WLAN协商速率的计算方法

 文/谭鑫磊

 ——网络老爬虫（无线新技术专题）

前言

802.11a/g的 54Mbps ，802.11n的300Mbps、 450Mbps，还有802.11ac的1300Mbps，相信大家对802.11协议族中几个关于协商速率的数字非常熟悉，然而笔者确信，很多读者肯定知其然而不知其所以然。

本文的主要内容，就是带领大家一起探讨一下WLAN协商速率的计算方法。掌握了这项技能，你就能立刻在众人心中树立起无线专家的形象。

基本概念

我们在研究协商速率之前有必要回顾几个非常重要的概念：

WLAN协商速率计算的核心公式

关于速度的计算方法，我们在小时候就学过一个公式：速度等于路程除以时间。后来我们知道物理学中的速度是矢量，通过这个公式计算出来的值其实是速率。

而AP的协商速率也是一种速率，自然而然地，我们也能推导出一个类似的公式：

协商速率=一次调制传输的数据量/传输时间

有了这个公式，我们就能计算出WLAN的协商速率。现在的问题是，要如何获得公式中的这两个参数值。

在回答这个问题前，我们先来了解几个相关的重要概念。

WLAN与无线电技术

WLAN是一种无线电技术，手机通话、蓝牙传输、以及WIFI通讯，本质都是一样的：数据遵循一定的协议，采用不同的封装和调制方式，转变成无线电波以特定的编解码方式进行传送和接收。

OFDM的介绍

从802.11a时代开始，WLAN就已经支持OFDM，这是一种高利用效率的调制技术。

OFDM的全称是Orthogonal（正交）Frequency（频率）Division（分割）Multiplexing（复用），即正交频分复用技术。

说到OFDM我们有必要先了解一下FDM是什么，简单来说，就是把一段固定频段的信道，分成许多子信道，子信道之间预留一定的间隔，防止相互干扰。 在每个子信道上使用一个子载波进行调制。而OFDM的核心是在频域内将给定信道分成许多相互正交的子信道。

注意，正交是在数学中的正交。正交的好处在于：即使子信道之间频谱相互重叠，也不会互相干扰，因此，在相同的频宽下，OFDM 比普通的FDM调制方式可有更多的子信道，因而可以提供更多的带宽。

这种并行传输的方式提高了频谱利用率，成为了日后一种主流的WLAN调制技术。

图1 FDM与OFDM

802.11a/g 中作业频道的频宽最高为20MHz，802.11n最高为40MHz，802.11ac最高为160MHz。作业频道使用多少频宽，纯粹是设计上的决定。

在802.11a协议中，OFDM物理层将频谱区分为作业频道，每个频宽20MHz 的频道由52个子载波所组成。其中有4 个子载波充当导频载波（Pilot Carrier），用以监控路径偏移与ICI，其余48 个子载波则是用来传递数据。子载波之间彼此相距0.3125MHz 频道编号从-26 至26。

图2 OFDM频道结构

QAM的介绍

OFDM将固定宽度的信道分成若干子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制 ，那么在每个子信道上，采用什么技术调制数据呢？其中有一种叫做QAM。QAM的全称是Quadrature（正交）Amplitude（振幅）Modulation（调制），即正交调幅。

QAM 是在单一载波上编码数据，该载波最终的体现是电磁波的振幅和相位。

越高等级的QAM所承载的数据量就越高，其原因是系统可以识别更精细的振幅和相位，比如说BPSK 能识别两种方式的振幅和相位的排列组合，QPSK能识别4种，16QAM能识别16种即2的4次幂，可以对应2进制的4bit编码位。再比如说802.11a的64QAM，相位调幅的排列组合有64种， 即2的6次幂，可以对应2进制的6bit编码位。

不过有一点需要注意：更高等级的调制，要求更高的信噪比，即接收端需要更清晰的信号来识别更精细的调制。如果信号不好，就需要降低调制水平。

图3 BPSK、QPSK与QAM

Symbol的介绍

通过前面说过的OFDM和子信道的QAM，802.11协议最终把在每个子信道调制出的数据一起传递出去，而一次传递出的数据就叫做一个Symbol，也称一个符号。

Symbol Time的介绍

传递一个符号所需要的时间，通常称为符号时间。

协议的设计者在设计协议的时候，认为办公大楼通常的迟延范围（Delay Spread）为40至70ns，不过在某些环境里，迟延范围可能高达200 ns。防护时间应该为平均迟延时间的2-4倍，因此，设计人员选用800ns做为防护时间。而整个符号，应该为5倍的防护时间，那么一个符号时间被设置成4000ns。

图4 Symbol Time

Coding Rate的介绍

Coding Rate即编码率，简写为R，按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接收端能够恢复原始信息。

编码率的大小可以理解为：编码位元到数据位元的转化率。R=1/2 的编码率代表每两个编码位元传递一个数据位元，其中一个位元是冗余位元；3/4 的编码率，即每4个编码位元可以代表3个数据位元，有1个是冗余位元。同样，编码率的提升，意味着纠错能力的降低，此时接收端需要更清晰的信号。

我们在平时也会发现接收端信号差的时候就会降速，原因就是其降低了编码率以及调制方式。

Spatial Streams的介绍

Spatial Streams即空间流数，指的是一个系统采用几条天线进行无线信号的收发。在802.11体系中，802.11a/g还没有这个概念，空间流是从802.11n时代开始引入的技术。为了后面公式讲解的统一，我们在802.11a/g协商速率的计算中也加入这个概念。

图5 Spatial Streams

WLAN协商速率计算公式的推导

有了前面的公式和相关的概念，我们可以进行进一步的推导，即把相关概念代入公式中：

首先第一步，协商速率=一次调制传输的数据量/传输时间，

而一次调制传输的数据量是一个符号携带的数据bit数，

一个符号携带的数据bit数是一个符号携带的编码bit数 x编码率（R），

一个符号携带的编码bit数是子载波数x每子载波编码bit数x空间流数。

再看时间，在这个算式中传输时间即为一个符号的传输时间，即符号时间。

最后我们得出这样一个公式：

协商速率= 子载波数x每子载波编码bit数x空间流数x编码率/符号时间

可以说，这个公式是本文的最核心内容。

图6 协商速率计算公式的推导

802.11a/g协商速率的计算

有了前面的推导和铺垫，我们先看一下11a/g的协商速率的计算，下面这张图是802.11a在一定速率时的相关参数，比如说协商速率是54Mbps时，采用64QAM，3/4编码率，每个符号216bit：

表1 调制方式、编码率与协商速率的关系

那么54Mbps具体是怎么算出来的呢？我们一起来看一下：

OFDM的物理层每20MHz频宽有52个有效子载波。

其中48个数据子载波和4个导频子载波

每个子载波6bit

编码率3/4

符号时间是4us

把这些数据代入公式：

协商速率

=子载波数x每子载波编码bit数x （空间流数）x编码率/符号时间

=（48*6*3/4）/4

=216bit/4us

=54bit/us

=54Kbit/ms

=54Mbit/s

802.11n协商速率的计算

说完了802.11a的协商速率，下面我们来看一下802.11n协商速率的计算。

802.11n协商速率的方法和802.11a原理相同。不过到了802.11n时代，802.11n协议里引入了一些新的概念和技术，对于提高WLAN的协商速率起到了关键作用。在后面的讲解中，我们分别讲解这些技术对于速率提升的原理。

MIMO-OFDM对协商速率的提升原理及其计算公式

MIMO-OFDM是MIMO和OFDM相结合的技术。由于MIMO-OFDM调制技术的进步，使得相同频宽条件下支持更多的子载波（支持56个，而我们前面说道的802.11a支持52个），可以实现20MHz下，单个流速率的提升。

图7   MIMO-OFDM对协商速率的提升

MIMO-OFDM支持了更高的编码率，由802.11a时代的最大3/4，提升到了5/6，使得速率进一步提升。

图8   编码率提升对协商速率的提升

下面我们看一下在MIMO-OFDM调制方式下 802.11n协商速率是怎么提升的：

20MHz情况下：

802.11n采用MIMO-OFDM 的方式将信道调制成56个有效子载波

其中52个数据载波 4个导频子载波

每个子载波6bit

编码率5/6

符号时间是4us

把这些数据代入公式：

协商速率

=子载波数x每子载波编码bit数x 空间流数x编码率/符号时间

=（52*6*1*5/6）/4

=260bit/4us

=65bit/us

=65Mbit/s

Short-GI对协商速率的提升原理及其计算公式

前面我们说过，802.11a/g标准要求在发送信息符号时，必须要保证在信息符号之间存在800ns的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval (GI防护时间)。802.11n仍然使用缺省使用800ns的GI。当多径效应的影响不是很严重时，可以将该间隔配置为400ns，从而把符号时由4us缩小到3.6us

图9  Short-GI对符号时间的减少

关于多径效应和保护间隔之间的关系，为方便读者的理解，给大家举一个例子。

我们可以脑补一下电视剧里的情景，比如说在两个相隔很远的山头站着两个人，他们之间通过喊话沟通。两个人互相喊话的时候会产生大量的回声。

回声是怎么产生的呢？我们知道，声音可以通过不同的方向和路径到达另一端。因为距离足够远，声音通过不同的路径到达接收者那一端所用的时间是不同的，于是产生了回声。回声就是多径效应的一种体现。

我们回到脑海中电视剧里的画面，在回声大，也就是多径效应严重的时候，山两边的人喊话会很慢，基本上是一字一断。断句的原因在于留出足够的时间让每一个字，即使通过不同的方向和路径达到产生回声，对方也能听清。每个字之间的间隔就叫做保护间隔。缩短保护间隔，减少字与字之间的间隔，可以加快语速，传递更多的信息，面对面说话就可以说得很快。增加保护间隔，比如说隔着山说话的例子，需要增大保护间隔，保证每个字对方都能听清。

可见，在不同的说话场景需要不同断字时间，也就是需要不同的保护间隔。     

如果保护间隔过短，在这个例子中语速过快，就会令对方听不清自己说的话，甚至会产生误解，这就产生了数据的失真。

对于说话来说，回声严重，词之间的间隔长一些；回声不严重，词之间的间隔小一些；对于无线报文的传输来说，多径效应严重，保护间隔长一些，多径效应不严重，保护间隔小一些，也就是说可以开启Short-GI。

设备开启Short-GI后，每个载波的传输时间由4us变成3.6us，代入前面的公式：

协商速率

=子载波数x每子载波编码bit数x 空间流数x编码率/符号时间

=52*6*1*5/6 /3.6us

=260bit/3.6us

=72.2bit/s

=72.2Mbit/s

Spatial Multiplexing对协商速率的提升原理及其计算公式

基于MIMO技术， 实现了在多条路径上并发地通信，这称为Spatial Multiplexing，即空间复用技术，简单理解就是多条并发空间流同时传输数据。

一般来说，支持多少并发流，就可以提高多少倍的吞吐。

802.11n协议规定，其最大支持空间流的数量是4。在WLAN系统中，空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3,而接收天线数量为2，则支持空间流的数量为2，一般用“发射天线数量×接收天线数量”表示，例如3X2。

 图10   Spatial Multiplexing对协商速率的提升

我们接下来看一下多条流对于协商速率的影响。

这个计算很简单，多条流和单条流在协商速率的差别是空间流的倍数。

在下面的公式中，2条空间流的协商速率在不开启和开启Short-GI情况下的速度分别是130Mbps和144.4Mbps，是单条流相同情况下65Mbps和72.2Mbps的2倍。

协商速率（双流，不开Short-GI）

=子载波数x每子载波编码bit数x空间流数 x编码率/符号时间

= 52*6*2*5/6 /4us

= 130bit/us

= 130Mbit/s

协商速率（双流，开启Short-GI）

=子载波数x每子载波编码bit数x空间流数 x编码率/符号时间

= 52*6*2*5/6 /3.6us

= 144bit/us

= 144Mbit/s

Channel Bonding对协商速率的提升原理及其计算公式

在802.11n时代以前，802.11a/b/g使用20MHz的频带宽度进行通讯。802.11n支持将两个20MHz的频带捆绑为一个通讯频带（称为Channel Bonding）, 可以将吞吐提高一倍。准确地讲，应该是不止一倍。对于802.11a/b/g，为了防止相邻信道干扰，20MHz带宽的信道在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而在802.11n采用40MHz频宽时，这些预留的带宽也可以用来通讯，从而进一步提高了吞吐。这样的话，子载波 carriers可以达到108个，大于52X2个。

图11  Channel Bounding对协商速率的提升

比如说我们常说的300Mbps，他的前提条件除了40MHz频宽，还需要2条流，开启Short-GI。其余的几个数据道理相同，也是根据前面几个参数得出的.

802.11n速率(一条空间流,不开启Short-GI，40MHz)

=(108*6*1*5/6）/4us

=540bit/4us

=135bit/us

=135Mbit/s

802.11n速率(一条空间流,开启Short-GI，40MHz)

=(108*6*1*5/6)/3.6us

=540/3.6us

=150bit/us

=150Mbit/s

802.11n速率(两条空间流,不开启Short-GI，40MHz)

=(108*6*2*5/6)/4us

=1080bit/4us

=150bit/us

=270Mbit/s

802.11n速率(两条空间流,开启Short-GI，40MHz)

=(108*6*2*5/6)/3.6us

=1080bit/3.6us

=300bit/us

=300Mbit/s

关于常见802.11n设备协商速率的个人理解

802.11n的协商速率还能更高吗？当然能，协议规定802.11n最大支持4条空间流最高能到600Mbps，但目前业界常见的802.11n的设备只有3条流的450Mbps的设备，这是为什么？802.11n的最大空间流的确是4，不过技术发展到3条流的时候，大约是2012年，此时，802.11ac技术就已经出现。在这以后，只有少数厂家做出了4条流的802.11n设备。而更多的厂家，则把精力投入到802.11ac的技术和设备的研发中去了。

802.11ac协商速率的计算

对于802.11ac来说， 其更高的协商速率来源于刚才对于802.11n几种技术的延伸:信道更宽，调制更高，空间流更多。

图12   802.11ac对比802.11n性能提升的各个维度

频宽的提升

频宽由40MHz升级80MHz乃至160MHz，其子载波由802.11n的108个变成了234个和468个。

图13   802.11ac子载波数的提升

调制方式的提升

调制方式由802.11n的64QAM升级为802.11ac的256QAM，其每个子载波携带的bit数由原来的6变成了8。

图14   11AC调试方式的提升

空间流数的提升

空间流由原来802.11n的最大4变成了802.11ac的最大8。

802.11ac设备协商速率的计算方法

1条流802.11ac设备协商速率的计算方法

根据前面的介绍 ，我们来看一下常见的一条流802.11ac终端协商速率是怎么得来的：

80MHz频宽支持250个有效子载波，其中234个数据子载波

每个子载波携带8bit

编码率5/6

开启Short-GI，符号时间为3.6us

把这些参数代入公式：

协商速率

=子载波数x每子载波编码bit数x 空间流数x编码率/符号时间

=（234*8*1*5/6）/3.6

=1560bit/3.6us

=433.33bit/us

=433.33Mbit/s

2条流及3条流802.11ac设备协商速率的计算方法

对于2条流和3条流设备来说，其协商速率就是1条流设备的协商速率乘以2和3，

得出866Mbps和1300Mbps。

802.11ac速率(MCS=9,开启Short-GI，80MHz,2条流)

=(234*8*2*5/6)/3.6us

=3120bit/3.6us

=866.67bit/us

=866.67Mbit/s

802.11ac速率(MCS=9,开启Short-GI，80MHz,3条流)

=(234*8*3*5/6)/3.6us

=4680bit/3.6us

=1300bit/us

=1300Mbit/s

802.11ac设备最高协商速率的计算方法

最后我们看一下802.11ac协议最大理论协商速率是怎么得来的：

802.11ac最大支持160MHz频宽，可调制出468个数据子载波，

每个子载波8bit，

8条空间流，

编码率5/6，

开启Short-GI，符号时间为3.6us

将以上参数代入公式，我们得出：

协商速率

=子载波数x每子载波编码bit数x 空间流数x编码率/符号时间

=（468*8*8*5/6）/3.6

=24960bit/3.6us

=6933.33bit/us

=6933Mbit/s

=6.9Gbit/s

附录

在802.11n时代以后，由于物理速率依赖于调制方法、编码率、空间流数量、是否40MHz绑定等多个因素，于是提出了MCS（Modulation and Coding Scheme）的概念，MCS可以理解为这些速率影响因素的完整组合，且每种组合用整数来进行唯一标示，数越大代表速率越高。802.11n以及802.11ac的协商速率具体可以参考文末的图表。