白驹过隙,死者如此。关于无线路由器和Wi-Fi介绍终于结束了。
事实上,这个话题下还有很多内容没有涉及到,自然是有限的,知道是无限的,只能暂时搁置在这里,后续的起源才能继续。
下面,正文开始。
在5G时代,手机套餐的流量越来越多,单位价格也越来越便宜。即便如此,也很难毫无顾忌地刷剧。
家庭宽带按带宽收费,流量无限,通过无线路由器转化为Wi-Fi信号不仅可以全家共享,还可以连接各种智能家居。
无线路由器
因此,将无线路由器称为家庭数据枢纽并不过分。
两个关键词:无线和路由。了解这两个词背后的技术原理,了解无线路由器。
无线就是我们常说的Wi-Fi。无线路由器可以将家庭宽带从有线转换为无线信号,所有设备只需连接自己Wi-Fi,你可以愉快地上网。此外,这些设备还形成了不受家庭宽带带宽限制的无线局域网。
比如很多人家里都有智能扬声器,可以用来控制各种智能电器。当你说小X小的时候X,打开电视时,扬声器实际上是通过局域网找到电视并发送指令,不需要连接互联网;如果你让它播放新闻,你必须通过互联网获取数据。
我们前面提到的局域网,又称内网,用于路由器LAN(Local Area Network)所以Wi-Fi信号也被称为WLAN(Wireless LAN,无线局域网);我们要访问的互联网,又称外网,用于路由器WAN(Wide Area Network)来表示。
无线路由器接口指示
在内网中,每个设备IP地址不同,称为私有地址;所有设备在外网共享相同的公共地址,由电信联通等宽带运营商分配。
路由器是连接内网和外网的桥梁。上面说到的IP路由器的路由功能是地址转换和数据包转发。
也就是说,路由器是家庭网络的枢纽,所有设备的数据都必须转发才能相互访问或到达外部网络,这意味着一夫当关,所以功能齐全的路由器也被称为家庭网关。
无线路由器组网示意
2. Wi-Fi的关键技术无线路由器的无线接入功能是之前提到的无线局域网(WLAN)。目前WLAN只有Wi-Fi因此,这种主流技术可以认为两者是相等的。
Wi-Fi由Wi-Fi联盟进行技术认证和商标授权。实际应用中Wi-Fi经常被写作WiFi或者Wifi,但这两种写法并没有得到联盟的认可。
Wi-Fi联盟LOGO
Wi-Fi联盟(全称:国际Wi-Fi联盟组织,英语:Wi-Fi Alliance,简称WFA),是一个 商业联盟 ,拥有 Wi-Fi的商标。. 它负责Wi-Fi 总部设在德克萨斯州的认证和商标授权 奥斯汀 (Austin)。
Wi-Fi朗朗上口的名字被广泛认为是无线高保真(Wireless Fidelity)缩写实际上是误读。它只是一个简单的名字,没有实际意义,当然也没有全称。
Wi-Fi美国电气电子工程师协会背后的技术标准(IEEE)802.11系列协议。
IEEE全称:Institute of Electrical and Electronics Enginees
2.1 Wi-Fi协议的发展
从1997年的第一个版本开始,802.一系列协议不断前进,经历了802.11a/b/g/n/ac等多个版本,支持的上网速度也在提高。最新的协议版本是802.11ax,也就是说,近年来发展迅速Wi-Fi 6。
IEEE 802.从第一代到第六代,历程,从第一代到第六代
多年来,Wi-Fi虽然世代相传,但世界上没有Wi-Fi几代人这样说,直接用802.11后加几个字母等协议号,对普通用户非常不友好。
直到2018年,Wi-Fi联盟决定下一代技术标准802.11ax用起来更容易理解Wi-Fi 6.宣传,上一代802.11ac和802.11n顺理成章Wi-Fi5和Wi-Fi4。
直到2018年,Wi-Fi联盟决定下一代技术标准802.11ax用起来更容易理解Wi-Fi 6.宣传,上一代802.11ac和802.11n顺理成章Wi-Fi5和Wi-Fi4.至于更早的技术,反正没人注意,就不用再起马甲了。Wi-Fi 6 出生后,才有Wi-Fi 5的叫法
2019年9月16日,Wi-Fi联盟宣布启动Wi-Fi 6认证计划。此后,Wi-Fi 6的名字在全世界都很有名。目前,新发布的设备基本上得到了支持Wi-Fi 6了。Wi-Fi 6 认证标志
2.2. Wi-Fi使用和使用频段Wi-Fi主要工作在2.4GHz和5GHz这两个频段。这两个频段被称为ISM(Industrial Scientific Medical 只要发射功率符合国家标准的要求,就可以直接使用工业、科学、医学等频段。不同国家的ISM频段不同
2.4GHz作为世界上最早使用的ISM频带,频谱范围为2.40GHz~2.4835GHz,共83.5M带宽。
我们常用的蓝牙,ZigBee,无线USB也工作在2.4GHz频段。此外,微波炉和无绳电话的频段也是2.4GHz。甚至,有线USB工作时,接口内芯片也会发射2.4GHz造成干扰的无用信号。
由此可见,2.4GHz同时工作的设备很多,频段拥挤,干扰严重。一万盏灯,你和楼上楼下的邻居在用Wi-Fi快乐上网时,路由器却在背后默默地选择信道,协调干扰。
Wi-Fi把2.4G频段上的83.5M带宽分为13个信道,每20个信道M一个。请注意,这些信道是重叠的,最初只能放下3个,但现在硬挤进13个,相互干扰是不可避免的,只能尽可能减少,大家都慢,排队轮流使用。2.4G频谱和信道(第14信道在中国不允许使用)
信道交叠到什么程度?从下图可以直观地看出,在这些信道中,只有1、6、11或2、7、12、3、8、13组完全不重叠,可见2.4GHz频段拥堵程度。就像一条很窄的路,上面有很多车,交通堵塞频繁,必然导致交通速度下降。2.4G不重叠的信道分布
到了802.11n,用户可以使用40M的信道,但2.4GHz频段仍然只有83个.5M总带宽只能容纳两个信道。因此,单个用户只有在夜深人静的网络空闲时才能使用40M802.11n很大程度上很难达到高速率。2.4G 40M带宽信道
如果说2.4GHz如果频段是羊肠小道,5GHz频段无疑是康庄大道。
5GHz频段的可用范围为4.910GHz~5.875GHz,带宽900多M,是2.4G的10倍还多!这个频谱太宽了,不同的国家根据自己的情况来定义Wi-Fi可用范围。
例如,在中国5GHz频谱共有13个20M信道可用作Wi-Fi,连续的20M信道也可以形成40M,80M,甚至160M信道。中国5G信道分布图
5GHz带宽大,设备少,自然速度快,干扰小。因此,如果你想让家庭网络获得良好的速度体验,可以考虑使用5GHz全屋覆盖。
但是尺子短,寸长,5GHz虽然带宽干扰小,但信号传输衰减快,容易堵塞,穿墙能力弱。2.4G和5G Wi-Fi穿透信号的损失
因此,跟2.4GHz相比,5GHz信号通常要弱得多。至于它们能覆盖多少米,由于路由器的天线增益、接收灵敏度、家中墙壁和障碍物的分布以及个人预期的上网率,很难给出具体的信息。
如果只考虑家里各种智能家居的联网,2.4GHz覆盖和容量通常足够。但如果需要高速上网,充分发挥家庭宽带的价值,必须依靠5GHz才能实现。
因此,Wi-Fi建议不要考虑2.4GHz,直接以5GHz全屋覆盖作为设计目标。一般来说,单个路由器很难在复杂的家庭环境中实现无死角覆盖,需要考虑多个路由器之间的网络组合和漫游问题。
2.3. Wi-Fi关键技术为什么Wi-Fi越来越快?其实在IEEE802.11系列协议一直在与3GPP4G和5G相互借鉴,底层技术通用。
OFDM/OFDMA
OFDM全称为正交频分复用。系统将载波带宽划分为多个正交子载波,相当于将一条道路划分为多条平行车道,自然大大提高了交通效率。
在Wi-Fi 5及以前(802.11a/b/g/n/ac),子载波宽度为312.5KHz,到了Wi-Fi 6(802.11ax),子载波宽度缩小78.125KHz,相当于宽度的道路划分为更多的车道。Wi-Fi 6有更多的子载波
在OFDM在全带宽下,每个用户必须同时占用所有子载波。如果需要发送的数据不多,对频率资源不满意,其他用户不能灵活使用,只能排队等待,频谱资源的使用效率不高。
要解决这个问题,Wi-Fi 6引入了OFDMA技术,后面有字母A,其全称已成为正交频分复用多址。多址意味着多用户重用。OFDM vs. OFDMA
OFDMA同时支持多个用户共享所有子载波。相当于运输公司统一包装多个用户的数据,共同装载,充分利用车厢容量,加快发货速度,提高频谱效率。
MIMO/波束赋形
路由器上的天线越来越多,从看不到天线,到一、两、三、四、六、八...现在,不管路由器的价格如何,它看起来都像螃蟹。张牙舞爪不吓人。
为什么要用这么多天线?只是为了更好的实现MIMO(多输入多输出)技术。简单地说,当信号发射时,使用多个天线同时发送不同的数据,速度自然翻倍;接收时,多个天线同时接收手机发送的信号,就像戴助听器一样,接收灵敏度也增强了。单用户MIMO(SU-MIMO)
若所有天线同时只为用户服务,则称为单用户MIMO(SU-MIMO)。此外,路由器四路发射,手机四路接收,也可以称为4x4 MIMO。
有时候路由器的天线很多,但是四顾茫然,发现手机都是弱鸡。路由器可以发送4个信号,但手机最多只能接收两个信号,最后路由器必须配合只发送两个信号。这不是浪费吗?多用户MIMO(MU-MIMO)
还有一些解决办法,一部手机接收天线少,多部手机加起来不多?因此,路由器将多部手机视为强大的虚拟手机,从而实现高级手机MIMO了。这种多手机共同参与MIMO叫多用户MIMO(MU- MIMO),又叫虚拟MIMO。
此外,多个天线还可以通过波束赋形技术形成指向窄波束,准确覆盖用户。由于窄波束的能量集中,可以覆盖得更远,穿墙效果也可以提高。波束赋形
这样,路由器的天线数量越多越好。买路由器一定要选择天线多吗?这可能是陷阱。不管有多少天线,只是堆一些外部可见的硬件,看起来很棒,但内部设计是否能支持这么多天线还不得而知。
更重要的是,不管是MIMO,或者波束赋形都需要软件算法的支持,其复杂性远高于 硬件