当前位置：首页 > article >正文

Wi-Fi背后的工作原理与技术发展历程介绍【无线通信小百科】

article 2024/11/16 21:42:42

1个视频说清楚WIFI：频段/历程/技术参数/常用模块

智能手机拥有率越来越高的今天，大家已经习惯了通过无线网络上网的方式。除了在外面需要用手机流量，我们通常在家里或者机场，商场都可以通过Wi-Fi连接上网。本期文章将为大家介绍Wi-Fi的基础知识和常用特性，希望可以帮助大家提高对Wi-Fi的认识和使用体验。

【无线通信小百科】往期内容推荐

01｜无线通信工作原理、发展历程介绍https://www.bilibili.com/video/BV1xy2RYsEfc02｜主流无线通信模块、SoC方案介绍https://www.bilibili.com/video/BV1WLydYjEoj03｜蓝牙工作原理与发展历程介绍https://www.bilibili.com/video/BV1oCS7Y3Ecn

1、什么是Wi-Fi

Wi-Fi，是一种无线网络技术，它基于美国电气和电子工程师协会制定的IEEE 802.11标准，它允许设备通过无线电波进行数据传输，实现设备与互联网或局域网的无缝连接。第一代Wi-Fi最早在1997年推出，旨在为便携设备、计算机、智能家居设备等提供无线网络连接，摆脱传统网线的束缚。

2、Wi-Fi技术的工作原理

Wi-Fi的工作原理基于无线电波传输。具体来说，Wi-Fi网络由接入点AP（Access Point）和客户端组成。客户端如手机、笔记本电脑、智能家居设备通过无线电波与接入点通信，接入点再将数据传输至互联网或其他本地设备。

Wi-Fi技术主要工作在2.4GHz和5GHz频段上，不同的频段具有不同的特点。2.4G频段使用的频率范围从2.4~2.48Ghz，以5MHz的间隔划分一个信道，一共有14个信道可用。但是由于每个信道使用20MHz带宽，临近的信道是有重叠的。所以通常使用相互完全不重叠的信道，例如1，6，11信道就是常用的三个独立信道。

相比于2.4G，5G频段能用的频率范围有5.180 ~ 5.850 GHz，大大增加了可用频率范围。以20Mhz带宽来划分，可以分出25个信道。通过结合相邻信道可以组合成更宽的信道，达到40，80，甚至160MHz带宽的信道。使用更宽的信道可以达到更高的速率，每提升一倍的带宽，相应的传输速率也可以提升一倍。而且即使是使用相同的频宽，由于5G频段的载波频率高，它的传输速率会比2.4G快一倍左右。

由于在2.4GHz频段还同时存在蓝牙，Zigbee等信号，甚至微波炉也工作在2.4G频段，所以2.4G频段的干扰较多。但2.4G频段也有它的优点：具备更好的穿透能力，可以达到更大范围的覆盖。而5G频段相比于2.4G传输速度快，干扰少，但穿透性较差，适合较小范围的高速数据传输。

在信号特性方面，5G信号频率高、波长短，而2.4G信号频率低、波长长。由于电磁波的物理传播特性：波长越长衰减越少，也更容易绕过障碍物继续传播。所以5G信号穿过障碍物时衰减更大，穿墙能力比2.4G信号弱。所以日常使用的时候，如果是离路由器远的时候，可能只能搜到2.4G信号。但是如果离路由器稍微近一些能搜到稳定5G信号的情况下，由于5G频段的大带宽，连接5G的速率还是会优于2.4G的。另外，将不同的设备连接不同的Wi-Fi频段信号，也可以有效避免信号的干扰。

3、Wi-Fi标准的发展历程

Wi-Fi标准到目前经历了20多年的发展历程，从最早1999年Wi-Fi 1代只能提供约11兆bps的传输速率，到现在市场上普遍新的Wi-Fi路由器都支持的Wi-Fi 6代标准，最大速率已经可以达到9Gbps，在后续的Wi-Fi 6E中也开始支持了新的6G频段。2024年发布的Wi-Fi7标准，又进一步扩大了带宽，速度吞吐量达到 30 Gbps。

当前Wi-Fi标准之所以能把速率提升这么多，有两项技术起了很关键的作用。一个MU-MIMO，多用户多输入多输出特性，从Wi-Fi 6开始，引入了双向MU-MIMO ，并将空间流的数量增加一倍，达到8个，超过Wi-Fi 5的 4×4 MU-MIMO，允许最多8个用户同时连接互联网而不会损失吞吐量。也就是说家里如果有8个人同时刷手机，每个人实际上是走的不同的数据通路，互不影响。这样的特性是由多根天线来分别完成的。每根天线可以负责一个用户的数据收发。这也是为什么我们发现市面上流行的路由器天线越来越多的原因。从这个角度说，天线越多越好。不过很多设备采用了内置MIMO天线，外面可能看不到天线或者天线比较少。

另外一项技术上的提升就是OFDMA正交频分多址。可以有效提升频谱利用率。为了更好的理解它，我们可以将Wi-Fi信道类比为车道，车道上的车辆将数据送到用户那里。将不同用户分到不同车道（MU-MIMO）可以大幅提高效率，但同一个车道上依然可能有很多用户(设备）在排队，在这种情况下OFDMA可以提高传输效率，之前是一辆车只能载一个用户的货（也就是一个连接信道同时只能和一个设备传输数据，空闲后才能继续下一个），如果这个用户货不多，那就会造成单车运载量低，效率自然低，后面排队的只能眼巴巴看着，通过OFDMA技术，一车可以装不同用户的货，按照一定算法把大家的货物有效分到每辆车上，这样自然充分利用了运力，减少包裹传送的延迟。