无线路由器的工作频率（2.4G、5G）和速率（50M、100M、300M）之间有没有联系或换

时间：2023-11-10 02:30:01 | 来源：网站运营

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无线路由器的工作频率（2.4G、5G）和速率（50M、100M、300M）之间有没有联系或换算关系呢？：先说结论吧：有联系，但不是换算关系。5GHz 比 2.4GHz 传输速率更高，并不是因为 5 > 2.4 ，而是 5GHz 频段下，可用的频带范围更宽广。

为什么频带范围越宽，传输速率越高？这个问题由香农-哈特利定理 ( Shannon-Hartley theorem ) 来解释。根据此定理，传输速率受「 频宽、信号强度、噪声强度 」三因素共同影响：

Data/,Rate=Spectral/,Bandwidth/times log_{2}(1+SNR)

上述这个公式，说明了通信频带宽度 ( spectral bandwidth，简称频宽，单位 Hz ) 和信噪比 ( signal-noise ratio，简称 SNR ) 是如何决定数据传输速率 ( data rate ，单位 bps - bits per second ) 的。由此，在信噪比一定的情况下，提高频宽，传输速率相应增加。

为什么 5GHz 频段的可用频带范围更宽广？无线电频谱资源是受到管制的战略性资源，基于 802.11 协议族的无线通信所能使用的频带范围，取决于两个因素：FCC ( Federal Communications Commission ，美国联邦通讯委员会 ) 的规定 ，以及各国政府所开放的频率范围 ( 在这里"开放"特指无需牌照即可使用 ) ，二者取小。

首先来看 FCC 的规定。FCC 允许 802.11 协议族使用 ISM 和 U-NII 频段。其中，对于普通民用 ( 业余 ) ，在 2.4GHz 附近使用 ISM ，在 5GHz 使用 U-NII 。

• ISM ( Industrial Scientific Medical )

基于 ISM ，802.11 协议族在 2.4GHz ( 2400~2500MHz ) 频段处定义了 14 个频道 ( 也称为信道 ) ，每个频道的宽度大约为 20MHz 。其中，频道 1 的频率范围是 2401~2423MHz ，中心频率为 2412MHz ；频道 2 的频率范围是 2406~2428MHz ，中心频率为 2417MHz ；频道 3 的频率范围是 2411~2433MHz ，中心频率为 2422MHz ，以此类推。

802.11n 协议允许使用 40MHz 的频宽，以提高传输速率 ( 相比 20MHz ) ，具体做法是在原来频道的基础上，向上 ( 40MHz above ) 或向下 ( 40MHz below ) 增加一个扩展频道，将两个频道的频率范围合并为 40MHz 。但很显然，2400~2500MHz 总共不过 100MHz 的宽度，当同时存在多个占用 40MHz 频宽的通信时，相互之间的重叠和干扰会比较严重。

• U-NII ( Unlicensed National Information Infrastructure )

基于 U-NII 所划分的 4 个频段范围，包括 U-NII-1 、U-NII-2A 、U-NII-2e 和 UNII-3 ，802.11 协议族在 5GHz 频段共定义了 24 个频道 ( 也有 23 个频道的说法，这里使用维基百科的数据 ) ，频宽均为 40MHz ：

• U-NII-1 ：频率从 5150MHz 到 5250MHz ，包括 4 个频道：36 、40 、44 、48 ；
• U-NII-2A ：频率从 5250MHz 到 5350MHz ，包括 4 个频道：52 、56 、60 、64 ；
• U-NII-2e ：频率从 5470MHz 到 5725MHz ，包括 11 个频道：100 、104 、108 、112 、116 、120 、124 、128 、132 、136 、140 ；
• U-NII-3 ：频率从 5725MHz 到 5850MHz ，包括 5 个频道：149 、153 、157 、161 、165

比较 2.4GHz 和 5GHz 的频道资源即可得知，5GHz 频段的可用频带范围要宽广得多。因此，工作在 5GHz 频段下的 802.11ac 协议，允许使用 80MHz 甚至 160MHz 的频宽，以进一步提高传输速率。此外，由于 5GHz 频段的可用频率范围不是连续的，802.11ac 还定义了 80+80MHz 的跨区域频宽组合方式，等效于 160MHz 。

当然，以上只是 FCC 和 802.11 协议族的定义，实际有哪些频道可用，还受到国家规定的限制。

下面来看国家规定。根据《中华人民共和国工业和信息化部令 ( 2018 年 第 46 号 ) 》所颁布的最新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》( 2018 年 7 月 1 日起施行 ) ：

在 2.4GHz 附近，标记为 [业余] 的频率范围，也就是开放使用的频率范围，大致是 2300~2450MHz 和 2450~2483.5MHz ，基本涵盖 802.11 族在 2.4GHz 频段所使用的频道 1~13 ( 中心频率从 2412MHz 到 2484MHz ) 。

而在 5GHz 附近，标记为 [业余] 的频率范围，主要是 5650~5725MHz 、5725~5830MHz 、5830~5850MHz ，大致是 802.11 族在 5.8GHz 频段所使用的频道 149~165 ( 中心频率从 5745MHz 到 5825MHz ) ，以及在 5.6GHz 频段所使用的频道 132~140 ( 中心频率从 5660MHz 到 5700MHz ) 。另外，需要指出的是，我国是在 2016 年左右开放了频道 132~140 所使用的频谱资源，目前上市的国行产品大多还是沿用旧规定，即：在不解锁的前提下，仍然只支持频道 149~165 。

综上，根据现行规定，我国 5GHz 频段的可用频带范围，差不多是 ISM 2.4GHz 可用频带范围的两倍。

基于 802.11ac wave-2 协议 ( 工作在 5GHz 频段 ) ，通过使用其所支持的 160MHz 频宽 ( 80+80MHz ) ，可以做到 2 倍于 80MHz 频宽的传输速率 ( 1733.333Mbps / 866.667Mbps = 2 ) ；相比而言，即使不考虑干扰，2.4GHz 频段总共也只有 84MHz 或 100MHz 可用，实际更是只定义了 40MHz 的扩展频道，而 80MHz 频宽又可以做到 2.17 倍于 40MHz 频宽的传输速率 ( 866.667Mbps / 400Mbps = 2.17 ) 。

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问题到此已经回答完了。但是，题主可能会追问：为什么上一段的计算结果是 2 和 2.17，并不都是 2 ？感兴趣的话，继续往下看吧：

如何计算 802.11 协议族的理论传输速率？为了计算理论传输速率，先介绍以下概念：

• 频宽 ( spectral bandwidth ) 和 频分复用 ( frequency division multiplexing )

频宽前面已经讲过了。当频宽一定，通过使用频分复用技术 ( 如 DSSS / OFDM / OFDMA ) ，可以进一步提高传输速率。具体而言，频宽和频分复用技术，影响的主要是子载波数 ( number of subcarriers ) ，子载波数又进一步决定了数据子载波数 ( number of data subcarriers ) ，相当于被实际用于数据传输的通道数量。

• 子载波间距 ( subcarrier spacing )

单位千赫兹 ( KHz ) ，决定了频率周期，和 符号时间 ( T_{IFFT} ) 是倒数关系，即：

T_{IFFT}=1/f=1/(Subcarrier/,Spacing)

802.11a/g/n/ac 的子载波间距为 312.5KHz ，802.11ax 为 78.125KHz 。计算出的 T_{IFFT} 代表的是经过了逆向快速傅里叶变换 ( Inverse FFT ) 的有效符号时间，如图：

• ( 时间 ) 保护间隔 ( time guard interval )

保护间隔也称 GI ，是两次传输之间用于保护频带 ( guard band ) 的时间，用符号 T_{GI} 来表示。

802.11a/g 协议的 T_{GI} 为 0.8/mu s ；

802.11n/ac 协议所定义的 T_{GI} 有 0.4/mu s 和 0.8/mu s 两种，前者称为短保护间隔 ( Short GI ) ，后者称为长保护间隔 ( Long GI ) ；

802.11ax 协议所定义的 T_{GI} 有 0.8/mu s 、 1.6/mu s 和 3.2/mu s 三种。

T_{GI} 与 T_{IFFT} 合并得到拓展符号时间 T_{S} ( extended symbol time ) ，相当于总的符号时间。

• 符号率 ( symbol rate )

符号率反映了每秒发送的符号数，符号率在数值上等于子载波间距，但单位不同 ( 子载波间距用 KHz ，符号率用 symbols per second ) 。

进一步地，由于 /frac{T_{IFFT}}{T_{S}}/in(0,1) 表示有效符号时间占拓展符号时间的比例，那么 Symbol/,Rate/times/frac{T_{IFFT}}{T_{S}} 就代表每秒所传输的有效符号数。

• 空间流 ( spatial streams )

从 802.11n 协议开始，允许同时使用多个空间流进行数据传输 ( MIMO ) ，而不是 802.11a/g 只支持的单空间流 ( SISO ) ，MIMO 与 SISO 的传输速率呈现线性比例关系，取决于空间流的数量。

• 通带调制 ( passband modulation )

通带调制技术也称带通调制或载波调制技术。当前 802.11 协议族所使用的通带调制技术包括 BPSK 、QPSK 、16-QAM 、64-QAM 、256-QAM 、1024-QAM 等，今后会进一步使用 4096-QAM 、16384-QAM 、…… 在这里，m-QAM 的 m 指的是调制阶数 ( modulation order ) ，它和每符号数据比特率 ( bits per symbol ，或者称为编码位数 ) 是对数关系，即：

Bits/,Per/,Symbol=log_{2}(Modulation/,Order)

例：64-QAM 指的是每符号含有 6 位数据比特 ( 6 bits per symbol ) ，256-QAM 指 8 bits per symbol ，以此类推。另外 BPSK 和 QPSK 分别指 1 bit per symbol 和 2 bits per symbol 。

• 调制技术的编码率 ( coding rate ) ，以及其与传输容错率的关系

编码率决定了有效编码位数的比例，如 1/2 、3/4 、5/6 等。例如 5/6 表示每 5 位编码使用 1 位冗余码。当调制阶数越低、冗余位越多，传输的容错率越高，越能够应对信号质量较差的情形 ( 让接收方能够正确地解调 ) ；相反，调制阶数越高、冗余位数越少，容错率越低，但传输速率更高。

• 调制与编码策略索引 ( Modulation and Coding Scheme Index )

为使通信双方可以根据当前信噪比，动态使用最优的调制技术和编码率，以平衡传输速率和容错率，802.11 协议族预先定义了 MCS Index ，内容参考这个链接：

基于以上一堆参数，可以给出 802.11 协议族下 WLAN 理论传输速率的计算公式：

Data/,Rate=Bits/,Per/,Symbol/times Coding/,Rate/times Number/,of/,Data/,Subcarriers/times Symbol/,Rate/times/frac{T_{IFFT}}{T_{S}} /times Spatial/,Streams 最后，作为示例，计算一些常见的情形，从远古时期的 802.11g 一路到未来的 802.11ax ：

• 802.11g 协议，64-QAM 调制，3/4 编码率，20MHz 频宽 ( OFDM ，48 条数据子载波数 ) ，1 空间流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(6bits / symbol / subcarrier)/times /frac{3}{4}/times 48subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.8/mu s}} /times 1=54Mbps

经典的 802.11g 54Mbps ，还有印象吗？

• 802.11n 协议，64-QAM 调制，5/6 编码率，20MHz 频宽 ( OFDM ，52 条数据子载波数 ) ，1 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(6bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 52subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 1/approx72.222Mbps

是不是经常被 802.11n 的 72Mbps 弄得很恼火？明明买的是 300Mbps 路由器。事实上，这正是通信双方仅仅使用了 20MHz 频宽，且未开启 MIMO 的原因 ( 从驱动、网卡硬件规格、兼容性等方面排查 ) 。

• 802.11n 协议，64-QAM 调制，5/6 编码率，40MHz 频宽 ( OFDM ，108 条数据子载波数 ) ，2 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(6bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 108subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 2=300Mbps

使用 40MHz 频宽，并且开启 MIMO ，我们得到了正常的 300Mbps 。

• 802.11n 协议，256-QAM 调制 ( 也称作 Turbo-QAM ) ，5/6 编码率，40MHz 频宽 ( OFDM ，108 条数据子载波数 ) ，3 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 108subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 3=600Mbps

部分高端路由器会支持 Turbo-QAM ，也就是借助更高阶的调制 ( 超出 MCS Index 的定义 ) ，( 8bits - 6bits ) / 6bits = 0.333 ，来获取约 33.3% 的传输速率提升。Turbo-QAM 需要通信双方都支持才可以启用。

• 802.11ac 协议，256-QAM 调制，5/6 编码率，40MHz 频宽 ( OFDM ，108 条数据子载波数 ) ，2 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 108subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 2=400Mbps

如果 802.11ac 被迫工作在 40MHz 频宽下，性能会极大地被限制 ( 香农-哈特利定理再次应验 ) 。

• 802.11ac 协议，256-QAM 调制，5/6 编码率，80MHz 频宽 ( OFDM ，234 条数据子载波数 ) ，2 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 234subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 2/approx866.667Mbps

常见的 802.11ac 866.667Mbps 。如果用 866.667Mbps / 400Mbps ，就得到了上面的 2.17 。

• 802.11ac 协议，256-QAM 调制，5/6 编码率，80MHz 频宽 ( OFDM ，234 条数据子载波数 ) ，4 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 234subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 4/approx1,733.333Mbps

• 802.11ac 协议，256-QAM 调制，5/6 编码率，160MHz 频宽 ( OFDM ，234+234 条数据子载波数 ) ，4 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (234+234)subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 4/approx3,466.667Mbps

这是 802.11ac wave-2 产品在 256-QAM 和 4*MIMO 下的极限速率。类似地，通过引入 1024-QAM ，( 10bits - 8bits ) / 8bits = 0.25 ，也可以获得 25% 的提升。这种类似于 Turbo-QAM 的高阶调制模式，被相应称为 Nitro-QAM 。

• 802.11ac 协议，256-QAM 调制，5/6 编码率，160MHz 频宽 ( OFDM ，234+234 条数据子载波数 ) ，8 空间流，GI = 0.4us ：

Data/,Rate=(8bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (234+234)subcarriers/times 312,500symbols/sec /times/frac{3.2/mu s}{{3.2/mu s+0.4/mu s}} /times 8/approx6,933.333Mbps

• 802.11ax 协议，1024-QAM 调制，5/6 编码率，80MHz 频宽 ( OFDMA ，980 条数据子载波数 ) ，2 空间流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times 980subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 2/approx1,200.980Mbps

• 802.11ax 协议，1024-QAM 调制，5/6 编码率，160MHz 频宽 ( OFDMA ，980+980 条数据子载波数 ) ，2 空间流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (980+980)subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 2/approx2,401.961Mbps

• 802.11ax 协议，1024-QAM 调制，5/6 编码率，160MHz 频宽 ( OFDMA ，980+980 条数据子载波数 ) ，4 空间流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (980+980)subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 4/approx4,803.922Mbps

• 802.11ax 协议，1024-QAM 调制，5/6 编码率，160MHz 频宽 ( OFDMA ，980+980 条数据子载波数 ) ，8 空间流，GI = 0.8us ：

Data/,Rate=(10bits / symbol / subcarrier)/times /frac{5}{6}/times (980+980)subcarriers/times 78,125symbols/sec /times/frac{12.8/mu s}{{12.8/mu s+0.8/mu s}} /times 8/approx9,607.843Mbps

最后，我们得到了未来 802.11ax 协议的理论传输速率 9,607.843Mbps ( 基于当前的 802.11ax 草案 ) ，与 2.4GHz 频段加在一起，大概接近 11,000Mbps ，这也是华硕 GT-AX11000 路由器所宣称的"万兆无线"的由来。