为什么你家 Wi-Fi 总是那么卡？到底是什么在影响 Wi-Fi 速度

近两年来，随着Wi-Fi 6以及Mesh组网技术的成熟和普及，高阶路由器的价格也逐渐亲民，从科技爱好者到普通家庭都使用了支持新一代Wi-Fi技术的无线路由器。特别是2022年，使用Wi-Fi 6E技术的路由器开始进入市场，自然会让很多消费者认为无线网络取代有线网络指日可待。

然而真的是这样吗，所谓的万兆无线路由器究竟可以跑出多少快的速度？这些问题看完本文你应该能有新的理解。

无线网络速度由什么决定

家用无线路由器是一个高度内建的一体机，整合了：

路由器与防火墙：提供三层功能，包括入网以及保护外界入侵。
交换机：多LAN口提供了二层也就是区域网站功能。
无线接入点：Access Point 简称 AP，也就是发射 Wi-Fi 信号，让无线设备接入网络的功能。

本文主要讨论家用无线路由器中的无线接入点功能，下文简称为AP。在聊实际速度之前，我们先需要理解一下决定 Wi-Fi 速率的各种因素。

Wi-Fi协议

Wi-Fi协议是最近被提及最多的，因为在Wi-Fi 5时代以及之前，协议名称均由IEEE的802.11协议规则标准命名，而非简单的数字代表代数。直到2018年Wi-Fi 6协议的推出，802.11n与802.11ac才被一起更名称Wi-Fi 4与Wi-Fi 5，所以大家的感知可能不强。

目前 Wi-Fi 通信协议的世代和其对应的 802.11 标准如下：

Wi-Fi 6：IEEE 802.11ax
Wi-Fi 5：IEEE 802.11ac
Wi-Fi 4：IEEE 802.11n

影响 Wi-Fi 速率的主要因素之一就是 AP 与终端之间采用的 Wi-Fi 协议。

两种协议的极限条件下，Wi-Fi 5的理论速率上限为 3466 Mbps，而 Wi-Fi 6 可以最高达到 9600 Mbps。
使用相同的终端和无线接入点，分别使用 Wi-Fi 5/6 协议连接，Wi-Fi 6 的理论速率相较于 Wi-Fi 5 提升约 38% 。

有关于 Wi-Fi 6 的详细科普可以阅读这篇文章。

频率

Wi-Fi 信号的传输依赖于一定频率的无线电波。目前Wi-Fi 6协议中支持三种频段的无线信号，而Wi-Fi 6E协议则多支持一种6GHz的高频无线电波：

2.4GHz：2.4GHz 频段在 IEEE 802.11a 中就得到了应用，由于频率较低，2.4GHz 可以获得不错的覆盖范围。值得注意的是2.4GHz仅有Wi-Fi 4和Wi-Fi 6协议支持。
5.2GHz/5.8GHz：这两个频段一般统称为 5GHz，也是目前最常用的高速 Wi-Fi 频率，相比 2.4GHz，5GHz 覆盖面积大幅度降低，但速度提升巨大且有更大的频率范围，干扰也更少。
6GHz：6GHz 是 Wi-Fi 6E 标准下新划分给 Wi-Fi 的频率，相比于 5GHz，Wi-Fi 6E 协议下的 6GHz 频段并没有速度提升，但是增加了大量的频段，减少了同频干扰，覆盖面积相较于 5GHz 略有下降。

频率越高，单位时间无线电波负载的信息量就越大，因此速度也就越快，相同带宽下5GHz的理论速率相较于2.4GHz约有一倍的提升。

带宽和 MIMO

2.4GHz和5GHz不仅在频率上会产生速度差异，所能使用的带宽宽度也有差异。

带宽（Bandwidth）指信号所占据的带带宽度。这里可以简单的把带宽想象成高速公路的车道数量，车道数量越多，单位时间可以行驶的流量也就越大。

2.4GHz仅支持20Mhz与40MHz的带宽，而在5GHz/6GHz下，则能额外支持更大的80Mhz和160Mhz（160Mhz仅有5.2 GHz支持）;带宽和理论速度呈线性增长，带宽越宽理论速率越大。

MIMO 理解起来相对复杂，但是可以简单的想象成成天线数量，Wi-Fi 技术中，每一条天线都可以负责一个链路的数据传输，当天线越多传输速率也就越快。和带宽一样，大家不妨把MIMO想像成立体的车道，天线数量的翻倍也会带来Wi-Fi速度吞吐量的翻倍。

正交振幅调制QAM

QAM技术在本文不做过多展开，在Wi-Fi 5到Wi-Fi 6协议的进步中，最大支持的协议从256-QAM提升到了1024-QAM，这一提升使得速度提升约为25%。

近期也有提前支持的 4k-QAM 的终端出现，相较于 1024-QAM 速度提升 20%。

总结

我们可以将Wi-Fi想象成城市道路——2.4GHz就是城市的主干道，干扰严重且在城市中心因此执行效率不高;5GHz则是城市的绕城高速，车辆较少且没有限速，因此数据可以跑的很快;带宽和MIMO则是一组立体多车道，两者直接增加了车流量。

我们把上面的参数集成一下，就可以得到一个无线接入点的无线速率公式了，

在 5GHz 下：

Wi-Fi 5 3×3 MIMO 80Mhz 256 QAM的无线接入点，最高支持1300 Mbps
Wi-Fi 6 4×4 MIMO 160Mhz 1024 QAM的无线接入点，最高支持4804 Mbps

如果你增加或者减少 MIMO 的数量或者带宽的宽度，最大速率也会呈比例降低：

Wi-Fi 5 Wave 2 2×2 MIMO 160Mhz 256 QAM，最高支持 1733 Mbps
Wi-Fi 6 4×4 MIMO 80Mhz 1024 QAM，最高支持 2402 Mbps

无线路由器的参数代表了什么

在解密无线网络的实际速率之前，我们需要先讲解一下无线路由器的各项参数究竟代表了什么。

首先我们以一款旗舰级无线路由器「小米 AX9000」为例：

商品名为：AX9000，其中：

AX：代表支持最高的Wi-Fi规格为IEEE 802.11ax也就是Wi-Fi 6协议。
9000：代表其硬件最高支持的聚合连接速率为 9000 Mbps，也就是 1125 MB/s 的传输速率。

而9000= 4804 + 2402 + 1196 + 576，相信这一串数字你并不陌生，在上文已经详细讲解了Wi-Fi 6协议能达到的各类速率，这边在详细解释一下：

4804Mbps：在5.2GHz下4×4 MIMO 160MHz 1024-QAM的规格下能够达到的理论速率
2402 Mbps：在 5.8GHz 下 4×4 MIMO 80MHz 1024-QAM 的规格下能够达到的理论速率
1196 Mbps：在 2.4GHz 下 4×4 MIMO 40MHz 1024-QAM 的规格下能够达到的理论速率
576 Mbps：AIoT 天线速率，不能被终端使用。

9000兆是由该路由器所有支持的频段中硬件支持的最高速率加和而成，命名方式也符合IEEE的规定，但是这并不代表该无线路由器可以跑出9000 Mbps的速率。

实际握手速率与终端支持

此外我们需要注意两点，一是高速Wi-Fi不仅需要AP支持，也需要终端设备支持。另一点则是Wi-Fi终端在同一时间只能在一个频段工作，因此我的设备在这台无线路由器上理论能达到的最高速率为选择在5.2GHz频段下使用160Mhz、使用4x4MIMO的终端，这样的硬件条件下Wi-Fi速率可以协商到4804Mbps的理论速率。

由于目前市面上还没有支持4x4MIMO的Wi-Fi 6终端出现，主流设备仍然是2x2MIMO，因此我们的速率会再打一个对折，如果使用诸如小米12 Pro这样的支持160MHz的移动终端，则可以达到2402Mbps。

终端设备诸如iPhone，在iPhone 11系列之后均支持Wi-Fi 6协议，只不过仅支持2×2 MIMO 80Mhz，因此使用iPhone 11以后的支持Wi-Fi 6的终端设备，仅能达到1201Mbps。

而诸如 MacBook Pro 16-inch 2019 这样仅支持 3×3 Wi-Fi 5 的老设备，仅能达到 Wi-Fi 5 的 1300Mbps。

以上速率均为终端和路由器之间的协商速率，或者也称为PHY速率或者握手速率，这一速率一定大于在现实环境中可以跑出的无线网络速率。

Wi-Fi 的一些其它「开销」

握手速率或者PHY速率我们可以理解成电动车的NEDC续航里程，根据实际环境的不同速率也会产生折扣。

由于 Wi-Fi 开销过于复杂，本文不做深入讨论，仅列举几种最为明显的开销类型：

TCP/IP 开销：在所有有线或无线网络中，TCP/IP 连接的开销约为 5%。这 5% 来自设置连接和解决正在交换的数据包和帧所需的所有数据。在标准帧尺寸下，有线 1Gbps 连接的 TCP 吞吐量约为940-950 Mbps。
信标帧：这是 AP 向客户端设备宣传网络的方式。为了确保范围内的所有设备都能理解它们，AP 以最低的数据速率发送管理流量，如信标帧。这扩大了广播的范围，降低了速度传输的速率，消耗了宝贵的广播时间。
半双工：基于OFDM的 Wi-Fi 是半双工的，这意味着一次只能传输一台设备，并且只能向一个方向传输。可以比喻，Wi-Fi 是一款对讲机，而不是电话，这意味着同一时间只能有一人说话。以太网络是全双工的，允许同时向双向传输。 Wi-Fi 是半双工并不意味着吞吐量被减半，但它确实意味着 Wi-Fi 设备不能进行多任务处理。下载大型文件时，客户端设备必须花许多短暂的保护间隔将 TCP 确认帧传输回其 AP，或允许其他人传输。 Wi-Fi 设备无法同时下载和上传数据，也无法在其终端传输中通讯。 MU-MIMO 和 OFDMA 技术部分地解决了这个问题。
干扰与重传：除了（大部分）是半双工外，Wi-Fi 还是一种共享媒体。当一台设备在通道上传输时，范围内的所有其他设备都必须等待轮到他们。如果多个设备同时传输，可能会发生碰撞，导致传输混乱。当碰撞发生时，设备需要随机等待一段时间才能重新传输。协调共享介质的使用和处理碰撞消耗了宝贵的广播时间，导致每个人的有效吞吐量较低。比如蓝牙就会和 2.4GHz Wi-Fi 互相干扰，USB 3.0 也会影响到 5GHz Wi-Fi 信号。
帧间的调制区别：当看到 1200Mbps 的连接速率时，并不意味着传输过程中每帧都以 1024-QAM 调制发送。连接速率更像平均速度限制。随着通道条件的变化或传输失败，单个帧可能会被发送到高于或低于当前连接速率值。

EIRP：无线信号发射能力

EIRP 是一种描述 AP 发射信号能力的参数：

等效全向异尘余生功率（英语：equivalent isotropically radiated power，EIRP），或叫有效全向异尘余生功率（英语：effective isotropically radiated power，EIRP），是无线电通信领域的一个常见概念，它指的是天线在某个指定方向上的异尘余生功率，理想状态下等于发射器的发射功率乘以天线的增益。

通常信号强度以对数单位dBm表示，因此EIRP = 发射功率+天线增益-损耗值