2.4GHz 和 5GHz 有何差異?為什麼搜不到 5GHz 無線網路?搞懂 Wi-Fi 無線區域網路 11 個重要觀念

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 21 日 0:00 | 分類 網路 , 網通設備 follow us in feedly

手機、平板、多合一等行動裝置崛起,讓人逐漸重視與加速建置無線資料傳輸技術,畢竟擁有行動力就必須擺脫有線的束縛,促使公眾 4G 行動通訊技術規格快速進步,家中各種 3C(加上運輸工具就是 4C)設備也隨著多樣化的娛樂形式,產生連結上網的需求。



這時 Wi-Fi 無線區域網路傳輸技術藉著低廉價格和適切的傳輸距離與速度,相當適合做為家中寬頻網路與行動裝置之間的連結技術。802.11ac 無線網路規格產品釋出後,更引進多種創新技術,不僅讓傳輸速度一舉超越當代家庭有線網路主流速度 1Gbps,還改善了多個裝置同時連結與傳輸的資源利用率。面對這股無線網路浪潮和眾多技術內容,這裡整理了 11 個最常見的問題和說明,以淺顯方式釐清一般使用者的疑惑。

觀念 1:2.4GHz 和 5GHz 有何差異?

自從支援 802.11ac 無線網路規格產品正式進入消費市場後,5GHz 這個頻率標示的能見度就大幅提升,因為 802.11ac 無線網路規定僅能使用這個頻率運作。事實上早於 802.11ac 之前,802.11a 和 802.11n 就能利用 5GHz 頻率,讓裝置之間相互傳送訊號,只是都因為成本考量並不普及;802.11a 與當時主流 100Mbps 有線網路相比貴上許多,802.11n 雖然可以使用 2.4GHz 或是 5GHz,卻因為前者較經濟,致使大多數產品僅選擇 2.4GHz。

所謂頻率,也就是事物的變化週期,變化週期在 1 秒以下的單位通常使用 Hz,譬如台灣交流電頻率 60Hz,代表 1 秒之內電線內部電流流向會改變 60 次。同理,2.4GHz / 5GHz 就是無線電波每秒會改變 10 億次,G 代表國際單位詞頭,為 1,000 的 3 次方,念做 giga,中文為「吉」。至於為何選擇 2.4GHz 和 5GHz,這是因為國際上有個 ISM 頻段共識,將部分無線電頻率免費開放給工業(Industrial)、科學(Scientific)、醫學(Medical)類別使用,無須額外特許證照或費用。

就無線電波的物理性質比較 2.4GHz 和 5GHz,前者能傳輸的距離較遠,或者反過來敘述,同樣距離下 2.4GHz 的訊號品質比較好。只是越方便、越好的頻率也就越多人用,大家應該都有收到鄰居家無線網路訊號的經驗,其他如無線電話、遙控器等產品也會使用。用來加熱食物的微波爐、製造品質低落 USB 3.1 Gen 1 的產品也會干擾 2.4GHz。

觀念 2:為什麼搜尋不到 5GHz 無線網路?

既然 802.11ac 有運作頻率區段較少干擾和規格速度提升等優勢,那為何我的 802.11ac 相容設備找不到 802.11ac 無線網路路由器的訊號?明明就是新買的產品,該不會好人力量爆發買到機王?個問題的癥結點在於美國 FCC(類似台灣 NCC 機構)放寬 5GHz 頻段使用限制所導致,而台灣法規很大部分是參考美國,導致新舊產品使用頻率範圍不一致。

雖然我們一般都稱 5GHz 使用頻率,實務上大約從 5.1GHz~5.9GHz 這之間的頻率均可以使用。802.11a、802.11n、早期 802.11ac 無線網路產品,使用的 5GHz 頻率大約是 5.735GHz~5.835GHz 之間,因為這個頻段的相關技術限制最少,發射功率相對較高(1W);少數產品額外支援 5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz,因為這兩個頻率區段原本就有衛星訊號傳輸和機場氣象雷達在運作,為避免影響衛星與飛航安全,無線網路若是以此頻率傳輸,需要額外增加一些控制機制和認證,發射功率也低許多,大多數廠商覺得不符合經濟效益,也就直接拋棄支援性。

後來因為 802.11ac 無線網路及後代規格需求,FCC 放寬 5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz 的發射功率上限,使其接近或等同於 5.735GHz~5.835GHz 的發射功率。且 802.11ac 規格支援連續使用 160MHz 頻寬,唯有 5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz 可各自容納一組 160MHz,5.735GHz~5.835GHz 之間僅能放入一組 80MHz,可見適度開放有必要性。

略嫌困擾的是開放時程位於 802.11ac 首波產品大量進入市場之後,造成同樣支援 802.11ac 的產品卻支援不同運作傳輸頻率的狀況。當運作頻率不同,裝置與裝置之間自然也就溝通不良找不到彼此。此時可以進入無線路由器的管理介面,將頻率手動固定在 5.735GHz~5.835GHz 之間,或是選擇 149~165 頻道,如此讓舊款 802.11ac 產品可找到無線網路並連結。

觀念 3:避免干擾!選個絕佳運作頻率

這幾年生產 802.11ac 無線網路晶片的製造商變多,市場競爭下越來越便宜,且不僅 802.11ac 雙頻無線路由器的價位掉到新台幣千元以下,甚至連前代 802.11n 產品價格也相當親民,或是加入高功率、高增益天線為特色。廠商相互競爭受惠的就是消費者,能利用有限的預算購置規格更高的產品。

產品價格下降,同時也就代表著進入更多人能負擔的價格帶,家中很有可能因為格局配置影響而購入多組無線網路產品(變壓充電器+手機+網路=無限如廁時間),同時也會受鄰居的無線網路訊號干擾。為了對應這種狀況,我們可以手動利用有的 Android 行動裝置,進入 Google Play 市集搜尋「WiFiAnalyzer(open-source)」並安裝。相較其他類似功能的軟體,這款 App 不會要求奇怪的權限,也不含廣告。

預設畫面以表列方式顯示該空間可掃描到的無線網路,建議讀者點選畫面左上方的選單圖示,選擇「頻道評分」或是「頻道圖」觀察各組頻道頻率的佔用情形,在「頻道評分」獲得越多顆星星,或「頻道圖」越少無線網路名稱的頻道,都是適合選擇的頻道,接著進入無線網路路由器的網頁管理介面變更,就能有較順暢的連線品質。

部分無線網路路由器相當貼心,管理介面直接提供自動選擇頻道頻率功能,掃描後自行選擇干擾較少的頻道運作,替使用者省下手動操作的麻煩。實際應用時有個小地方需要注意,部分產品的自動選擇機制每隔一段時間就會重新執行,執行期間很有可能造成無線網路連線中斷,若遇到這種狀況,不妨將首次安裝後自動選擇的頻道記錄下來,接著再取消自動選擇,改以手動方式輸入頻道。

中高階同步雙頻以上規格的無線路由器,近來也推出自動分流 Smart Connect 功能,把原本 2.4GHz 和 5GHz 各自分離的無線網路統一管理。當一台設備連結至無線路由器時,無線路由器將根據這台設備的相關連線資訊,如無線網路規格、支援頻率、訊號強度等,引導該裝置至最佳的連線頻道。如此一來即可最佳化無線路由器與各個連線裝置的速率,避免新、舊無線網路規格混用導致傳輸速率大幅下降,也能夠達成近距離使用 5GHz,移動至遠距離時自動切換 2.4GHz 的漫遊功能。

2.4GHz / 5GHz 自動切換分流功能對廠商來說也是新事物,偶爾也會有「凸槌」的時候,譬如切換至 2.4GHz 後就再也沒有辦法切回 5GHz,即使距離無線路由器不到 1 公尺也是如此。此時請善加利用韌體更新功能,藉由上市之後收集使用者的回饋加強判斷能力,改善自動切換分流功能的規則定義,通常會有一定程度的改善。

觀念 5:什麼是高增益與主動式天線?

回答高增益這個東西之前,首先要來了解什麼是「增益」,增益的英文為 gain,也就是增加、增幅、獲取的意思,電子電路裡指的是輸入訊號與輸出訊號的比值,譬如輸出電壓經過放大器之後變為輸入電壓的 2 倍,這個放大器就具有 2 倍電壓增益。

「高」這個形容詞並非絕對值而是相對值,比較對象基準為無線網路裝置隨機附贈的天線增益值,隨機天線增益值大多數採用 2dBi~5dBi 之間,比這個數值還要大的天線都可以稱做高增益天線,譬如 7dBi、9dBi。一般 3C 商店買到的無線網路天線都屬於被動式零件,相較於主動式零件需要加裝額外的電力來源,被動式因為沒有額外能量來源放大訊號,所以採用截長補短策略,把原本均勻朝向上下四周散發的電波訊號,擷取上下方訊號用以補強四周。

天線的增益值單位 dBi 就是和完全均勻散發訊號的天線相比之值,越高增益值代表天線越能集中能量往部分方向發射,其他方向的訊號反而會變弱,因此天線的增益值並非越高越好,而是需要視實際應用環境空間而定。

Netgear Nighthawk X8 R8500 發表之後,就把主動式天線技術帶入家用無線網路路由器設計,主動式天線可在相當靠近訊號接收處就放大訊號,避免行動裝置發出的微弱訊號傳遞至無線網路晶片之前,就因為傳輸路徑和機身其他電磁干擾影響訊號品質。由於主動式技術需要額外連接電源,也就沒辦法設計成可更換式天線設計,無法與市面獨立販售的無線網路天線相容。

觀念 6:MIMO 多組天線收發讓速率倍增

無線網路規格演進隨著 802.11後綴的英文字母排列,現今主要流通的規格有 802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac 等,其中 802.11n 新增一項讓連線傳輸速度倍增的重要功能,MIMO(Multi-Input Multi-Output)多輸入多輸出功能,相互連結的雙方將傳輸資料打散,分別透過多組天線傳輸,達成單一天線傳輸時的 N 倍。N 就是同時用來傳輸的天線數量,802.11n 規定最高為 4 組,802.11ac 則倍增為 8 組。

802.11n 單組天線最高可以達到 150Mbps 的連線速率,所以 4 組天線就乘以 4 倍變為 600Mbps;802.11ac 單組天線最高為 867(866.6)Mbps,8 組天線則將近有 7Gbps 的吞吐量,只是 802.11ac 規定兩裝置之間最多僅能使用 4 組天線,因此想要達成 7Gbp 就必須使用 3 個裝置,其中一個裝置具 8 組天線,剩餘兩個裝置各自具備 4 組天線,與前者連接即可達成 3.467Gbps 加上 3.467Gbps。

MIMO 技術還包含多組天線傳送同一份資料的分集技術,通常應用在雙方天線數量不對等的情況下,譬如無線路由器具備 4 組天線,而手機僅有 2 組天線的使用情境。此時無線路由器就可以將天線分成兩個群體,單一群體包含 2 組天線發射或接收相同的資料,對手機來說就是加強訊號傳輸與接收的品質,另一種說法就是維持相同的連線速率,但兩者傳輸距離可隔得更遠。

802.11ac 推出後同步雙頻無線產品數量大增,部分產品採用 2.4GHz 與 5GHz 天線合一形式,部分產品改採 2.4GHz 與 5GHz 天線各自獨立,更有採用以上兩種方式複合的設計,因此利用天線數量估算該產品最大連線速率並不合宜,尚須廠商提供速率資訊相互印證。但就整體而言,天線數量的多寡確實可以影響連線品質,以數量多的產品為佳。

觀念 7:Beamforming 波束成型集中能量傳輸

各位讀者應該都有下雨時盯著路邊小水漥的經驗吧,看著雨滴濺起一陣陣漣漪相互交錯、反射。Beamforming 波束成型應用的就是此類原理,多組天線發射出來的無線電波相互影響,各組波型訊號在空間內疊加、抵消、干涉,經過運算控制之後讓連線溝通雙方所在區域的波型疊加,波型疊加也就代表訊號強度增強、品質提升,傳輸距離更遠、速度更快。

802.11n 無線網路規格開始引進波束成型,只是當時開放數種實作方法,各家無線網路晶片製造商因為成本、市場等各種考量因素,各自擁戴不同標準,造成當時只有自家晶片相互連接時能開啟使用,與其他廠商晶片互不相容的窘況。802.11n 後繼者 802.11ac 就大幅簡化波束成型的標準,如此一來各廠商和各款晶片之間的波束成型相容性大幅提升。

部分無線網路產品的設定頁面,使用者還可看到顯式(explicit)與隱式(implicit)這兩種分類,顯式為 802.11ac 採用的唯一標準,發送者會向接收者傳輸一組專門用來矯正波束成型的資料,接收者再依據此資料運算一回饋資料傳送回去給發送者,發送者即可利用此回饋資料加強波束成型的效果與正確性。為了讓 802.11ac 之前或不支援的無線網路裝置也享有波束成型優點,隱式可在此發揮作用,這時候因接收者不相容或不支援,發射者僅能透過收集接收者平時回傳的資料,運算並猜測何種波束成型數值較適用,因此效果會比顯式稍微差一些,但卻是相容過去的無線網路標準全體適用。

台灣有販售的小米路由器 Pro 價格便宜,又同時支援 MU-MIMO 功能,讓該產品在網路討論區的熱度不減;MU-MIMO 技術需要以 MIMO 和 Beamforming 波束成型為基礎,所以對這兩項功能還有疑問的讀者,請動動你的玉手翻頁回去再看幾次加深印象。

傳統上無線網路路由器若要與連接的多個裝置相互構通,會將時間切成許多小片段,每個片段僅能讓一個裝置傳輸資料;實際使用時並無法感受到傳輸時間被切割了,因為這個片段小到人類無法察覺,讓人以為無線路由器和各個裝置同時間相互在傳輸資料。

MIMO 前綴 MU 英文字母表示 Multi-User 多使用者的意思,導入這技術就可以藉由 MIMO 和波束成型技術將多組資料同時發送給多個裝置,此技術旨在解決各裝置間收發天線數量差異過大,導致整體傳輸頻寬浪費的問題。譬如手邊有一組 4 天線收發無線路由器和 3 個單一天線的裝置,以往路由器在同一時間僅能對一個裝置傳輸資料,相當於浪費其餘 3 支天線的傳輸頻寬,導入 MU-MIMO 就可以同時對 3 個單一天線裝置傳輸資料,不僅頻寬利用效率提升了,連線裝置獲得資料的延遲時間也下降了。若要使用 MU-MIMO 功能,則連線雙方都必須支援此功能才行,首批採用 802.11ac 無線網路標準的設備並無法使用,且使用時依據天線數量有所限制,譬如 4 天線無線路由器最多能同時向四個單一天線裝置傳輸資料,或是兩個雙天線裝置,或是一個 3 天線裝置加上一個單天線裝置,以此類推。

802.11ac 導入的 MU-MIMO 目前僅支援下載傳輸方向,一般而言就是無線網路路由器往各裝置傳輸的方向,各裝置往無線路由器傳輸的上傳方向尚未支援,改以傳統 MIMO 方式傳輸,不過下一世代 802.11ax 標準將會導入實作,屆時兩種方向均可達成多裝置同時傳輸。

觀念 9:高階 802.11ac 產品卻沒有應有的速度?

從消費市場第一台 802.11ac 裝置 Buffalo WZR-D1800H 無線路由器上市,掐指一算已經 5 年過去了,這期間經歷不少產品世代更迭,從一開始只有 Broadcom 無線網路晶片可選擇,近期國產品牌 Realtek 和 MediaTek 的無線網路晶片也逐漸出現在產品中並同時拉低販售價格,如今 5GHz 連線速度可達 1,733Mbps 的小米路由器 Pro 價位不到新台幣 2,500 元,當年速度只有 1,300Mbps 卻要價新台幣 7,000 元以上。

連線速度寫得很好看,但已經購買此類高階 802.11ac 產品的使用者應該會發現,實際傳輸檔案的速度並不會這麼高,連線雙方都是 4 組天線傳輸規格,表現最好卻只有 110MB/s 左右,照理推測換算 1,733Mbps 應該有 200MB/s 以上的速度表現,這中間的差異到哪裡去了?

這其中奧妙來自有線網路規格已跟不上 802.11ac 無線網路,目前家用最高階有線網路還停留在單向 1Gbps 也就是 1,000Mbps,與目前高階 802.11ac 無線網路產品的 1,733Mbps 相互比較,差距將近有 750Mbps 之多,因此目前高階 802.11ac 無線網路產品的主要傳輸瓶頸落在有線網路身上。廠商也並非不知道這個問題,例如 Netgear 就推出包含 10Gbps 有線網路的 Nighthawk X10 R9000 無線路由器,但價位就不是人人可接受,一張網路卡就要價接近萬元。當然這並不代表多天線 802.11ac 產品沒路用,多天線依然有加強訊號品質的效果。

因為 10Gbps 有線網路的價位一時間還無法降低,就有廠商推出 2.5Gbps 及 5Gbps 規格,相較 1Gbps 雖然還是貴了些,卻不用勒緊褲帶到攔腰折斷的程度。2.5Gbps 和 5Gbps 的網路卡已上市,無線路由器預計今年底到明年就可看見採用此規格的家用產品。

觀念 10:什麼?無線網路也可以玩超頻!

超頻這件事套用在無線網路裝置上似乎有些不可思議,不過確實有無線網路晶片商這麼做,以超越 802.11ac 規格定義的數值運作。開出第一槍的廠商為 Broadcom,若是將支援 802.11ac 5GHz 的無線網路晶片挪至 2.4GHz 頻段使用,則可利用 802.11ac 其中一項 256-QAM 調變特性加諸在 802.11n 規格上,單天線頻寬可從 150Mbps 提升至 200Mbps,4 天線即為 800Mbps,並以 TurboQAM 名詞行銷該技術,目前已有其他多家廠商跟進支援相同的運作方式。QAM 調變技術對於一般使用者可能難以理解,只需要記得 QAM 前綴的數字越大,單位時間內可傳輸的資料量越多。

第二槍也是 Broadcom 開的,最新款無線網路晶片不僅支援 802.11ac 規格最高 256-QAM 調變,更增加 1024-QAM 調變能力,除了用在 802.11ac 支援的 5GHz 之外,802.11n 的 2.4GHz 也可以使用。如此一來 802.11n 單天線頻寬再度增長至 250Mbps,802.11ac 單天線頻寬躍升為 512Mbps 左右。目前僅有 Broadcom 和 Quantenna 在自家無線晶片支援 1024-QAM,Broadcom 以 NitroQAM 名詞包裝行銷。

無論是 TurboQAM 或是 NitroQAM,都需要新款無線網路晶片才能支援,先前所推出的 802.11n 規格無線晶片無福消受。且根據筆者實測經驗,欲達到 TurboQAM 和 NitroQAM 的傳輸速度,連線雙方的距離必須保持在數公尺之內,且中央不得有遮蔽物,應用條件頗為嚴苛。此技術實際受惠者為具備單天線或是雙天線的行動裝置,不必導入更複雜的多天線設計就能提升連線速度,另外就是廠商的技術宣示,比別人更早一步實作更高階的調變技術,表示該廠的研發能力不容小覷,在數大便是美的行銷時也是贏家。

觀念 11:三頻無線路由器是哪三頻?

802.11ac 無線網路規格使用5GHz 頻段進行資料傳輸,此頻段依據時間往前推進尚有 802.11a 和 802.11n 可使用該頻段,大多數支援 802.11ac 的無線產品也會保有向下相容性支援 802.11a 和 802.11n。這 3 種無線網路標準速度差異極大,802.11a 最快為 54Mbps,而 802.11n 和 802.11ac 單天線收發分別為 150Mbps 和 433Mbps,當這 3 種規格混合使用時容易導致傳輸效率不彰,高速 802.11ac 無線裝置無法發揮應有的效果。

適逢美國 FCC 放寬 5GHz 頻段的功率限制,廠商便利用 5GHz 頻段間不同頻率區域分別容納不同的無線網路標準。多數廠商於 5GHz 頻段安排 2 組無線網路晶片,5.17GHz~5.33GHz、5.49GHz~5.71GHz 用來容納 802.11ac 裝置與高速多天線 802.11n 裝置,5.735GHz~5.835GHz 則容納 802.11a 與低速 802.11n 裝置,藉由將新舊、高低速裝置依據頻率分組,盡量降低高速裝置被低速裝置拖累的情況。搭配前幾頁提到的自動分流功能,使用者只要讓手中的裝置連上無線路由器,至於該使用哪個頻率就讓機器自行協調。

除了 2.4GHz+5GHz+5GHz 這種結構的三頻無線路由器,近來也出現 2.4GHz+5GHz+60GHz 這種頻段組合,60GHz 所使用的無線網路標準為 802.11ad,或許讀者對它另外一個名字 WiGig 比較有印象,先前與 WirelessHD 在短距離提供數 Gbps 傳輸速率的應用情境相互競爭,之後 WiGig 聯盟併入 Wi-Fi 聯盟共同推動60GHz。

802.11ad 單天線連線速度最高可達 6.7Gbps 左右,比 802.11ac 還要快,只是 60Hz 頻段相當不利大範圍傳輸,實際應用環境大約一個房間大小,且對環境事物移動十分敏感,連線裝置之間若有人經過很容易讓傳輸速度下降,比較類似 USB 3.1 Gen1 的無線版本。在台灣發售相容產品也不多,以 Netgear Nighthawk X10 R9000 為代表性產品。或許依照 Qualcomm 在行動產業的影響力,未來會有數款手機支援該標準。

(本文由 T客邦 授權轉載)