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2.4GHz 和 5GHz 有何差异?为什幺搜不到 5GHz 无线网路?搞懂 W


2020-06-04


2.4GHz 和 5GHz 有何差异?为什幺搜不到 5GHz 无线网路?搞懂 W

手机、平板、多合一等行动装置崛起,让人逐渐重视与加速建置无线资料传输技术,毕竟拥有行动力就必须摆脱有线的束缚,促使公众 4G 行动通讯技术规格快速进步,家中各种 3C(加上运输工具就是 4C)设备也随着多样化的娱乐形式,产生连结上网的需求。

这时 Wi-Fi 无线区域网路传输技术藉着低廉价格和适切的传输距离与速度,相当适合做为家中宽频网路与行动装置之间的连结技术。802.11ac 无线网路规格产品释出后,更引进多种创新技术,不仅让传输速度一举超越当代家庭有线网路主流速度 1Gbps,还改善了多个装置同时连结与传输的资源利用率。面对这股无线网路浪潮和众多技术内容,这里整理了 11 个最常见的问题和说明,以浅显方式釐清一般使用者的疑惑。

观念 1:2.4GHz 和 5GHz 有何差异?

自从支援 802.11ac 无线网路规格产品正式进入消费市场后,5GHz 这个频率标示的能见度就大幅提升,因为 802.11ac 无线网路规定仅能使用这个频率运作。事实上早于 802.11ac 之前,802.11a 和 802.11n 就能利用 5GHz 频率,让装置之间相互传送讯号,只是都因为成本考量并不普及;802.11a 与当时主流 100Mbps 有线网路相比贵上许多,802.11n 虽然可以使用 2.4GHz 或是 5GHz,却因为前者较经济,致使大多数产品仅选择 2.4GHz。

所谓频率,也就是事物的变化週期,变化週期在 1 秒以下的单位通常使用 Hz,譬如台湾交流电频率 60Hz,代表 1 秒之内电线内部电流流向会改变 60 次。同理,2.4GHz / 5GHz 就是无线电波每秒会改变 10 亿次,G 代表国际单位词头,为 1,000 的 3 次方,念做 giga,中文为「吉」。至于为何选择 2.4GHz 和 5GHz,这是因为国际上有个 ISM 频段共识,将部分无线电频率免费开放给工业(Industrial)、科学(Scientific)、医学(Medical)类别使用,无须额外特许证照或费用。

就无线电波的物理性质比较 2.4GHz 和 5GHz,前者能传输的距离较远,或者反过来叙述,同样距离下 2.4GHz 的讯号品质比较好。只是越方便、越好的频率也就越多人用,大家应该都有收到邻居家无线网路讯号的经验,其他如无线电话、遥控器等产品也会使用。用来加热食物的微波炉、製造品质低落 USB 3.1 Gen 1 的产品也会干扰 2.4GHz。

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观念 2:为什幺搜寻不到 5GHz 无线网路?

既然 802.11ac 有运作频率区段较少干扰和规格速度提升等优势,那为何我的 802.11ac 相容设备找不到 802.11ac 无线网路路由器的讯号?明明就是新买的产品,该不会好人力量爆发买到机王?个问题的癥结点在于美国 FCC(类似台湾 NCC 机构)放宽 5GHz 频段使用限制所导致,而台湾法规很大部分是参考美国,导致新旧产品使用频率範围不一致。

虽然我们一般都称 5GHz 使用频率,实务上大约从 5.1GHz~5.9GHz 这之间的频率均可以使用。802.11a、802.11n、早期 802.11ac 无线网路产品,使用的 5GHz 频率大约是 5.735GHz~5.835GHz 之间,因为这个频段的相关技术限制最少,发射功率相对较高(1W);少数产品额外支援 5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz,因为这两个频率区段原本就有卫星讯号传输和机场气象雷达在运作,为避免影响卫星与飞航安全,无线网路若是以此频率传输,需要额外增加一些控制机制和认证,发射功率也低许多,大多数厂商觉得不符合经济效益,也就直接抛弃支援性。

后来因为 802.11ac 无线网路及后代规格需求,FCC 放宽 5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz 的发射功率上限,使其接近或等同于 5.735GHz~5.835GHz 的发射功率。且 802.11ac 规格支援连续使用 160MHz 频宽,唯有 5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz 可各自容纳一组 160MHz,5.735GHz~5.835GHz 之间仅能放入一组 80MHz,可见适度开放有必要性。

略嫌困扰的是开放时程位于 802.11ac 首波产品大量进入市场之后,造成同样支援 802.11ac 的产品却支援不同运作传输频率的状况。当运作频率不同,装置与装置之间自然也就沟通不良找不到彼此。此时可以进入无线路由器的管理介面,将频率手动固定在 5.735GHz~5.835GHz 之间,或是选择 149~165 频道,如此让旧款 802.11ac 产品可找到无线网路并连结。

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观念 3:避免干扰!选个绝佳运作频率

这几年生产 802.11ac 无线网路晶片的製造商变多,市场竞争下越来越便宜,且不仅 802.11ac 双频无线路由器的价位掉到新台币千元以下,甚至连前代 802.11n 产品价格也相当亲民,或是加入高功率、高增益天线为特色。厂商相互竞争受惠的就是消费者,能利用有限的预算购置规格更高的产品。

产品价格下降,同时也就代表着进入更多人能负担的价格带,家中很有可能因为格局配置影响而购入多组无线网路产品(变压充电器+手机+网路=无限如厕时间),同时也会受邻居的无线网路讯号干扰。为了对应这种状况,我们可以手动利用有的 Android 行动装置,进入 Google Play 市集搜寻「WiFiAnalyzer(open-source)」并安装。相较其他类似功能的软体,这款 App 不会要求奇怪的权限,也不含广告。

预设画面以表列方式显示该空间可扫描到的无线网路,建议读者点选画面左上方的选单图示,选择「频道评分」或是「频道图」观察各组频道频率的佔用情形,在「频道评分」获得越多颗星星,或「频道图」越少无线网路名称的频道,都是适合选择的频道,接着进入无线网路路由器的网页管理介面变更,就能有较顺畅的连线品质。

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部分无线网路路由器相当贴心,管理介面直接提供自动选择频道频率功能,扫描后自行选择干扰较少的频道运作,替使用者省下手动操作的麻烦。实际应用时有个小地方需要注意,部分产品的自动选择机制每隔一段时间就会重新执行,执行期间很有可能造成无线网路连线中断,若遇到这种状况,不妨将首次安装后自动选择的频道记录下来,接着再取消自动选择,改以手动方式输入频道。

中高阶同步双频以上规格的无线路由器,近来也推出自动分流 Smart Connect 功能,把原本 2.4GHz 和 5GHz 各自分离的无线网路统一管理。当一台设备连结至无线路由器时,无线路由器将根据这台设备的相关连线资讯,如无线网路规格、支援频率、讯号强度等,引导该装置至最佳的连线频道。如此一来即可最佳化无线路由器与各个连线装置的速率,避免新、旧无线网路规格混用导致传输速率大幅下降,也能够达成近距离使用 5GHz,移动至远距离时自动切换 2.4GHz 的漫游功能。

2.4GHz / 5GHz 自动切换分流功能对厂商来说也是新事物,偶尔也会有「凸槌」的时候,譬如切换至 2.4GHz 后就再也没有办法切回 5GHz,即使距离无线路由器不到 1 公尺也是如此。此时请善加利用韧体更新功能,藉由上市之后收集使用者的回馈加强判断能力,改善自动切换分流功能的规则定义,通常会有一定程度的改善。

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观念 5:什幺是高增益与主动式天线?

回答高增益这个东西之前,首先要来了解什幺是「增益」,增益的英文为 gain,也就是增加、增幅、获取的意思,电子电路里指的是输入讯号与输出讯号的比值,譬如输出电压经过放大器之后变为输入电压的 2 倍,这个放大器就具有 2 倍电压增益。

「高」这个形容词并非绝对值而是相对值,比较对象基準为无线网路装置随机附赠的天线增益值,随机天线增益值大多数採用 2dBi~5dBi 之间,比这个数值还要大的天线都可以称做高增益天线,譬如 7dBi、9dBi。一般 3C 商店买到的无线网路天线都属于被动式零件,相较于主动式零件需要加装额外的电力来源,被动式因为没有额外能量来源放大讯号,所以採用截长补短策略,把原本均匀朝向上下四周散发的电波讯号,撷取上下方讯号用以补强四周。

天线的增益值单位 dBi 就是和完全均匀散发讯号的天线相比之值,越高增益值代表天线越能集中能量往部分方向发射,其他方向的讯号反而会变弱,因此天线的增益值并非越高越好,而是需要视实际应用环境空间而定。

Netgear Nighthawk X8 R8500 发表之后,就把主动式天线技术带入家用无线网路路由器设计,主动式天线可在相当靠近讯号接收处就放大讯号,避免行动装置发出的微弱讯号传递至无线网路晶片之前,就因为传输路径和机身其他电磁干扰影响讯号品质。由于主动式技术需要额外连接电源,也就没办法设计成可更换式天线设计,无法与市面独立贩售的无线网路天线相容。

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观念 6:MIMO 多组天线收发让速率倍增

无线网路规格演进随着 802.11后缀的英文字母排列,现今主要流通的规格有 802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac 等,其中 802.11n 新增一项让连线传输速度倍增的重要功能,MIMO(Multi-Input Multi-Output)多输入多输出功能,相互连结的双方将传输资料打散,分别透过多组天线传输,达成单一天线传输时的 N 倍。N 就是同时用来传输的天线数量,802.11n 规定最高为 4 组,802.11ac 则倍增为 8 组。

802.11n 单组天线最高可以达到 150Mbps 的连线速率,所以 4 组天线就乘以 4 倍变为 600Mbps;802.11ac 单组天线最高为 867(866.6)Mbps,8 组天线则将近有 7Gbps 的吞吐量,只是 802.11ac 规定两装置之间最多仅能使用 4 组天线,因此想要达成 7Gbp 就必须使用 3 个装置,其中一个装置具 8 组天线,剩余两个装置各自具备 4 组天线,与前者连接即可达成 3.467Gbps 加上 3.467Gbps。

MIMO 技术还包含多组天线传送同一份资料的分集技术,通常应用在双方天线数量不对等的情况下,譬如无线路由器具备 4 组天线,而手机仅有 2 组天线的使用情境。此时无线路由器就可以将天线分成两个群体,单一群体包含 2 组天线发射或接收相同的资料,对手机来说就是加强讯号传输与接收的品质,另一种说法就是维持相同的连线速率,但两者传输距离可隔得更远。

802.11ac 推出后同步双频无线产品数量大增,部分产品採用 2.4GHz 与 5GHz 天线合一形式,部分产品改採 2.4GHz 与 5GHz 天线各自独立,更有採用以上两种方式複合的设计,因此利用天线数量估算该产品最大连线速率并不合宜,尚须厂商提供速率资讯相互印证。但就整体而言,天线数量的多寡确实可以影响连线品质,以数量多的产品为佳。

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观念 7:Beamforming 波束成型集中能量传输

各位读者应该都有下雨时盯着路边小水漥的经验吧,看着雨滴溅起一阵阵涟漪相互交错、反射。Beamforming 波束成型应用的就是此类原理,多组天线发射出来的无线电波相互影响,各组波型讯号在空间内叠加、抵消、干涉,经过运算控制之后让连线沟通双方所在区域的波型叠加,波型叠加也就代表讯号强度增强、品质提升,传输距离更远、速度更快。

802.11n 无线网路规格开始引进波束成型,只是当时开放数种实作方法,各家无线网路晶片製造商因为成本、市场等各种考量因素,各自拥戴不同标準,造成当时只有自家晶片相互连接时能开启使用,与其他厂商晶片互不相容的窘况。802.11n 后继者 802.11ac 就大幅简化波束成型的标準,如此一来各厂商和各款晶片之间的波束成型相容性大幅提升。

部分无线网路产品的设定页面,使用者还可看到显式(explicit)与隐式(implicit)这两种分类,显式为 802.11ac 採用的唯一标準,发送者会向接收者传输一组专门用来矫正波束成型的资料,接收者再依据此资料运算一回馈资料传送回去给发送者,发送者即可利用此回馈资料加强波束成型的效果与正确性。为了让 802.11ac 之前或不支援的无线网路装置也享有波束成型优点,隐式可在此发挥作用,这时候因接收者不相容或不支援,发射者仅能透过收集接收者平时回传的资料,运算并猜测何种波束成型数值较适用,因此效果会比显式稍微差一些,但却是相容过去的无线网路标準全体适用。

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台湾有贩售的小米路由器 Pro 价格便宜,又同时支援 MU-MIMO 功能,让该产品在网路讨论区的热度不减;MU-MIMO 技术需要以 MIMO 和 Beamforming 波束成型为基础,所以对这两项功能还有疑问的读者,请动动你的玉手翻页回去再看几次加深印象。

传统上无线网路路由器若要与连接的多个装置相互构通,会将时间切成许多小片段,每个片段仅能让一个装置传输资料;实际使用时并无法感受到传输时间被切割了,因为这个片段小到人类无法察觉,让人以为无线路由器和各个装置同时间相互在传输资料。

MIMO 前缀 MU 英文字母表示 Multi-User 多使用者的意思,导入这技术就可以藉由 MIMO 和波束成型技术将多组资料同时发送给多个装置,此技术旨在解决各装置间收发天线数量差异过大,导致整体传输频宽浪费的问题。譬如手边有一组 4 天线收发无线路由器和 3 个单一天线的装置,以往路由器在同一时间仅能对一个装置传输资料,相当于浪费其余 3 支天线的传输频宽,导入 MU-MIMO 就可以同时对 3 个单一天线装置传输资料,不仅频宽利用效率提升了,连线装置获得资料的延迟时间也下降了。若要使用 MU-MIMO 功能,则连线双方都必须支援此功能才行,首批採用 802.11ac 无线网路标準的设备并无法使用,且使用时依据天线数量有所限制,譬如 4 天线无线路由器最多能同时向四个单一天线装置传输资料,或是两个双天线装置,或是一个 3 天线装置加上一个单天线装置,以此类推。

802.11ac 导入的 MU-MIMO 目前仅支援下载传输方向,一般而言就是无线网路路由器往各装置传输的方向,各装置往无线路由器传输的上传方向尚未支援,改以传统 MIMO 方式传输,不过下一世代 802.11ax 标準将会导入实作,届时两种方向均可达成多装置同时传输。

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观念 9:高阶 802.11ac 产品却没有应有的速度?

从消费市场第一台 802.11ac 装置 Buffalo WZR-D1800H 无线路由器上市,掐指一算已经 5 年过去了,这期间经历不少产品世代更迭,从一开始只有 Broadcom 无线网路晶片可选择,近期国产品牌 Realtek 和 MediaTek 的无线网路晶片也逐渐出现在产品中并同时拉低贩售价格,如今 5GHz 连线速度可达 1,733Mbps 的小米路由器 Pro 价位不到新台币 2,500 元,当年速度只有 1,300Mbps 却要价新台币 7,000 元以上。

连线速度写得很好看,但已经购买此类高阶 802.11ac 产品的使用者应该会发现,实际传输档案的速度并不会这幺高,连线双方都是 4 组天线传输规格,表现最好却只有 110MB/s 左右,照理推测换算 1,733Mbps 应该有 200MB/s 以上的速度表现,这中间的差异到哪里去了?

这其中奥妙来自有线网路规格已跟不上 802.11ac 无线网路,目前家用最高阶有线网路还停留在单向 1Gbps 也就是 1,000Mbps,与目前高阶 802.11ac 无线网路产品的 1,733Mbps 相互比较,差距将近有 750Mbps 之多,因此目前高阶 802.11ac 无线网路产品的主要传输瓶颈落在有线网路身上。厂商也并非不知道这个问题,例如 Netgear 就推出包含 10Gbps 有线网路的 Nighthawk X10 R9000 无线路由器,但价位就不是人人可接受,一张网路卡就要价接近万元。当然这并不代表多天线 802.11ac 产品没路用,多天线依然有加强讯号品质的效果。

因为 10Gbps 有线网路的价位一时间还无法降低,就有厂商推出 2.5Gbps 及 5Gbps 规格,相较 1Gbps 虽然还是贵了些,却不用勒紧裤带到拦腰折断的程度。2.5Gbps 和 5Gbps 的网路卡已上市,无线路由器预计今年底到明年就可看见採用此规格的家用产品。

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观念 10:什幺?无线网路也可以玩超频!

超频这件事套用在无线网路装置上似乎有些不可思议,不过确实有无线网路晶片商这幺做,以超越 802.11ac 规格定义的数值运作。开出第一枪的厂商为 Broadcom,若是将支援 802.11ac 5GHz 的无线网路晶片挪至 2.4GHz 频段使用,则可利用 802.11ac 其中一项 256-QAM 调变特性加诸在 802.11n 规格上,单天线频宽可从 150Mbps 提升至 200Mbps,4 天线即为 800Mbps,并以 TurboQAM 名词行销该技术,目前已有其他多家厂商跟进支援相同的运作方式。QAM 调变技术对于一般使用者可能难以理解,只需要记得 QAM 前缀的数字越大,单位时间内可传输的资料量越多。

第二枪也是 Broadcom 开的,最新款无线网路晶片不仅支援 802.11ac 规格最高 256-QAM 调变,更增加 1024-QAM 调变能力,除了用在 802.11ac 支援的 5GHz 之外,802.11n 的 2.4GHz 也可以使用。如此一来 802.11n 单天线频宽再度增长至 250Mbps,802.11ac 单天线频宽跃升为 512Mbps 左右。目前仅有 Broadcom 和 Quantenna 在自家无线晶片支援 1024-QAM,Broadcom 以 NitroQAM 名词包装行销。

无论是 TurboQAM 或是 NitroQAM,都需要新款无线网路晶片才能支援,先前所推出的 802.11n 规格无线晶片无福消受。且根据笔者实测经验,欲达到 TurboQAM 和 NitroQAM 的传输速度,连线双方的距离必须保持在数公尺之内,且中央不得有遮蔽物,应用条件颇为严苛。此技术实际受惠者为具备单天线或是双天线的行动装置,不必导入更複杂的多天线设计就能提升连线速度,另外就是厂商的技术宣示,比别人更早一步实作更高阶的调变技术,表示该厂的研发能力不容小觑,在数大便是美的行销时也是赢家。

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观念 11:三频无线路由器是哪三频?

802.11ac 无线网路规格使用5GHz 频段进行资料传输,此频段依据时间往前推进尚有 802.11a 和 802.11n 可使用该频段,大多数支援 802.11ac 的无线产品也会保有向下相容性支援 802.11a 和 802.11n。这 3 种无线网路标準速度差异极大,802.11a 最快为 54Mbps,而 802.11n 和 802.11ac 单天线收发分别为 150Mbps 和 433Mbps,当这 3 种规格混合使用时容易导致传输效率不彰,高速 802.11ac 无线装置无法发挥应有的效果。

适逢美国 FCC 放宽 5GHz 频段的功率限制,厂商便利用 5GHz 频段间不同频率区域分别容纳不同的无线网路标準。多数厂商于 5GHz 频段安排 2 组无线网路晶片,5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz 用来容纳 802.11ac 装置与高速多天线 802.11n 装置,5.735GHz~5.835GHz 则容纳 802.11a 与低速 802.11n 装置,藉由将新旧、高低速装置依据频率分组,尽量降低高速装置被低速装置拖累的情况。搭配前几页提到的自动分流功能,使用者只要让手中的装置连上无线路由器,至于该使用哪个频率就让机器自行协调。

除了 2.4GHz+5GHz+5GHz 这种结构的三频无线路由器,近来也出现 2.4GHz+5GHz+60GHz 这种频段组合,60GHz 所使用的无线网路标準为 802.11ad,或许读者对它另外一个名字 WiGig 比较有印象,先前与 WirelessHD 在短距离提供数 Gbps 传输速率的应用情境相互竞争,之后 WiGig 联盟併入 Wi-Fi 联盟共同推动60GHz。

802.11ad 单天线连线速度最高可达 6.7Gbps 左右,比 802.11ac 还要快,只是 60Hz 频段相当不利大範围传输,实际应用环境大约一个房间大小,且对环境事物移动十分敏感,连线装置之间若有人经过很容易让传输速度下降,比较类似 USB 3.1 Gen1 的无线版本。在台湾发售相容产品也不多,以 Netgear Nighthawk X10 R9000 为代表性产品。或许依照 Qualcomm 在行动产业的影响力,未来会有数款手机支援该标準。

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