Notes｜网络设备相关术语的学习

前言

去年双十一买了台路由器，Netgear（网件）的Nighthawk（夜鹰）系列的X6S - R8000P，这是一台WiFi 5的路由器，是网件在WiFi 5时代的次旗舰路由。其实去年下半年WiFi 6的路由器已经开始铺开了，去年新出的各式手机电脑也开始支持WiFi 6。买WiFi 5的路由器其实并不是正确的选择，但是我没有用过这么高端的路由器，想试试到底为什么好。买这个路由器相当于是买的WiFi 5高端路由器的最后一批库存，而且买的是“变形金刚版”，也就是保修只有一年的版本，网上很多说法说是官方翻新机。不过确实是低价了，￥799一台，买了两台，后来咸鱼出了一台。

一直拖延着，拖了九个多月，上周末刚拿出来用。面对包装盒上标的琳琅满目的各类新技术都只知道看起来很厉害，但是也不知道为什么厉害，新技术的原理是什么，它为什么比别的路由器高端。主观上用起来确实是能感受到比四年前买的路由器要稳，延迟要低，但是它的设置也确实是复杂，面对设置里面的各种术语、词汇也不知道真正的意思。那只有从无线设备的基础知识开始慢慢学起。

硕大的R8000P。

MIMO

Multi-Input Multi-Output（又称SU-MIMO: Single-User Multi-Input Multi-Output）：（单用户）多输入多输出系统。

原理：在发送端和接收端都使用了多根天线，在收发之间构成了多个信道。

特点：在不增加带宽和总发送功率的情况下，提高了信道容量，提高了频谱利用效率，提高了传输速率，减少误比特率，改善了无线信号的传送质量。代价是增加了发送端和接收端的处理复杂度。

SISO，SIMO，MISO和MIMO，图片来源：Wikipedia。

对应的，根据收发两端的天线数量，更早期的技术是SISO（Single-Input Single-Output，单输入单输出），SIMO（Single-Input Multi-Output，单输入多输出），MISO（Multi-Input Single-Output，多输入单输出）。

MIMO技术同时从时间和空间两个方面处理信号。MIMO技术有两个核心思想：空间分集技术和空间复用技术。空间分集技术指利用多个天线发送同样的数据，对接收端而言，提高了传输的可靠性。空间复用技术指利用多个天线同时发送相互独立的数据，增加了系统的数据容量。空间分集技术解决了可靠性问题，空间复用技术解决了容量问题。

MIMO系统一般写作 A x B MIMO，A表示发射基站的天线数，B表示手机的天线数。

Beamforming

波束成形。

原理：根据终端设备的位置，向其发送无线信号。借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，增加信号质量，并减少了与其他用户间的干扰。

MU-MIMO

Multi-User Multi-Input Multi-Output：多用户多输入多输出系统。

原理：采用显式波束成形（Explicit Beamforming）技术，实现信号的传播方向和接收控制，向多个终端同时发送数据，同时保证终端彼此不受干扰。

特点：对比SU-MIMO，SU-MIMO同时只能向一个终端发送数据，而MU-MIMO通过同时创建多个连接来同时向多个终端发送数据。

Wi-Fi 5（802.11ac）标准下，仅允许MU-MIMO最多支持4个终端，即AP或无线路由器最多同时发送数据到4个连接设备。而Wi-Fi 6（802.11ax）标准下，MU-MIMO最多可以支持8个终端。

Wi-Fi 5（802.11ac）标准下，MU-MIMO只支持下行数据。Wi-Fi 6（802.11ax）标准下，MU-MIMO同时支持上行、下行数据。

Wi-Fi 5最高支持8x8 MIMO；而Wi-Fi 6最高也支持8x8 MIMO。

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing：正交频分复用技术。

调制是将传送资料对应于载波变化的动作，可以说载波的相位、频率、振幅或是其组合。

OFDM技术由MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）发展而来，是多载波调制的一种；是多载波传输方式的实现方式之一，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

OFDM的基本原理是将一个高速资料流程，分割成数个低速资料流程，并将这数个低速资料流程同时调制在数个彼此相互正交载波上传送。也就是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少了子信道之间的相互干扰。

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access：正交频分多址技术。

OFDMA是OFDM技术的演进，用户可以选择信道条件较好的子通道（subchannel）进行数据传输，一组用户可以同时接入到某一信道。也就是说，网内多个终端可以并行传输，且无需排队等待、竞争，从根本上提升多用户的使用效率，并有效降低时延。

OFDMA技术被认为非常适合宽带无线网络，优势包括可扩展性和MIMO的便利，并有能力利用通道的频率选择性。

图片来自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/24416610

QAM

Quadrature Amplitude Modulation：正交振幅调制。

QAM是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式，这两个载波通常是相位差为π/2的正弦波。

64-QAM和256-QAM

QAM有多种不同的模式，最常用的是矩形QAM。矩形QAM优于非矩形QAM，因为前者更容易调制和解调。

QAM发射信号集可以用星座图方便地表示，星座图上的每一个星座点对应发射信号集中的一个信号，星座点的个数一般是2的幂次方个，常见的QAM形式有二进制QAM（4-QAM）、四进制QAM（16-QAM）、八进制QAM（64-QAM）、十六进制QAM（256-QAM）、三十二进制QAM（1024-QAM）。

星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。例如：256-QAM下单个符号可以传输256bit（2^8）数据，1024-QAM下单个符号可以传输1024bit（2^10）数据。

信道和频宽

信道（Channel）又称频段或频道，是信号在通信系统中传输的通道。

频宽（Channel）指路由器的发射频率宽度，也就是信道带宽。

2.4Ghz WiFi频道和带宽示意图，图片来源：Wikipedia。

在2.4GHz频段，频率的范围为2.400GHz~2.4835GHz，共83.5MHz带宽。而又将83.5MHz带宽划分为了14个子信道。每个子信道的宽度为22MHz，其中，有效带宽为20MHz，另外的2MHz为强制隔离频带。每个子信道相隔5MHz，13信道和14信道相隔12MHz。

14个信道里面，每个国家的标准不一样，使用的信道也不一样。中国采用欧洲/ETSI标准，使用1-13信道。美国和加拿大采用美国标准，使用1-11信道。所以如果有时候发现设备连不上WiFi，有可能是路由器设置在了12或13信道。

在WiFi 4（802.11n）标准下，WiFi支持信道捆绑，也就是把相邻的两个20MHz的信道捆绑在一起用，组成40MHz的信道带宽。