超能課堂(309)：Wi-Fi簡(jiǎn)略進(jìn)化史

在我們現今的生活中，Wi-Fi無(wú)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(kāi)它，從智能手機、筆記本電腦、平板電腦到網(wǎng)絡(luò )盒子、支付設備等。作為一種普遍且簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)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，是現代社會(huì )里重要的基礎設施。

與蜂窩網(wǎng)絡(luò )或藍牙等其他無(wú)線(xiàn)連接方式的側重點(diǎn)不同，Wi-Fi準確來(lái)說(shuō)就是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(wǎng)絡(luò )內。即將到來(lái)的Wi-Fi 7是新一代的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，目前我們主要使用的是Wi-Fi 5/6，而距最早的Wi-Fi標準已經(jīng)有25年的歷史了。一直以來(lái)，Wi-Fi標準的迭代是一個(gè)追求更高帶寬和覆蓋更大范圍的過(guò)程，而每一代的Wi-Fi標準又發(fā)生了什么樣的變化呢？

IEEE 802.11是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的通用標準，是由電氣和電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）所定義的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的標準。在官方定義IEEE 802.11標準的時(shí)候，選定了澳大利亞政府研究機構CSIRO發(fā)明的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。由于澳大利亞政府擁有該技術(shù)的專(zhuān)利，所以在很長(cháng)時(shí)間里都在收取專(zhuān)利費用，直到2013年底專(zhuān)利過(guò)期。期間電氣和電子工程師協(xié)會(huì )曾要求澳大利亞政府放棄無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)專(zhuān)利，不過(guò)遭到拒絕。

IEEE 802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議誕生于1997年，標準中定義了媒體訪(fǎng)問(wèn)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制方式和一種紅外線(xiàn)傳輸的方式，設備間的總數據傳輸速率為2Mbps（紅外線(xiàn)為1Mbps）。而2.4GHz的ISM頻段則是美國聯(lián)邦通信委員會(huì )釋放的，用于商業(yè)和科學(xué)用途，同時(shí)也被世界絕大多數國家所通用。無(wú)論從工作方式還是數據傳輸速率，都非常原始，不過(guò)卻為日后Wi-Fi標準的發(fā)展指明了方向。

一方面IEEE 802.11無(wú)論傳輸速率還是傳輸距離都難以滿(mǎn)足人們的使用需求，另一方面隨著(zhù)信息時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接需求卻越來(lái)越強烈。到了1999年，兩個(gè)補充協(xié)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，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(zhù)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(shí)用，且11Mbps的數據傳輸速率基本滿(mǎn)足當時(shí)的需求。此外，滿(mǎn)足IEEE 802.11a標準的設備成本要高得多。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(xiāo)售了，開(kāi)辟了一個(gè)新的時(shí)代。

為了推動(dòng)IEEE 802.11b規格的制定，以及未來(lái)更好地在全球范圍內推廣Wi-Fi，采用統一的標準設備，一個(gè)名為無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)路相容性聯(lián)盟的全球性非營(yíng)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(zhuān)門(mén)負責Wi-Fi認證與商標授權的工作，擁有300多名會(huì )員。

隨著(zhù)Wi-Fi的普及，加上對無(wú)線(xiàn)傳輸的要求越來(lái)越高，IEEE 802.11b的11Mbps數據傳輸速率已不能滿(mǎn)足人們數據傳輸的需求了。到了2003年，新的Wi-Fi標準IEEE 802.11g應運而生，而且將原有IEEE 802.11a和IEEE 802.11b各自的優(yōu)點(diǎn)做了融合。

IEEE 802.11g采用了IEEE 802.11a的OFDM技術(shù)，同時(shí)將頻率定在了2.4GHz，保持了與IEEE 802.11b設備的兼容性，同時(shí)將數據傳輸速率提高到54Mbps，覆蓋范圍已經(jīng)可以滿(mǎn)足相當大部分用戶(hù)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(hù)都保留了下來(lái)，而且購買(mǎi)新設備的用戶(hù)又能體驗到數據傳輸速度的提升，也降低了用戶(hù)升級的花費。

IEEE 802.11g的出現非常及時(shí)，這時(shí)期移動(dòng)設備越來(lái)越多且大多開(kāi)始有聯(lián)網(wǎng)的需要（手機、PDA和筆記本電腦等），對無(wú)線(xiàn)數據傳輸的需求明顯增加。早期許多購買(mǎi)Wi-Fi路由器的用戶(hù)，都是從IEEE 802.11g時(shí)期開(kāi)始。

雖然IEEE 802.11g的數據傳輸速度對于當時(shí)不少移動(dòng)設備來(lái)說(shuō)是夠用的，不過(guò)像筆記本電腦這樣的設備，這樣的速度遠遠不夠。當時(shí)有線(xiàn)局域網(wǎng)已逐步向千兆網(wǎng)絡(luò )，54Mbps的數據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出現了。

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(shù)，使用多個(gè)****和接收天線(xiàn)來(lái)提高數據傳輸速率，并使用了空時(shí)分組碼來(lái)增加傳輸范圍。IEEE 802.11n可以工作在2.4GHz和5GHz兩個(gè)頻段，是第一個(gè)雙頻的Wi-Fi標準，這不但能解決設備越來(lái)越多導致2.4GHz頻段擁擠、相互影響的問(wèn)題，還能滿(mǎn)足一些設備需要高速數據傳輸的需求。

IEEE 802.11n支持20MHz的標準帶寬，基礎速率提升到72.2Mbit/s，可以使用雙倍頻寬40MHz，加上4x4 MIMO，最高數據傳輸速率提高到了600Mbps，終于趕上了有線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )的節奏。事實(shí)上，當IEEE 802.11n還在草案階段，尚未完成最終的標準制定，就已經(jīng)有不少廠(chǎng)商迫不及待地推出所謂IEEE 802.11n標準的產(chǎn)品，稱(chēng)之為"Draft N"，可見(jiàn)市場(chǎng)對無(wú)線(xiàn)數據傳輸的速度提升有多強烈。

這時(shí)期Wi-Fi聯(lián)盟還推出了新的Wi-Fi CERTiFiED標志，相信不少用戶(hù)都在路由器產(chǎn)品包裝上看到過(guò)。

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(chēng)為Very High Throughput（VHT），發(fā)布于2013年。IEEE 802.11ac推出的時(shí)候恰逢智能手機大爆發(fā)時(shí)期，大量設備均采用了支持IEEE 802.11ac標準的芯片。

IEEE 802.11ac在技術(shù)上做了多項改進(jìn)，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(shí)MIMO升級到了8天線(xiàn)等，數據傳輸速率最高可達到3.5Gbps。由于這時(shí)期2.4GHz頻段上已經(jīng)存在太多的設備，而且藍牙和微波爐等都會(huì )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(wèn)題，使得效率越來(lái)越低，而IEEE 802.11ac選擇5GHz頻段解決了很大部分問(wèn)題。

這時(shí)期各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品已經(jīng)十分普遍，但一些便宜的設備在入門(mén)甚至主流市場(chǎng)仍有不錯的銷(xiāo)量，市場(chǎng)上混雜著(zhù)兩代甚至三代Wi-Fi標準的產(chǎn)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標準，2018年Wi-Fi聯(lián)盟簡(jiǎn)化了Wi-Fi命名，將即將到來(lái)的第六代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準（IEEE 802.11ax）正式命名為WiFi 6，同時(shí)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(gè)標準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(chēng)為Wi-Fi 1/2/3，但事實(shí)上Wi-Fi聯(lián)盟并沒(méi)有這么做，至少沒(méi)有公開(kāi)說(shuō)過(guò)。這幾個(gè)Wi-Fi標準相隔時(shí)間實(shí)在比較長(cháng)，市面上基本不會(huì )看到相關(guān)的產(chǎn)品，所以Wi-Fi聯(lián)盟沒(méi)有特意去做區分。

近兩年來(lái)，如果談起Wi-Fi會(huì )經(jīng)常聽(tīng)到一個(gè)名字，就是Wi-Fi 6，也就是以往稱(chēng)為IEEE 802.11ax的Wi-Fi標準。以目前Wi-Fi 6出現和討論的頻率來(lái)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(gè)提高到了8個(gè)，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的數據傳輸速率提高到了9.6Gbps，設備的連接效率也大大提高。

除了Wi-Fi 6以外，還有一個(gè)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(lái)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現設備容納數量翻倍的效果（具體可看《超能課堂(263)：WiFi 6E來(lái)了，它相比WiFi 6有什么不同嗎？》）。

不過(guò)WiFi 6E面臨一個(gè)很重要的問(wèn)題，就是世界各個(gè)國家和地區對6GHz頻段的開(kāi)放程度。無(wú)線(xiàn)頻譜作為一種國家級的資源，只有相應的國家和地區實(shí)現開(kāi)放之后，才能用于個(gè)人的WiFi網(wǎng)絡(luò )上。目前針對6GHz頻段的開(kāi)放問(wèn)題，大多數國家和地區其實(shí)都還在調研當中，而且并未達成共識，比如北美地區是傾向于將其作為非授權頻段使用，可用于個(gè)人組建Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )，而中國則傾向作為授權頻段，用于5G通訊網(wǎng)絡(luò )的建設，這就意味著(zhù)個(gè)人在6GHz頻段的使用上會(huì )受到限制。

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(lái)越近了，預計完整的標準版本要到2024年底才會(huì )正式公布。如果有留意新聞，會(huì )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(hù)出樣，商業(yè)移動(dòng)終端會(huì )在2022年末出貨。

Wi-Fi 7對應的是IEEE 802.11be EHT（Extremely High Throughput）標準，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(xié)作（常說(shuō)的MESH組網(wǎng)）等技術(shù)而來(lái)，這使得Wi-Fi 7相較于Wi-Fi 6E可以提供更高的數據傳輸速率和更低的延時(shí)。Wi-Fi 7可以支持高達30Gbps的數據傳輸速率，相當于Wi-Fi 6的3倍，可以滿(mǎn)足高碼率4K/8K視頻、VR/AR應用、遠程辦公、視頻會(huì )議以及云計算多種場(chǎng)景的使用。

由于Wi-Fi 7所依賴(lài)的6GHz頻段目前使用存疑，所以實(shí)際使用上可能會(huì )受到限制，這也影響著(zhù)目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的Wi-Fi 6E產(chǎn)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(méi)有開(kāi)放，那么Wi-Fi 7上所帶來(lái)的提升就大打折扣了，甚至會(huì )影響未來(lái)Wi-Fi的技術(shù)發(fā)展和規范制定工作。