Wi-Fi:连接未来,缔造美好生活

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2007年,iPhone诞生,它不仅改变了手机行业的格局,更彻底改变了我们的上网方式。从此,一个颠覆性的时刻到来,移动互联网时代的序幕被拉开。但苹果对世界的影响,远不止于此。

回溯到1999年,苹果推出了iBook,这是第一次将无线网络技术融入到笔记本电脑中。那时的创新,为后来设备的移动联网奠定了基石。在iBook发布会上,苹果的传奇领导者乔布斯,为了证明电脑真的没有连接网络线,在台上用呼啦圈绕着电脑旋转,魔术一般的操作引起场下长时间惊呼,而这一幕也成为了科技史上的经典瞬间。

图:1999年苹果iBook发布中的经典一幕,乔布斯用呼啦圈证明笔记本的无线连接

当时,那台iBook所使用的无线网络技术,正是802.11系列协议,也就是我们今天所熟知的Wi-Fi协议的前身。当时谁也没能想到,这样一个无线通信协议,会在未来近30年里不断演进,成为连接数十亿设备的核心纽带。

如今,Wi-Fi已如空气和水一般,成为我们生活中不可或缺的元素。甚至有这样的段子流传:“Wi-Fi一断,全家人都开始重新认识彼此。”这足以见证Wi-Fi在现代生活中的重要性。

图:Wi-Fi在现代生活中已经非常重要

那么,Wi-Fi究竟如何从一个简单的无线通信协议,发展到现在这样无处不在的存在呢?它与蜂窝网络、蓝牙等无线网络又有何区别?更重要的是,Wi-Fi的未来将向何处发展?

带着这些疑问,让我们一起探寻Wi-Fi技术的发展轨迹,看看这个让我们的生活变得更加美好的技术,是如何一步步走来,又将走向何方。

Wi-Fi协议的诞生及演进

Wi-Fi协议的起源:IEEE 802.11协议

谈及Wi-Fi协议,就不得不提及IEEE(电气电子工程师学会)的802.11协议。IEEE推出的802.11协议旨在构建一个统一的无线通信标准。然而,作为一个专注于技术标准制定的组织,IEEE并不涉及产品的测试与认证。因此,在初期,市场上的802.11设备普遍存在兼容性问题,制约了Wi-Fi技术的广泛推广与应用。

在这种背景下,1999年Wi-Fi联盟应运而生,有效解决了这一问题。Wi-Fi联盟是由多家领先公司共同发起的行业组织,其核心使命是负责802.11相关产品的测试与认证。联盟的名称“Wi-Fi”源自“Wireless Fidelity”的缩写,寓意着无线通信的可靠与稳定。同时,联盟还设计了独特的Wi-Fi标志,进一步提升了品牌辨识度。自此,Wi-Fi作为无线通信的重要技术标准,开始广为人知。

图:(a)Wi-Fi联盟的logo及(b)Wi-Fi的认证标识

随着技术的不断发展,Wi-Fi逐渐被越来越多的应用所接受,甚至在一些场景中直接成为无线局域网技术(WLAN)的代名词,人们直接用“Wi-Fi”来指代整个WLAN技术,足以见其影响力之广泛。

Wi-Fi协议的今生:从Wi-Fi4到Wi-Fi7飞跃

随着科技的不断进步,IEEE 802.11协议也历经了多次更新,从802.11a、802.11b逐步发展至802.11ac,再到如今的802.11ax(即Wi-Fi 6)和最新的802.11be(即Wi-Fi 7)。这些更新不仅标志着技术的显著进步,更带来了数据传输速率的惊人增长。从最初的几Mb/s到如今高达46Gb/s的峰值速率,Wi-Fi正迅速适应并满足现代社会对高速无线通信的迫切需求。

图:Wi-Fi速率的飞跃发展

然而,随着802.11技术的持续升级,诸如802.11b、802.11ax、802.11be等复杂的版本号让普通用户感到困惑。这些版本号中的数字和字母组合不仅难以理解,而且并不按照协议发布的顺序排列,进一步增加了用户的认知负担。为了简化这一复杂性并推动Wi-Fi的更广泛应用,Wi-Fi联盟决定对这些版本进行重新命名。

2018年,802.11ax推出,但由于名字和上一代的802.11ac过于相似,消费者根本不知道哪个才是最新的通信制式。于是,在2018年10月4日, Wi-Fi联盟实施了一项重大的命名改革,将802.11ax协议更名为Wi-Fi6,以便消费者更好地辨别。

由于802.11ax更名为Wi-Fi6,前几代协议也跟着一起更名了,于是当时市面上大多数设备采用的802.11ac被称之为Wi-Fi5,而更早的802.11n协议被命名为Wi-Fi4。

将复杂的版本号简化为更直观、易懂的“Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6、Wi-Fi

7”等名称,这一改革不仅极大地提升了消费者对产品技术水平的直观理解,还有力地促进了Wi-Fi技术的普及和应用。尽管现代设备有时仍会标注其支持的802.11系列协议版本,但人们更倾向于使用简洁明了的“Wi-Fi + 数字”命名方式。这次命名变革无疑是一次巨大的成功,并为其他技术领域提供了宝贵的借鉴经验。

图:不同版本的Wi-Fi特性,及与802.11标准的对应

随着Wi-Fi在技术和市场上的广泛认可,其应用也日趋多样化。据TechInsights统计,截至2023年,全球Wi-Fi设备的连接数量已达到惊人的72亿,并将在未来5年内增长至89亿。Wi-Fi技术在应用领域也实现了巨大的突破,深刻影响着我们的日常生活和工作方式。

Wi-Fi中的关键技术

Wi-Fi作为一种持续进化的无线通信技术,依托多项关键技术实现其功能并不断优化用户体验。以下将深入探讨Wi-Fi中的这些关键技术及其发展。

1. 使用频率和信道

Wi-Fi主要使用的频率属于工业、科学和医疗(ISM)频段以及非授权频段,这包括2.4GHz、5.8GHz以及新兴的6GHz频段。选用这些频段的原因在于其全球通用性和无需授权的特性,这为Wi-Fi设备的全球普及和应用提供了便利,真正实现了“全球通”的愿景。

图:Wi-Fi使用的全球主要国家和地区ISM及非授权频段

这些频段并非单一频点,而是一定范围的频率集合。例如,2.4GHz频段被划分为多个宽度一定的信道,Wi-Fi设备可以在这些信道间灵活切换,以优化信号质量。但需注意,信号间的频率重叠可能引发干扰,因此实际操作中常选择不重叠的信道进行使用,如常用的1、6、11信道。

图:2.4GHz Wi-Fi的信道划分

值得一提的是,虽然非授权频段在全球大体统一,各国在非授权频段具体使用中还是存在部分差异。例如,CH14的中心频率为2.484GHz,这个信道在大多数国家都属于禁用频段,但日本除外。所以,如果将日本的Wi-Fi设备拿到其他国家使用,就需要在设备设置中禁用掉CH14信道,来确保设备之间的顺畅连接。

2. 高阶调制技术

Wi-Fi广泛应用于室内高速数据传输场景,因此其调制和编码技术的演进至关重要。从QPSK到4096QAM,Wi-Fi的调制方式不断升级,显著提升了数据传输效率。例如,4096QAM技术使得单个信号能够携带的信息量比QPSK增加了六倍。

图:不同制式Wi-Fi中的调制技术

更高的调制方式就像是在同一辆汽车上拉了更多的货物,在Wi-Fi5的256-QAM中,每一个符号携带8bit信息,到了Wi-Fi6的1024-QAM中,每个符号携带的信息增加到10bit,而在Wi-Fi7中,每个符号位的信息量增加到12bit。每一辆汽车上拉的货物增多了,信息的传输速率自然增加。

图:不同制式Wi-Fi每个符号位携带的信息量

3. MIMO技术

多输入多输出(MIMO)技术是无线通信领域的一项重要创新,也在Wi-Fi中得到了广泛应用。MIMO技术通过多个天线同时发送和接收数据,显著提高了无线通信的吞吐量和可靠性。MIMO技术就像是在起始点和目的地之间修了更多的通路,这样就可以完成多路的并行传输。

图:MIMO技术示意图

在Wi-Fi中,MIMO技术主要分为单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)两种模式。SU-MIMO主要服务于单个用户,提升其与基站之间的通信效率;而MU-MIMO则允许多个用户同时与基站通信,大大提高了网络的整体效率。

图:SU-MIMO与MU-MIMO连接示意图

4. Wi-Fi中的直连技术

尽管Wi-Fi网络通常包括接入点(AP)和站点(Station),但Wi-Fi技术并不完全依赖于中心化的网络结构。为了满足设备间直接通信的需求,Wi-Fi直连技术应运而生。

Wi-Fi中的直连技术指的是设备之间通过Wi-Fi网络直接进行连接而无需经过路由器或者基站。这种连接方式可以实现设备之间的点对点通信,提高了通信效率和速度。

图:Wi-Fi中的直连技术

在Wi-Fi的直连技术中,Wi-Fi Direct和Miracast是两项代表性技术。Wi-Fi Direct允许设备间直接建立连接,无需通过传统的Wi-Fi路由器。这一技术在打印机、媒体播放器等设备中得到了广泛应用。而Miracast则主要用于屏幕镜像和流媒体传输,如Windows设备的投屏功能就依赖于这一技术。

图:Wi-Fi直连应用:打印机及Windows的直连

Wi-Fi与其他技术的比较

在通信协议领域,各种技术之间的比较是不可避免的,这种比较有助于我们明确不同技术的定位和发展方向。

无线通信协议的评价指标有很多,如速率、成本、功耗、安全性和传输距离等,每个维度都有其独特的重要性。然而,在这些因素中,我认为传输距离是最为核心的考量点。传输距离直接决定了技术的应用场景,而不同的应用场景又会进一步决定功耗、安全性等其他需求。

以安全性为例,对于传输距离较短的蓝牙技术而言,由于其范围在人们可控之内,因此对安全性的要求相对较低,简单的配对步骤即可使用。然而,对于传输距离可达几十米的Wi-Fi技术来说,则需要设置密码以确保连接的安全性。当传输距离扩大至几千米的蜂窝网络层面时,由于无线信号可能覆盖大量设备,因此需要采用更为复杂的认证流程来建立设备间的联系,从而安全性的要求也大幅提升。另外不仅是安全性,功耗、成本、速率等其他技术指标也与传输距离紧密相关。

不同通信协议的覆盖范围及其应用场景可参考下图进行直观了解。

图:不同通信协议覆盖范围及应用场景

在各类应用场景中,与Wi-Fi技术形成互补或存在重叠的主要是蜂窝技术和蓝牙技术。接下来,我们将通过对比这两种技术,来更深入地剖析Wi-Fi技术的特点与优势。

Wi-Fi与蜂窝技术的比较

Wi-Fi与蜂窝技术,两者有诸多相似之处,还曾一度被视为竞争对手,但随着技术的演进和市场需求的变化,人们逐渐认识到,这两种技术实则是相辅相成的。

Wi-Fi与蜂窝技术共同点颇多:两者都是手机等设备的标配通信协议,都能满足日常高速通信的需求,且在许多使用场景中都有重叠。这些共通之处曾导致Wi-Fi和蜂窝技术阵营在发展过程中产生过竞争。在4G发展的初期,Wi-Fi阵营试图将其发展的WiMAX协议,推广到4G的标准协议中。而蜂窝阵营,也一直尝试用4G/5G的部署,来取代只在室内使用的Wi-Fi协议。

然而,随着无线通信需求的激增,人们意识到,单一的通信协议无法满足所有场景的需求,Wi-Fi与蜂窝技术逐渐从竞争关系转变为互补关系,共同为用户提供全面的无线通信服务。“地球足够大,容的下两个超级的无线通信协议”。

尽管有诸多相似,但Wi-Fi与蜂窝技术在设计理念、技术特性和发展路径上存在显著差异。

Wi-Fi起源于互联网技术中的局域网技术,其核心目标是提供一种便捷的互联网接入方式,以替代传统的有线连接。因此,Wi-Fi注重开放频段、全球标准接口和去中心化的连接方式,旨在丰富全球互联网网络。

而蜂窝技术则传承自广域网的设计理念,其核心目标是实现全球范围内的可靠连接。这一要求使得蜂窝网络必须是中心部署且统一调度的,以确保广泛性和可靠性。

这些不同的设计理念导致两者在发展方式上也有所不同。Wi-Fi技术更侧重于接入速率,因此其通信速率一直领先于蜂窝网络。而蜂窝网络则更注重覆盖范围和覆盖人数,在网络覆盖面积和多用户处理方面具有显著优势。

图:Wi-Fi与蜂窝峰值速率比较

然而,这两种技术并非孤立发展,而是相互借鉴、相互促进。例如,蜂窝网络就一直在借鉴Wi-Fi中的复杂QAM调制、MIMO等技术来提升速率,而Wi-Fi也借鉴了蜂窝网络中的多用户管理、载波聚合等技术以实现多用户覆盖和多频率使用。

总的来说,Wi-Fi与蜂窝技术各有千秋,它们在无线通信领域中发挥着不同的作用。通过相互借鉴和融合,这两种技术将继续推动无线通信行业的发展,为用户提供更加便捷、高效的服务。

Wi-Fi和蓝牙技术的比较

Wi-Fi和蓝牙技术都是我们日常生活中经常使用的通信技术,它们之间存在许多共同点。两者都工作于ISM频段,为近距离的设备提供接入服务。无论是手机、平板电脑还是笔记本电脑,这些与我们生活息息相关的设备都广泛支持并应用了这两种技术。

然而,Wi-Fi和蓝牙在传输距离上存在显著差异,这也是它们主要的区别之一。Wi-Fi主要设计用于覆盖数十米的固定空间,实现设备间的远程连接。相比之下,蓝牙则专注于几米范围内的短距离连接,更适用于人手边的设备。

蓝牙对于应用场景的精准的定位使得其能够进行更为细致的优化。由于蓝牙连接的设备通常随人移动,因此需要对其进行极致的功耗优化,从而免除频繁充电的烦恼。同时,这些设备通常不需要过高的通信速率,因此在通信能力方面可以进行适当的减弱。此外,当蓝牙设备作为人类感知器官的延伸时,例如在使用TWS耳机时,对延时等指标有较高要求,因此蓝牙技术在这方面也进行了特别的优化。

尽管Wi-Fi协议功能强大且拥有庞大的组织支持,但在处理人手边小设备的小连接方面却显得力不从心。Wi-Fi在保障大带宽、中距离互联的同时,难以兼顾小带宽、短距离的连接需求。而这些需求正是由蓝牙等协议来补齐的,两者在无线通信领域中各自发挥着不可或缺的作用。

Wi-Fi技术的未来演进展望

在众多无线通信协议中,Wi-Fi与人们的日常生活联系最为紧密。从手机、平板电脑到电视,Wi-Fi的应用范围广泛,几乎渗透到我们生活的方方面面。无论是办公上网还是视频娱乐,Wi-Fi技术都发挥着不可或缺的作用。

展望未来,Wi-Fi技术的持续演进将进一步提升我们的生活品质。 

图:Wi-Fi技术的未来演进展望

传输速率持续提升

作为高速大带宽传输的佼佼者,Wi-Fi的传输速率将继续保持领先地位。

在不久的未来,借助超高速Wi-Fi连接,我们将能够无缝观看高清甚至8K视频,彻底告别缓冲和画质问题的困扰。家庭成员将能够同时畅享AR/VR游戏、超高清视频会议或大文件传输,而这一切在最新Wi-Fi技术的加持下将如丝般顺滑。

设备互联的广泛支持

随着科技的迅猛发展和智能家居、物联网的普及,无线通信技术正迎来前所未有的发展契机,Wi-Fi技术亦是如此。未来,Wi-Fi将不再局限于为手机、电脑等传统设备提供网络服务,而是将扩展到支持更多设备的互联互通。智能家居设备、移动设备、智能城市基础设施以及各种传感器等都将通过Wi-Fi实现连接和数据传输,从而构建一个庞大而复杂的网络系统。

为了适应更大规模的数据互联需求,Wi-Fi技术也需进行相应的优化和改进。例如,Wi-Fi需解决多用户同时连接时的干扰问题,以确保多用户连接的稳定性和可靠性。

连接方式的便捷性革新

随着越来越多的设备接入Wi-Fi网络,传统的连接和输入密码的方式将逐渐显得繁琐不便。用户期待更加简便的网络接入方式,以便轻松、快速且安全地连接到网络。未来的Wi-Fi连接将不仅限于人与互联网的连接,还将广泛连接物联网设备。显然,当前基于密码的连接方式已无法满足物联网设备的接入需求。因此,未来的Wi-Fi将不仅作为网络的提供者,更将成为便捷生活的推动者。通过提供更便捷的连接方式,Wi-Fi将使网络连接无处不在,让生活更加简单高效。

AI与无线网络的深度融合

相比其他通信协议,Wi-Fi的应用场景更为多样化且部署灵活,这为无线网络与AI的融合提供了有利条件。在AI时代,Wi-Fi技术的发展将更加充满想象空间。

随着AI技术的融入,智能家居的控制有望变得更加智能化和精细化,同时可能带来前所未有的创新体验。例如,通过众多Wi-Fi连接的智能家居设备可以实时收集和共享数据,并利用AI进行分析以实现更高级的自动化控制。这将实现比现在更复杂、更丰富的场景控制及设备联动功能。

同时,Wi-Fi技术也将助力AI的进一步发展。借助Wi-Fi技术,AI生成的内容或所需的数据可以在各种设备之间实现高速灵活地传输。这将使各类设备更加紧密地协同工作,共同打造一个智能互联的未来世界。

总结       

Wi-Fi,这一曾被视为简单的无线通信协议,如今已成为我们生活中不可或缺的一部分。无线网络技术逐渐融入我们的日常生活,开启了移动互联网的新篇章。Wi-Fi不仅改变了我们的上网方式,更推动了科技的发展和社会的进步。

经过数十年的演进,Wi-Fi技术已经从最初的802.11标准发展到现在的Wi-Fi 7,传输速率大幅提升,应用场景不断拓展。从家庭娱乐到办公网络,从智能家居到物联网,Wi-Fi技术无处不在,连接着数十亿设备,构建起一个庞大而复杂的网络系统。

在与蜂窝网络、蓝牙等其他技术的比较中,Wi-Fi也展现出了其独特的优势。尽管蜂窝网络在广域覆盖和多用户处理方面具有显著优势,但Wi-Fi在速率和灵活性方面更胜一筹。而蓝牙则更适用于短距离、低功耗的场景,与Wi-Fi形成了互补。

展望未来,Wi-Fi技术的持续演进将为我们的生活带来更多美好。传输速率将进一步提升,支持更多设备的互联,连接方式将更加便捷,AI与无线网络的深度融合将开启全新的智能互联时代。随着科技的不断发展,我们有理由相信,Wi-Fi还将继续引领无线通信技术的潮流,为我们的生活带来更多便利和惊喜。

责编: 爱集微
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