我买了个超快的路由器,可为什么家里 Wi-Fi 还这么慢?

我买了个超快的路由器,可为什么家里 Wi-Fi 还这么慢?

以下内容编译自 Ars Technica,原文标题为 802.eleventy what? A deep dive into why Wi-Fi kind of sucks,内容略有删改。


上世纪九十年代后期,支持 802.11b 无线网络标准的设备首次出现在大众消费市场。

802.11b 号称可以提供「11 Mbps」的传输速率,这可要比最初的有线以太网 10 Mbps 的传输速率还高。稍微懂点数学的人应该都会认为,802.11b 要比 10 Mbps 的有线以太网还要快一点。

不过在那个时候,由于智能手机还没有出现,笔记本电脑的售价还异常昂贵,并且性能糟糕、体型笨重,因此我手上并没有什么可以使用无线网络的设备。当我真正接触到无线网络的时候,我的办公室和家里都已经装上了 100 Mbps 的有线网络,这时候传输速率只有 1/10 的 802.11b 对我来说并没有什么吸引力。

在 21 世纪初,随着内置 Wi-Fi 的笔记本电脑变得更加小巧、轻薄和便宜,一些小公司盯上了 802.11b「高达」11Mbps 的传输速率:既然原来的办公楼里 10 Mbps 的有线以太网都足够用了,那在布置新办公楼的时候,为啥不直接用上「更快」的 802.11b 无线网络?

而这也是我第一次真正用上 Wi-Fi。

不过和 Wi-Fi 的第一次「亲密接触」并没有给我留下什么好印象。那时候我才知道,原来 11 Mbps 仅仅只是最大的物理层速率,而不是你的数据从一台设备传输到另一台设备实际传输的速率。

在实际使用中,802.11b 的传输速率和可靠性并没有比拨号上网强多少,即使你把两台设备靠得特别近,并且都放在内置 AP 的无线路由器附近,最大传输速率也就是 1 Mbps(也就是 125 KB/s)。要知道这可是最好的情况,如果你有 10 台 PC 同时试图访问一个服务器,125 KB/s 就变成了每台 PC 12.5 KB/s。

Dlink_wireless_router.jpgD-Link DI-514 无线路由器,在当时算是一款挺不错的产品,不过那些用 802.11b 的日子真的不堪回首……

当我们逐渐接受了 802.11b 是个「垃圾」这个事实的时候,802.11g 来了。

802.11g 号称可以提供惊人的 54 Mbps 传输速率,尽管这个数字只有当时的高速以太网(100 Mbps)的一半,不过却是最初的以太网(10 Mbps)的 5 倍之多!

不过就像 802.11b 一样,802.11g 号称的 54 Mbps 传输速率实际上只是物理层速率,和下载进度条上显示的那个实际传输速率是两码事。和 802.11b 一样,802.11g 在日常使用中最快的传输速率差不多只有 54 Mbps 的 1/10,也就是 5 Mbps 左右。如果再把 5 Mbps 分给同一网络的多台 PC,每一台 PC 的网速仍旧非常「感人」。

2000 年左右,802.11n 的设备首次出现在消费级市场,号称可以提供最大 600 Mbps 的传输速率!

虽然这个传输速率相比当时逐渐兴起的千兆以太网还有些差距,不过却是当时用户普遍使用的 100 Mbps 有线以太网的 6 倍啊!

当然,不出意外的是,在现实使用中,即使使用环境非常理想且只连接一台设备,802.11n 的实际传输速率大概也只能达到宣传的 1/10。

当 802.11ac 产品在 2013 年底登陆市场后,几乎每一款路由器产品都在「歇斯底里」地宣传自己的传输速率有多高。

刚开始是 1.3 Gbps,然后是 2.7 Gbps,再到 5.3 Gbps!这个数字已经超越了大部分有线以太网。不过在经历了 802.11b/g/n 后,我早已看穿一切:经销商的宣传都是谎言,甭指望 Wi-Fi 能像有线以太网那么快。

那么号称最大  5.3 Gbps 的传输速率究竟是怎么回事呢?

我们以 D-Link DIR-895L/R 为例,在其官网的产品简介中,我们可以看到下面这段描述:

「突破性的三频段 Wi-Fi 技术可以提供最高 5332 Mbps 的惊人无线传输速率,而凭借 4x4 数据传输,波束赋形以及 MU-MIMO 技术,提高进一步提高无线网络的可靠性和覆盖范围。」

除了 D-Link,在 Netgear、Linksys、ASUS、TP-Link 等主流品牌的 AC5300 路由器产品上,我们也可以看到类似的描述。

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D-Link DIR-895L/R 是一台三频段路由器,它可以支持两个 5 GHz 频段和一个 2.4 GHz 频段,其中 5 GHz 频段最高传输速率 2166 Mbps, 2.4 GHz 频段最高传输速率为 1000 Mbps,而 2166 Mbps ×2 + 1000 Mbps = 5332 Mbps,5.3 Gbps 的传输速率就是这么算出来的。

具体到每一个频段中,则是把该无线频段在物理层的最高速率,然后乘以该频段支持的最大 MIMO 串流数量得出的(中高端路由器通常是 4 个)。不过仔细一算,这里似乎有些问题。

D-Link DIR-895L/R 的 5 GHz 频段(80 MHz 频宽)在物理层的最大传输速率为 433 Mbps,乘以 4 之后是 1732 Mbps,相比 D-Link 官方宣传 2166 Mbps 的传输速率还差了 108.5 Mbps,这是怎么回事呢?

关于这个问题,路由器厂商的解释通常是「使用了专用的数据压缩技术」这种有些含糊的说法,因此这个 108.5 Mbps 更像是一种市场营销手段。需要说明的是,这种「提速」的方式在路由器行业已经变成了「新常态」,近期有不少 3x3 的双频路由器就突然从「AC1700」变成了「AC1900」。

另外,在 2.4 GHz 频段上,情况还要更麻烦一点。

D-Link 号称 2.4 GHz 频段可以达到 1000 Mbps 的传输速率。不过在 801.11n 2.4 GHz 频段(40 MHz 频宽)下的最大传输速率是 150 Mbps,乘以 4 个 MIMO 串流也才 600 Mbps,距离 1000 Mbps 还差了整整 400 MMbps……

关于这一点,路由器厂商一般会这么解释:由于采用了 256-QAM 调制模组,可以为每一个串流增加 50 Mbps 的传输速率,这样原来的 600 Mbps 就变成了 800 Mbps(尽管 256-QAM 是一个非标准、没有经过 IEEE 批准且几乎没有什么终端设备支持的东西)。至于剩下这 200 Mbps,就和 5 GHz 频段通过「数据压缩」的提速方法基本是一个意思。

看到这里,大家应该已经感觉到了,所谓的 5332 Mbps 基本就是个谎言。下面我们就看看在实际使用中,D-Link DIR-895L/R 这种 5332 Mbps 无线路由器的传输速率究竟能有多少。

在这之前,我们有必要先聊聊 4×4 MIMO。

MIMO 的全称是 Multiple Input Multiple Output(多输入多输出),MIMO 技术可以理解为将网络资源进行多重切割,然后经过多重天线进行同步传送,从而提高单一设备的数据传输速度,4×4 MIMO 就代表拥有 4 根发射天线和 4 根接收天线。

路由器支持 4×4 MIMO 自然是件好事,不过问题是,现在我们身边几乎所有的终端设备,包括笔记本电脑、平板和智能手机,都不支持 4×4 MIMO。根据我的了解,截止到 2017 年 2 月,市面上可以买到的终端设备要么是单流的,要么是 2×2。在你的终端设备不支持的情况下,这意味着路由器的 4×4 MIMO 就没有什么「卵用」了。

你可能会这么想了,不是有 4 个 MIMO 串流嘛,我可以把其中两个分给笔记本电脑,另外两个分给平板。遗憾的是,这也是不可能的。这种一台路由器同时将数据发送给多个设备的技术叫做 MU-MIMO,这项技术你家里的路由器或许支持,不过你的终端设备极有可能不支持。(三星 Galaxy S7 等旗舰手机支持 MU-MIMO,但支持该技术的笔记本电脑几乎没有。)

此外,即使路由器和终端设备都支持 MU-MIMO(MU 即 Multi User,多用户),目前这项技术对实际传输速率的提升可能也没有我们想象的多。我使用一台支持 MU-MIMO 的路由器以及两台支持 MU-MIMO 的终端进行了测试,相比在路由器上关闭 MU-MIMO,打开 MU-MIMO 后这两台终端的数据吞吐量只提高了 20%。

再次强调下,我们日常使用的绝大多数终端都只能支持 SU-MIMO(SU 即 Single User,单用户),在同一时间 AP 只能和一台终端进行通讯,换句话说,如果你最快的终端设备支持 2×2,那么这个 AP 最快就只能提供 2×2 的速度,仅此而已。

到现在为止,我们知道了「高达 5.3 Gbps 的传输速率」其实是三个频段加一起得到的,单看一个频段的话,最大的传输速率是 2.166 Gbps。然后我们知道了「数据压缩」来获取更高传输速率的做法基本是瞎扯,2.166 Gbps 变成了 1.732 Gbps。此外,我们还知道了,由于终端设备的限制,路由器厂商在广告中出现的 4 个 MIMO 串流通常只能用上两个,1.732 Gbps 又变成了 866 Mbps。

不过遗憾的是,这还不算完。因为在实际使用中,是不可能达到物理层最大速率的。

在比较理想的使用场景中(距离路由器 3 米左右,没有中间没有隔墙等干扰物,没有额外干扰),一台优秀的终端设备的传输速率可以达到物理层速率的 1/3 到 2/3,这个数字再乘以终端设备支持的 MIMO 收发串流数量就是实际的网络传输速率。

我日常使用的这台 Acer C720 Chromebook 笔记本电脑采用的是高通 Atheros AR9462 802.11n 适配器(支持 2x2),我测试出的最大传输速率在 205 Mbps 左右。我还测试 TP-Link Archer T4U 和 Linksys WUSB-6300 这两个 802.11ac USB 网卡(都是支持 2×2),最大传输速率可以达到 350 Mbps。

表现最好的是使用 Broadcom BCM94360CS 无线网卡的 MacBook Pro,最大传输速率可以达到 600 Mbps 左右,这是因为 Broadcom BCM94360CS 支持 3× 3 MIMO,换算下来,依然没有逃脱我们上一段中提到的「物理层速率 1/3 到 2/3」的范围。

不过需要注意的是,在绝大多数时候,我们距离路由器的距离会不止 3 米,并且经常会有墙壁等各种干扰物。当你距离路由器 30 米,中间再间隔两堵墙的时候,即使你的 AP 和终端设备品质都很高,并且没有其他人和设备和你「抢网速」,实际的传输速率大概也只有 80 Mbps 了……

这依然还不算完,因为很多的设备的上传和下载速率会有明显的差异。

在我测试的这几款设备中,Linksys WUSB-6300 比较「正常」,上传和下载速率差不多,不过高通 AR9462 和 Archer T4U 都明显倾向下载,上传速率常常只有下载速度的 1/2 甚至不到…… 即使内部采用同一款芯片,由于内部设计的不同,终端设备之间的表现常常有很大的区别(「正常」的 Linksys WUSB-6300 和「不正常」的 Archer T4U 用的都是 Realtek RTL8812au 无线网卡)。.

唉,测试 Wi-Fi 真闹心。

尽管在过去二十多年里,基于 802.11 协议标准的 Wi-Fi 技术已经有了长足的进步,不过如果你想获得最快、最稳定的上网体验,高速有线以太网一直是更好的选择,这一点从来都没有改变过。

但在我们的生活被智能手机、平板电脑以及众多 IoT 设备包围的情况下,单纯依靠「古老」的有线以太网显然是一件不现实的事情。而如果你家里的终端设备太多,现有的多频 AC 路由器依然无法满足需求,除了多使用有线以太网这种办法之外,以 eero、Google Wifi 为代表的基于 mesh 网络的新一代路由器是个不错的选择,这也是继双频和三频 AC 路由器之后,路由器厂商下一个发力的方向。

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