無線與有線網路測速之差異

結論

無線網路相比有線網路受到更多因子影響,導致實際的無線速率相比理論數值有一大段落差,這是「正常」現象,並非是無線設備的問題。

以下是無線速率比有線速率慢的主要原因:

  1. 無線傳輸使用更多CPU計算
  2. 無線訊號傳輸的介質(空氣)並沒有受到保護屏蔽而易受干擾
  3. 無線傳輸使用天線收發訊號,因此天線組數目,距離遠近都會明顯影響速率表現
  4. 無線傳輸是半雙工而有線傳輸是全雙工
  5. 測速只使用一Session,無法發揮無線傳輸的空間多工特性

一個合理的無線速率應落在理論值七成左右,隨著理論值越高,合理速率成數越低。

峰值速率越高,對於無線傳輸的負荷與使用體驗都會有所改善。這幾年對外頻寬速率更上一階,家用300Mbps、商用1Gpbs,更換設備提升WiFi等級能享用更便捷的無線體驗。

覺得無線測速慢多半不屬於設備問題,大多數是因為「不瞭解」無線傳輸的原理,所以覺得這落差值不合理。

目前Wi-Fi6已經能提供便捷快速且好用的無線網路環境,使用者需要的是日常操作上傳下載能更快更方便,4K串流約需要30Mpbs,拖拉NAS檔案跑到300Mpbs對於非影像工作者也很夠用。

無線速率提升面臨困境,比起規格提升(Wi-Fi 5 到 Wi-Fi 6),頻段增加的效益是非常顯著的,目前無線使用頻段面臨不夠寬、不夠穩定,處於飽和狀態,沒有一個穩定可用的160MHz。期待臺灣早日開放Wi-Fi6E頻段,將會提供有穩定的160MHz,常見的1Gbps就能輕易被榨乾,讓無線使用體驗有新次元的提升。

因為困境與設備支援度,臺灣目前Wi-Fi 6常見且環境優良的理論網路速率是1200Mbps,1200Mbps怎麽計算而來的?在80MHz頻寬內,進行1024QAM的MCS索引11方案調變(600Mbps)且有2個空間多工(*2)。

80MHz頻寬是臺灣目前能使用的最寬的穩定的。1024QAM是Wi-Fi 6的調變方案,簡單來說,就是一個符號可以表示1024bit,換算2進位長度是10,一個符號傳輸時間是傳送10bit。MCS索引會根據訊號品質調整,品質越好會採用更高的索引,能用最高的索引也表示處在一個傳輸良好的環境。2個空間多工通常是無線客戶端使用2×2天線無線網路卡規格。

看到上一段,會覺得無線傳輸速度的構成比起有線網路還複雜許多,這也是不易與使用者的原因,因為他們概念與觀點還在「有線」,用有線的觀點去看無線網路,就不會正確解讀。我們應該以看待行動上網的概念去看待無線網路,即便5G極速標明說可達1Gbps,實測往往與極限速度有一大段落差,即便測速得到200Mpbs,基於環境條件差異,也不代表沒提供可達1Gbps。

回到正題,以下會一一闡述五個造成無線測速與有線測速的差異

無線傳輸使用更多CPU計算

一般資料存放在硬碟中,然後讀取到記憶體,接著透過網路卡與介質傳送。有線網路的介質是網路線,網路線有四對絞線,絞線可以避免電磁變化造成干擾影響。資料本身在主機內是以電傳遞,因此透過有線網路傳出資料,是不需要進行介質轉換,不需要大量計算,有線傳輸是幾乎不佔CPU使用。

而無線就會牽涉到介質轉換,不管是電轉成電磁波傳出或是接收電磁波去還原成電訊號,都需要計算,前者將資料形態轉換,後者還原校正訊號變成資料。發送電磁波也需要提供能量,因此會明顯比有線耗電許多。

即便是現今,高速無線傳輸也會明顯佔用CPU,CPU運算會產生廢熱,會有散熱問題。所以Access Point越來越大台,把散熱機構做好才能讓CPU不成為傳輸瓶頸。

除了AP之外,終端設備也是關鍵。如果運算力不足或是省電模式,也會影響到無線測速速率。

無線訊號傳輸的介質(空氣)並沒有受到保護屏蔽而易受干擾

網路線透過絞線與屏蔽去降低干擾,但是無線傳輸沒有。

無線傳輸在空氣中,一方面隨著距離變遠而造成訊號強度減弱,另一方面空氣並不是專屬誰使用,人要呼吸空氣,走動會擾動空氣,隔壁也有無線訊號發出,其實無線訊號在空氣中到處都是,時時刻刻充滿著。

雖然我們以特定頻率去切割出頻道,但是卻不能保證說其他使用或擾動不會出現。更高的傳輸速率是需要更高的訊號品質,一旦被干擾而讓資料片段毀損,就需要再重新傳一次,會嚴重降低速率。

這也是為什麼理論速率越高,實際表現可能發揮的成數越低。

無線傳輸使用天線收發訊號,因此天線組數目,距離遠近都會明顯影響速率表現

市售標無線速率都是最大速率,並不是常見速率。AP或無線路由器的最大速率受到空間多工影響明顯,因為空間多工是乘數,而空間多工數目一般會基於天線組數。

AP或無線路由器的天線組常見是2×2,更多是4×4甚至到8×8。這部份往往會揭露出來,容易忽略掉的是自己的設備,不見得會有那麼多天線組,可以發揮AP所有無線性能。

假如筆電只有2×2,AP是4×4,這時測速就會受限於筆電的2×2,測速結果並非是AP的真極限。要公平測AP無線極速,就需要拿台4×4去測4×4的速率,才能貼近該AP的無線表現。

無線訊號會隨著距離增加而減弱,更多天線可以幫助收訊去校正還原,如果訊號強度不佳,就不會使用最高等頻變方案,而會選擇該品質適合的頻變方案。

一般使用者只能看到接收(下載)端的速率,相對AP來說,使用者也是一個訊號源,也會決定一個上傳端的速率。

AP的無線功能往往比終端設備還要強,而溝通是來往的,終端設備不見得能跟得上AP。導致其實測速不佳,很有可能是終端設備的因素。

無線傳輸是半雙工而有線傳輸是全雙工

現實中這麼多干擾源,影響最大的是同頻干擾,就像說話對談,人聲是一個特定頻段,兩個人要是同時說話,兩個人的聲波會交疊,就會導致雙方都聽不清楚對方在說什麼。對方講話,等到對方講完,我再開始講我的,才能有效溝通。

無線傳輸也是如此,AP與終端設備之間,空氣可以讓雙方傳遞訊號給對方,但一時只有一個設備能發出訊號。

可雙向,一時只能一個方向傳輸的傳輸模式稱為「半雙工」。

有線傳輸的收端發端並不在同一條線,因此收發是可以同步進行的,收端不會影響發端,發端不會影響收端,都有專屬通道,就不需像無線要決定誰能發訊號。

可雙向,也能同時雙向傳輸的傳輸模式稱為「全雙工」。

測速的原理一般是使用TCP下載或上傳龐大的檔案或資料流,檔案要正確還原,就需要依照網路封包上的序號依序重組。在傳輸時,檔案接收端會回報目前收到哪個序號,發送端會從下一號開始。

在半雙工的無線傳輸,必須等到傳輸時間到才能發送回應或收到回應,全雙工的有線可以即時回應。無線傳輸來回時間比較久,因此無線測速更不容易將速率推上去。

測速只使用一Session,無法發揮無線傳輸的空間多工特性

何為Session?檔案傳輸前,會先經過溝通建立Session,接下來的資料傳遞,都會基於這個Session之中。可以把Session看來是一次連線,為了取得一個檔案。

而空間多工是可以同時傳遞的Session數,也是無線才獨有的特性。無線速率的組成,也有包含空間多工的部分,因此測速如果只有一個Session,將無法發揮空間多工帶來的速率翻倍。

現今的測速軟體,多半是建立在「有線」的思維,即使只有一個Session,也能發揮理論值。

測速數值還有區分是平均速度、最大速度或是位於前x%的瞬時速率,這些會影響結果呈現。對外頻寬是指對外的最大速率,以下載檔案時間去換算反而無法貼近這個值,但跟這個值落差太大,就會覺得有點怪怪的,所以弄清楚測速數字是採用何種統計數字是很重要的。

因此一個好的無線測速軟體,需要能發揮無線空間多工的特性,上傳下載都不能只是一個檔案,至少需要4個,以後甚至要8個,這部份隨著Wi-Fi規格提升會支援更多。

同時測速軟體,也應該使用最貼近對外頻寬的最大速度或是位於前x%的速度,而不是單純以一個大檔案下載為主。

使用者也應該對於測速軟體有基本瞭解,製作者會列一些注意事項,但使用者可能不會去詳細讀,導致誤認為該測速結果也能代表無線網路的能力。

後談

網路測速的結果僅供參考,無線網路速率變因許多,只憑一個網路測速,是無法代表AP或無線路由器設備有問題,有狀況需要維修或處理。

消費者可用測速軟體檢查廠家是否有提供相當的網路服務,而測速工具有適用處,理解測速只是反應單一實際可達的最大傳輸速度。

近來越來越大的頻寬,地端網路設備成為瓶頸逐漸凸顯。以往一個終端設備就能輕鬆榨乾對外網路的現象,後面可能越來越少出現,也許要兩三個設備同時使用才能表示榨乾網速。

時間在變化了,技術也在改變,觀念也得配合跟著改一改。是不是不要再看中速度的極致,因為速度的極致不止需要考量上述五點,通常還要準備強力設備,代價高昂,然後又發現不能代表大家使用體驗,花很多時間糾纏在歪路上。

我們應該要以使用體驗提升為主,以日常的使用去評估合不合用。