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千兆路由器百兆路由器(万兆路由器和千兆路由器)

分类: 生活常识 • 2023-11-05 09:37:04
近两年来，随着 Wi-Fi 6 以及 Mesh 组网技术的成熟和普及，高端路由器的价格也逐渐亲民，从科技爱好者到普通家庭都用上了支持新一代 Wi-Fi 技术的无线路由器。特别是 2022 年，使用 Wi-Fi 6E 技术的路由器开始进入市场，很多厂商也给自己的路由器打上了「万兆无线路由器」的称号。这样的宣传自然会让很多消费者认为无线网络取代有线网络指日可待。然而真的是这样吗，所谓的万兆无线路由器究竟可以跑出多少快的速度？这些问题看完本文你应该能有新的理解。无线网络速度由什么决定家用无线路由器是一个高度集成

近两年来，随着Wi-Fi 6和Mesh组网技术的成熟和普及，高端路由器的价格逐渐亲民，支持新一代Wi-Fi技术的无线路由器从技术发烧友到普通家庭都在使用。尤其是在2022年，采用Wi-Fi 6E技术的路由器开始进入市场，许多厂商也将其路由器品牌化为“万兆无线路由器”。这样的宣传自然会让很多消费者认为无线网络取代有线网络指日可待。

但事实真的是这样吗？所谓的万兆无线路由器能跑多快？看完这篇文章，你应该能对这些问题有新的认识。

无线网速是由什么决定的？家用无线路由器是一款高度集成的一体机，它集成了:

  • 路由器和防火墙:提供三层功能，包括网络访问和防止外部入侵。
  • 交换机:多局域网端口提供第二层，即局域网功能。
  • 无线接入点:接入点简称AP，即传输Wi-Fi信号，允许无线设备接入网络的功能。

    • 本文主要讨论家用无线路由器中无线接入点的功能，以下简称AP。在说实际速度之前，我们需要了解决定Wi-Fi速度的各种因素。

    Wi-Fi协议最近提到Wi-Fi协议，是因为在Wi-Fi 5及之前的时代，协议名称都是以IEEE 802.11协议规则和标准命名的，而不是简单的用数字代表代数。直到2018年Wi-Fi 6协议出台，802.11n和802.11ac才被一起改名为Wi-Fi 4和Wi-Fi 5，所以人们的感知可能并不强。

    目前Wi-Fi通信协议的产生及其对应的802.11标准如下:

  • 无线网络6:IEEE 802.11ax
  • 无线网络5:IEEE 802.11ac
  • 无线网络4:IEEE 802.11n

    • 影响Wi-Fi速率的一个主要因素是AP和终端之间使用的Wi-Fi协议。

  • 在两种协议的极端条件下，Wi-Fi 5的理论速率为3466 Mbps，而Wi-Fi 6的理论速率高达9600 Mbps。
  • 使用相同的终端和无线接入点，分别用Wi-Fi 5/6协议连接，Wi-Fi 6的理论速率比Wi-Fi 5高38%左右。

    • 有一篇关于Wi-Fi 6的详细科普可以阅读:Wi-Fi 6如何帮助我们的日常生活|科普

    频率Wi-Fi信号的传输依赖于一定频率的无线电波。目前，Wi-Fi 6协议支持三个频段的无线信号，而Wi-Fi 6E协议支持一种6GHz的高频无线电波:

  • 2.4GHz:2.4GHz频段因为频率低，已经在IEEE 802.11a中应用，2.4GHz可以得到很好的覆盖。值得注意的是，2.4GHz只有Wi-Fi 4和Wi-Fi 6协议支持。
  • 5.2GHz/5.8GHz:这两个频段一般称为5GHz，也是目前最常用的高速Wi-Fi频率。相比2.4GHz，5GHz的覆盖面积大大缩小，但速度大大提高，频率范围更宽，干扰更少。
  • 6: 6GHz是Wi-Fi 6E标准下新分配给Wi-Fi的频率。与5GHz相比，Wi-Fi 6E协议下的6 GHz频段速度并没有提高，而是增加了大量频段，降低了同频干扰，覆盖面积较5GHz略有下降。

    • 频率越高，单位时间内无线电波负载的信息量越大，所以速度越快。在相同带宽下，5GHz的理论速率是2.4GHz的两倍左右。

    与MIMO2.4GHz和5GHz相比，频差不仅是速度差造成的，还有可用带宽。

    带宽是指信号占用的带宽。在这里，我们可以简单地把带宽想象成高速公路上车道的数量。车道越多，单位时间内可以行驶的车流量就越大。

    2.4GHz仅支持20Mhz和40MHz带宽，在5GHz/6GHz时，可额外支持更大的80Mhz和160Mhz(160Mhz仅支持5.2 GHz)；并且理论速率随带宽线性增加，带宽越宽，理论速率越高。

    MIMO理解起来相对复杂，但可以简单想象为天线的数量。在Wi-Fi技术中，每根天线可以负责一条链路的数据传输，天线越多，传输速率越快。和带宽一样，你也可以把MIMO想象成一个“三维”通道。天线数量翻倍也会使Wi-Fi的速度和吞吐量翻倍。

    本文没有对正交调幅QAMQAM技术进行过多的扩展。在Wi-Fi 5到Wi-Fi 6协议的进展中，最大支持的协议从256-QAM升级到了1024-QAM，使得速度提升了25%左右。

    最近也有提前支持4k-QAM的终端，速度比1024-QAM提升20%。

    综上所述，我们可以把Wi-Fi想象成城市道路——2.4 GHz是城市主干道，在市中心干扰严重，效率低下。5GHz是绕城高速，车辆少，没有限速，数据可以走的很快；而带宽MIMO是一套立体的多车道，直接增加了车流量。

    综合以上参数，我们可以得到一个无线接入点的无线速率公式。

    5GHz时:

  • Wi-Fi 5 3x3 MIMO 80Mhz 256 QAM无线接入点，最高支持1300 Mbps。
  • Wi-Fi 6 4x4 MIMO 160Mhz 1024 QAM无线接入点，最高4804 Mbps。

    • 如果增加或减少MIMO数量或带宽，最大速率将成比例降低:

  • Wi-Fi 5 Wave 2 2x2 MIMO 160Mhz 256 QAM，最高1733 Mbps。
  • Wi-Fi 6 4x4 MIMO 80Mhz 1024 QAM，最高2402 Mbps。

    • 无线路由器的参数代表什么？在解密无线网络的实际速率之前，我们需要解释一下无线路由器的参数代表什么。

    我们先以一款旗舰无线路由器“小米AX9000”为例:

    商品名:AX9000，其中:

  • AX:支持的最高Wi-Fi规范是IEEE 802.11ax，即Wi-Fi 6协议。
  • 9000:其硬件支持的最高聚合连接速率为9000 Mbps，也就是1125 MB/s的传输速率。

    • 而9000 = 4804+2402+1196+576，相信你对这一串数字并不陌生。上面已经详细解释了Wi-Fi 6协议可以实现的各种速率。下面是详细的解释:

  • 4804Mbps:在5.2GHz的4× 4x4 MIMO 160MHz 1024-QAM规范下可以达到的理论速率。
  • 202mbps:在5.8GHz的4x4 MIMO 80MHz 1024-QAM规范下可以实现的理论速率
  • 196mbps:在2.4GHz的4x4 MIMO 40MHz 1024-QAM规范下可以实现的理论速率
  • 576 Mbps: AIoT天线速率，终端无法使用。

    • 9000 MB是该路由器支持的所有频段中硬件支持的最高速率之和，命名方式也符合IEEE规定，但这并不意味着该无线路由器可以运行在9000 Mbps的速率。

    实际握手速率和终端支持另外需要注意两点。第一，高速Wi-Fi不仅需要AP支持，还需要终端设备支持。还有一点就是Wi-Fi终端同时只能工作在一个频段，所以我的设备在这个无线路由器上能达到的最高理论速率就是选择一个5.2GHz频段使用160Mhz和4x4 MIMO的终端。在这样的硬件条件下，Wi-Fi速率可以协商到理论速率4804Mbps。

    目前市面上还没有支持4x4 MIMO的Wi-Fi 6终端，主流设备还是2x2 MIMO，所以我们的速率会再翻倍。如果使用小米12 Pro等支持160MHz的移动终端，可以达到2402Mbps。

    iPhone等终端在iPhone 11系列之后都支持Wi-Fi 6协议，但只支持2x2 MIMO 80Mhz。所以iPhone 11之后支持Wi-Fi 6的终端设备只能达到1201Mbps。

    而MacBook Pro 16寸2019等只支持3x3 Wi-Fi 5的老设备只能达到1300Mbps的Wi-Fi 5。

    以上速率都是终端和路由器之间的协商速率，或者也叫PHY速率或握手速率，必须高于现实环境中能跑出的无线网络速率。

    其他一些Wi-Fi的“开销”握手速率或PHY速率可以理解为电动车的NEDC续航里程，在实际环境中也会根据不同的速率产生折扣。

    由于Wi-Fi开销太复杂，本文将不深入讨论它，而仅列出一些最明显的开销类型:

  • TCP/IP开销:在所有有线或无线网络中，TCP/IP连接的开销约为5%。这5%来自于建立连接和解决正在交换的数据包和帧所需的所有数据。在标准帧大小下，有线1Gbps连接的TCP吞吐量约为940-950 Mbps。
  • 信标帧:这是AP向客户端设备通告网络的方式。为了确保范围内的所有设备都能理解它们，AP以支持的最低数据速率发送管理流量，如信标帧。这扩大了广播范围，降低了传输速度，消耗了宝贵的广播时间。
  • 半双工:基于OFDM的Wi-Fi是半双工的，这意味着一次只能传输一个设备，并且只能在一个方向上传输。打个比喻，Wi-Fi是对讲机，不是电话，也就是说同一时间只能一个人通话。以太网是全双工的，允许同时双向传输。Wi-Fi是半双工的，不代表吞吐量减半，但确实意味着Wi-Fi设备不能多任务。当下载大文件时，客户端设备必须花费许多短的保护间隔来将TCP确认帧发送回其AP，或者允许其他设备发送它们。Wi-Fi设备无法同时下载和上传数据，在其终端传输中无法通信。MU-MIMO和OFDMA技术部分解决了这个问题。
  • 干扰和重传:除了(大部分)半双工，Wi-Fi也是一种共享介质。当一台设备在该信道上传输时，范围内的所有其它设备都必须等待轮到它们。如果多个设备同时传输，可能会发生冲突，导致传输混乱。当冲突发生时，设备需要等待一段随机的时间，然后再重新传输。协调共享媒体的使用和处理冲突消耗了宝贵的广播时间，导致每个人的有效吞吐量较低。比如蓝牙会干扰2.4GHz的Wi-Fi，USB 3.0也会影响5GHz的Wi-Fi信号。
  • 帧与帧之间的调制差异:当你看到1200Mbps的链路速率时，并不是说传输时每一帧都用1024-QAM调制。链路速率更像是平均速度限制。随着信道条件的改变或传输失败，单个帧可能比当前链路速率值更高或更低地被发送。

    • EIRP:无线信号传输能力EIRP是描述AP信号传输能力的参数；

    等效全向辐射功率(EIRP)或有效全向辐射功率(EIRP)是无线电通信领域中的一个常见概念。它是指天线在指定方向上的辐射功率，理想情况下等于发射机的发射功率乘以天线的增益。

    信号强度通常用对数单位dBm表示，所以EIRP =发射功率+天线增益-损耗值。

    发射功率可以简单理解为一个人喊的声音有多大，天线增益可以简单理解为一个麦克风+扬声器能把声音放大多少；EIRP可以简单理解为当一个人对着麦克风大喊时，扬声器发出的声音有多大。

    EIRP在一定程度上可以描述AP的无线信号传输能力。中国工信部对Wi-Fi的EIRP有明确限制:

  • 在2.4 GHz时，EIRP被限制在100mW，即20dBm。
  • 在5 GHz时，EIRP被限制为小于200mW，即23dBm。

    • 需要注意的是，这里的有限功率是AP所有天线的总功率，所以当多根天线同时工作时，每根天线的发射功率会相应打折。效果就是Wi-Fi降低了连接速度。

    墙障、距离、信号强度信号强度也是影响实际Wi-Fi速度的重要原因之一。和EIRP一样，我们终端接收到的信号用对数单位dBm表示。但由于实际接收到的信号受损较大，一般在AP周围一米范围内(无障碍)可以接收到-30 ~ -25 dBm的5GHz信号。

    可以在空室参考下图:

    住宅的非承重墙会造成12-20dBm的信号衰减，承重墙更多:

    无线网络的带宽和调制技术的灵敏度如下:

    这些影响Wi-Fi速度的因素是存在的，我们不必做太多的组合计算。我们只需要知道，在理想环境下，实际连接速度最多是理论速度的70%-80%左右。在正常环境下:

  • 80 MHz信道上的2x2设备可以达到1201 Mbps的最大协商速率，实际吞吐量约为800-900 Mbps。
  • 60mhz信道上的2x2设备最高可以达到2402 Mbps的协商速率，实际吞吐量大概在1400-1600 Mbps。

    • 总结到这里，相信你对Wi-Fi的实际传输速率有了一定的了解。回到本文开头的问题，万兆无线路由器真的能跑出万兆吗？答案肯定是否定的:市面上的无线路由器都是聚合速率，因为它们的命名规则。在实际使用中，AP最好的终端设备，在理想环境下也只能达到1.4Gbps-1.6Gbps的传输速率。

    但当多个设备(2x2 160Mhz Wi-Fi 6)同时使用同一个AP进行切换吞吐量时，会受到AP的切换能力和天线功耗的限制，实际只能达到1Gbps的速度。

    本文讨论的所有情况都是在理想环境下。Wi-Fi在现实生活中的传输过程比理想环境中的传输过程更复杂。更多的频段干扰和更多的信噪比是影响Wi-Fi速度的主要因素。

    下一篇文章我会讲如何优化家庭Wi-Fi环境，如何优化多个AP之间的漫游效率。我相信它可以解决一些常见的无线网络问题，如HomePod立体声断开，游戏丢包和掉线。

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