無線路由器的工作頻率（2.4G、5G）和速率（50M、100M、300M）之間有沒有聯(lián)系或換

時(shí)間：2023-11-10 02:30:01 | 來源：網(wǎng)站運(yùn)營

時(shí)間：2023-11-10 02:30:01 來源：網(wǎng)站運(yùn)營

無線路由器的工作頻率（2.4G、5G）和速率（50M、100M、300M）之間有沒有聯(lián)系或換算關(guān)系呢？：先說結(jié)論吧：有聯(lián)系，但不是換算關(guān)系。5GHz 比 2.4GHz 傳輸速率更高，并不是因?yàn)?5 > 2.4 ，而是 5GHz 頻段下，可用的頻帶范圍更寬廣。

為什么頻帶范圍越寬，傳輸速率越高？這個(gè)問題由香農(nóng)-哈特利定理 ( Shannon-Hartley theorem ) 來解釋。根據(jù)此定理，傳輸速率受「 頻寬、信號(hào)強(qiáng)度、噪聲強(qiáng)度 」三因素共同影響：

Data/,Rate=Spectral/,Bandwidth/times log_{2}(1+SNR)

上述這個(gè)公式，說明了通信頻帶寬度 ( spectral bandwidth，簡(jiǎn)稱頻寬，單位 Hz ) 和信噪比 ( signal-noise ratio，簡(jiǎn)稱 SNR ) 是如何決定數(shù)據(jù)傳輸速率 ( data rate ，單位 bps - bits per second ) 的。由此，在信噪比一定的情況下，提高頻寬，傳輸速率相應(yīng)增加。

為什么 5GHz 頻段的可用頻帶范圍更寬廣？無線電頻譜資源是受到管制的戰(zhàn)略性資源，基于 802.11 協(xié)議族的無線通信所能使用的頻帶范圍，取決于兩個(gè)因素：FCC ( Federal Communications Commission ，美國聯(lián)邦通訊委員會(huì) ) 的規(guī)定 ，以及各國政府所開放的頻率范圍 ( 在這里"開放"特指無需牌照即可使用 ) ，二者取小。

首先來看 FCC 的規(guī)定。FCC 允許 802.11 協(xié)議族使用 ISM 和 U-NII 頻段。其中，對(duì)于普通民用 ( 業(yè)余 ) ，在 2.4GHz 附近使用 ISM ，在 5GHz 使用 U-NII 。

• ISM ( Industrial Scientific Medical )

基于 ISM ，802.11 協(xié)議族在 2.4GHz ( 2400~2500MHz ) 頻段處定義了 14 個(gè)頻道 ( 也稱為信道 ) ，每個(gè)頻道的寬度大約為 20MHz 。其中，頻道 1 的頻率范圍是 2401~2423MHz ，中心頻率為 2412MHz ；頻道 2 的頻率范圍是 2406~2428MHz ，中心頻率為 2417MHz ；頻道 3 的頻率范圍是 2411~2433MHz ，中心頻率為 2422MHz ，以此類推。

802.11n 協(xié)議允許使用 40MHz 的頻寬，以提高傳輸速率 ( 相比 20MHz ) ，具體做法是在原來頻道的基礎(chǔ)上，向上 ( 40MHz above ) 或向下 ( 40MHz below ) 增加一個(gè)擴(kuò)展頻道，將兩個(gè)頻道的頻率范圍合并為 40MHz 。但很顯然，2400~2500MHz 總共不過 100MHz 的寬度，當(dāng)同時(shí)存在多個(gè)占用 40MHz 頻寬的通信時(shí)，相互之間的重疊和干擾會(huì)比較嚴(yán)重。

• U-NII ( Unlicensed National Information Infrastructure )

基于 U-NII 所劃分的 4 個(gè)頻段范圍，包括 U-NII-1 、U-NII-2A 、U-NII-2e 和 UNII-3 ，802.11 協(xié)議族在 5GHz 頻段共定義了 24 個(gè)頻道 ( 也有 23 個(gè)頻道的說法，這里使用維基百科的數(shù)據(jù) ) ，頻寬均為 40MHz ：

• U-NII-1 ：頻率從 5150MHz 到 5250MHz ，包括 4 個(gè)頻道：36 、40 、44 、48 ；
• U-NII-2A ：頻率從 5250MHz 到 5350MHz ，包括 4 個(gè)頻道：52 、56 、60 、64 ；
• U-NII-2e ：頻率從 5470MHz 到 5725MHz ，包括 11 個(gè)頻道：100 、104 、108 、112 、116 、120 、124 、128 、132 、136 、140 ；
• U-NII-3 ：頻率從 5725MHz 到 5850MHz ，包括 5 個(gè)頻道：149 、153 、157 、161 、165

比較 2.4GHz 和 5GHz 的頻道資源即可得知，5GHz 頻段的可用頻帶范圍要寬廣得多。因此，工作在 5GHz 頻段下的 802.11ac 協(xié)議，允許使用 80MHz 甚至 160MHz 的頻寬，以進(jìn)一步提高傳輸速率。此外，由于 5GHz 頻段的可用頻率范圍不是連續(xù)的，802.11ac 還定義了 80+80MHz 的跨區(qū)域頻寬組合方式，等效于 160MHz 。

當(dāng)然，以上只是 FCC 和 802.11 協(xié)議族的定義，實(shí)際有哪些頻道可用，還受到國家規(guī)定的限制。

下面來看國家規(guī)定。根據(jù)《中華人民共和國工業(yè)和信息化部令 ( 2018 年 第 46 號(hào) ) 》所頒布的最新版《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》( 2018 年 7 月 1 日起施行 ) ：

在 2.4GHz 附近，標(biāo)記為 [業(yè)余] 的頻率范圍，也就是開放使用的頻率范圍，大致是 2300~2450MHz 和 2450~2483.5MHz ，基本涵蓋 802.11 族在 2.4GHz 頻段所使用的頻道 1~13 ( 中心頻率從 2412MHz 到 2484MHz ) 。

而在 5GHz 附近，標(biāo)記為 [業(yè)余] 的頻率范圍，主要是 5650~5725MHz 、5725~5830MHz 、5830~5850MHz ，大致是 802.11 族在 5.8GHz 頻段所使用的頻道 149~165 ( 中心頻率從 5745MHz 到 5825MHz ) ，以及在 5.6GHz 頻段所使用的頻道 132~140 ( 中心頻率從 5660MHz 到 5700MHz ) 。另外，需要指出的是，我國是在 2016 年左右開放了頻道 132~140 所使用的頻譜資源，目前上市的國行產(chǎn)品大多還是沿用舊規(guī)定，即：在不解鎖的前提下，仍然只支持頻道 149~165 。

綜上，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定，我國 5GHz 頻段的可用頻帶范圍，差不多是 ISM 2.4GHz 可用頻帶范圍的兩倍。

基于 802.11ac wave-2 協(xié)議 ( 工作在 5GHz 頻段 ) ，通過使用其所支持的 160MHz 頻寬 ( 80+80MHz ) ，可以做到 2 倍于 80MHz 頻寬的傳輸速率 ( 1733.333Mbps / 866.667Mbps = 2 ) ；相比而言，即使不考慮干擾，2.4GHz 頻段總共也只有 84MHz 或 100MHz 可用，實(shí)際更是只定義了 40MHz 的擴(kuò)展頻道，而 80MHz 頻寬又可以做到 2.17 倍于 40MHz 頻寬的傳輸速率 ( 866.667Mbps / 400Mbps = 2.17 ) 。

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問題到此已經(jīng)回答完了。但是，題主可能會(huì)追問：為什么上一段的計(jì)算結(jié)果是 2 和 2.17，并不都是 2 ？感興趣的話，繼續(xù)往下看吧：

如何計(jì)算 802.11 協(xié)議族的理論傳輸速率？為了計(jì)算理論傳輸速率，先介紹以下概念：

• 頻寬 ( spectral bandwidth ) 和 頻分復(fù)用 ( frequency division multiplexing )

頻寬前面已經(jīng)講過了。當(dāng)頻寬一定，通過使用頻分復(fù)用技術(shù) ( 如 DSSS / OFDM / OFDMA ) ，可以進(jìn)一步提高傳輸速率。具體而言，頻寬和頻分復(fù)用技術(shù)，影響的主要是子載波數(shù) ( number of subcarriers ) ，子載波數(shù)又進(jìn)一步?jīng)Q定了數(shù)據(jù)子載波數(shù) ( number of data subcarriers ) ，相當(dāng)于被實(shí)際用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)量。

• 子載波間距 ( subcarrier spacing )

單位千赫茲 ( KHz ) ，決定了頻率周期，和 符號(hào)時(shí)間 ( T_{IFFT} ) 是倒數(shù)關(guān)系，即：

T_{IFFT}=1/f=1/(Subcarrier/,Spacing)

802.11a/g/n/ac 的子載波間距為 312.5KHz ，802.11ax 為 78.125KHz 。計(jì)算出的 T_{IFFT} 代表的是經(jīng)過了逆向快速傅里葉變換 ( Inverse FFT ) 的有效符號(hào)時(shí)間，如圖：

• ( 時(shí)間 ) 保護(hù)間隔 ( time guard interval )

保護(hù)間隔也稱 GI ，是兩次傳輸之間用于保護(hù)頻帶 ( guard band ) 的時(shí)間，用符號(hào) T_{GI} 來表示。

802.11a/g 協(xié)議的 T_{GI} 為 0.8/mu s ；

802.11n/ac 協(xié)議所定義的 T_{GI} 有 0.4/mu s 和 0.8/mu s 兩種，前者稱為短保護(hù)間隔 ( Short GI ) ，后者稱為長保護(hù)間隔 ( Long GI ) ；

802.11ax 協(xié)議所定義的 T_{GI} 有 0.8/mu s 、 1.6/mu s 和 3.2/mu s 三種。

T_{GI} 與 T_{IFFT} 合并得到拓展符號(hào)時(shí)間 T_{S} ( extended symbol time ) ，相當(dāng)于總的符號(hào)時(shí)間。

• 符號(hào)率 ( symbol rate )

符號(hào)率反映了每秒發(fā)送的符號(hào)數(shù)，符號(hào)率在數(shù)值上等于子載波間距，但單位不同 ( 子載波間距用 KHz ，符號(hào)率用 symbols per second ) 。

進(jìn)一步地，由于 /frac{T_{IFFT}}{T_{S}}/in(0,1) 表示有效符號(hào)時(shí)間占拓展符號(hào)時(shí)間的比例，那么 Symbol/,Rate/times/frac{T_{IFFT}}{T_{S}} 就代表每秒所傳輸?shù)挠行Х?hào)數(shù)。

• 空間流 ( spatial streams )

從 802.11n 協(xié)議開始，允許同時(shí)使用多個(gè)空間流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ( MIMO ) ，而不是 802.11a/g 只支持的單空間流 ( SISO ) ，MIMO 與 SISO 的傳輸速率呈現(xiàn)線性比例關(guān)系，取決于空間流的數(shù)量。

• 通帶調(diào)制 ( passband modulation )

通帶調(diào)制技術(shù)也稱帶通調(diào)制或載波調(diào)制技術(shù)。當(dāng)前 802.11 協(xié)議族所使用的通帶調(diào)制技術(shù)包括 BPSK 、QPSK 、16-QAM 、64-QAM 、256-QAM 、1024-QAM 等，今后會(huì)進(jìn)一步使用 4096-QAM 、16384-QAM 、…… 在這里，m-QAM 的 m 指的是調(diào)制階數(shù) ( modulation order ) ，它和每符號(hào)數(shù)據(jù)比特率 ( bits per symbol ，或者稱為編碼位數(shù) ) 是對(duì)數(shù)關(guān)系，即：

Bits/,Per/,Symbol=log_{2}(Modulation/,Order)

例：64-QAM 指的是每符號(hào)含有 6 位數(shù)據(jù)比特 ( 6 bits per symbol ) ，256-QAM 指 8 bits per symbol ，以此類推。另外 BPSK 和 QPSK 分別指 1 bit per symbol 和 2 bits per symbol 。

• 調(diào)制技術(shù)的編碼率 ( coding rate ) ，以及其與傳輸容錯(cuò)率的關(guān)系

編碼率決定了有效編碼位數(shù)的比例，如 1/2 、3/4 、5/6 等。例如 5/6 表示每 5 位編碼使用 1 位冗余碼。當(dāng)調(diào)制階數(shù)越低、冗余位越多，傳輸?shù)娜蒎e(cuò)率越高，越能夠應(yīng)對(duì)信號(hào)質(zhì)量較差的情形 ( 讓接收方能夠正確地解調(diào) ) ；相反，調(diào)制階數(shù)越高、冗余位數(shù)越少，容錯(cuò)率越低，但傳輸速率更高。

• 調(diào)制與編碼策略索引 ( Modulation and Coding Scheme Index )

為使通信雙方可以根據(jù)當(dāng)前信噪比，動(dòng)態(tài)使用最優(yōu)的調(diào)制技術(shù)和編碼率，以平衡傳輸速率和容錯(cuò)率，802.11 協(xié)議族預(yù)先定義了 MCS Index ，內(nèi)容參考這個(gè)鏈接：

基于以上一堆參數(shù)，可以給出 802.11 協(xié)議族下 WLAN 理論傳輸速率的計(jì)算公式：

Data/,Rate=Bits/,Per/,Symbol/times Coding/,Rate/times Number/,of/,Data/,Subcarriers/times Symbol/,Rate/times/frac{T_{IFFT}}{T_{S}} /times Spatial/,Streams 最后，作為示例，計(jì)算一些常見的情形，從遠(yuǎn)古時(shí)期的 802.11g 一路到未來的 802.11ax ：

• 802.11g 協(xié)議，64-QAM 調(diào)制，3/4 編碼率，20MHz 頻寬 ( OFDM ，48 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，1 空間流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(6bits / symbol / subcarrier)/times /frac{3}{4}/times 48subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.8/mu s}} /times 1=54Mbps

經(jīng)典的 802.11g 54Mbps ，還有印象嗎？

• 802.11n 協(xié)議，64-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，20MHz 頻寬 ( OFDM ，52 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，1 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(6bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 52subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 1/approx72.222Mbps

是不是經(jīng)常被 802.11n 的 72Mbps 弄得很惱火？明明買的是 300Mbps 路由器。事實(shí)上，這正是通信雙方僅僅使用了 20MHz 頻寬，且未開啟 MIMO 的原因 ( 從驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡硬件規(guī)格、兼容性等方面排查 ) 。

• 802.11n 協(xié)議，64-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，40MHz 頻寬 ( OFDM ，108 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，2 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(6bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 108subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 2=300Mbps

使用 40MHz 頻寬，并且開啟 MIMO ，我們得到了正常的 300Mbps 。

• 802.11n 協(xié)議，256-QAM 調(diào)制 ( 也稱作 Turbo-QAM ) ，5/6 編碼率，40MHz 頻寬 ( OFDM ，108 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，3 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 108subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 3=600Mbps

部分高端路由器會(huì)支持 Turbo-QAM ，也就是借助更高階的調(diào)制 ( 超出 MCS Index 的定義 ) ，( 8bits - 6bits ) / 6bits = 0.333 ，來獲取約 33.3% 的傳輸速率提升。Turbo-QAM 需要通信雙方都支持才可以啟用。

• 802.11ac 協(xié)議，256-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，40MHz 頻寬 ( OFDM ，108 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，2 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 108subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 2=400Mbps

如果 802.11ac 被迫工作在 40MHz 頻寬下，性能會(huì)極大地被限制 ( 香農(nóng)-哈特利定理再次應(yīng)驗(yàn) ) 。

• 802.11ac 協(xié)議，256-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，80MHz 頻寬 ( OFDM ，234 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，2 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 234subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 2/approx866.667Mbps

常見的 802.11ac 866.667Mbps 。如果用 866.667Mbps / 400Mbps ，就得到了上面的 2.17 。

• 802.11ac 協(xié)議，256-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，80MHz 頻寬 ( OFDM ，234 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，4 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 234subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 4/approx1,733.333Mbps

• 802.11ac 協(xié)議，256-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，160MHz 頻寬 ( OFDM ，234+234 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，4 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (234+234)subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 4/approx3,466.667Mbps

這是 802.11ac wave-2 產(chǎn)品在 256-QAM 和 4*MIMO 下的極限速率。類似地，通過引入 1024-QAM ，( 10bits - 8bits ) / 8bits = 0.25 ，也可以獲得 25% 的提升。這種類似于 Turbo-QAM 的高階調(diào)制模式，被相應(yīng)稱為 Nitro-QAM 。

• 802.11ac 協(xié)議，256-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，160MHz 頻寬 ( OFDM ，234+234 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，8 空間流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (234+234)subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 8/approx6,933.333Mbps

• 802.11ax 協(xié)議，1024-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，80MHz 頻寬 ( OFDMA ，980 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，2 空間流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 980subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 2/approx1,200.980Mbps

• 802.11ax 協(xié)議，1024-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，160MHz 頻寬 ( OFDMA ，980+980 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，2 空間流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (980+980)subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 2/approx2,401.961Mbps

• 802.11ax 協(xié)議，1024-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，160MHz 頻寬 ( OFDMA ，980+980 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，4 空間流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (980+980)subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 4/approx4,803.922Mbps

• 802.11ax 協(xié)議，1024-QAM 調(diào)制，5/6 編碼率，160MHz 頻寬 ( OFDMA ，980+980 條數(shù)據(jù)子載波數(shù) ) ，8 空間流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (980+980)subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 8/approx9,607.843Mbps

最后，我們得到了未來 802.11ax 協(xié)議的理論傳輸速率 9,607.843Mbps ( 基于當(dāng)前的 802.11ax 草案 ) ，與 2.4GHz 頻段加在一起，大概接近 11,000Mbps ，這也是華碩 GT-AX11000 路由器所宣稱的"萬兆無線"的由來。