下一代無線網路標準802.11ax解析

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陳誠誼2015-7-27 02:03

在摩爾定律驅使的半導體行業，一個技術標準能够持續好幾年不更新已經是一件相當罕見的事兒了。主宰我們身邊無線網路的IEEE 802.11協議就是這麼一個奇怪的標準：從第一台支持802.11A無線路由器問世到現在，它只更新了三次：802.11g、802.11n，以及最新的802.11ac。現在，一個嶄新的Wi-Fi無線網路協議已經屹立在我們面前，它有望讓不堪重負的無線網路再次跟時代，得到飛躍性發展，它的名字叫做IEEE 802.11ax（IEEE前缀下文略）。

什麼是802.11ax？

802.11協議組是國際電工電子工程學會（IEEE）為無線局域網路制定的標準，802.11ax是這個標準的最新修訂版本。你可以把它看作是802.11ac的接班人。

理解802.11ax最簡的方法就是把它想為802.11ac的加強版本，它和802.11ac一樣工作在5GHz頻段，不同之處在於802.11ax使用了MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output）技術，將信號在時域、頻域、空域等多個維度上分成四個不同的“信號通道”，每一個“信號通道”能單獨與一台設備進行通信，看起來就像是把一條高速公路分成了四個不同的車道，通信效率成倍提高。

除此之外，802.11ax還有一個極為重要的革新，它引入了OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），既正交頻分多址，這是下一代高速無線通信網路的核心技術。我們現有的無線網路標準本質上是使用複雜的算法調制電磁波信號，讓信號呈現某種規律承載0和1，這樣就能傳輸數據了。而OFDMA則是一種全新的信號調制編碼算法，它能把一個信號通道分成數十甚至數百個更小的正交子通道，然后将這些子通道緊密叠加在一起，再分配给不同用户，同樣時間内傳輸數據的效率就大大提高了。

（OFDMA把信號在頻域上調制無數個小的正交子通道，可以同時與多個設備通信）

根據華為的測試，同樣的頻譜下，OFD技術能把通信效率提升10倍，理論上頻寬也能提升10倍。考慮到干擾、调調制解調本身的資源開銷，效率提升4-5倍是一個更加現實的數字。

802.11ax有多快？

802.11ax標準的首要目標是客户端網路傳輸速度提升4倍。華為是802.11ax標準的積極推動者，據說在華為通信實驗室内部，802.11ax早已實現2Gbps的實際數據傳輸速度（注意：不是理論值！），而华為宣稱最大速度可達10.53Gbps，相對應的測試數據很快就會出爐。

我們來計算一下802.11ax的速度：假设可以利用的頻寬為160MHz，現有最快的802.11ac標準能提供866Mbps的理論值數據傳輸速率，而802.11ax則能輕易將傳輸速率提升至3.5Gbps。如果加上4×4的MIMO“四車道”，则802.11ax的理論值的數據吞吐能力將高達14Gbps！換算成較為容易理解的數字就是1.75GB/s，這個數字已經將固定光籤傳輸速度遠遠甩在了後面。

不過，一般來說我們的身邊是没有160MHz這麼奢侈的頻寬資源的，將頻寬設定為80

MHz比較現實，綜合考慮下來，802.11ax能提供1.6Gbps的通訊速度，相當每秒鐘傳輸200MB的數據。如果你的手機、路由器都支持MU-MIMO，傳輸速度提升至400MB/s或者600MB/s都不是難事。再退一步，在擁擠的公寓、電磁信號極為複雜的公共場所，即使可以利用的頻寬只有40MHz，802.11ax也能帶來800Mbps（約合100MB/s）的超快速度。總的來說，它要比尚未完全普及的802.11ac快得多。

（638Mbps，這是802.11ac 2.0在2014年做到的數字）

802.11ax能傳多遠？

Wi-Fi無線網路傳輸遠遠不是速度快就好用這麼簡單，因為它還涉及傳輸距離和設備之間互相干擾的問題。在實際的使用中我们往往會發現，距離稍遠，隔上一堵墙壁或者同一個Wi-Fi網路内連入的用户數量增多，都會讓無線網路速度慢如蜗牛。802.11ax有什麼辦法解決這些問題？

很遺憾，採用5GHz頻段的802.11ax在傳輸距離方面天生就不如2.4GHz信號，它的理論傳輸距離只有2.4GHz信號的一半多一些。從理論和實驗室數據來看，穿過5cm厚的木頭，5GHz信號會衰減4.5dB；而穿透離路由3米距離内的房屋承重墙，5GHz信號大概會衰減60%-70%。

（房間内的Wi-Fi信號分布示意圖）

這些問題能通過加大信號發射功率，使用更多的天線定向發射信號來解決，但無線信號的發射強度不能無限制增大，大陸國家標準規定，路由無線信号的發射强度最高為20dB。因此，不要指望802.11ax的信號能傳多遠，它的有效範圍大致和802.11ac差不多。如果你家房子很大，老老實實布置多個Wi-Fi AP才是正道。

（Nighthawk X6 R8000路由器，6天線設計，支持MU-MIMO，802.11ac 2.0）

至於網路擁堵問題，MU-MIMO會是一個不錯的解决方案，有了它，路由器能在同一個時間内和更多設備通訊，能很大程度上避免網路的擁擠。不過，在現有802.11ac標準中，MU-MIMO僅僅是“選配”功能，它並没有被強制納入標準内部，這讓很多路由器廠商有空子鑽，推出了一大波不支持MU-MIMO的802.11ac路由器。而到了802.11ax時代，MU-MIMO很可能會被列為必選功能，屆时無線局域網路擁堵的狀況將大大改善。

另外，業界巨頭們也都在努力解决無線局域網的擁堵問題。比如上文提到的OFDM技術，它提高了頻譜效率，數據傳輸能更快完成，路由器也自然有更多的時間在不同設備之間切换了。華為等公司還為802.11ax準備了“智慧頻譜分配”和“干擾協調”等優化技術，這些技術的目的都是一致的：通過提升頻譜效率、更好地管理串擾、增强底層協議，來減少公共Wi-Fi熱點擁堵的問題。讓Wi-Fi網路在多人使用的情况下變得更快速、稳定。

802.11ax速度這麼快，手機受得了吗？

很遺憾，答案是：臣妾做不到，至少在目前做不到。華為給出的802.11ax典型速率為10.53Gbps，就算把這個數字減半，算下來一秒鐘傳輸的數據量也有658MB，而我們可憐的手機内置閃存最大讀取速度是多少？最新的eMMC 5.0標準也只有400MB/s而已。

(wifi速度提升後.手機閃存芯片本身的傳輸速度成為了瓶頸)

而這還僅僅只是個理論數字，事實上，下載一個安兔兔跑分App，你就會發現目前市面上大部分手機的内置儲存器順序讀寫性能不會超過150MB/s。三星在Galaxy S6手技上引入了最新的UFS 2.0儲存接口，順序讀寫速度可達314.87MB/s，已經鹤立雞群，但離802.11ax的恐怖需求還是差得遠。要滿足802.11ax的胃口，在未來我們要想一些新辦法才行，比如為手機引入桌面SSD級别的閃存顆粒，將順序讀寫性能提升至600MB/s以上。

可能你會問，那麼快的網速有什麼用？在線看個1080P影片，碼率也没有超過50Mbps呀？同學，把眼光放遠一些，Youtube和Netflix都已經開通了4K解析率的超高清在線影片務，其數據傳輸需求理論上是1080P的四倍。兩三年後，在線影片的解析率提升至8K也不是什麼稀奇的事情。事實上，Netflix已經在進行8K在線影片的測試了。

那麼，我們什麼時候能用上802.11ax呢？

按照Wi-Fi聯盟的技術副總裁Greg Ennis的話來說，IEEE電氣和電子工程師協會要到2019年才會批准802.11ax標準。各通訊巨頭目前還在為了802.11ax標準的技術細節而激烈爭鬥中。不過，基於802.11ax標準草案的產品可能會在2016年提前進入市場。高通公司這個耐不住寂寞的傢伙在去年就發布過支持MU-MIMO技術的QCA998x/QCA999x無線通訊SoC芯片。

一方面，作為802.11ax之前的過度方案，802.11ac將從2015年、2016年開始進入第二個生命周期，既所謂的802.11ac 2.0標準。802.11ac 2.0標誌性的改變就是引入MU-MIMO技術改善網路擁堵，1.0版的802.11ac最多只支持3個空間流，而在2.0版標準中，這個數字將被提升為8個。

一大批新路由器都會開始支持這個至關重要的過渡標準，如Nighthawk X6（R8000），Linksys WRT1900AC，D-Link AC5300 DIR-895L/R，華碩RT-AC87U等等。在802.11ax真正進入實用之前，802.11ac 2.0應該是一個不錯的權宜之計。