備容納數量翻倍的效果(具體可看《超能課堂(263):WiFi 6E來了,它相比WiFi 6有什麼不同嗎?》)。

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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,只有相應的國家和地區實現開放之後,才能用於個人的WiFi網絡上。目前針對6GHz頻段的開放問題,大多數國家和地區其實都還在調研當中,而且並未達成共識,比如北美地區是傾向於將其作為非授權頻段使用,可用於個人組建Wi-Fi網絡,而中國則傾向作為授權頻段,用於5G通訊網絡的建設,這就意味著個人在6GHz頻段的使用上會受到限制。

IEEE 802.11be(Wi-Fi 7)

雖然Wi-Fi 6/6E的設備還在普及當中,但Wi-Fi 7的腳步卻越來越近了,預計完整的標准版本要到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布Wi-Fi 7的相關解決方案。高通表示2022年下半年將向客戶出樣,商業移動終端會在2022年末出貨。

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Wi-Fi 7對應的是IEEE 802.11be EHT(Extremely High Throughput)標准,在Wi-Fi 6E的基礎上引入了320MHz頻寬、4096-QAM調制、Multi-RU、多鏈路操作、增強MU-MIMO、多AP協作(常說的MESH組網)等技術而來,這使得Wi-Fi 7相較於Wi-Fi 6E可以提供更高的數據傳輸速率和更低的延時。Wi-Fi 7可以支持高達30Gbps的數據傳輸速率,相當於Wi-Fi 6的3倍,可以滿足高碼率4K/8K視頻、VR/AR應用、遠程辦公、視頻會議以及雲計算多種場景的使用(《超能課堂(296):次世代無線網絡WiFi 7馬上就要來了嗎?》)。

由於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產品。倘若世界各國睇地區對6GHz頻段的使用不能達成共識,最終沒有開放,那麼Wi-Fi 7上所帶來的提升就大打折扣了,甚至會影響未來Wi-Fi的技術發展和規范制定工作。

來源:超能網