WiFi 6技術(shù)介紹及在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

李項軍，張水利，趙海波

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點(diǎn)實驗室，陜西 延安 716000)

從辦公室、家庭、商場、車站到停車場，幾乎處處有WiFi，數(shù)以千萬計的接入點(diǎn)(Access Point，AP)隱藏在人們視線之外，為手機(jī)、個人電腦、智能家居、家電等各類終端設(shè)備提供無線傳輸服務(wù)[1]。為滿足越來越高的通信需求，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織和WiFi聯(lián)盟一直在不斷提高WiFi產(chǎn)品的性能，由IEEE完成基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范，WiFi聯(lián)盟負(fù)責(zé)產(chǎn)品技術(shù)認(rèn)證測試，共同推動WiFi產(chǎn)品的市場化。

IEEE 802.11ax通過一系列系統(tǒng)特性和多種機(jī)制來增加系統(tǒng)容量，減少空口擁塞來改善WiFi網(wǎng)絡(luò)的工作方式，尤其是在密集用戶環(huán)境中，以為更多數(shù)量的用戶提供一致和可靠的數(shù)據(jù)吞吐量[2-7]。

1 WiFi技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化過程

IEEE無線局域網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化過程開始于1997年的802.11，單個信道寬度為20 MHz,由于最高速率僅為2 Mbps，未被商用，但確定了802.11簇系列標(biāo)準(zhǔn)的半雙工等基本傳輸特征。

1999年推出了分別工作于5 GHz和2.4 GHz頻段的802.11a和802.11b。802.11a采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)調(diào)制技術(shù)，峰值傳輸速率達(dá)到54 Mbps，但5G頻段傳輸損耗大、器件功耗大的相對缺點(diǎn)導(dǎo)致該標(biāo)準(zhǔn)沒有推向市場；而802.11b 采用直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)和補(bǔ)碼鍵控(Complementary Code Keying，CCK)調(diào)制方式，峰值傳輸速率達(dá)到11 Mbps，是第一個大規(guī)模商用的標(biāo)準(zhǔn)。

2003年推出的802.11g工作于2.4 GHz頻段，支持CCK/DSSS/OFDM調(diào)制,峰值傳輸速率達(dá)到54 Mbps,且兼容802.11b；2009年推出的802.11n引入了多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)、波束成形等技術(shù)，單信道寬度擴(kuò)展到40 MHz，規(guī)定了2.4 GHz和5 GHz兩個可用頻段，理論傳輸速率達(dá)到了600 Mbps。

2013年推出802.11ac把單信道的寬度進(jìn)一步擴(kuò)展到80 MHz和160 MHz，在5 GHz信道上工作且后向兼容802.11n，下行支持多用戶多輸入多輸出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO),最多支持8個空間流，相應(yīng)的理論傳輸速率達(dá)到6.9 Gbps。

2019年IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過WiFi技術(shù)認(rèn)證聯(lián)盟后進(jìn)行了重新命名，基于802.11n之前標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品為WiFi 4，基于802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品為WiFi 5，基于802.11ax技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品為WiFi 6[2,4]。

WiFi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程見圖1。

圖1 WiFi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)示意圖

2 WiFi 6 技術(shù)特點(diǎn)

2IEEE 802.11ax設(shè)計初衷是為了適用于高密度無線接入和高容量無線業(yè)務(wù)，比如室外大型公共場所、室內(nèi)高密無線辦公、電子教室等場景，該標(biāo)準(zhǔn)有超過50多項的技術(shù)提升[2-4]，實現(xiàn)了更高的傳輸速率和更大的系統(tǒng)容量，極大改善了大連接場景下的性能，關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

2.1 正交頻多址接入技術(shù)

有別于802.11a/g/n/ac所采用的OFDM，802.11ax在上行和下行都采用了與4G/5G一樣的正交頻多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)方式，增加了頻域上的多用戶復(fù)用。OFDMA具備多用戶傳輸?shù)膬?yōu)勢，資源調(diào)度的粒度更小、更靈活，可以把各種大小的數(shù)據(jù)包通過編碼調(diào)制組合在一起，系統(tǒng)開銷通過共享而降低，提高了用戶數(shù)據(jù)速率，減少了信道競爭的概率，從而降低了終端傳輸?shù)捻憫?yīng)時間，特別是對大量具有短幀或低數(shù)據(jù)速率要求的設(shè)備，比如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，傳輸體驗改善顯著[6]。

OFDM和OFDMA在信道使用方式的差異對比見圖2。

圖2 OFDM和OFDMA的信道使用方式對比

借鑒4G/5G中的資源劃分，802.11ax將不同寬度的信道進(jìn)行了資源塊的進(jìn)一步劃分。以20 MHz信道為例，可被劃分為1、2、4、9個資源塊，以1個資源塊為頻域資源調(diào)度分配使用的單位，最小的資源塊包含26個子載波，單個子載波寬度為78.125 KHz，即最小頻域使用寬度為2 MHz，在20 MHz的帶寬內(nèi)最多同時容納9名使用者，利用OFDMA可以將不同帶寬需求的用戶通過頻域復(fù)用在同一符號周期內(nèi)進(jìn)行傳輸，而且將OFDM符號長度從以往的4 μs擴(kuò)展至16 μs，以提升每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[4]。

20 MHz信道的OFDMA頻域資源塊劃分如圖3所示。

圖3 OFDMA資源塊劃分的示意

OFDMA的實現(xiàn)要求所有用戶數(shù)據(jù)的同時傳輸?shù)竭_(dá)AP接收機(jī)，還要求AP能夠根據(jù)用戶對帶寬的需求來動態(tài)地改變用戶所占用頻率資源的數(shù)量。這兩種要求顯著提高了WiFi頻譜的復(fù)雜度，對物理層的頻率對齊、時序同步以及功率控制等提出了更高的要求[7]。

2.2 MU-MIMO技術(shù)

802.11ax規(guī)定了下行和上行分別采用8×8的MU-MIMO，通過預(yù)編碼技術(shù)，實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)流之間的無干擾傳輸，空間數(shù)據(jù)流個數(shù)最多為8個。采用MU-MIMO時，AP通過管理幀告知每個使用者空間流數(shù)量、OFDMA配置、功率控制等信息，這類似于4G基站在下行共享信道上下發(fā)的重配置信息，確保多用戶、多流數(shù)據(jù)的有效共享傳輸。需要說明的是，采用MU-MIMO傳輸時，所有用戶在整個信道上進(jìn)行傳輸，不再通過頻域資源塊來區(qū)分用戶。

2.3 高階調(diào)制和靈活的頻段支持

802.11ax的最高階調(diào)制方式從802.11ac的最高256QAM擴(kuò)展到1 024QAM，其峰值速率達(dá)到9.6 Gbps。

不同于802.11ac，802.11ax支持傳統(tǒng)的2.4 GHz頻段，盡管該頻段擁擠，但有穿透力相對強(qiáng)的優(yōu)勢。在5 GHz頻段定義有25個非重疊的20 MHz寬度信道，可以進(jìn)一步組合成為40 MHz、80 MHz甚至160 MHz寬度的信道；而且，802.11ax規(guī)定了雙頻段信道并發(fā)傳輸?shù)臋C(jī)制；此外，在6 GHz頻段新增定義了14個80 MHz和7個160 MHz頻寬的信道，支持該信道的產(chǎn)品被命名為WiFi 6E[4]。

2.4 休眠機(jī)制

為了適應(yīng)電池供電的終端設(shè)備，802.11ax 定義了目標(biāo)喚醒時間(Target Wake Time，TWT)機(jī)制，終端和AP基于業(yè)務(wù)類型協(xié)商休眠周期，在業(yè)務(wù)需要時自動喚醒，在無業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時進(jìn)入休眠，減少了信道競爭和傳輸沖突，節(jié)省了電量[8]。TWT機(jī)制結(jié)合OFDMA的多用戶傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)奏相互一致的數(shù)據(jù)傳輸，減小用戶傳輸?shù)捻憫?yīng)時間，對流媒體業(yè)務(wù)、話音、IoT的傳輸改善效果明顯[2]。

2.5 空間復(fù)用機(jī)制

傳統(tǒng)WiFi的載波偵聽/沖突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA) 接入控制機(jī)制依據(jù)測量到的能量值和信號值進(jìn)行空閑信道評估，低的閾值可以有效防止同一信道上的傳輸沖突，但降低了網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，僅適合連接密度不高的場合[9-15]。類似于移動通信網(wǎng)絡(luò)小區(qū)色碼，802.11ax在前導(dǎo)碼上對AP進(jìn)行了標(biāo)記，按區(qū)域設(shè)置不同顏色，在同一個色碼的AP采用較低的信號閾值來辨別信道空閑與否，對不同色碼的AP采用較高的信號閾值來辨別信道空閑與否，本質(zhì)上是利用了信號傳播的空間衰減特性，容忍一定程度的共信道干擾[10]，實現(xiàn)間隔較遠(yuǎn)的兩個AP在同一個信道上工作，同時實現(xiàn)了同一信道在空間上的區(qū)分和復(fù)用。

采用AP著色前后的信道復(fù)用對比如圖4所示。

圖4 采用AP著色前后的信道復(fù)用對比

同一區(qū)域的多個相鄰AP被設(shè)置為同一顏色，對應(yīng)的信號檢測閾值設(shè)置較低，而終端應(yīng)用于不同顏色AP信號檢測閾值設(shè)置較高，在信道空閑檢測時忽略相距遠(yuǎn)的AP造成的干擾，最終，通過信道的空間復(fù)用大大提高了系統(tǒng)容量，顯著降低了傳輸響應(yīng)時間。

AP著色降低響應(yīng)時間的示意如圖5所示。

圖5 AP著色降低響應(yīng)時間的示意

2.6 WPA 3安全協(xié)議

在第二版本的WiFi保護(hù)接入(WiFi Protected Access 2，WPA 2)的漏洞被發(fā)現(xiàn)、暴力密碼破解的案例增多后，用戶對WiFi網(wǎng)絡(luò)安全的訴求更為強(qiáng)烈，促使了WPA 3安全協(xié)議的制定。WPA 3通過單一用戶數(shù)據(jù)加密、防暴力破解的保護(hù)算法、192 bit密鑰長度的高級加密算法等技術(shù)，實現(xiàn)了無輸入界面的快速連接和公共WiFi網(wǎng)路的隱私保護(hù)，可為政府、國防和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供給足夠的安全性[5]。

3 WiFi 6 與5G的異同

WiFi 6與5G在空口傳輸技術(shù)上有很多的共同點(diǎn)，都實現(xiàn)了極高的峰值速率，但在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織、應(yīng)用場景和運(yùn)營模式是完全不相同[16-18]。WiFi聯(lián)盟是傳統(tǒng)的IT廠商組成的，而5G標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP由電信設(shè)備和運(yùn)營商組成，兩個組織之間雖然沒有類似3GPP和3GPP2之間的正面技術(shù)競爭，但彼此確實存在市場競爭關(guān)系。WiFi解決的是短距離的最后一公里的無線接入，定位為室內(nèi)有線連線的延伸，是輕量化的接入技術(shù)[16]；5G是一種蜂窩制的移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包含接入網(wǎng)和核心網(wǎng)等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是針對商業(yè)運(yùn)營的廣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)。因此，WiFi和5G將長期共存下去，而且已經(jīng)形成了良性發(fā)展的市場競爭關(guān)系。5G在智能手機(jī)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，WiFi憑借較低的設(shè)備成本在智能手機(jī)、室內(nèi)無線接入、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢[17]。

4 WiFi 6在電力行業(yè)的應(yīng)用展望

4.1 WiFi技術(shù)的優(yōu)勢

WiFi已經(jīng)不再是一個僅提供無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，更多地被視為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的通信基礎(chǔ)設(shè)施，例如，目前大部分的智慧零售、智慧辦公、智慧工廠等的通信解決方案是基于WiFi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的[17-18]。相較于其他通信手段，WiFi有以下幾個優(yōu)勢:

(1)WiFi終端通信沒有流量資費(fèi)；

(2)WiFi的產(chǎn)業(yè)鏈開放、規(guī)模效應(yīng)大，帶來低廉價格的終端和較低的組網(wǎng)成本[1]；

(3)WiFi的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開放，定制化應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)門檻低；

(4)WiFi組網(wǎng)簡單，覆蓋可控，適用于行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

4.2 WiFi 6在國網(wǎng)中的應(yīng)用

國家電網(wǎng)公司部署了除電信運(yùn)營商以外最大規(guī)模的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，截至2020年末，沿各等級電壓輸電線路共敷設(shè)光纖復(fù)合架空地線、全介質(zhì)自承式等各類骨干網(wǎng)光纖約150萬km，部署各級傳輸網(wǎng)設(shè)備共10萬余套，有線傳輸資源十分豐富[19]。而WiFi 6可提供大帶寬、高用戶密度的無線接入，兩者結(jié)合，既可以實現(xiàn)量身定制的電力服務(wù)應(yīng)用，還可提升既有有線傳輸資源的利用率，技術(shù)解決方案的效能費(fèi)用比高，可以更好地支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

以變電站的應(yīng)用為例，圖6給出了通過WiFi 6將智慧門禁系統(tǒng)、安防監(jiān)控、機(jī)器人巡檢、傳感器、高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)維移動終端、應(yīng)急指揮調(diào)度等多個子系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)的方案，可實現(xiàn)變電站的可視化和智能化管理，為電網(wǎng)的安全運(yùn)營保駕護(hù)航。

圖6 WiFi 6在變電站的應(yīng)用示意

在圖6中，設(shè)備狀態(tài)采集等低速率的終端設(shè)備工作在2.4 GHz頻段，而視頻監(jiān)控之類的高速率、高服務(wù)質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)分配在5 GHz頻段，完全并發(fā)的雙頻段傳輸則可用于電力搶修等特種作業(yè)，所有的業(yè)務(wù)通過臺變電站的專用光纖骨干網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，WiFi 6利用2.4 GHz和5 GHz兩個頻段的傳輸能力，針對不同頻段承載應(yīng)用的傳輸特性要求來分配并預(yù)制信道的通信參數(shù)，實現(xiàn)變電站區(qū)域無線通信接入的統(tǒng)一。

5 結(jié)語

WiFi 6是無線解決方案的最新技術(shù)成果，不但實現(xiàn)了更高的傳輸速率，更提高了整體的傳輸容量，與5G技術(shù)相比較，它是一種非常經(jīng)濟(jì)的無線接入手段。國網(wǎng)公司擁有部署廣泛的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)資源，兩者結(jié)合實現(xiàn)的通信解決方案在智能輸配電、設(shè)備運(yùn)維檢修、站所安全防護(hù)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，而且在效益和成本方面具有很強(qiáng)的競爭力，可有力支撐具有中國特色的全球能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設(shè)需要。