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Wi-Fi到底能达到多大速率呢?到底是怎么算出来的呢?

中科院半导体所 来源:无线深海 作者:蜉蝣采采 2022-09-21 09:05 次阅读

路由器厂家宣传的Wi-Fi 6可以达到1800Mbps,3000Mbps,甚至5400Mbps速率,到底是怎么算出来的呢?

本文将为你解答。

要计算Wi-Fi可以达到的峰值速率,必须用到几点技术:OFDM,MCS,以及MIMO。

OFDM正交频分多址,把整个系统带宽划分为多个正交的子载波,划分的粒度越细,子载波越多,可同时发送的数据就越多,速率自然也就越高。

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此外,OFDM技术最终要把数据打包在一个一个的符号(Symbol)中发送,每个符号花的时间越短,两个符号之间的间隔(Guard Interval,GI)越小,速率也就越高。

MCS:调制编码策略,对速率的影响主要是调制方式和码率这两方面。无线环境越好,可以使用的调制阶数越高,单位时间携带的比特数也就越多,用于检错纠错的冗余比特也就可以少加一些,码率提升,有用数据的发送速率自然也就加快了。

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MIMO:也就是通过多根天线,在空间中能同时发送的数据流数。空间流数越多,速率越高。比如,4x4MIMO的理论速率是2x2 MIMO两倍,效果立竿见影。
ed370a80-38ce-11ed-ba43-dac502259ad0.png  

综上,单个频段Wi-Fi的峰值速率可以用下面的公式来计算。跟5G峰值速率的计算类似,上述公式也可以用公路系统来类比。

ed5e72dc-38ce-11ed-ba43-dac502259ad0.png  

空间流数相当于多层交通,子载波数量相当于每层公路上的多条车道,调制阶数相当于路上货车的车厢容积,码率相当于给货物增加了包装箱,OFDM符号时长和符号间隔相当于货车在公路的通行时长再加上发车间隔。
ed71907e-38ce-11ed-ba43-dac502259ad0.png  

空间流数随着协议的演进,Wi-Fi能支持的空间流数越来越多,推动峰值速率不断提升。

如下表所示,IEEE制定的802.11ac最多能支持8流,但是Wi-Fi联盟(WFA)在认证的时候,觉得这个能力过于强了,实现起来成本太高,因此就分成了两个阶段: wave 1和wave 2。

这两个阶段的能力也比较保守,并未最终实现IEEE的设计能力。Wave 1可支持3流,Wave 2可支持4流。


ed95f68a-38ce-11ed-ba43-dac502259ad0.png  

到了802.11ax,最多可以支持到8流。Wi-Fi联盟将其包装为Wi-Fi 6,也不再搞过渡版本了。但你的路由器到底能支持到几流,还要看厂家具体的实现。

有效子载波数量:802.11系列协议对子载波的划分越来越细,可支持的信道带宽越来越大,这两点促使有效子载波数量不断增加。

如下表所示,802.11n可支持最大40M信道带宽,802.11ac则能支持160M带宽,因此有效子载波数量翻了4倍有余。

eda96f62-38ce-11ed-ba43-dac502259ad0.png  

到了802.11ax,同样最大支持160M信道宽度,但子载波间隔却仅为之前协议的1/4,从而最大支持的子载波数量相比802.11ac又翻了4倍。

调制阶数:802.11ac最大支持256QAM,调制阶数为8,也就是每个符号可同时携带8个比特的数据。

edb90166-38ce-11ed-ba43-dac502259ad0.png  

802.11ax则最大支持到1024QAM,每个符号可同时携带10个比特的数据,比前一代提升了25%。

MCS和码率:协议定义了多种调制方式和码率的组合,就是调制编码策略(Modulation Coding Scheme, MCS)。

edcfc676-38ce-11ed-ba43-dac502259ad0.png  

调制阶数越高,码率越高,抗干扰能力也就越差。因此在无线信号强度足够,且干扰很小的时候,高阶MCS才能发挥作用。

符号长度 + 符号间隔:在802.11ac及以前,单个符号长度3.2微秒,符号间隔是0.8微秒,但也支持0.4微秒。我们计算峰值速率当然用短的间隔,因此802.11ac的符号长度+符号间隔为3.6微秒。

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到了802.11ax,符号长度成了12.8微秒,间隔长度为至少0.8微秒,两者加起来就是13.6微秒。

这个值虽远高于之前的协议,看似吃了亏,但802.11ax在其他方面非常优秀,速率还是对前辈形成了碾压之势。

把上述多个表格中的数据带入公式计算,采用该协议可支持的最高阶调试方式及码率,符号间隔使用最小值,先不考虑空间流数,单流的计算结果见下表。

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不同无线路由器Wi-Fi峰值速率的支持能力不同,主要体现在2.4G和5G这两个频段可支持的带宽,以及空间流数。

2.4GHz通常最大支持到40M带宽,5GHz频段可最大支持160M带宽,再根据协议版本的不同,以及空间流数的不同,把两个频段能支持的峰值速率加起来,就是路由器官方宣传的峰值速率了。

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上图是小编根据路由器的标称速率,来估计2.4G和5G这两个频段可支持的信道带宽以及流数,并对速率计算进行了验证。

举例来说,对于AC1200,其中的AC是指它最高可以支持到802.11ac协议(Wi-Fi 5),2.4GHz频段只能使用802.11n ,支持2x2 MIMO,速率可达300Mbps,5GHz频段也是2x2 MIMO,速率为867Mbps,总和为1167Mbps,就按照1200M来宣传了。

对于AX5600,其中的AX是指它最高可以支持到802.11ax协议(Wi-Fi 6),2.4GHz频段支持2x2 MIMO,速率可达573.6Mbps,5GHz频段可支持160M信道带宽及4x4 MIMO,速率为4804Mbps,总和为5377.6Mbps,就按照5400M来宣传了。




审核编辑:刘清

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原文标题:Wi-Fi的上网速率怎么算?

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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