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WiFi不明白?看这篇就够了

网络,对于现代人来说,就像水和空气一样重要。很多人心中的理想生活是下面这样的。这其中。最重要的应该就是网络了。

【我有一所房子

面朝大海

春暖花开

万兆宽带

快递直达

能点外卖

不还房贷】

在头条,知乎上经常看到很多朋友有无线网络方面的困惑,常见问题有:为什么无线质量不好,买什么路由器穿墙效果好等等。但是WiFi的标准是什么?为什么都说5G比2.4G要好呢?买无线路由器如何避坑呢?我家的无线网络如何设置才能全覆盖,不慢不卡呢?

希望通过这一篇文章,将关于WiFi的基本概念,相关的知识点说透,将WiFi相关知识做一些普及。文章较长,建议收藏后阅读。后期会持续更新。本人才疏学浅,难免有疏漏,甚至错误的地方,欢迎大家指正。

关于路由器的具体型号推荐,请查阅另外一篇文章:

https://www.toutiao.com/i6904559233795129867/

WiFi名字的由来

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Wi-Fi这个术语经常被误以为是指无线保真(Wireless Fidelity),类似历史悠久的音频设备分类:长期高保真(1930年开始采用)或Hi-Fi(1950年开始采用)。即便是Wi-Fi联盟本身也经常在新闻稿和文件中使用“Wireless Fidelity”这个词,事实上,Wi-Fi一词是没有任何意义。

1999年,几家富有远见的公司联合起来组成了一个全球性非营利性协会——无线以太网兼容性联盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA),其目标是使用一种新的无线网络技术,无论品牌如何,都能带来最佳的用户体验。在2000年,该小组采用术语“Wi-Fi”作为其技术工作的专有名称,并宣布了正式名称:Wi-Fi Alliance。

无线频率

无线是通过电磁波来传输数字信号的一种方式。使用网线上网,是有物理的网线,使用无线上网,可以想象成是你的手机,电脑与无线路由器之间有一条(或者几条)虚拟的网线。

主要的无线分类和频率,用途

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2.4G工作在UHF频段,属于分米波。2.4G非常拥挤,蓝牙,微波炉,zigbee(物联网设备),业务无线电等都在这个频段,所以日常生活中,2.4G的WiFi干扰非常严重。但是2.4G的覆盖范围比5G要大,这也就是在家里,可以搜到左右邻居的无线信号的原因。能搜到的信号基本都是2.4G信号。

5G工作在SHF频段,属于厘米波。日常生活中干扰较少。主要的干扰源是雷达等。5G的覆盖范围相对2.4G小很多。

无线在传输过程中。会被不同的材质吸收,导致信号的衰减,这是无线衰减的主要形式。

一般来说,材质的密度越高,含有的金属越多,对无线信号的吸收越强烈。

会造成无线信号损耗的,还包括反射,散射,折射,衍射等。

我国房屋周中,大部分是承重墙,钢筋水泥结构,对无线的损耗非常强,所以在家中使用的无线路由器,号称的穿墙能力,在承重墙面前是不堪一击的。

电磁波穿透不同材质的损耗情况

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因为电磁波既有波的属性,也有粒子的属性,在传输的过程中,遇到障碍物,会发生穿透,反射,衍射,折射,散射等现象,我们连接的无线信号,是经过这些复杂过程之后的综合结果。

802.11标准

Wi-Fi与IEEE 802.11常常被混淆,两者的区别可以概述为IEEE 802.11是一种无线局域网标准,而Wi-Fi是IEEE 802.11标准的一种实现。

802.11标准的制定周期大概是4,5年左右,基本在最新一代标准出台的时候,上一个标准仍然是目前的主流。

技术上不需要立刻的追求新,需要根据的自己的实际需求。

802.11标准的发展大事记

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现在支持802.11a,802.11b的设备已经非常少了。

WiFi1:802.11b 1999年 2.4G 11Mbps

WiFi2:802.11a 1999年 5G 54Mbps

WiFi3:802.11g 2003年 2.4G 54Mbps

WiFi4,WiFi5,WiFi6对比表

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2.4G频段信道

各国对2.4G频段的支持情况,我们国家支持的2.4G频段是1到13。

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每个信道之间的中心频率都是相隔5MHz的整数倍。

部分的终端,无法支持超过11的信道,设置的时候需要注意。

2.4G互不干扰的信道少,而且很多民用设备也在使用2.4G的频段,这就是2.4G信道拥挤的原因。

所以2.4G信道中的干扰非常大,很多人的手机经常出现无线满格,但是实际上根本不能上网就是这样的原因。

工信部规定的2.4G频段的最大功率是EIRP≤500mw或者EIRP≤27dBm。

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传统的802.11标准中,每20MHz预留小部分带宽,可以绑定为40MHz带宽,增强带宽,但是2.4G频段中干扰大,不是很建议使用40MHz。

5G可以使用20MHz,40MHz,80MHz,160MHz,具体可以支持什么频率,由路由器使用的SOC决定。

5G频段信道

我国支持的5G频段是:36,38,40,42,44,46,48,149,153,157,161。

如果购买了日版的电子设备,想连接5G的无线,就需要将5G的频段,改为日本和中国都支持的频段(36,40,44,48),设备才能搜索到5G信号,正常连接。还有一些老旧的设备,也许无法支持149以上的5G信道,也需要进行信道调整。

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与路由器的距离相同时,5G信号相对2.4G信号较弱,这是由电磁波的物理特性决定的:波长越长衰减越少,也更容易绕过障碍物继续传播。5G信号频率高、波长短,而2.4G信号频率低、波长长,所以5G信号穿过障碍物时衰减更大,穿墙能力比2.4G信号弱,所有双频无线路由器都存在这样的情况。

如下是2.4G和5.8G在自由空间传播的损耗公式(其中F是频率,单位是MHz;D是距离,单位是km)

无线电磁波在自由空间的衰减公式:L=32.5+20lgF+20lgD。

2.4G频段的衰减公式:L1=100+20lgD;

5.8G频段的衰减公式:L2=108+20lgD。

以上公式可以看出5.8G的衰减相对于2.4G要高,相应的覆盖的距离要小一些。

2.4G与5G的优缺点

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如果终端(电视等)距离路由器比较近,周围障碍物少,建议连接5G,如果终端(手机等)距离路由器很远,障碍物多,根据情况可以选择2.4G。

无线功率和天线

我们看到的路由器,经常将【穿墙】和多个硕大的外置天线作为卖点,很多人在买路由器的时候,觉得天线多,粗,长,信号就好。没有外置天线的路由器信号就不好。那么实际上,天线数量的多少对无线的覆盖有多大的影响呢?

根据木桶原理,终端的无线速度,取决于终端和路由器的协商,根据终端的类型,无线的衰减等,无线终端会与路由器之间,最终协商为一个合适的速率,这个协商速率通常会小于路由器支持的最大速率。上限是路由器支持的最大速率。所以单纯的提高路由器的无线功率,并不一定可以取得好的效果,同时各个国家也对路由器的无线功率有严格的规定。

无线功率毫瓦(mW)

功率单位,2.4G的最大功率是100mW。5G的最大功率是500mw。

无线路由器的功率很低,而且严格受到国家的管控,只要是符合国家标准的产品,都是安全的,可以放心使用。认为路由器的无线有危险的同学,都是心理作用了。

分贝毫瓦(dBm)

无线功率绝对值单位是dBm。

dbm的计算公式 :10lgP P=无线功率/1mw

0dBm=1mw

17dBm=50mw

20dBm=100mw

[例1] 如果发射功率P为1mw,折算为dBm后为0dBm。

[例2] 对于40W的功率,按dBm单位进行折算后的值应为:

10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=46dBm

dBi

dBi为无线天线的增益大小单位。高dBi不是将WiFi信号增强了,而是将信号更集中的发射和接收。dBi数值越大,增益越高,垂直角度越小,传输距离相对越远。

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等效全向辐射功率(EIRP)

无线电通信领域的一个常见概念,它指的是卫星或地面站在某个指定方向上的辐射功率,理想状态下等于功放的发射功率乘以天线的增益。通常理解配置EIRP就是配置发射的功率。体现为最强点的功率。单位是dBW

EIRP=有效功率+天线增益-天线馈线线路损耗

天线和增益

路由器的天线的作用是收发无线电波。

无线路由器上,外置的天线,常见的是鞭状全向天线,内置的天线,也是全向天线。室外的基站等,会使用全向天线和定向天线。

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天线在进行辐射的时候,与电磁场强度的方向,一般为垂直极化和水平极化两种。

水平极化由于受大地磁场影响,损耗较大,较少采用,单极化天线一般采用垂直极化天线。

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在相同功率下,增益越多,天线的定向性越强,定向角度越小。

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增益值的单位是dbi。天线的增益,在最大的辐射方向上,与无方向的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。

全向天线的信号强度图,面包圈的样子。

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增益后,面包圈变得更扁平,增加了覆盖的范围。能量更集中,水平方向上信号越强,抗干扰能力越强,在某些方向上信号减弱。

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天线的数量实际上要与路由器支持的MIMO技术匹配,无论是外置天线,还是内置天线。

如果是2*2的MIMO,则只需要2根天线,因为很多路由器是2.4和5G的双频路由器,可以使用独立天线来分别传输2.4G信号和5G信号,则天线数量更多一些。

比如Redmi AX6,有6根天线,其中2根负责2.4G,4根负责5G

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MIMO技术

MIMO(multiple input multiple output)(多输入多输出)

MIMO是更能提升无线性能的关键技术,在802.11n标准中首次提出。

在发送端和接收端,都使用多天线的MIMO技术,则可以极大的提高信道容量。提高传输的可靠性,传输范围和吞吐量。

在MIMO之前是SISO(Single-Input Single-Output)(单输入单输出)

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我们在使用网线上网的时候,网线就是一个物理上的信道。当使用无线上网的时候,要想网速更快,就需要将虚拟的网线(信道)合并到一起进行数据的收发。

MIMO的写法是AxB MIMO,A表示发送端的天线数量,B表示接收端的天线数量。

MIMO又细分为SU-MIMO和MU-MIMO

SU-MIMO(Single-User Multiple-InputMultiple-Output)(单用户多输入多输出)

MU-MIMO( Multi-User Multiple-Input Multiple-Output )(多用户多输入多输出)

其中,MU-MIMO,可以进一步的提升速率。MU-MIMO在WIFI5中首次提出。

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WIFI6

2020年1月3日的802.11ax标准,Wi-Fi联盟,采用新的命名Wi-Fi6。便于记忆和推广。

Wifi6向下兼容11a/b/g/n/ac

WIfi6的主要功能点

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wifi6对比wifi5

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WIFI6的主要功能增强的特性是:

WIFI6支持上下行的MU-MIMO,WIFI5只支持下行,WIFI6支持OFDMA(正交频分多址)。WIFI5支持OFDM(正交频分复用)

OFDM与OFDMA的区别

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因为WIFI6的理论速度达到9.6Gbps。适合内网有大量数据传输的场景。因为目前的家用宽带主流还在1G以内。WIFI6支持的外网带宽,达到10G的时候,WIFI6才会是瓶颈。但是WIFI6带来的新特性,与支持WIFI6的终端配合,会带来更好的无线体验。

CPU和无线芯片

对于无线路由器来说,功能的多少和性能的强弱,主要取决于CPU和无线功放芯片。路由器的系统更多是锦上添花。如果追求特殊的OS层面的需求,可以考虑可以进行刷新系统的路由器型号。

CPU

CPU决定着路由器可以提供的功能。CPU也会进行大量的计算,所以高端路由器的发热都会较大。

以高通芯片为例。高通的WiFi6芯片方案,最高端的平台是Qualcomm Networking Pro 1200 Platform,可以有12个空间流;后面依次是Pro 800、Pro 600和Pro 400,分别最多带8、6和4个空间流,具体规格如下:

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NETGEAR的RAX120 AX6000M的拆解图,源自koolshare,最重要的就是这个CPU芯片。

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无线芯片

与CPU配合工作,分为2.4G芯片和5G芯片。高端路由器,可以采用多个无线芯片,倍数增加无线的带宽。

下图是NETGEAR的RAX120 AX6000M的拆解图,源自koolshare

其中的无线芯片是高通的QCN5024,2.4G芯片,支持4x4MIMO,支持802.11ax,最高速率为1200Mbps

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下图中的无线芯片是高通的QCN5054,5G芯片,支持802.11ax,支持4x4 MU-MIMO,80MHz,

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路由器的芯片拓扑图

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MESH技术

MESH分布式技术,在路由器之间,生成一种网状网络,不同接入点可以以星状、树状、串联和总线方式,混合组成一整张网状网络。在这张大网中不仅SSID统一,无线设备还可以自由寻找信号最好的节点去连接传输数据,用户手持设备在不同节点穿梭时连接是无缝切换的。

对于大面积的无线覆盖,MESH具有部署简单,灵活,同时兼顾漫游体验。但是大部分产品的MESH组网,都需要占用无线带宽,为了使用体验,最佳的状态是使用有线进行MESH组网,或者选择有位了MESH组网提供专用无线信号的产品。体验会更好一些。

MESH组网适合同时满足下面需求的用户:

1、需要无线覆盖面积在100平米以上,或者覆盖范围内有大量的承重墙

2、装修的时候,没有预留网线

3、需要良好的无线漫游体验

MESH联网示意图

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AC+APAC+AP介绍

对于大户型,复式的建筑,别墅,酒店,商场,企业来说,需要多个路由器进行覆盖,并且需要很好的漫游体验。这个时候,最佳的体验是AP方式组网,搭配AC进行统一管理。AC可以是独立硬件,或者使用软件来实现。一些品牌的产品,所有的数据都需要AC进行处理,AC的性能决定着整个网络的性能。一些品牌的产品,AC仅是管理作用,不进行数据转发。AP需要配合支持POE的交换机进行供电,所以在部署AC+AP的网络的时候,不仅需要预先部署网线,同时涉及到的设备比较多,需要对使用人的网络技术要求较高。

AP是无线接入点(Wireless AccessPoint),负责释放无线信号,转发无线数据的作用,无线覆盖范围,依靠多个AP来实现。AP因为安装方式的原因,AP的天线都是内置天线。AP的安装类型又分为吸顶式AP和面板式AP。吸顶式AP可以做的比较大,性能更强。面板式AP,受限于体积和安装的位置,无论是性能,散热,信号覆盖范围,都会差一些。只要条件允许,尽量选择吸顶式AP。

吸顶式AP示意图

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面板式AP

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AC是无线控制器(Wireless AccessPoint Controller)

负责控制AP的所有设置。有的品牌,AC会集中进行数据转发,有的品牌,AC只进行管理,不参与数据转发。对于集中进行数据转发的AC,AC的性能会是网络中的一个瓶颈,一定要选择性能强的AC。AC与AP的品牌要一致。

常见的AC与交换机的形状类似

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POE交换机

POE(Power Over Ethernet)(基于局域网供电系统)

基于网线,可以为基于IP的终端进行供电(摄像头,IP电话,AP等),在传输数据的同时,可以提供直流电的供电。可以减少额外的电线需求,节省成本。需要注意的是POE的供电标准和供电功率,供电标准需要与AP支持的标准一致,供电功率需要大于AP的功率。

POE交换机示意图

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POE系统架构图

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POE供电有802.3af(PoE)、802.3at(PoE+)、802.3bt(PoE++)三种标准。

不同的标准,供电的电压,功率都不同。POE供电,最好6类网线起步。

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AC+AP组网的设备清单

AC:必须,有的品牌是硬件AC,有的是软件AC,软件AC,需要安装在一个主机上或者其他系统上。

AP:必须,无线的性能和覆盖就靠他了,性能越高越好,注意AP和AC必须是同一个品牌。

POE交换机:必须,需要是千兆POE交换机,注意POE的协议与AP支持的协议一致。有些品牌会将AC和POE集成在一起,可以节省费用,高端产品一般都是独立型号。可以是其他品牌。

网关设备:必须,用来接入宽带,不需要释放无线信号,注重网络转发性能。可以是其他品牌。

网线:必须,需要提前进行布线,网线至少6类。确保施工的网线质量。保障网线8芯都需要连通。

机柜:非必须,如果用到的设备众多,需要配置一个小型机柜,用来安装设备,综合布线和散热。如果是少量的设备,根据设备的大小和多少,可以安装在弱电箱内,但是为了系统稳定,一定要注意散热问题。

无线漫游

当使用AP或者MESH方式组网的时候,多个路由器,提供一个相同的无线信号,终端在移动的过程中,实现无缝的漫游,终端自动连接到合适的路由器上,漫游时候不会发生数据丢包,或者有少量的数据丢包。

漫游示意图

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漫游的前提是没有无线信号覆盖的盲区,如果存在盲区,那么终端在移动到盲区的时候,无法连接到无线信号,肯定是断网的状态。或者处在信号覆盖的边缘,即使可以联网,但是性能很差。

终端在进行漫游的时候,越是复杂的认证方式,比如Radius认证,需要的重新认证的步骤越多,重新连接的时间就越长。为了加快认证速度,有3个与快速漫游有关的标准推出。

和快速漫游有关的标准主要是三个:802.11k、802.11v、802.11r。

802.11k负责让STA了解附近的AP分布状况。802.11v负责让AC引导STA切换AP,而不是由STA自行决定,从而更好的切换。802.11r负责让STA在AP间切换时,不用重新认证,加速连接。

苹果在官网上明确说明了产品支持802.11kvr协议的情况,但是安卓手机品牌众多,三星的一些型号有明确的标识,一般安卓手机可能并不支持。如果AP开启了kvr协议的支持,但是终端不支持的时候,有可能会引起终端的漫游异常。这个功能在复杂的网络环境下,建议不要开启。网络的兼容和稳定最重要。

结束语

WiFi的相关知识就介绍完了,这是一个比较概括的描述,每个小的知识点,都可以写一篇文章,希望对大家了解WiFi技术有所帮助,在您选择路由器的时候,多一些技术参考。



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