WiFi 6,好在哪里?

来源:内容由半导体行业观察(icbank)编译自「anandtech」,作者:Brett Howse

在上一代计算中,有很多设备开始利用无线技术来连接以太网,在接下来的发展中,这种趋势并没有放缓的迹象。当个人计算机首次使用无线网络接口卡(NICs)时,它们就成为了网络上的唯一设备。发展至今,几乎每个家庭都拥有多个需要联网的设备,这些设备使用无线电波来进行通信的方式有两种,一种可以利用蜂窝连接,另外一种是通过连接具有Wi-Fi功能的家庭无线网络。

在本文关注的PC领域中,蜂窝连接确实存在,但它并不是重点。虽然在PC上直接提供蜂窝连接有很多优势,但使用这种连接方式需要使用者支出额外的费用(尤其是在北美),而这就意味着大多数PC将选用Wi-Fi来进行网络通信。

Wi-Fi一词如今已是无所不在,Wi-Fi联盟曾采用IEEE 802.11标准对无线网络通信进行了命名。但最近Wi-Fi联盟更新了对无线网络通信的命名规则,如下所示:

为了让大众明确标准,Wi-Fi联盟对原来采用专业术语的标准进行了重新命名。目前,802.11n,802.11ac和802.11ax这三个最新标准已经更新其名称为:Wi-Fi 4,Wi-Fi 5和Wi-Fi 6。从长远来看,新的命名对于大多数人来说应该更容易掌握。但我们仍旧对Wi-Fi 6E(为Wi-Fi 6增加的6GHz频段)产生了一些困惑,所以我们需要关注其后续发展。

在CES 2019上所展出的Wi-Fi 6路由器之一——TPLink AX1800

如今,大多数家庭所使用的设备应该都采用了Wi-Fi 4或以前的802.11n。毕竟,该标准是在2009年问世的。发展至今,应该还有很多家庭设备配备了Wi-Fi 5或802.11ac,这些标准提供了速度升级以及一些可选的额外功能来帮助扩展。而Wi-Fi 6或802.11ax则是一个非常新的标准,直到2019年底,甚至没有那么多设备可以通过它连接。那么,这个新标准的意义何在?您真的需要升级家庭网络吗?

本文旨在帮助回答这些问题,并展示我们AnandTech如何将其过渡到Wi-Fi 6,以便将来进行评估。

Wi-Fi 6新在哪里

每一项新的Wi-Fi标准几乎都会改进无线速度和延迟,Wi-Fi 6也是如此。值得一提的是,最新标准还提高了电源效率。但最重要的是,它可能有助于解决在非常拥挤的环境中使用Wi-Fi的一些典型问题。

让我们从最后一点开始,可以说是它是最重要的功能。随着Wi-Fi的普及,以及连接设备的数量的增长,频谱的过度拥挤已成为最大的问题之一这可能导致即使最好的网络设备也会慢得像蜗牛。这有点像是在人口稠密的城市环境,体育场或主题公园中出现的情况。

您的路由器的频率是多少?

就在几年前,即使是中高端笔记本电脑也只配备了2.4GHz 802.11n(Wi-Fi 4)网络适配器。如果它们被用在密集的公寓楼中,它们的表现则十分糟糕。如果在5 GHz信号范围内使用Wi-Fi 4,则可以暂时缓解这种糟糕的表现。这是因为5 GHz信号的范围缩小了,也就意味着相邻接入点受到干扰的可能性减小,而且5GHz还能提供更多的信道。2.4GHz最多只能提供三个不重叠的信道。但每个国家的规定有所不同,总共有14个信道,每个信道的宽度为22 MHz,但仅相差5 MHz。所以并排的信道会互相干扰。在5GHz方面,则最多可以有23个信道,而且没有一个是重叠的。

使用的5 GHz时的情况

如果您需要范围,2.4GHz仍然是您的最佳选择,因为5GHz信号会通过地板和墙壁等固体物体衰减,但在密集环境中,5GHz实际上是任何无线通信的必备条件。

使用2.4 GHz的情况

但是现在5 GHz的使用空间也已达到极限,因此Wi-Fi联盟增加了一些功能来直接解决拥挤的频谱问题。克服此问题的主要方法之一是正交频分多址(OFDMA),它可以将频谱分解为时频资源单元,由接入点进行协调。只要总带宽不超过信道宽度,就可以将这些资源单元分配给多个连接的设备,从而允许它们同时在同一信道上传输。以前,每台传输设备在整个传输的时间内都会占用整个信道,因此导致了多个设备的竞争,它们将不得不使用时分多址访问,等待轮到它们进行传输(每个设备都有一段时间进行传输)。OFDMA将信道分配给许多客户端,这是非常有益的,尤其是在没有单个设备需要所有可用带宽的情况下。此外,与以前的Wi-Fi需要固定的数据包大小不同,Wi-Fi 6则允许动态拆分数据包大小,从而使设备可以用较小的数据包填充可用的资源单元。

Wi-Fi联盟为解决频谱拥挤问题的另一个方法是空间频率重用技术,它可以让设备判断正在传输的信号是其网络的一部分,还是相邻网络的一部分。这意味着,例如,公寓中的两个人都在使用Wi-Fi 6接入点和设备,连接到其自己接入点的设备将能够读取信道传输上的标记,并确定该传输是否在他们的网络上。如果不是,并且功率足够低,则无线设备能够同时在同一信道上进行传输。这些设备将调整它们的传输功率,以避免它们干扰彼此的传输。

除此之外,Wi-Fi 6还增加了一个额外的网络分配向量(NAV),这应该有助于防止数据包被重叠的网络重置。

即使进行了这些更改,Wi-Fi联盟也知道即使在5 GHz范围内也只有固定的带宽量,因此标准中已经支持6 GHz。但它又仅限于标有Wi-Fi 6E的设备,这让事情变得有点混乱。

关键——性能加倍

尽管Wi-Fi的标称信道带宽为20 MHz,但Wi-Fi规范已允许将多个信道绑定在一起以提供更高性能的信道。Wi-Fi 4支持40 MHz,Wi-Fi 5支持80 MHz和160 MHz,但后者是可选的。但直到最近,我们才在PC领域真正看到它。因为不是必需的,所以许多Wi-Fi 5接入点和路由器不支持它,因此,即便是你有支持160 MHz的适配器,也无法享受160 MHz的体验。Wi-Fi 6支持160 MHz的信道宽度,以后,我们应该看到更多的设备会支持160 MHz。但是一个缺点是,它需要并发信道才能运行,并且在信道数量有限的情况下,如果在一个信道上存在很多干扰,则可能会引起问题。这在Wi-Fi 6中已通过“ 80 + 80”带宽得到了解决,这意味着160 MHz信道可以由两组不同的80 MHz信道组成。这在以前的规范中也是可用的,但是是可选的。

为了进一步提高性能,而不仅仅是更宽的信道,Wi-Fi 6还增加了对更高级别的正交幅度调制(QAM)的支持,从Wi-Fi 5中的256-QAM到Wi-Fi 6中的1024-QAM。这从每tone 8 bits变为每tone 10 bits,从而允许在相同的信道带宽上传输更多数据。这意味着单个1x1 20 MHz信道可以以最大143 Mbps的速率进行传输。而在具有160MHz信道上的2x2 Wi-Fi适配器的典型笔记本电脑上,则可以以 2.4 Gbps的速率进行传输。在典型的Wi-Fi 5接入点上使用相同的2x2解决方案,具有80 MHz的典型信道宽度,仅能提供867 Mbps。因此Wi-Fi 6的性能提升意义重大。

16-Level QAM - By Chris Watts - Own work, CC BY-SA 3.0, Link

此外,Wi-Fi 6还在上行链路连接中增加了对多用户多输入多输出(MU-MIMO)的支持,而Wi-Fi 5仅在下行链路侧提供这种支持。

我需要它吗?

网络的永恒问题是,何时才是升级的好时机,在这个时机下,对规范进行最新、最大的补充可以提供切实的好处。在Wi-Fi上,由于接入点或路由器与设备之间的延迟,导致升级的时机难以把握。但Wi-Fi 6的来临提供了升级的时机,Wi-Fi 6足够新,很多人甚至还没有支持Wi-Fi 6的设备,因此,在没有支持新Wi-Fi 6标准的设备想要升级到新的路由器或接入点,就要换掉Wi-Fi 5或以下标准的设备。但是,如果您仍然在市场上寻求新的路由器或接入点,那么显然,获取该标准的最新规范符合您的最大利益。

Wi-Fi 6可以在许多情况下增加实际利益。如果您的无线频谱由于处于密集的城市环境中而非常拥挤,则Wi-Fi 6对其网络堆栈进行一些重大升级,以帮助解决这类应用。此外,如果你有几十台设备争夺Wi-Fi,这可能是有意义的,尽管当接入点和客户端都使用Wi-Fi 6时才能实现最佳优势。

与Wi-Fi5相比,性能也显著提高,因此在性能受限的情况下,升级可能是值得投资的。尽管Wi-Fi6的棘手之处在于,对于最常见的2x2情况,即有两个发送和两个接收信道,Wi-Fi性能终于超过了大多数人家中使用的典型千兆位以太网,因此,尽管性能仍将高于Wi-Fi5,但千兆位可能是一个瓶颈,如果是这样,可能需要额外的网络设备。对于消费者来说,千兆位以太网已经有了一些发展,但还没有达到我们现在的预期。因此,Wi-Fi到Wi-Fi可能是实现最佳性能的最便宜的选择。

性能

为了实现最大性能,最新的Wi-Fi 6标准利用了1024级QAM。但根据信号强度和质量,它会根据需要按比例缩小,因此,为了实现最佳性能,需要非常高的信噪比。由于5GHz在必须穿墙时会显著衰减,如果您需要最大的Wi-Fi性能,请注意,您将希望无线路由器尽可能靠近终端设备。幸运的是,这在我们的例子中不是问题,因为在测试最大性能时,路由器在同一个房间中。但我们也将在不太理想的情况下对其进行评估。

Wi-Fi5与Wi-Fi6–关闭AP

首先,当接入点与客户端位于同一房间时,我们将测试TCP性能。

Wi-Fi 6的性能优势显而易见。由于接入点位于同一房间,因此SNR非常好,新的802.11ax标准可以真正发挥作用。在具有1024 QAM和160 MHz信道的情况下,性能是具有256 QAM和80 MHz信道的传出Wi-Fi 5的两倍以上。令人印象深刻的是,典型的2x2:2连接跨越了千兆位屏障,尽管AX200网卡是第一代产品,但英特尔已经对其进行了出色的调整。160 MHz信道和1024 QAM的理论最大传输速率约为1200 Mbps,因此理论上2x2可以达到2.4 Gbps左右,这意味着仍有改进的空间。由于802.11ax也可以在2.4 GHz频率上使用,它与802.11ac不同,因此在2.4 GHz上,我们也进行了相同的测试,但结果令人失望。2.4 GHz仍可提供40 MHz信道,但AX200似乎无法利用其中的任何优势。作为参考,笔记本电脑中的无线适配器报告为-21 dBm,这是一个强信号,这很有意义,因为AP几乎就在笔记本电脑旁边。

Wi-Fi5与Wi-Fi6–信号降低

将笔记本电脑移到更远的地方,并添加几面墙和门来减弱信号,再次测试了相同的场景。

如果有一些墙壁阻碍,则5 GHz会大大衰减,第二个位置的SNR为-78 dBm。由于信号如此低,Wi-Fi 6连接无法利用1024级QAM,因此不得不降低到更低的设置。减少了每个tone的 bits,总信道带宽仍为160 MHz,但在802.11ax上仅比802.11ac 80 MHz快了一点。2.4 GHz不受墙壁的影响,因此即使它仍然慢得多,但也能够保持相同的传输速率。

结果很明显,Wi-Fi6的吞吐量比Wi-Fi5高得多,但要做到这一点,它需要很强的信号。在第二次信号衰减测试中,Wi-Fi6的表现仍然优于Wi-Fi5,但性能提升幅度很小。2.4 GHz仍可提供最佳信号强度,因此可以通过更远的障碍物与更远的地方连接,但无法提供5 GHz范围的性能。启动时会看到支持6 GHz的Wi-Fi 6E设备会很有趣。它将为更多的频率选择开放Wi-Fi,但范围更小。

未来

如果问题是你需要Wi-Fi 6吗,答案肯定是"也许"。Wi-Fi 6性能的提升是巨大的,但真正依赖于非常强的信号来获得最大的数据吞吐量。Wi-Fi 6的大多数新功能集中在采用新标准的设备,以及处理连接到同一接入点的许多设备,或连接到不同接入点时试图共享频谱的设备。

在Wi-Fi6标准中增加正交频分多址接入可能是此次修订中最具影响力的变化。它将允许接入点将信道划分为更小的频段,允许更多设备同时通信,使得开销更少。每个设备都会在峰值吞吐量上有所损失,但延迟的减少应该会有很大帮助,尤其是在非常密集的环境中。当多个设备同时发送许多小数据包时,它应该有助于减少网络层的过多开销。这是非常常见的情况,尤其是在办公室或体育场的情况下。

多用户MIMO在Wi-Fi5规范中是可选项,因此它并没有真正地实现。Wi-Fi6应该使这一点更加普遍,并且还增加了对上行MU-MIMO的支持,而不仅仅是下行端。这将增加接入点的容量,以用于更高速度的应用场景。MU-MIMO在Wi-Fi5中并没有得到很大的关注,因此我们将不得不看看它在WI-Fi6中会得到多大程度的采用。

正如我们在性能测试中看到的那样,更宽的160 MHz信道将在家庭环境中提供更大的吞吐量。不过,与1024级QAM一样,要看到最大的好处,你需要一个强信号。绝大多数家庭网络仍局限于1Gb以太网,这让Wi-Fi 6陷入了一个尴尬的境地。因为它比大多数有线家庭网络传输速度更快,但即便如此,与Wi-Fi 5相比,这仍然是一个重大的进步,在最好的Wi-Fi适配器上,Wi-Fi 5的最高速度可达600Mbps左右。如果您处理大量大文件,并且您更喜欢使用Wi-Fi而不是更麻烦的以太网, Wi-Fi 还有很大的提升空间。

Wi-Fi的未来看起来很强大,Wi-Fi联盟对其标准进行了一些出色的修订,以帮助改善下一代设备的Wi-Fi。与任何标准变化一样,Wi-Fi 6的出现并不会马上看到影响。接入点和客户端都需要利用新标准,才能显著提高性能。我们已经看到最新一代的智能手机开始提供Wi-Fi 6,以及随着英特尔的雅典娜项目的发展PC端也开始向Wi-Fi 6靠拢。如今,任何想要购买新路由器的人都应该选择Wi-Fi 6型号。但对于大多数人来说,可能不需要立即从Wi-Fi 5接入点转移。如果你住在一个非常拥挤的无线区域, BSS coloring 和空间频率重用等功能的优势应该会在这些场景中有所帮助。但对于纯粹关注性能的人来说,Wi-Fi 6在某种程度上遇到了自己制造的障碍。因为它现在可以在典型的2x2:2连接上以超过千兆的速度传输。但我们凭什么质疑他们的表现?

*声明:文章为作者独立观点,不代表格隆汇立场

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