Wi-Fi（即 IEEE 802.11 无线局域网）自 1997 年问世以来，已历经多次规格增补。1997 年推出时，其最大传输速率仅为 2Mbps；而最新的IEEE 802.11be-2024（Wi-Fi 7） 标准中，单数据流传输速率即可达到 2.9Gbps，若采用 4×4 MIMO 技术，传输速率更可高达 11.5Gbps。为实现性能提升，调制方式亦经过多轮增补迭代，相关的通知规格也因此变得错综复杂。本次内容，将围绕这部分技术要点展开讲解。

原始IEEE 802.11与802.11a/b

IEEE 802.11 无线局域网标准于 1997 年制定，最初并存着三种互不兼容的传输方式，分别为跳频扩频（FHSS）、直接序列扩频（DSSS） 以及红外线（IR）。我手头没有 1997 年版的规格说明书，不过 1999 年版的规格书中是如下定义的。

 

FHSS-PHY (14.8.2)

1Mbps 2-GFSK (Mandatory)

2Mbps 4-GFSK (Optional)

 

DSSS-PHY (15.2.3.3)

1Mbps DBPSK (Mandatory)

2Mbps DQPSK (Mandatory)

 

IR-PHY (16.2.3)

1Mbps 16-PPM (Mandatory)

2Mbps 4-PPM (Optional)

 

跳频扩频（FHSS）与红外（IR）模式下，1Mbps 为必选速率、2Mbps 为可选速率；而直接序列扩频（DSSS）模式下，1Mbps 与 2Mbps 均为必选速率。

虽然 IEEE 802.11-1999 标准在实际应用中仅支持 1Mbps 或 2Mbps 速率，但该标准的第 9.6 章中已包含关于多速率支持的相关描述。

 

9.6 多速率支持

所有控制帧均应采用基本服务集基础速率集（见 10.3.10.1）中的任一速率，或采用物理层强制速率集中的任一速率进行传输，以确保所有站点均可解析这些控制帧。

所有接收地址为组播或广播的帧，无论其帧类型如何，均应采用基本服务集基础速率集中的任一速率进行传输。

 

此处出现了术语"BSS 基础速率集（BSSBasicRateSet）"，该速率集的定义为一份清单，其作用是通过接入点（AP）的信标帧（Beacon）及探测响应帧（Probe-Response）进行通知，要求所有接入该 AP 的站点（STA）均需支持清单内的数据速率；该速率集的通知由支持速率信息元素（Supported Rates IE，标签值为 1） 实现（详见第 7.3.2.2 节）。

 

图 1 IEEE 802.11-1999 标准的支持速率信息元素（Supported Rates IE）规格

 

支持速率信息元素（Supported Rates IE）的定义如下：以 500 kbit/s 为单位，通过 7 比特来表示数据速率；最高位比特用于标识该速率是否被纳入 BSS 基础速率集（BSSBasicRateSet）。接入点（AP）会将希望接入本基本服务集（BSS）的站点（STA）在关联请求帧（Association Request）中携带的支持速率（Supported Rates），与自身的基础速率集（Basic Rate Set）进行比对。仅当该站点支持基础速率集中的全部速率时，AP 才允许其接入；若站点未完全支持，则 AP 会返回状态码 18，拒绝该站点的接入请求。此外，该信息元素的数据长度被定义为1～8 字节，这一设定为后续技术演进埋下了隐患，相关内容将在后续章节详述。

 

 

1999 年，两项新标准也被正式定义：一项是在 2.4GHz 频段实现速率提升的IEEE 802.11b-1999（高速物理层，HR-PHY）；另一项是在当时的全新频段 ——5GHz 频段采用正交频分复用（OFDM）调制技术的IEEE 802.11a-1999（正交频分复用物理层，OFDM-PHY）。其中，802.11b 被定义为直接序列扩频物理层（DSSS-PHY）的向下兼容版本；而 802.11a 所采用的正交频分复用物理层（OFDM-PHY）则未考虑与前代标准的向后兼容性。

 

HR-PHY (IEEE802.11b-1999 18.2.3.3)

1Mbps DBPSK (Mandatory)

2Mbps DQPSK (Mandatory)

5.5Mbps CCK (Mandatory)

11Mbps CCK (Mandatory)

 

OFDM-PHY (IEEE802.11a-1999 17.1)

6Mbps BPSK+1/2FEC (Mandatory)

9Mbps BPSK+3/4FEC (Optional)

12Mbps QPSK+1/2FEC (Mandatory)

18Mbps QPSK+3/4FEC (Optional)

24Mbps 16QAM+1/2FEC (Mandatory)

36Mbps 16QAM+3/4FEC (Optional)

48Mbps 64QAM+1/2FEC (Optional)

54Mbps 64QAM+3/4FEC (Optional)

 

在 802.11b 标准中，最终所有数据速率均被列为必选速率；而在正交频分复用（OFDM）标准中，由调制密度与纠错编码组合定义的全部 8 种速率里，仅有 3 种（6、12、24 Mbps）被定为必选速率。如今，无线局域网设备支持全部数据速率早已成为常态，因此工作在 5GHz 频段的 Wi-Fi 设备，其信标帧及关联请求帧中所携带的支持速率信息元素（Supported Rates IE）字段，默认情况下几乎都会填入下述的 8 字节数据。

 

0x8c 6Mbps(B)

0x12 9Mbps

0x98 12Mbps(B)

0x24 18Mbps

0xb0 24Mbps(B)

0x48 36Mbps

0x60 48Mbps

0x6c 54Mbps

 

此外，在 IEEE 802.11b-1999 的第 9.6 章（多速率支持）中，术语 BSSBasicRateSet 被移除，取而代之的是 BSS basic rate set，其修改意图目前尚不明确。另外，IEEE 802.11a-1999 标准中仅定义了物理层（PHY）的强制速率，并未出现任何与基础速率集相对应的描述。而后到了 IEEE 802.11g-2003 标准中，BSS basic rate set 又被改回了 BSSBasicRateSet。至于为何会出现这样一番周折，目前尚无明确结论。

 

IEEE 802.11g 标准的制定与混乱的开端

IEEE 802.11 委员会与 Wi-Fi 联盟原本有意将 “拥挤的” 2.4GHz 频段（与蓝牙、紫蜂技术共用）的技术发展止步于 802.11b，进而转向 “全新洁净频段” 的 5GHz 频段。但由于 21 世纪初的半导体技术限制，支持 5GHz 频段的设备成本居高不下；加之各国相关法规的完善需要耗费时间；同时 802.11b 的普及程度过高，市场对其向下兼容的高速率技术方案的需求日益迫切。基于上述种种原因，最终诞生了将 802.11a 的正交频分复用（OFDM）技术移植到 2.4GHz 频段的 IEEE 802.11g-2003 标准。

 

HR/DSSS-PHY (IEEE802.11g-2003 19)

1Mbps DBPSK (Mandatory)

2Mbps DQPSK (Mandatory)

5.5Mbps CCK (Mandatory)

11Mbps CCK (Mandatory)

6Mbps BPSK+1/2FEC (Mandatory)

9Mbps BPSK+3/4FEC (Optional)

12Mbps QPSK+1/2FEC (Mandatory)

18Mbps QPSK+3/4FEC (Optional)

24Mbps 16QAM+1/2FEC (Mandatory)

36Mbps 16QAM+3/4FEC (Optional)

48Mbps 64QAM+1/2FEC (Optional)

54Mbps 64QAM+3/4FEC (Optional)

 

此外，IEEE 802.11g-2003 标准中还定义了直接序列扩频 - 正交频分复用（DSSS-OFDM）以及扩展速率物理层 - 分组二进制卷积码（ERP-PBCC）这两种调制方式，但这些调制方式最终几乎未被实际采用，且在 IEEE 802.11-2016 标准中被正式废止，因此本处不作赘述。

 

此时出现的问题是，802.11b 的 4 种速率与 802.11a 的 8 种速率相加，数据速率种类会达到 12 种，这就超出了支持速率信息元素（Supported Rates IE）“长度为 1-8 字节” 的规定限制。原本修订 “最大 8 字节” 的定义是可行的，但出于这样的顾虑 ——如果存在类似unsigned char supported_rates[8];这样通过固定数组定义内存空间，且未做最大长度校验就直接执行内存拷贝（memcpy）的实现方式，那么将长度上限修改为超过 8 字节的话，就会引发栈溢出问题—— 因此，仅仅是为了容纳 “超出的速率种类”，新增了扩展支持速率信息元素（Extended Supported Rates IE，标签值为 50）。至于如何将 12 种速率按 8+4 的方式分配到两个信息元素中，标准并未作出明确规定，不同设备厂商的实现方案衍生出了多种不同的做法。

 

(A) 按速率从低到高的顺序填入支持速率信息元素（Supported Rates IE），超出部分填入扩展支持速率信息元素（Extended Supported Rates IE）

Supported Rates:1,2,5.5,11,6,9,12,18

Extended Supported Rates:24,36,48,54

 

(B) 正交频分复用（OFDM）速率交替填入支持速率信息元素（Supported Rates IE）与扩展支持速率信息元素（Extended Supported Rates IE）

Supported Rates:1,2,5.5,11,9,18,36,54

Extended Supported Rates:6,12,24,48

 

(C) 将直接序列扩频 - 补码键控（DSSS-CCK）速率填入支持速率信息元素（Supported Rates IE）、正交频分复用（OFDM）速率填入扩展支持速率信息元素（Extended Supported Rates IE）

Supported Rates:1,2,5.5,11

Extended Supported Rates:6,9,12,18,24,36,48,54

 

或许还存在其他分配方式，毕竟标准对此并无明确规定，相关实现方案本就比较随意。

 

802.11g 接入点（AP）的基础速率集（Basic Rate Set） 在默认情况下，设置的是与 802.11b 兼容的 1、2、5.5、11 Mbps 这四种速率，但这一默认配置的依据目前尚不明确。在 IEEE 802.11g-2003 标准中，作为对 第 7.3.2.2 节的补充内容。

 

但如果上述任一速率被标记为基础速率，则收发双方的站点（STA）在解析该基础速率标识时，应认定其仅适用于补码键控（CCK）调制及对应速率。也就是说，若某速率被标记为基础速率，该标识不适用于直接序列扩频 - 正交频分复用（DSSS-OFDM）、分组二进制卷积码（PBCC）或扩展速率物理层 - 分组二进制卷积码（ERP-PBCC）调制方式。

 

这部分内容似乎就是依据，但姑且不论那些因无人实现而早已淘汰的直接序列扩频 - 正交频分复用（DSSS-OFDM）与分组二进制卷积码（PBCC）技术，该条款并不能成为默认不将与 802.11a 兼容的扩展速率物理层 - 正交频分复用（ERP-OFDM）纳入基础速率集的依据。

 

控制 / 组播帧与基础速率集

那么，Wi-Fi 设备行业内普遍存在这样一个惯例 ——控制帧与组播帧均采用对应频段的最低数据速率调制模式进行发送。具体来说，就是 “2.4GHz 频段采用 1Mbps 直接序列扩频 - 二进制相移键控（DSS-BPSK）调制发送，5GHz 频段采用 6Mbps 二进制相移键控 + 1/2 前向纠错编码正交频分复用（BPSK+1/2FEC OFDM）调制发送”。但实际上，这一惯例并无正式的标准文档作为依据。随着 IEEE 802.11 标准的历次增补修订，多速率支持（Multirate Support）章节的内容不断扩充，变得愈发复杂难懂。而在 IEEE 802.11-2020 标准中，第 10.6.5.3 节作出了相关规定……

 

若基础服务集基础速率集（BSSBasicRateSet）参数不为空，则当数据帧属于帧聚合服务（FMS）流时，应使用非高吞吐量物理层协议数据单元（non-HT PPDU）传输具有组地址（地址1字段）的数据帧或管理帧（上述帧除外）， 其速率应为基础服务集基础速率集（BSSBasicRateSet）参数所包含的速率之一，或由接入点（AP）, 根据11.21.8节所述选择的速率）。

 

相关规定的表述如上，严格来说，（组播 / 广播帧的传输速率）要求是“选用基础服务集基础速率集（BSSBasicRateSet）参数中的任一速率”，而非“采用最低数据速率的调制模式”。理论上，基础速率集（Basic Rate Set）是 BSS 内所有接入设备都应支持收发的速率，因此无论选用其中哪一个速率，数据帧都应能被成功接收。（不过需要注意的是，不同调制模式对应的接收信噪比（SNR）阈值存在差异，速率越低的调制模式，信号理应传输得更远、更稳定）。

 

在开源软件 hostapd 中，可通过在配置文件 hostapd.conf 中写入以下语法，修改默认的支持速率（Supported Rates）与基础速率集（Basic Rate Set）。例如，即便在工作模式为 g（hw_mode=g）的 2.4GHz 频段，若配置如下：

 

supproted_rates=60 90 120 180 240 360 480 540

basic_rates=60 120 240

 

理论上就能创建这样一台接入点（AP）：它不再支持与 802.11b 兼容的直接序列扩频 - 补码键控（DSSS-CCK）调制方式，且信标帧中会呈现与 802.11a 一致的配置 ——“支持速率信息元素（Supported Rates IE）包含 8 种数据速率”“其中 6、12、24 Mbps 为基础速率集”。

之所以会使用 “本应如此”“理论上可以实现” 这类表述微妙的措辞，是因为该语法对接入点（AP）实际运行产生的影响，会因驱动程序的具体实现不同而存在差异；此外，当站点（STA）接入配置了非标基础速率集的接入点时，其运行表现同样会受驱动实现方式的影响而有所不同。实际测试时，设备虽然看似能按预期运行，但仍能发现一些细节上的异常表现：例如，本应被排除在基础速率集之外的 1Mbps 直接序列扩频（DSSS）速率，却被用于传输站点到接入点的地址解析协议请求（ARP Request）；或者发送请求发送帧（RTS）、块确认帧（BlockAck）时，同样采用了 1Mbps 速率。

 

IEEE 802.11n 标准与调制编码方案（MCS）的制定

正如之前多次提及的，IEEE 802.11n 标准的制定过程中，曾因多家标准化组织之间的激烈博弈而陷入巨大争议。该标准最终以 IEEE 802.11n-2009 的名义发布，但字里行间仍处处可见这场博弈留下的痕迹。

 

在 IEEE 802.11n 标准中，定义了调制编码方案（MCS，Modulation and Coding Scheme） 这一术语。这是因为该标准新增了短保护间隔（SGI）与 40MHz 信道带宽的配置选项，即便采用相同的调制密度，对应的标称数据速率也会发生变化（即便是 BPSK+1/2 前向纠错编码的组合，速率也可达到 6.5/7.2/13.5/15 Mbps）。802.11n 同时还定义了可同时使用多根天线的多输入多输出（MIMO）技术，并且在该标准中，MIMO 空间流数也被纳入 MCS 的参数范畴。因此 802.11n 标准定义了 32 种 MCS 方案，对应 8 种调制模式与 1～4 条空间流的组合，具体划分如下：

 

MCS0～7:1x1

MCS8～15:2x2

MCS16～23:3x3

MCS24～31:4x4

 

在此基础上，再加上后文将会提及的 MCS32 以及 MCS33～MCS76 对应的非对称模式，共计 77 种 MCS 方案被纳入预留范畴，但这些预留方案在实际应用中几乎未被采用。

 

在 IEEE 802.11n 标准中，新增了两个概念：分别是与“支持速率（Supported Rates）”相对应的“支持调制编码方案集（Supported MCS Set）”，以及与“基础速率集（Basic Rate Set）”相对应的“基础调制编码方案集（Basic MCS Set）”。

 

首先，为了通知支持调制编码方案集（Supported MCS Set），标准在高吞吐量能力信息元素（HT Capabilities IE，标签值为 45） 中定义了一个名为 “Supported MCS Set” 的字段（详见 IEEE 802.11n-2009 第 7.3.2.56.4 节）。该字段是一个长度为 8 字节（即 128 比特）的比特字段，其中比特位 0 至比特位 76 这 77 个比特，构成了与 MCS0～MCS76 一一对应的接收调制编码方案比特掩码（Rx MCS Bitmask）。正如前文所述，由于 802.11n 标准已将空间流数纳入 MCS 的定义范畴，因此对于支持 4×4 多输入多输出（MIMO）的设备而言，这一字段中几乎会重复 4 次呈现相同的信息。

 

图 5 IEEE 802.11n-2009 标准中高吞吐量能力信息元素（HT Capabilities IE）的定义

 

图 6 高吞吐量能力信息元素（HT Capabilities IE）/ 支持调制编码方案集（Supported MCS Set）示例（4×4 多输入多输出（MIMO）场景）

 

剩余的 51 个比特位中也定义了各类繁杂的字段，但说实话，这些字段几乎从未被实际使用。在当前的接入点（AP）设备中，常见的配置方式为：8 种调制模式的参数均按 “1 × 空间流数” 的形式重复填充，而字段后半部分的所有比特位则全部置 0。比特位 96 对应的发送调制编码方案集定义位（Tx MCS Set Defined） 无论被设为 0 还是 1，其实都没有任何实际意义。

 

基础调制编码方案集（Basic MCS Set） 以一个 16 字节的同名字段形式，实现在高吞吐量运行信息元素（HT Operation IE，标签值为 61） 的末尾（在 IEEE 802.11-2016 及后续版本中，该字段更名为基础高吞吐量调制编码方案集（Basic HT-MCS Set））。该字段的格式与支持调制编码方案集（Supported MCS Set）字段完全一致。这个字段似乎存在一些历史遗留问题，虽然标准中对其作出了定义，但实际的接入点（AP）设备在发送此字段时，几乎都将其配置为全 0。在 hostapd 的配置文件 hostapd.conf 中，也未发现用于设置该 “基础高吞吐量调制编码方案集（Basic HT-MCS Set）” 的相关配置项。

 

图 7 高吞吐量运行信息元素（HT Operation IE）/ 基础调制编码方案集（Basic MCS Set）示例—— 总之大部分比特位均为 0

 

虽然名称容易混淆，但在 802.11n 标准中，“基础调制编码方案集（Basic MCS Set）” 并非 “基础服务集基础速率集（BSSBasicRateSet）” 的组成部分，而是作为一个独立参数被单独处理。在 IEEE 802.11n-2009 标准的 10.3.10.1.2 节（MLME-START.request 原语的参数定义） 中，除了 BSSBasicRateSet 参数外，还单独定义了 BSSBasicMCSSet 参数。该参数的独立定义形式在 IEEE 802.11ac-2013 标准中被沿用，但在 IEEE 802.11-2016 标准中，其相关定义被整合至高吞吐量运行（HT Operation） 相关条款内，原有的 BSSBasicMCSSet 参数也随之被移除。

 

图 8 IEEE 802.11n-2009 标准中基础服务集基础速率集（BSSBasicRateSet）与基础服务集基础调制编码方案集（BSSBasicMCSSet）的定义

 

基础服务集成员选择器集（BSSMembershipSelectorSet） 的机制则更为繁琐，它是一种尝试复用 IEEE 802.11 最初定义的支持速率信息元素（Supported Rates IE） 以及 802.11b 扩展支持速率信息元素（Extended Supported Rates IE） 的设计方案。此前的支持速率信息元素（Supported Rates IE）是一个数组结构，其中比特位 7 用于标识对应速率是否属于基础速率集（Basic Rate Set），比特位 6 至 0 则以 500 Kbps 为单位表示数据速率（取值范围为 0～63.5 Mbps）。而基础服务集成员选择器集（BSSMembershipSelectorSet）的设计思路，是在这一字段取值范围的高位区间（即从 127 开始向下的数值区间）赋予其全新的含义。具体规则为：当比特位 7 的值为 1，且比特位 6 至 0 为特定数值时，该字段所表示的就不再是基础速率值，而是“设备接入该基础服务集（BSS）所需满足的附加条件”。

 

127 需支持高吞吐量物理层（HT-PHY）（对应 IEEE 802.11n 标准）

126 需支持超高速物理层（VH-PHY）（对应 IEEE 802.11ac 标准）

125 需支持 GLK 功能（对应 IEEE 802.11ak 标准）

124 需支持增强型分组检测（EPD）（对应 IEEE 802.11p 标准）

123 需仅支持同时认证对等协议哈希到元素模式（SAE Hash to Element Only）（对应 WPA3-SAE H2E 协议）

122 需支持高效物理层（HE-PHY）（对应 IEEE 802.11ax 标准，即 Wi-Fi 6）

 

虽进行了这样的功能扩展，但不知为何该信息元素的名称在很长一段时间内都未作变更，直至 IEEE 802.11-2016 标准发布后，才被正式更名为 “支持速率与基础服务集成员选择器信息元素（Supported Rates and BSS Membership Selectors element）”。在开源软件 hostapd 中，通过在配置文件 hostapd.conf 中添加以下定义，即可启用 基础服务集成员选择器集（BSSMembershipSelectorSet） 功能。

 

require_ht=1

require_vht=1

require_he=1

 

此外，通过设置 sae_pwe=1，也会启用 SAE_H2E_ONLY（仅支持 SAE 哈希到元素模式） 功能。而对于 GLK 和 增强型分组检测（EPD），hostapd 中仅存在对应的宏定义（#define），暂无实际可配置的参数项。

 

图 9 已配置基础服务集成员选择器（BSS Membership Selectors）的示例

 

该功能在开源的 mac80211 驱动中也支持，但全 MAC 架构的厂商原厂驱动是否支持，不实际测试则就不清楚。

 

关于 IEEE 802.11n 标准中的 MCS32 与空时块编码（STBC）IEEE802.11nのMCS32とSTBCについて

MCS32 的调制编码方案与 MCS0（20MHz 带宽场景）基本一致，均为 BPSK+1/2 前向纠错编码（FEC），标称速率 6Mbps，但该模式仅支持 40MHz 信道带宽 —— 其核心机制是将 40MHz 带宽拆分为 20+20MHz 的组合信道，在主、副信道中传输冗余化的相同信息，属于一种特殊传输模式。虽该规格被定义为适用于高噪声环境或长距离通信场景，但实际应用中几乎未被采用。不过在捕获信标帧（Beacon Frame）进行分析时，偶尔仍能观察到标识该模式支持的比特位被置 1 的信息元素（IE）。
 

图 10 高吞吐量能力信息元素（HT Capabilities IE）/ 支持调制编码方案集（Supported MCS Set）示例（4×4 多输入多输出（MIMO）+MCS32）

 

MCS33～MCS76 对应的「非对称模式」，似乎是基于 “在 MIMO 各空间流之间采用不同调制模式” 这一思路而定义的。但我始终未能理解，这一功能究竟适用于何种场景，又能带来怎样的实际价值。按照标准定义，支持非对称模式的节点，需将 Supported MCS Set 字段中 比特位 100（“发送非均等调制支持位”，Tx Unequal Modulation Supported） 置 1，以此向其他设备通知该能力 —— 但在实际应用中，我从未见过将该比特位置 1 的设备。

 

与 MCS32 功能定位类似的还有 空时块编码（STBC，Space Time Block Coding）。简单来说，这是一种适用于 2×2 及以上配置的 MIMO 技术，通过多根天线向接收端冗余化传输相同信息的特殊模式。虽该规格被定义为适用于高噪声环境或长距离通信场景，但实际上依然几乎未被实际采用。IEEE 802.11n-2009 标准的 第 9.6.0c 节（基础 STBC MCS 相关规定） 中，明确了 STBC 的启用条件：

· 高吞吐量运行信息元素（HT Operation IE）中的 双信标（Dual Beacon）位 或 双 CTS 保护（Dual CTS Protection）位 需置 1

· 基础调制编码方案集（Basic MCS Set）已完成配置，且其 最低 MCS 速率 对应的空间流数需达到 2 路及以上

但这两个条件我个人从未见过实际启用的情况，hostapd 中似乎也不存在对应的配置项。

 

图 11 高吞吐量能力信息元素（HT Capabilities IE）/ 高效能力信息元素（HE Capabilities Information）中的空时块编码（STBC）比特位示例

 

 

IEEE 802.11ac（Wi-Fi 5）与调制编码方案映射表（MCS Map）的规格变更

IEEE 802.11ac-2013（超高速吞吐量，VHT）作为比 802.11n 速率更高的升级版兼容规格而制定。

或许是基于 802.11n 中竟定义了多达 77 种 MCS 的反思，802.11ac 中对调制模式与空间流进行了解耦设计。此前无人使用的 MCS32 冗余调制及非对称调制，在该标准中均未再定义。不过，空时块编码（STBC）的相关定义被保留，重新指定在 超高速吞吐量能力信息元素（VHT Capabilities IE，标签值为 191）的第 7～10 比特位 中。

 

802.11ac 标准同样沿用了 “支持调制编码方案集（Supported MCS Set）” 与 “基础调制编码方案集（Basic MCS Set）” 的核心概念，但不再使用庞大的比特图，转而采用 16 比特的短字段进行标识（参考 IEEE 802.11ac-2013 标准第 8.4.2.160.3 节）。该 16 比特字段的编码规则为：每 2 个比特对应 1×1～8×8 的一种空间流配置，各组比特的取值及含义如下（参考 IEEE 802.11ac-2013 标准图 8-401bs）：

 

00:MCS0-7

01:MCS0-8

10:MCS0-9

11:Not supported

 

从技术兼容性来看，MCS0～MCS7 的调制编码方案与 802.11a 标准基本一致（涵盖 BPSK 至 64QAM 调制），因此标准制定时采用了 “如今不可能存在不支持 MCS0～MCS7 的芯片” 这一前提假设。基于该现实考量，802.11ac 仅将新增的 MCS8（256QAM+3/4 前向纠错编码）和 MCS9（256QAM+5/6 前向纠错编码）设为可选支持项，形成了兼顾兼容性与实用性的务实规格设计。

图 12 IEEE 802.11ac-2013 标准中超高速吞吐量能力信息元素（VHT Capabilities IE）的定义

 

图 13 IEEE 802.11ac-2013 标准中支持调制编码方案集 / 空间流数（Supported MCS/NSS）字段的定义

 

图 14 超高速吞吐量能力信息元素（VHT Capabilities IE）/ 支持调制编码方案集与空间流数（Supported MCS and NSS）示例（4×4 多输入多输出（MIMO））

 

基础超高速吞吐量调制编码方案集（Basic VHT-MCS Set）包含在 超高速吞吐量运行信息元素（VHT Operation IE，标签值为 192） 的 基础 VHT-MCS 与空间流数集字段（Basic VHT-MCS and NSS Set） 中（参考 IEEE 802.11ac-2013 标准第 8.4.2.161 节）。该字段的格式与 接收端 VHT 调制编码方案映射表（Rx VHT-MCS Map） 一致，均采用 “2 比特 ×8 路空间流” 的编码结构。值得注意的是，802.11n 中的 基础高吞吐量调制编码方案集（Basic HT-MCS Set） 基本被忽略，配置值通常全为 0；而 802.11ac 的 Basic VHT-MCS 字段会包含有效的配置值，其中将 MCS0～7（1×1 空间流配置）设为必选的实现方案（对应配置值为 0xfffc）最为常见。

 

图 15 超高速吞吐量运行信息元素（VHT Operation IE）/ 基础调制编码方案集与空间流数（Basic MCS and NSS）示例 —— 支持 4×4 MIMO 及 MCS9 的 AP，接入要求仅为 1×1 MCS7

 

 

IEEE802.11ax

IEEE 802.11ax-2021（高效，HE，即 Wi-Fi 6）是以提升多设备连接时的传输效率为核心目标的标准，同时通过引入 1024QAM 调制技术（对应 MCS10/11），实现了相较于 802.11ac（Wi-Fi 5）的速率提升。

由于 0-255 区间的元素标识（Element ID）已全部用完，高效能力信息元素（HE Capabilities IE） 被设置在扩展标签值（Extended Tag）35 处。其中的 支持高效调制编码方案集与空间流数字段（Supported HE-MCS And NSS Set）（参考 IEEE 802.11ax-2021 标准第 9.4.2.248.4 节），格式沿用了 802.11ac 的设计，采用 “2 比特 ×8 组” 的编码结构，用于标识 1×1～8×8 各空间流配置下支持的 MCS 范围。值得注意的是，由于 802.11ax 新增了 MCS11（相比 802.11ac 新增 MCS10/11 两个高阶索引），比特模式与 MCS 上限的对应规则也发生了调整。

 

00:MCS0-7

01:MCS0-9

10:MCS0-11

11:Not supported

 

802.11ac 中与 “支持超高速吞吐量调制编码方案集与空间流数集（Supported VHT-MCS and NSS Set）” 绑定的 “最高支持的长保护间隔数据速率（Highest Supported Long GI Data Rate）”“总最大空间时间流数（Maximum NSTS, total）” 等附加信息被彻底移除，该字段仅保留了 “支持的 MCS 比特模式” 这一核心内容。通常情况下，对于带宽≤80MHz / 信道的频段，会分别附带 16 比特的接收 MCS 集和 16 比特的发送 MCS 集；若芯片支持 160MHz / 信道或 80+80MHz / 信道（信道聚合）模式，则会额外增加对应这些频段的接收 MCS 集和发送 MCS 集。因此，“支持高效调制编码方案集与空间流数字段（Supported HE-MCS And NSS Set）” 的长度为可变长度，具体为 4 字节、8 字节或 12 字节。

 

图 16 IEEE802.11ax-2021 高效能力信息元素（HE Capabilities IE）的定义

 

在 802.11ac 中，“MAC 能力信息（MAC Capabilities Information）” 与 “PHY 能力信息（PHY Capabilities Information）” 被分离，而 STBC 能力（空时块编码能力，Space-Time Block Coding Capabilities）仍保留在高效 PHY 能力信息（HE PHY Capabilities Information）的第 62、63 位。

 

高效运行信息元素（HE Operation IE，扩展标签 = 36）中附加有 “基础 HE-MCS 及空间流数集合（Basic HE-MCS And NSS Set）”。其格式与 “支持的 HE-MCS 及空间流数集合（Supported HE-MCS And NSS Set）” 字段相同，但不存在 80/160/80+80 MHz 等带宽区分及收发区分，仅提供 1 种模式、16 比特的配置。

 

IEEE802.11be 与 MCS 映射表的再次变更

IEEE802.11be-2024 再度以提速为目标制定，也被称为 “Wi-Fi 7”。其实现提速的核心新增技术，是在 “新频段” 6GHz 频段中引入宽带信道（320MHz）与 4096-QAM 调制（对应 MCS 12/13）。

一如既往地延续了自 802.11n以来便固定的模式 —— 每当调制方式发生变更，“某某能力信息元素（Capabilities IE）” 中会包含支持的 MCS 列表，“某某运行信息元素（Operation IE）” 中则会包含基础服务集（BSS）要求的基础 MCS 列表。在 802.11be 中，EHT 能力信息元素（EHT Capabilities IE，扩展标签 = 100）包含 “支持的 EHT-MCS 及空间流数集合（Supported EHT-MCS And NSS Set）”，EHT 运行信息元素（EHT Operation IE，扩展标签 = 106）包含 “基础 EHT-MCS 及空间流数集合（Basic EHT-MCS And NSS Set）”，但格式却又一次发生了变化（是不是觉得太折腾了？反正我是这么觉得的）。在 802.11ac / 802.11ax 中，采用 “2 比特 ×8 组” 的格式，标明了 1×1～8×8 MIMO 空间流数（NSS）对应的 MCS 上限；而到了 802.11be，两者的对应关系却颠倒了过来，变为按每个 MCS 组，以 4 比特标明对应 MIMO 空间流数（NSS）的格式。

 

图 17 EHT 能力信息 / EHT 支持的 MCS 及空间流数集合（EHT Supported MCS and NSS Set）示例（2×2 MIMO）

 

与 802.11ax 相同，Supported EHT-MCS 及空间流数集合（Supported EHT-MCS And NSS Set）中包含的映射表数量（即 MCS 及空间流数集合的数量）会根据芯片支持的带宽而变化，且会按照芯片的实现规格依次排列，具体如下：

 

20MHz-Only : 4byte

<=80MHz : 3byte

160MHz : 3byte

320MHz : 3byte

 

仅 20MHz 独占模式为 4 字节，其他带宽配置均为 3 字节，这是由于不同带宽对应的 MCS 集合类型不同，其字段格式也存在差异。

 

20MHz独占模式下（4 字节格式）：

bit0-3:RX NSS MCS0-7

bit4-7:TX NSS MCS0-7

bit8-11:RX NSS MCS8-9

bit12-15:TX NSS MCS8-9

bit16-19:RX NSS MCS10-11

bit20-23:TX NSS MCS10-11

bit24-27:RX NSS MCS12-13

bit28-31:TX NSS MCS12-13

 

图 18 IEEE802.11be 草案 4.0 版中 20MHz 独占模式 MCS 及空间流数集合（20MHz-only MCS and NSS set）的定义

 

除 20MHz 独占模式外的情况（3 字节格式）：

bit0-3:RX NSS MCS8-9

bit4-7:TX NSS MCS8-9

bit8-11:RX NSS MCS10-11

bit12-15:TX NSS MCS10-11

bit16-19:RX NSS MCS12-13

bit20-23:TX NSS MCS12-13

 

图 19 IEEE802.11be 草案 4.0 版中 MCS 及空间流数集合（MCS and NSS set）的定义

 

另一方面，EHT 运行信息元素（EHT Operation IE）中包含的基础 EHT-MCS 及空间流数集合（Basic EHT-MCS And NSS Set），与信道 / 带宽无关，始终固定为 4 字节。既然如此，我觉得其实可以将支持的 EHT-MCS 及空间流数集合（Supported EHT-MCS And NSS Set）也统一采用 4 字节的通用规格，规定 “除 20MHz 独占模式外，将 MCS 0-7 视为默认支持”—— 实在不理解为什么要在这种细节上纠结于字节数的节省。

图 20 IEEE802.11be 中 EHT 支持的 MCS 及空间流数集合（EHT Supported MCS and NSS Set）示例（2×2 MIMO）

 

在 802.11be 中，相当于 802.11n 中几乎被完全忽略的 MCS32 冗余调制的规格，以 MCS14“EHT 双工模式（EHT DUP mode）” 的形式得以复活（参考文献：IEEE802.11be-Draft 4.0 36.3.5）。该模式不仅实现了带宽冗余，还通过双载波调制（DCM: Dual Carrier Modulation）在两个子载波之间对符号进行冗余处理 —— 相较于同样采用 BPSK 调制 + 1/2 码率前向纠错（FEC）的 MCS0，其有效数据速率仅为前者的一半。同时，标准还新增了仅使用 DCM、不依赖带宽冗余的 MCS15 模式。

在 802.11n 中，77 种 MCS 的全部支持情况曾通过 Supported MCS Set 字段中的连续位图进行表示；但自 802.11ac 及以后的标准起，该字段格式发生变更，改为仅表示支持的 MCS 上限。因此，这类特殊 MCS 规格的支持情况无法通过 Supported EHT-MCS 及空间流数集合（Supported EHT-MCS And NSS Set）字段体现。基于此，EHT 物理层能力信息（EHT PHY Capabilities Information）字段的第 55 位（bit55）包含 MCS14（6GHz 频段专用）的支持比特位，第 51-54 位（bit51-54）则包含 MCS15（20 及 40/80/160/320MHz 各信道）的支持比特位。

 

图 21 EHT 能力信息 / EHT 物理层能力信息（EHT Capabilities/EHT PHY Capabilities）中 MCS14、MCS15 的支持比特位示例
6GHz 频段的 MCS14 不支持，MCS15 仅支持 20 及 40MHz 信道

 

另一方面，在 MCS14/15 的冗余模式得以复活的同时，IEEE802.11be-2024 中明确规定「EHT 物理层不支持 STBC（An EHT PHY does not support STBC）」，并正式废除了 STBC 功能。因此，EHT 能力信息元素（EHT Capabilities IE）中并未设置 STBC 的支持状态比特位。

 

总结

· 在 Wi-Fi 技术中，每当新增调制规格时，用于通知 “支持的调制模式列表” 的相关规格也会相应地进行扩展或新增。

· 由于 Wi-Fi 采用一对多连接模式，因此存在 “支持速率（Supported Rates，MCS）” 与 “基础速率（Basic Rates，MCS）” 两个列表：前者指 “该终端所支持的规格”，后者指 “该接入点（AP）/ 基础服务集（BSS）中所有接入设备均需支持的规格”。

· 控制帧与多播帧通常会使用该频段下的最低数据速率进行发送，但在规格层面仅定义为 “使用基础速率（Basic Rates）中的任意一种”，并未强制要求必须使用最低数据速率。

· 像直接序列扩频 - 正交频分复用 / 扩展速率物理层 - 分组二进制卷积编码（DSSS-OFDM/ERP-PBCC，对应 802.11g 标准）、MCS32（对应 802.11n 标准）、空间流块编码（STBC，对应 802.11n/ac/ax 标准）等 “虽初衷良好却定义后实际应用寥寥的调制规格”，在标准中仍零散存在，相关技术规范以碎片化形式留存至今。

 

即使是平时不经意间使用的技术规格，一旦深入研读规格书，常会惊讶地发现 “原来还有这样的功能”—— 这是很常见的情况。这次也不例外，像 “BSS 成员选择器（BSS Membership Selector）”“MCS32”“STBC” 这类术语，即便在规格书中见过，我也总会下意识地忽略过去。直到这次重新查阅才恍然大悟：“原来是这样的功能啊！”“但我好像从来没用到过……”“话说回来，真的有人在实际使用这些功能吗？”