永不消逝的电波:回顾 Wi-Fi 22年来的发展史

2022-07-19 331 0

近几年随着 Wi-Fi 6 协议的蓬勃发展,本来躺在弱电箱里默默无闻的无线路由器几乎在一瞬间又火了起来,Wi-Fi 6 这个概念铺天盖地袭来。很多人甚至并不知道 Wi-Fi 6 是干什么的、有什么优势,其实大多数人的反应都是:啊?Wi-Fi 居然已经发展到第六代了。实际上在如今依旧有很多人没有用上 Wi-Fi 6 的情况下,Wi-Fi 7 已经在各大厂商的实验室里蓄势待发了。

既然要系统地聊聊 Wi-Fi,那么肯定不能从最新的标准讲起,还是先看看:Wi-Fi 到底是什么东西?

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WiFi 的历史十分悠久,循其本,它是基于 IEEE 802.11 标准的无线网络协议,而 IEEE 802.11 又可以追溯到 1971 年,夏威夷大学开发的用于以 Oahu 岛为中心,与其他夏威夷群岛通信的网络: ALOHAnet;

因为岛屿之间布设有线链路较为困难、成本高,诺曼·艾布拉姆森(Norman Manuel Abramson)及其团队就希望采用相对较为低廉的无线设备来构建这个网络,该项目于 1968 年 9 月启动,到 1971 年 6 月,第一个数据包以 9600 bps 的速率发送成功,这个网络的通信协议,后来就被称作 ALOHA。

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ALOHAnet 使用了一种新的接入方式,被称作 ALOHA random access(ALOHA 随机接入),在 1970 年代被用于以太网,随后又被用于 Marisat 卫星网络。

1985 年,美国联邦通信委员会 FCC(Federal Communications Commission)将 ISM(Industrial Scientific Medical Band,工业的、科学的、医学的)无线电频段开放为 "unlicensed use",也就是无需授权使用,各国可以自行裁决这段频率用于工业、科学、医学机构使用,而无需额外缴纳任何费用和获得任何授权,自此 ALOHA random access 技术将可以被应用于无线网络中,IEEE 802.11 就起源于此。

在 1991 年,NCR(National Cash Register,NCR Corporation,是一家美国的软件、技术咨询公司,主业为提供自助柜员机、支票处理系统和条形码扫描仪的解决方案,可以理解为一整套收银系统;1884 年成立,1991 年被 AT&T 收购,在 1996 年的 AT&T 重组中重新独立)和 AT&T(American Telephone & Telegraph,美国电话电报公司,美国第二大运营商)发明了 802.11 协议的前生,用于超市收银系统,名为 WaveLAN。

NCR 的 Vic Hayes 与贝尔实验室的 Bruce Tuch 联系 IEEE 创建了 IEEE 802.11 标准,并在后来参与了最初的 IEEE 802.11b、a 协议的设计和制定。

1992 年,CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,英联邦科学与工业研究组织,澳大利亚科学研究组织)的无线电部门开发出了无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)的原型测试台,"Test Bed for a wireless local area network"。

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这里必须插播一个知识了,那就是 WLAN 和 WiFi 到底有什么区别?

可能细心的人会发现,在 "行货" 和 "水货" 手机中,关于无线网络的描述是不同的:在 iOS 系统中,国行版本的设置里,无线网络的设置项目是 "无线局域网",而海外版本则是 "Wi-Fi";在其他安卓手机中,国行版本叫做 "WLAN",而海外版本又是 "Wi-Fi" 了。

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从原理上来说,WLAN(Wireless Local Area Network,无线局域网)是一种概念,而 WiFi(Wireless Fidelit,无线保真技术)则是一种具体的技术,相对应的,WLAN 以外,还按通信范围分为 WWAN(Wireless Wide Area Network,无线广域网)、WMAN(Wireless Metropolitan Area Network,无线城域网)、WPAN(Wireless Personal Area Network Communication Technologies,无线个人局域网,蓝牙、ZigBee、UWB 都属于 WPAN)三种类型,WiFi 是 WLAN 的一种、是 WLAN 概念的一个体现。

那么为什么国行手机不写这个 WiFi 技术,而是要写一个 WLAN 的概念呢?

因为工信部在 2010 年规定,凡要在中国大陆上市售卖的设备,必须支持 WiFi 和 WAPI 两种技术接入的 WLAN 网络,因此国行版本的手机在显示 WLAN 的同时,也会加入 WAPI 的相关选项,部分不能支持 WAPI 的设备,将会直接被砍掉 WiFi 功能:

那么 WAPI 又是什么?WAPI(Wireless LAN Authentication and Privacy Infrastructure,无线局域网鉴别和保密基础结构)最早由西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室提出,是一种安全协议,是中国无线局域网安全强制性标准。WAPI 和 WiFi 一样,也属于 WLAN 概念的一个具体技术体现。

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扯得有点远了,现在我们扯回来。

继续回到 IEEE 802.11 标准上,802.11 协议的第一个版本于 1997 年发布(如果忘记时间轴了,可以回去看一下):

需要注意的是,在图中的 WiFi 0-3 都是未被权威机构承认的命名,直到 WiFi 4 才被称作第四代 WiFi。

2003 年推出的 802.11g 并未掀起浪潮,它只是一个简单的修订,在于 802.11b 相同的频段下将吞吐提升到了 54 Mbps,并在此后一直随着 802.11b、802.11g、802.11n 作为 WiFi 4 以及向下兼容的技术。

1997 年,802.11 协议的第一个版本发布,通过 2.4 Ghz 频段最高可提供 2 Mbps 的传输速度(兆比特每秒,2 Mbit/s 相当于 0.25 MB/s,下载一个大小为 75MB 的酷安客户端需要约 300 秒,5 分钟)。

1999 年,802.11 协议的第二、第三个版本发布,分别为 802.11b、802.11a,分别通过 5 Ghz 和 2.4 Ghz 频段通信,分别最高提供 54 Mbps(相当于 6.75 MB/s,下载一个大小为 75MB 的酷安客户端需要约 11 秒),11 Mbps(相当于 1.375 MB/s,下载一个大小为 75MB 的酷安客户端需要约 54.5 秒)。

实际上,直到 802.11b 阶段,WiFi 才诞生,因为 IEEE 并没有具体定义 802.11 的设备规范,因此采用 802.11 的产品饱受兼容性问题,而发布 802.11b 协议后,无线以太网兼容性联盟(WECA)成立,为其制定规范,将它正式命名为 WiFi。

2002 年,WiFi 联盟(前身为 WECA)成立,WiFi 联盟持有 WiFi 的商标、主管 WiFi 协议的制定,通过 WiFi 联盟认证的设备可以使用 WiFi 徽标对其产品进行宣传,当然,这只是一个小插播,时间回到 1999 年。

1999 年,苹果在其推出的 iBook 系列笔记本电脑中加入了 WiFi 技术,这是一项巨大的突破,因为这是 WiFi 首次出现在大众级消费产品上:

苹果将其称为 AirPort,并在后期陆续推出了自己的 AirPort 设备,例如 AirPort Card(用于 Macintosh 的无线网卡)、AirPort Base Station(802.11b/a 路由器)、AirPort Express(802.11n 路由器)、AirPort Extreme(802.11ac 路由器)、AirPort Time Capsule(802.11ac,企业级路由器,内置硬盘,官方命名:时间胶囊,时间返回舱)就原本是苹果的路由器业务,但苹果在 2018 年终止了路由器业务。

自此,WiFi 席卷全球的帷幕正式拉开,随着 WiFi 技术的迭代发展,犹如一次次吹响强有力的冲锋号,二十年间,它逐渐成为了每个人生活中都必不可缺的东西。

WiFi 4:WiFi 的终极革命:

WiFi 4 可以被称作 WiFi 技术中最强大也是目前为止应用最广泛的 WiFi 代目,它的牛逼之处足以让我写个小标题来专门为它划分一块区域。

重新看看这张 WiFi 的代目表,WiFi 4 具有里程碑意义不仅是因为它是首个正式的 WiFi 代目,更重要的是它的带宽得到了巨量提升,最低速度为 72 Mbps(9 MB/s),极速高达 600 Mbps(75 MB/s,理论值而已,除了实验室以外的设备都不能达到),在它流行的六年间,正是电脑和手机、平板电脑发展最快的生六年,支持 WiFi 的设备如雨后春笋般冒出来,各种路由器层出不穷,走进每一户人的家里,这些年 WiFi 以惊人的速度遍布了全世界。

小贴士:想要看到自己的路由器/手机的 WiFi 极限速度是多少?打开手机/电脑的 WiFi 详情页,查看连接速度或者握手速度,就是当前的极限速度,也作握手速度、协商速度,这个速度是设备与路由器通信时得到的,与当前的信号强度直接相关。

WiFi 4 是第一个引入 MIMO(multiple-input and multiple-output,多输入和多输出)的 WiFi 标准,它引入多根天线,使用 MIMO-OFDM(orthogonal frequency-division multiplexing,正交频分复用)来在 802.11b、802.11g 的基础上提高无线速率。

在这个阶段,也产生了:路由器天线越多,覆盖越大、网速越快的说法,并一直流传到今天。市面上常见到 4、6、8 甚至十几根天线的路由器,TP-LINK 旗下产品就是典型代表:

虽然 WiFi 4 的纸面数据非常好看,600 Mbps 的速度在当年几乎是梦幻般的存在,但实际上在 2.4 Ghz 频段和 20Mhz 通道下工作的 WiFi 4,最高极限速度为 288.8 Mbps,实际连接速度为 144~150 Mbps,而几乎没有能支持 5 Ghz 40Mhz 的 WiFi 4 路由器,因此 WiFi 4 的实力其实一直被雪藏,在 WiFi 6 出现之前,它一直被当做单 2.4 Ghz 频段使用。

WiFi 5 同样是一项及其强大的里程碑式革新,虽说它比 WiFi 4 晚了整整六年才出现,但它至今依旧是占有度仅次于 WiFi 4 的第二大 WiFi。

WiFi 5 基于 802.11ac 协议,我们平常看到的类似:AC1200、AC1800 之类的路由器型号,AC 就是 802.11ac 的意思。

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似乎是为了弥补 WiFi 4 的 5 Ghz 频段一直不能得到利用,2014 年,WiFi 5 横空出世,它只有单 5Ghz 频段,它以 8 个高达 160 MHz 的信道将吞吐量提高到至少 433 Mbps,极速为 6933 Mbps,当然同样是实验室数据,没有民用设备可以达到,一般的手机、电脑在连接 WiFi 5 路由器时,连接速率一般为 433 Mbps(较老、低端设备)到 866 Mbps(WiFi 5 完全体)。

WiFi 6 的横空出世:

在 WiFi 6 出现之前,WiFi 4、5 一直作为 802.11a/b/g/n/ac 的支持和向下兼容的主力军,WiFi 4 就被约定俗成地叫成 2.4 Ghz,WiFi 5 则被叫成 5 Ghz。

WiFi 7 蓄势待发,2019 年的 WiFi 6 依然是目前我们能接触到的民用市场内最快的 WiFi 标准,也是最新一代,它基于 802.11ax 协议,提供了更为宽泛的 2.4 Ghz + 5 Ghz + 6 Ghz(WiFi 6E,Extended,在中国大陆因为与其他频段冲突所以不可用)三个频段,将彻底取代 WiFi 5 和 WiFi 4。

同样,WiFi 6 依旧巨幅提升了吞吐量,在 WiFi 5 的基础上将速率提升到最低 600 Mbps,高达 9608 Mbps(依旧是实验室数据,普通民用设备在 WiFi 6 下最高连接速率一般是 600 Mbps(2.4 Ghz,低频信道)到 2400 Mbps(5-6Ghz,高频信道)。

WiFi 6 的提升不仅在于带宽的提升,支撑 802.11ax 的主要技术 OFDMA(Orthogonal frequency-division multiple access,正交频分多址)在 WiFi 5 的 FDMA(Frequency division multiple access,频分多址)的基础上,使得可以对不同设备的数据帧进行打包传输,而不是每个用户占用一个数据帧,大大降低延迟和提升吞吐量,相当于应用在 WiFi 中的蜂窝技术(就是蜂窝移动网络那个蜂窝),它可以在多设备接入的情况中更好地控制接入设备的功率,以避免对其他设备的干扰。

直接堆数据多少有些枯燥,用人话来说,WiFi 6 就是改进了传输数据的方式,让多个用户的数据可以同时传输,同时支持更多信道、更宽频段,提升了空间流数量,从而降低延迟、提升速度。因为 WiFi 6 在这些方面的提升巨大,因此本来不会有多少人关系的一些参数再次出现在我们眼前。

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WiFi 技术日益发展,从 1999 年的标准制定,到 2022 年箭在弦上的 WiFi 7,七代技术的发展,从 2 Mbps 到 40000 Mbps 的飞越,从遥不可及的技术到它的电波传遍每个角落,在这短短的 23 年间,WiFi 经历了无数变革,在微软将个人电脑带进每家的书桌上后,WiFi 的路由器才是真正的走进了千家万户。随着 WiFi 的蓬勃发展,一个有趣的现象正在发生:本来用于 3G 网络的 FDMA 被应用到 WiFi 5,用于 LTE 4G 网络的 OFDMA 技术来到了 WiFi 6 身上,WiFi 正在日渐缩小与传统的蜂窝移动网络的差距,或许在未来的某一天,它们之间的壁障将被打破,全新的无线网络格局将会展现在我们面前。

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