WiFi不同制式下最大速率的计算

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Dec 25, 2024
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本文整理出来各种wifi制式下能够支持的速率列表，以及这些理论速率是如何计算出来的。
以下对各种OFDM调制模式下的WiFi标准能够支持的最大通信速率理论值进行计算和整理。

WiFi速率的计算公式

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  • T(DFT)是OFDM子载波调制的一个symbol的时长。T(GI)是连续Symbol之间增加的保护间隔，用于保护连续symbol之间造成相互干扰。因此T(DFT)+T(GI)是各个子载波上所实际发送的symbol的周期。
  • N(SS)是空间波数据，简单地说就是通信中能够支持同时用几根天线发送不同的数据。与MIMO的支持有关。
  • N(SD, U)是指OFDM调制的子载波数量，仅包含用于进行数据传输的子载波数量，不包含各种信道保护子载波。与各个不同wifi制式定义的子载波间隔以及能够支持的信道频宽（20/40/80/160MHz）有关。
  • N(BPSCS, U)是指每个symbol能够传输的位数，例如QAM16一个symbol可传输4bit数据，QAM256一个symbol可以传输8bit数据。
  • R是指编码率，也就是通过信道发出的有效数据和实际数据（其中还包含了一些纠错码等）的比例。例如编码率3/4表示每发送4bit数据，其中有3bit是实际的有效数据，1bit是纠错数据。

802.11a/g

802.11g采用OFDM。在802.11g模式下只支持2.4GHz的20MHz频宽的信道，其OFDM共包含52个子载波信道，其中48个被用于进行数据传输。
802.11g制式下T(DFT)也就是symbol长度是3.2us，symbol保护间隔T(GI)是0.8us。
802.11g能够支持的速率类型包括：
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那么以802.11g最高的QAM64调制模式为例来进行计算，每个symbol能够包含的数据位数是6bit，编码率是3/4，天线数量1根，其能够支持的最高速率就是(48个子载波 * 6bit * 3/4 * 1根天线)/(3.2us+0.8us)=54Mbps.

802.11n

802.11n采用OFDM，开始支持MIMO，最高可以支持4T4R（4个空间流），即可以支持4根天线向外发出数据。
除了默认的一个信道20MHz频宽以外，802.11n也开始支持40MHz的频宽，并且在20MHz和40MHz频宽的情况下均可支持0.8us和0.4us保护间隔。
  • 20MHz频宽下，子载波数量由之前的52个提升到56个，其中52个子载波信道可用于传输数据。
  • 40MHz频宽下，共包含114个子载波信道，其中108个子载波信道可用于传输数据。
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在单根天线（1x1单空间流）的情况下，采用MCS7，调制模式采用QAM64，每个OFDM Symbol可以携带6bit数据，传输编码率为5/6：
  • 20MHz频宽+保护间隔为0.8us的最大速率：（52个子载波*6bit*5/6*1根天线）/(3.2us+0.8us)=65Mbps
  • 20MHz频宽+保护间隔为0.4us的最大速率：（52个子载波*6bit*5/6*1根天线）/(3.2us+0.4us)=72.2Mbps
  • 40MHz频宽+保护间隔为0.8us的最大速率：（108个子载波*6bit*5/6*1根天线）/(3.2us+0.8us)=135Mbps
  • 40MHz频宽+保护间隔为0.4us的最大速率：（108个子载波*6bit*5/6*1根天线）/(3.2us+0.4us)=150Mbps
因此单条流的情况下，802.11n最高可以达到的数据传输速率是150Mbps。
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以802.11n所能支持最大的4T4R（即MCS31）情况下，调制模式为QAM64，一个OFDM Symbol可传输6bit数据，传输编码率为5/6，
  • 40MHz频宽+保护间隔为0.4us可达到的最大速率：（108个子载波*6bit*5/6*4根天线）/(3.2us+0.4us)=600Mbps.
因此在802.11n所能支持的最大四个空间流的情况下，802.11n能达到的最大数据传输速率是600Mbps。

802.11ac

802.11ac也就是WiFi5，相比于WiFi4也就是802.11n而言最大的变化是：
  • MIMO方面从WiFi4的4T4R提升到最高8T8R。
  • 调试方式从WiFi4的最大QAM64提升到QAM256，每个OFDM Symbol可以传输8bit数据。
  • 信道频宽从WiFi4支持的20/40MHz提升到20/40/80/160MHz频宽，最高可以在5G频段支持单信道160MHz的频宽。
    • 20MHz频宽的情况下，子载波数量56个，其中52个可用于传输数据。
    • 40MHz频宽的情况下，子载波数据114个，其中108个可用于传输数据。
    • 80MHz频宽的情况下，子载波数据242个，其中234个可用于传输数据。
    • 160MHz频宽的情况下，子载波数据484个，其中468个可用于传输数据。
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单条流的情况下，最高支持QAM256调制方式，一个symbol可容纳8bit数据，在160MHz信道频宽+保护间隔400us的情况下可达到的最大传输速率是：（468个子载波*8bit*5/6*1根天线）/(3.2us+0.4us)=866Mbps。
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类似的，计算802.11ac所能支持的最大8个空间流的情况下，所能达到的最大传输速率为：（468个子载波*8bit*5/6*8根天线）/(3.2us+0.4us)=6928Mbps。

802.11ax

802.11ax也就是所谓的WiFi6。
802.11ax的OFDM Symbol的周期与前面几代有了很大的差异：
  • 从802.11g一直到802.11ac，其OFDM的symbol周期都是3.2us，保护间隔是0.4/0.8us，子载波间隔是312.5KHz。
  • 但是到了802.11ax，OFDM的symbol周期变成了12.8us，保护间隔是0.8/1.6/3.2us，子载波间隔是78.125KHz。
因为子载波间隔发生了变化，也就影响了不同信道频宽模式下的子载波数量：
  • HT20模式下有234个子载波可被实际用于传输数据。
  • HT40模式下有468个子载波可被实际用于传输数据。
  • HT80模式下有980个子载波可被实际用于传输数据。
  • HT160模式下有1960个子载波可被实际用于传输数据。
此外，802.11ax能够支持的最大调制模式也从QAM256提升到了QAM1024，一个symbol可以容纳10bit数据。
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MCS11在一条空间流的情况下，采用QAM1024调制方式，一个symbol最高带10bit数据，编码率5/6，在160MHz频宽，以及采用0.8us的情况下可以达到的最大单路流的传输速率是：（1960个子载波*10bit*5/6*1根天线）/(12.8us+0.8us)=1200.98Mbps。
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同样的道理，在802.11ax能够支持的最大8条空间流的情况下，计算其能够支持的最大数据传输速率就是：（1960个子载波*10bit*5/6*8根天线）/(12.8us+0.8us)=9607.843Mbps

参考资料

 

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