网络设备硬核技术内幕 无线局域网篇 (九) 狂飙为我从天落 · 前传

在前面的专题中，我们提到了一个速度的量级——802.11ax的物理速率可达9.6GHz。

那么，这个速度是怎么计算出来的呢？

在这几期专题中，让我们通过学习如何计算Wi-Fi的速率，来感受到狂飙为我从天降的工业进步——

让我们穿越回802.11g时代。

802.11g工作的频率是2.4GHz，支持OFDM调制。

OFDM的本质，就是将一个信道划分为若干个子信道，802.11g最多可以划分52个子信道，其中48个可以用于传输数据，另外4个作为驾驶载波(Pilot Carrier)，用来作为无线带外监管信道。

(插播5毛钱的数学小讲堂，文科生请跳过作为重点学习)

OFDM的O，是Orthogonal(正交)的缩写。所谓正交，指的是——

大家在学习傅里叶分析时，老师一定教过：

“三角函数系是正交的，且完备的。”

所谓的正交，就是，

1,

cosx, sinx,

cos2x, sin2x,

……

cosnx, sinnx……

这一堆三角函数中，任意挑选两个的积，在[-Pi, Pi]区间上的积分恒等于0。

三角函数的正交性和完备性，是支撑现代通信的第四条铁律。

利用这条铁律，我们可以在同一条信道上传输多个信号——

假设传输A信号的波形为p=asin(t)

而B信号的波形为q=bsin(2t)

二者的叠加为

a(sint)+b(sin2t)

接收机A用sin(t)乘以信号并积分，就可以消去sin(2t)的B信号成分：

∫[asin(t)+bsin(2t)]sin(t)·dt = a·∫sin(t)sin(t)dt + b·∫sin(2t)sin(t)dt

=a·∫sin(t)sin(t)dt，

提取出了纯净的信号A。

同样地，接收机B用sin(2t)乘以信号并积分，也可以消去sin(t)的信号A成分，提取纯净的信号B。

数学小讲堂插播完毕，事实上，咱们的收音机，就是利用这个原理，收听到特定的频道的。

因此，OFDM并不复杂，等同于收音机对频道，哈哈哈哈哈

802.11g还使用了一种叫做64QAM的技术，可以在每个波形上传播6个bit。

QAM是“Quadrature Amplitude Modulation”的缩写，中文是“正交幅度调制”。这是什么意思呢？

我们知道，调制方式分为调幅(Amplify Modulation)、调频(Frequent Modulation)、调相(Phase Modulation)等方式。

由于无线发射接收装置的限制，WLAN使用调幅和调相的结合，这种方式称为QAM。

以简单的QAM16为例：

QAM16是两个不同的振幅(1和3)，以及八个不同的相位角相乘得到的。

理解QAM需要很强的空间想象能力，我们将八个相位角和两个振幅映射在空间形成上图，这个图被称为“星座图”（Constellation Diagram）。

我们知道，4bit二进制的真值表共有16种状态，因此，QAM16的16种空间状态可以表示4bit二进制，在一个传输周期里可以传输4bit数据。

类似地，QAM64的星座图如下图所示：

log2(64)=6，因此，QAM 64调制方式可以在一个传输周期内传输6bit的数据。

显然地，越高的QAM调制方式对信噪比的要求也越高——

让我们回顾前期交换机的内容：网络设备硬核技术内幕 交换机篇 9 SuperStar

在有线传输中，PAM4的方式将传输速率倍增，但付出的代价则是对信噪比的要求提高了2dB。

同样地，QAM调制方式从QAM16，QAM64，QAM256直至QAM1024，对信噪比和时钟恢复(Retimer)的要求也依次递增，如果信号完整性达不到要求，就只能降低QAM调制方式，表现在传输速率上，就是性能下降。

在有趣枯燥的理论课结束之后，我们在下一期终于可以实战化计算WLAN的速率啦！