Wi-Fi 简略进化史

　　在我们现今的生活中，Wi-Fi 无处不在，围绕人们身边的几乎所有的电子产品似乎都离不开它，从智能手机、笔记本电脑、平板电脑到网络盒子、支付设备等。作为一种普遍且简单的无线网络连接方式，早已渗透在我们的日常生活中，被大家熟知，是现代社会里重要的基础设施。

与蜂窝网络或蓝牙等其他无线连接方式的侧重点不同，Wi-Fi 准确来说就是无线局域网，通过无线联网技术，可以将覆盖一定区域内、具有 Wi-Fi 功能的设备集结在同一网络内。即将到来的 Wi-Fi 7 是新一代的无线网络标准，目前我们主要使用的是 Wi-Fi 5/6，而距最早的 Wi-Fi 标准已经有 25 年的历史了。一直以来，Wi-Fi 标准的迭代是一个追求更高带宽和覆盖更大范围的过程，而每一代的 Wi-Fi 标准又发生了什么样的变化呢？

IEEE 802.11 是无线局域网的通用标准，是由电气和电子工程师协会（IEEE）所定义的无线网络通信的标准。在官方定义 IEEE 802.11 标准的时候，选定了澳大利亚政府研究机构 CSIRO 发明的无线网络技术。由于澳大利亚政府拥有该技术的专利，所以在很长时间里都在收取专利费用，直到 2013 年底专利过期。期间电气和电子工程师协会曾要求澳大利亚政府放弃无线网络技术专利，不过遭到拒绝。

　　IEEE 802.11 无线局域网协议诞生于 1997 年，标准中定义了媒体访问控制层（MAC 层）和物理层，后者定义了工作在 2.4GHz 的 ISM 频段上的两种扩频作调制方式和一种红外线传输的方式，设备间的总数据传输速率为 2Mbps（红外线为 1Mbps）。而 2.4GHz 的 ISM 频段则是美国联邦通信委员会释放的，用于商业和科学用途，同时也被世界绝大多数国家所通用。无论从工作方式还是数据传输速率，都非常原始，不过却为日后 Wi-Fi 标准的发展指明了方向。

　　一方面 IEEE 802.11 无论传输速率还是传输距离都难以满足人们的使用需求，另一方面随着信息时代的来临，无线网络的连接需求却越来越强烈。到了 1999 年，两个补充协议出现了，分别是 IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11b，前者为 5GHz 频段，传输速率为 54Mbps，采用 OFDM 技术，后者仍然为 2.4GHz 频段，传输速率为 11Mbps，采用 DSSS 技术。两者是完全不同的分支，相互之间并不兼容。

图：Sony PSP 配备了 802.11b 网卡

　　虽然 IEEE 802.11a 有着更高的数据传输速率，但覆盖范围较小，且穿透性较差。相比之下 IEEE 802.11b 更为实用，且 11Mbps 的数据传输速率基本满足当时的需求。此外，满足 IEEE 802.11a 标准的设备成本要高得多。得益于 IEEE 802.11b 的制定，在 2000 年前后，第一代 Wi-Fi 产品上市销售了，开辟了一个新的时代。

　　为了推动 IEEE 802.11b 规格的制定，以及未来更好地在全球范围内推广 Wi-Fi，采用统一的标准设备，一个名为无线以太网路相容性联盟的全球性非营利性组织成立了，这也就是 Wi-Fi 联盟（Wi-Fi Alliance）的前身（2002 年改名）。其总部位于美国德克萨斯州的奥斯汀，专门负责 Wi-Fi 认证与商标授权的工作，拥有 300 多名会员。

随着 Wi-Fi 的普及，加上对无线传输的要求越来越高，IEEE 802.11b 的 11Mbps 数据传输速率已不能满足人们数据传输的需求了。到了 2003 年，新的 Wi-Fi 标准 IEEE 802.11g 应运而生，而且将原有 IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11b 各自的优点做了融合。

　　IEEE 802.11g 采用了 IEEE 802.11a 的 OFDM 技术，同时将频率定在了 2.4GHz，保持了与 IEEE 802.11b 设备的兼容性，同时将数据传输速率提高到 54Mbps，覆盖范围已经可以满足相当大部分用户的需求了。IEEE 802.11g 在技术的选择上非常地合理，不但使得 IEEE 802.11b 累积的用户都保留了下来，而且购买新设备的用户又能体验到数据传输速度的提升，也降低了用户升级的花费。

　　IEEE 802.11g 的出现非常及时，这时期移动设备越来越多且大多开始有联网的需要（手机、PDA 和笔记本电脑等），对无线数据传输的需求明显增加。早期许多购买 Wi-Fi 路由器的用户，都是从 IEEE 802.11g 时期开始。

　　虽然 IEEE 802.11g 的数据传输速度对于当时不少移动设备来说是够用的，不过像笔记本电脑这样的设备，这样的速度远远不够。当时有线局域网已逐步向千兆网络，54Mbps 的数据传输速率大幅度落后，甚至还比不上使用多年的百兆网络。为此，到了 2009 年，IEEE 802.11n 出现了。

图：AirPort Express 802.11n

　　为了大幅度提高数据传输速度，IEEE 802.11n 做了重大的变革，引入了 MIMO（多输入多输出）技术，使用多个发射和接收天线来提高数据传输速率，并使用了空时分组码来增加传输范围。IEEE 802.11n 可以工作在 2.4GHz 和 5GHz 两个频段，是第一个双频的 Wi-Fi 标准，这不但能解决设备越来越多导致 2.4GHz 频段拥挤、相互影响的问题，还能满足一些设备需要高速数据传输的需求。

　　IEEE 802.11n 支持 20MHz 的标准带宽，基础速率提升到 72.2Mbit/s，可以使用双倍频宽 40MHz，加上 4x4 MIMO，最高数据传输速率提高到了 600Mbps，终于赶上了有线局域网络的节奏。事实上，当 IEEE 802.11n 还在草案阶段，尚未完成最终的标准制定，就已经有不少厂商迫不及待地推出所谓 IEEE 802.11n 标准的产品，称之为 "Draft N"，可见市场对无线数据传输的速度提升有多强烈。

这时期 Wi-Fi 联盟还推出了新的 Wi-Fi CERTiFiED 标志，相信不少用户都在路由器产品包装上看到过。

　　作为 IEEE 802.11n 的继任者，IEEE 802.11ac 提供了更高的数据传输速度，又称为 Very High Throughput（VHT），发布于 2013 年。IEEE 802.11ac 推出的时候恰逢智能手机大爆发时期，大量设备均采用了支持 IEEE 802.11ac 标准的芯片。

　　IEEE 802.11ac 在技术上做了多项改进，包括选择了 5GHz 频段，双倍频宽由 40MHz 变成了 160MHz，调制模式由 64-QAM 提升到 256-QAM，引入 MU-MIMO 应答机制，同时 MIMO 升级到了 8 天线等，数据传输速率最高可达到 3.5Gbps。由于这时期 2.4GHz 频段上已经存在太多的设备，而且蓝牙和微波炉等都会对该频段造成影响，加上 Wi-Fi 设备对信道的占用和管理机制问题，使得效率越来越低，而 IEEE 802.11ac 选择 5GHz 频段解决了很大部分问题。

这时期各种无线网络产品已经十分普遍，但一些便宜的设备在入门甚至主流市场仍有不错的销量，市场上混杂着两代甚至三代 Wi-Fi 标准的产品，对新规范的推广造成了障碍。为了让消费者分清不同的 Wi-Fi 标准，2018 年 Wi-Fi 联盟简化了 Wi-Fi 命名，将即将到来的第六代无线网络标准（IEEE 802.11ax）正式命名为 WiFi 6，同时 802.11ac 和 802.11n 也被赋予了新的名字，分别叫做 Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 4，三个标准之间的差异就一目了然了。

　　虽然网络上经常有人将 IEEE 802.11a/b/g 称为 Wi-Fi 1/2/3，但事实上 Wi-Fi 联盟并没有这么做，至少没有公开说过。这几个 Wi-Fi 标准相隔时间实在比较长，市面上基本不会看到相关的产品，所以 Wi-Fi 联盟没有特意去做区分。

　　近两年来，如果谈起 Wi-Fi 会经常听到一个名字，就是 Wi-Fi 6，也就是以往称为 IEEE 802.11ax 的 Wi-Fi 标准。以目前 Wi-Fi 6 出现和讨论的频率来看，Wi-Fi 联盟新的命名方式似乎非常成功。

与 Wi-Fi 5 一样，Wi-Fi 6 同样支持 20/40/80/80+80/160MHz 频宽，而 Wi-Fi 6 覆盖了 2.4GHz 和 5GHz 频段，则有别于 Wi-Fi 5 只涉及 5GHz 频段，这使得低速设备和高速设备都覆盖了。Wi-Fi 6 在调制模式上从 Wi-Fi 5 的 256-QAM 提升为 1024-QAM，数据流最大支持数量也从 4 个提高到了 8 个，使用了 OFDMA 技术和上 / 下行 MU-MIMO，以及 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）机制和 TWT（Target Wake Time）机制，让 Wi-Fi 6 的数据传输速率提高到了 9.6Gbps，设备的连接效率也大大提高（具体可看《》）。

　　除了 Wi-Fi 6 以外，还有一个名为 Wi-Fi 6E 的扩展，在前者基础上引入了 6GHz 频段的支持，使得 Wi-Fi 6 可以从原来使用的 2.4GHz/5GHz 频段扩展为 2.4GHz/5GHz/6GHz 频段，具体频率是从 5925MHz 到 7125MHz。如果完全利用 6GHz 频段的带宽，基于 Wi-Fi 6E 的无线网络可以实现设备容纳数量翻倍的效果（具体可看《超能课堂 ( 263 ) ：WiFi 6E 来了，它相比 WiFi 6 有什么不同吗？》）。

不过 WiFi 6E 面临一个很重要的问题，就是世界各个国家和地区对 6GHz 频段的开放程度。无线频谱作为一种国家级的资源，只有相应的国家和地区实现开放之后，才能用于个人的 WiFi 网络上。目前针对 6GHz 频段的开放问题，大多数国家和地区其实都还在调研当中，而且并未达成共识，比如北美地区是倾向于将其作为非授权频段使用，可用于个人组建 Wi-Fi 网络，而中国则倾向作为授权频段，用于 5G 通讯网络的建设，这就意味着个人在 6GHz 频段的使用上会受到限制。

　　虽然 Wi-Fi 6/6E 的设备还在普及当中，但 Wi-Fi 7 的脚步却越来越近了，预计完整的标准版本要到 2024 年底才会正式公布。如果有留意新闻，会看到近期高通已发布 Wi-Fi 7 的相关解决方案。高通表示 2022 年下半年将向客户出样，商业移动终端会在 2022 年末出货。

Wi-Fi 7 对应的是 IEEE 802.11be EHT（Extremely High Throughput）标准，在 Wi-Fi 6E 的基础上引入了 320MHz 频宽、4096-QAM 调制、Multi-RU、多链路操作、增强 MU-MIMO、多 AP 协作（常说的 MESH 组网）等技术而来，这使得 Wi-Fi 7 相较于 Wi-Fi 6E 可以提供更高的数据传输速率和更低的延时。Wi-Fi 7 可以支持高达 30Gbps 的数据传输速率，相当于 Wi-Fi 6 的 3 倍，可以满足高码率 4K/8K 视频、VR/AR 应用、远程办公、视频会议以及云计算多种场景的使用（《》）。

　　由于 Wi-Fi 7 所依赖的 6GHz 频段目前使用存疑，所以实际使用上可能会受到限制，这也影响着目前市场上销售的 Wi-Fi 6E 产品。倘若世界各国睇地区对 6GHz 频段的使用不能达成共识，最终没有开放，那么 Wi-Fi 7 上所带来的提升就大打折扣了，甚至会影响未来 Wi-Fi 的技术发展和规范制定工作。