Wi-Fi是怎麼運作的？用電波傳送資料的方法與速度不同的原因
Wi-Fi是用電波連接手機、電腦與家中路由器的機制。它把0與1的資料換成電波波形的差異，再依照固定的輪流規則共用電波來傳送。速度取決於電波的寬度、波形分得多細、天線的數量，以及周圍有多擁擠。
這篇文章可以了解
- Wi-Fi負責的範圍，以及它和後面網際網路的關係
- 把資料放上電波的方法，以及2.4、5、6 GHz頻段的差異
- 大家共用電波的方法，以及各世代（Wi-Fi 4～7）的差異
- 包裝盒上的速度跑不出來的原因，以及安全又快速使用的訣竅
先備知識：不需要。先讀「網際網路怎麼傳送資料？」，會更容易看出彼此的關聯。
生活中的例子
打開手機的Wi-Fi設定，會列出附近網路的名稱。這個名稱稱為SSID。自己家的名稱，有時會出現2個，只有結尾不同。多半是一個給2.4 GHz頻段用，一個給5 GHz頻段用。
路由器的包裝盒上，寫著「最高2,402 Mbps」這類代表速度的數字。可是用測速App量，出來的數字卻小得多。下面依序來看原因。
Wi-Fi是「無線區域網路」標準的名稱
像家裡或公司內部這樣，在小範圍內連接設備的網路，稱為區域網路（LAN）。不用纜線、改用電波連接的區域網路，就是無線區域網路。
無線區域網路的規則，由工程師的國際組織IEEE訂為編號「802.11」的標準。第一版在1997年推出，速度最高每秒200萬位元（2 Mbps）。位元就是0或1的1個位數。
Wi-Fi是給這些802.11設備的名稱。業界團體Wi-Fi Alliance會測試設備，讓通過的產品使用「Wi-Fi」這個名稱。平常說「無線區域網路」和「Wi-Fi」，意思幾乎相同。
Wi-Fi負責的範圍，只到家裡的路由器
家裡的Wi-Fi，是手機和電腦用電波與1台主機交換資料。負責收發電波的主機，稱為存取點（AP）。家用的「Wi-Fi路由器」，多半是把存取點和路由器合成1台的設備。
路由器是在網路的交界處轉送資料的設備。路由器的另一側，用纜線接到光纖等線路。再往前，是提供網際網路連線的公司（網路服務供應商，ISP）的設備。
也就是說，Wi-Fi只負責最前面的一段。後面的機制，在「網際網路怎麼傳送資料？」中說明。
電波是1秒振動數十億次的波
電波是電與磁的振動在空間中傳遞的波。它是光的同類，在空氣中以接近光速前進。波1秒振動幾次，稱為「頻率」，單位是Hz（赫茲）。
2.4 GHz頻段的電波，1秒約振動24億次（G代表10億）。從一個波峰到下一個波峰的長度，稱為「波長」。2.4 GHz的波長約12.5 cm，5 GHz約6 cm，6 GHz約5 cm。
如果大家在同一個頻率任意發出電波，就會互相干擾。所以各國會規定每個頻率的用途。以日本為例，是由總務省決定。在日本，2.4、5、6 GHz附近的範圍，準備給Wi-Fi不需執照就能使用。這樣的範圍稱為「頻段」。
2.4、5、6 GHz頻段的差異
一般來說，頻率越低的電波，越容易繞到物體後方，也越容易穿過牆壁。所以2.4 GHz頻段容易傳得遠，在別的房間或別的樓層也比較容易連上。5 GHz和6 GHz頻段，則比較容易被牆壁和地板減弱。
相對地，2.4 GHz頻段能給Wi-Fi使用的頻率寬度，只有約80 MHz（M代表100萬）。微波爐加熱食物，用的就是這個頻段的電波。藍牙設備也使用同一個頻段。微波爐運作時Wi-Fi有時會變慢，就是這個原因。
5 GHz和6 GHz頻段能用的寬度大，比較容易提高速度。以日本為例，2022年9月把6 GHz頻段中500 MHz的寬度開放給Wi-Fi。6 GHz頻段只有支援的新設備能用，所以不會和舊設備的電波擠在一起。
把0與1放上電波：改變波的形狀
電波本身，只是以相同形狀持續振動的波。要傳送資料，就要配合0與1改變波的形狀。這個操作稱為「調變」。接收端讀取波的形狀，再還原成0與1。
最簡單的做法，是把波的強度切換成2段。如果規定強的波是1、弱的波是0，每1個時段就能送1位元。除了強度，再錯開波峰到來的時間點，就能做出更多種形狀。這個時間點稱為「相位」。
Wi-Fi用強度和相位的組合，分別使用16種、1024種等數量的形狀。這種方式稱為正交振幅調變（QAM）。16種的話1次能送4位元，1024種的話1次能送10位元（2連乘10次就是1024）。
形狀的種類越多，相鄰形狀的差異就越小。電波在途中會減弱，也會混入其他電波和雜訊。差異很小時，接收端就會讀錯。只有強而乾淨的電波送達時，才能使用細分的形狀。
所以Wi-Fi設備會配合電波的狀態，自動切換形狀的數量。靠近主機時用細的形狀快速傳送，遠離時用粗的形狀確實傳送。設定畫面上的「連結速度」會隨地點改變，主要就是這個原因。
頻道：把頻段切成固定的寬度來用
Wi-Fi並不是一次使用整個頻段。它把頻段切成固定的寬度，用其中1段來通訊。這樣的1段稱為「頻道」。
頻道的寬度（通道寬度）基本上是20 MHz，可以加寬到40、80、160 MHz。Wi-Fi 7在6 GHz頻段可以加寬到320 MHz。寬度加倍，同樣時間內能送的量也大約加倍。不過，頻道越寬，也越容易和鄰居的Wi-Fi重疊。
2.4 GHz頻段全部只有約80 MHz，所以20 MHz寬的頻道，能不重疊地放進去的只有3～4個。在附近Wi-Fi很多的地方，同一個頻道會有好幾台主機在用。
1個頻道裡面，還會再切得更細來用。把頻道分成數十到數千條細的波，每條各載一點資料，同時傳送。這種方式稱為正交分頻多工（OFDM）。每一條波的變化都很慢，所以即使混入被牆壁反射而晚到的電波，也不容易亂掉。
電波要輪流用：同時只能有1台說話
同一個頻道的電波，是附近所有設備共用的1條通道。2台同時發出電波，波就會重疊，兩邊都讀不出來。所以在1個頻道上，基本上一次只有1台在傳送（這是省略了後面會提到的技巧的簡化說法）。
所以Wi-Fi設備在傳送前，會先確認有沒有別人正在發出電波。如果有，就等到對方結束。空下來之後，每台設備還會再各自等一段長短不一的短時間才傳送。這是為了避免大家同時開始傳送而撞在一起。這個程序稱為CSMA/CA。
接收端收到後，會回一個簡短的確認。如果沒有收到確認，傳送端就當作資料遺失，重新傳送。下載和上傳，也是輪流使用這同一條通道。
有時因為牆壁，設備之間聽不到彼此的電波。於是兩邊都以為「空著」而傳送，在主機那裡撞在一起。這稱為隱藏節點問題。
Wi-Fi 6的OFDMA：把1次傳送分給好幾台
1台1台輪流傳送的做法，在很多設備都要送小資料時，會產生浪費。因為傳送前的確認和等待時間，每次都要花。
所以Wi-Fi 6把OFDM的細波分成幾組。在1次傳送中，可以把各組分配給不同的設備。這稱為OFDMA。要送給好幾台的小資料，可以一次一起送出。
OFDMA有效的情況，是像聊天或遊戲那樣，有很多設備在送小資料的時候。它並不會讓1台下載大檔案的設備變快。
MIMO：增加天線，同時送好幾條
另一個技巧，是在傳送端和接收端都裝上多支天線。房間裡的電波會被牆壁和家具反射，以稍微不同的路徑抵達每支天線。接收端以這些差異為線索，就能把同時送來的不同資料分開。這個技術稱為多輸入多輸出（MIMO）。
同時傳送的每一路資料，稱為空間串流。串流變成2條，速度的上限大約加倍。不過，串流的數量取決於傳送端和接收端中較少的一方。主機支援4條，手機只支援2條的話，就是2條。
世代的差異：從Wi-Fi 4到Wi-Fi 7
「802.11ax」這類名稱不好懂，所以Wi-Fi Alliance在2018年替各世代加上了編號。主要的世代如下。
| 名稱 | 標準名稱 | 主要變化 | 標準上的最高速度 |
|---|---|---|---|
| Wi-Fi 4 | 802.11n（2009年） | MIMO、40 MHz寬 | 600 Mbps |
| Wi-Fi 5 | 802.11ac（2013年） | 5 GHz頻段的160 MHz寬、256種 | 約6.9 Gbps |
| Wi-Fi 6 | 802.11ax（2021年） | OFDMA、1024種 | 約9.6 Gbps |
| Wi-Fi 6E | 802.11ax | 增加6 GHz頻段 | 約9.6 Gbps |
| Wi-Fi 7 | 802.11be（2024年） | 320 MHz寬、4096種、同時使用多個頻段 | 約23 Gbps |
表中的「幾種」，是1個時段使用的波形數量。「標準上的最高速度」，是把最寬的頻道、最細的形狀、8條串流（Wi-Fi 4為4條）都湊齊時的計算值。以Wi-Fi 7來說，1條串流約2.9 Gbps，8條約23 Gbps。
也有文章或廣告說Wi-Fi 7「最高46 Gbps」。這是以開發過程中曾經研議的「16條串流」為前提的數值。最終的標準，串流最多是8條。
「同時使用多個頻段」，是同時連上5 GHz和6 GHz等頻段，使用比較空的一方或兩方的機制。以日本為例，2023年12月修改了國家的規定，開放使用320 MHz寬。
安全使用：加密與WPA3
電波也會傳到牆外，所以附近的人只要有心，就能收到Wi-Fi的電波。因此Wi-Fi會把資料變成沒有金鑰就讀不懂的形式再傳送。這稱為加密。
目前主要的方式是WPA2，以及2018年開始的WPA3。家用的WPA2，如果連線開始時的交換被錄下來，可能被帶回去一個一個試密碼。WPA3每試1次都需要和主機交換資料，所以能防止這種攻擊。即使如此，容易猜到的密碼依然危險。
更舊的WEP，已知有短時間就能破解的方法，日本總務省等也呼籲不要使用。如果家裡路由器的設定是舊的方式，請改成WPA2或WPA3。
車站或咖啡店的公共Wi-Fi，有些沒有加密，有些把密碼公開貼出來。也有報告指出，出現了名稱和真的很像的假Wi-Fi。日本總務省給使用者的手冊，建議仔細確認連線的對象，以及是否為HTTPS的通訊。HTTPS會在Wi-Fi之外，另外保護瀏覽器和伺服器之間的內容（「HTTPS是什麼？」）。
從運作機制來看，家用Wi-Fi的訣竅
- 擺放位置：電波會被牆壁和地板減弱，所以主機要放在接近家中央的地方，例如架子上。家裡的角落、地板上、金屬櫃裡面都不利。
- 頻段：靠近主機時適合5 GHz或6 GHz頻段，隔了好幾道牆的房間，有時2.4 GHz頻段比較適合。如果微波爐運作時會變慢，也可以改用2.4 GHz以外的頻段。
- 不會移動的設備改用有線：電視等用纜線連接，可以減少等待輪到電波的時間，其他設備有時也會變快。
- 中繼器與網狀網路：用同一個頻道把收到的電波重新送出的中繼器，會使用通道2次，速度有時會降到一半左右。
由多台主機合作覆蓋全家的機制，稱為網狀網路（Mesh）Wi-Fi。如果是用專用頻段或纜線連接主機的產品，就能減少這種速度下降。第2台的位置，大致放在第1台電波仍然夠強的中間位置。
常見的誤解
誤解：包裝盒上寫的速度，可以直接跑出來
實際上，盒上的數字，是用電波傳送0與1的速度上限。傳送時還有確認的回覆和等待時間，資料也會附上目的地等額外資訊。所以實際能運送的內容量（吞吐量）會小很多。
另外，盒上的數字是最佳條件下的數值。例如Wi-Fi 6的「2,402 Mbps」，是160 MHz寬、2條串流的數值。用80 MHz寬連線，上限就減半，約1,200 Mbps。距離遠了形狀會變粗，也要和附近的設備分享時間。而且也不會比後面的光纖線路更快。
誤解：5 GHz頻段一定比2.4 GHz頻段快
實際上，靠近主機時5 GHz頻段多半較快，但隔了好幾道牆就會減弱，只能用粗的形狀。這時2.4 GHz頻段反而可能比較快。哪個比較好，取決於距離、障礙物和擁擠程度。
誤解：Wi-Fi訊號滿格，網路就一定快
實際上，扇形的圖示只代表從主機收到的電波強度。同一個頻道擁擠就要等待，後面的線路或對方的伺服器擁擠，也會變慢。Wi-Fi不是網際網路本身，而是到路由器為止的那一段。
從數字來看
| 項目 | 數字 | 比較 |
|---|---|---|
| 6 GHz頻段的寬度（以日本為例） | 500 MHz（2022年9月起） | 約為2.4 GHz頻段（約80 MHz）的6倍 |
| Wi-Fi 7標準上的最高速度 | 約23 Gbps（8條串流） | 2條串流約5.8 Gbps |
| 第一版802.11（1997年） | 最高2 Mbps | Wi-Fi 7的上限約為其1萬倍 |
進一步學習
- 用表格看差異：Wi-Fi、藍牙與LPWA的差異
- 用計算試試看：資料傳輸時間計算工具
- 下一步的名詞：波束成形（把電波集中到特定方向）、MAC位址（分辨相鄰設備的號碼）
- 上一篇文章：連上Wi-Fi的設備怎麼分配到號碼，請看「IP位址是什麼？」