Wi-Fi6的技術分析及其應用探討

梁佳依

（作者單位：浙江中波發(fā)射管理中心浙江省臨海廣播轉播臺）

1 Wi-Fi6協議的發(fā)展歷程

Wi-Fi歷經20多年的發(fā)展和6次技術迭代，為數十億設備提供連接，已成為現代通信網絡中不可或缺的關鍵技術。為不斷適應新業(yè)務應用、新用戶需求及縮小與有線網絡寬帶的差距，每一代無線局域網標準都在滿足用戶需求的大前提下被開發(fā)、制定，最后投入應用。

第一代協議IEEE802.11由IEEE在1997年6月提出，協議數據速率最高為2 Mbps，采用直接序列擴頻（Direct Se-quence Spread Spectrum，DSSS）技術，占用2.4 GHz（1、6、11）3個非重疊的22 MHz信道。但由于其在傳輸距離和速率方面的競爭力較低、成本較高，即使創(chuàng)造了全新的用戶接入方式，也沒有得到廣泛普及。

1999年，Wi-Fi聯盟的成立推動了無線局域網技術的發(fā)展和推廣應用，隨后Wi-Fi聯盟發(fā)布了IEEE802.11a/b協議，802.11a協議基于5 GHz頻段，協議數據速率為6 Mbps至54 Mbps，使用正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和 5 GHz（36、40、44、48、52、56、60、64、149、153、157、161）信道，但其覆蓋范圍和信號強度不夠理想。b協議基于2.4 GHz頻段，協議數據速率為1、2、5.5或11 Mbps，采用DSSS技術，占用2.4 GHz（1、6、11）3個非重疊的22 MHz信道，雖然與a協議相比速度較低，但其具有更強的穿透性和更廣的覆蓋范圍，很快得以被商業(yè)應用。

第三代標準802.11g由Wi-Fi聯盟于2003年7月提出，使用OFDM和2.4 GHz（1、6、11）3個非重疊20 MHz信道，協議數據速率為6 Mbps至54 Mbps，實際上是將5 GHz的802.11a技術轉移到2.4 GHz頻段。

從第四代標準802.11n開始，Wi-Fi聯盟逐漸對傳輸和接入進行改進，采用雙頻工作模式，支持2.4 GHz和5 GHz兩個頻段。物理層面采用了多進多出（multiple-in multipleout，MIMO）技術、40 MHz綁定、short GI（保護間隔）等諸多新技術，支持4*4 MIMO。同時，為了更好地提高介質訪問控制層（Media Access Control，MAC）效率，采用了Block確認、幀聚合等新技術，通過對物理層和MAC進行優(yōu)化提高Wi-Fi的吞吐量，同時向下兼容802.11g和802.11a。

緊隨智能時代的浪潮，智能手機在用戶市場掀起了一陣熱浪，移動通信業(yè)務隨之快速發(fā)展，2013年提出的第五代協議801.11ac支持高階多用戶多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MUMIMO）并拋棄了2.4 GHz頻段，主要將重心放在5 GHz頻段的優(yōu)化上，支持20/40/80/80+80/160 MHz帶寬，支持8x8 MIMO和MU-MIMO，最高支持256-QAM調制，可選低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）編碼和增強波束成形技術提升利用率，同時支持“動態(tài)頻寬”模式。

隨著物聯網的快速發(fā)展，在數據爆炸時代，網絡逐漸呈現密集化趨勢，無論是家庭還是公共場所，越來越多的移動終端都需要無線網絡支持，顯然網絡需要被重新定義，在密集用戶使用場景中保持高速率的用戶體驗也被更加重視。Wi-Fi聯盟于2019年9月提出第六代802.11ax，即Wi-Fi6，該協議主要應用在2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻段，即同時達到Wi-Fi4和Wi-Fi5各自的頻段，兼容低速和高速設備，支持160 Hz帶寬，最高提供9.6 Gbps接入速率，相較于Wi-Fi5提升至2.7倍，同時引入了MU-MIMO等技術提升效率，減少延遲，能提升多個設備連接Wi-Fi的效率，有效實現了網絡性能的優(yōu)化。

2 Wi-Fi6技術分析

Wi-Fi6（802.11ax）作為Wi-Fi標準的一個升級，在延續(xù)Wi-Fi5優(yōu)點的前提下，新增了許多針對高密部署場景的新特點，數據吞吐量和多個設備連接同一Wi-Fi的效率均有所提升。此次802.11ax的升級依然兼容之前的802.11ac/n/g/a/b標準，意味著使用舊終端也能和802.11ax網絡連接應用。

Wi-Fi6能夠支持多達8個設備同時通信，支持最多128人同時上網，終端功率減少30%，給用戶帶來了前所未有的網絡體驗。

2.1 多用戶傳輸技術

多用戶傳輸技術指的是上下行MU-MIMO與上下行OFDMA，能夠有效地促進高密度部署場景下的終端速率均值提升，簡而言之，是讓接入幾十臺設備時的速率媲美只接入一臺設備時的速率。

MU-MIMO，也就是多用戶多入多出技術（UL MU-MIMO為上行，DL MU-MIMO為下行），能夠允許不同的設備同時與路由器進行通訊，而不是僅僅同意下行MU-MIMO。Wi-Fi5及更早協議的路由器在同一時間只能和一臺設備通信，顯然，因數量不斷增加的設備同時接入而變得網絡擁擠的現象隨著Wi-Fi6的出現得到了實質性改善。借助下行MU-MIMO增加了系統并發(fā)接入量，又均衡了吞吐量，借助上行MUMIMO提升了并發(fā)場景效率。

OFDMA即正交頻分多址，指的是Wi-Fi6能夠將無線信道分為若干個子信道，產生多個頻率資源塊作為用戶數據的承載平臺，并未占據信道整體，實現了同一時間段內多個用戶設備接入并進行各自傳輸的情況下，依然能保持較高的通信速率和享受更快的響應速度，大幅度降低了多設備連接時的通信時延。相較于Wi-Fi5所支持的OFDM一次發(fā)車單數據包，OFDMA一次發(fā)車多數據包，究其原因為OFDM在設備進行數據的上傳或者下載的過程中，會在各個時間段當中占用無線信道整體。另外，OFDMA相較于OFDM具有3大優(yōu)勢：第一是在數據傳輸過程中能按照信道質量選擇更優(yōu)質、更細膩化的資源塊；第二是能提升各個終端連接速率的均值；第三是擁有更低的通信時延，進而能夠更好應對視頻會議、虛擬現實技術、移動教學及智能家居設備的應用[1]。

OFDMA允許多用戶通過細分信道(子信道)來提升并發(fā)效率，MU-MIMO允許多用戶通過使用不同的空間流來提高吞吐量，二者都是并行傳輸的有效方案，但是并非迭代關系，也并非競爭關系，是相互補充的關系，且二者的技術原理和使用場景存在較大的差異，需要依據應用設備的不同進行選擇。

2.2 BSS-Coloring技術

長期以來，Wi-Fi協議采用的機制都是載波偵聽多路訪問/沖突避免，也就是CSMA/CA，即在進行數據傳送前，會監(jiān)聽信道上是否已經有數據在傳輸，假如有，則進行避讓并等待在下一個時間段的數據進行傳輸，這也意味著多個無線訪問接入點（Wireless Access Point，AP）同時在某一信道工作時，因需要單獨占用信道進行通信，使得網絡并發(fā)容量大幅度下降。BSS-Coloring（著色）技術會對各個AP進行“著色”，也就是在數據報頭添加標識符，對各個AP進行有效區(qū)別，路由器或者設備進行數據發(fā)送前一旦檢測到信道被占用，就會檢查這一占用所著色的BSSColoring，明確其是不是相同AP的網絡，即使不是，也無須進行避讓，其可以達到多個AP使用同一進行信道的效果，實現對多用戶并行傳輸的智能化管理。

2.3 TWT技術

目標喚醒時間（Target Wakeup Time，TWT）技術允許設備與AP進行通信前，先協商通信開始時間和通信持續(xù)時間，能夠把各個終端劃分到多個TWT周期，有效縮短天線通電和搜索設備需要的時間。TWT技術能夠使各個設備單獨構建喚醒協議，終端設備在不傳輸數據時將處于休眠狀態(tài)，此技術有效降低了電池的消耗，同時能夠減少有限信道資源的占用[3]。

2.4 擴展覆蓋范圍

Wi-Fi6協議采用Long OFDM symbol(長正交頻分復用符號)發(fā)送機制，相比于之前的Wi-Fi協議，Wi-Fi6每次數據發(fā)送持續(xù)時間能夠從3.2 us提升到12.8 us，切實改善了終端丟包率。同時，Wi-Fi6協議在窄帶傳輸時可使用最小2 MHz頻寬，頻段噪聲干擾得到了優(yōu)化，終端接收靈敏度得到了提高，從而有效提升了無線信號覆蓋效果，增加了覆蓋距離。

2.5 支持2.4 GHz頻段

2.4 GHz頻段相比于5 GHz頻段，其頻寬較窄，且只有信道1、6、11這3個20 MHz的互相不干擾的信道，但是它從第一代Wi-Fi協議就開始被使用，Wi-Fi6標準繼續(xù)支持此頻段（僅WiFi5標準中未使用），由此可見其是一個可用頻段，并在較多場景中得到使用，而且具備兩個突出優(yōu)勢。

2.5.1 優(yōu)勢一：覆蓋范圍大

在無線通信系統中，頻率較高的信號在穿透力方面優(yōu)勢顯著，能夠較精準地穿過障礙物體，與此同時，其波長越短，繞射能力越差，傳輸損耗也就越大，有效距離也隨之越短，所以頻率較低的信號反而繞射能力強，傳輸距離遠。因此，2.4 GHz頻段就能較好地解決5 GHz頻段在高傳播速度下信號衰減嚴重導致傳輸距離短的問題。另外，在高密集的無線網絡區(qū)域，2.4 GHz頻段不僅能夠兼容新舊設備，還能對5 GHz頻段無法高速且完整覆蓋的邊緣區(qū)域進行彌補。

2.5.2 優(yōu)勢二：低成本

現階段，2.4 GHz設備使用量仍然占據市場較大份額，包括當下占據主流的智能家居和物聯網等新設備也依然在使用該頻段。對于這些流量沒有太大遲延需求的終端設備來說，2.4 GHz頻段的無線模塊所具備的經濟性、低成本等優(yōu)勢會促使其被廣大所需用戶選用。

2.6 分布式架構

為推動互聯式智能家居的落實使用，Wi-Fi6采用了分布式架構（Pod in Per Room），其能有效解決室內場景中覆蓋范圍小、穿墻能力弱等問題，這也是當前最先進的無線組網方案。其中，每個Pod節(jié)點都可以成為無線接入點，各個節(jié)點都符合物聯網和Wi-Fi的相關標準，這種智能家居網絡架構不僅能夠滿足更高信號的覆蓋要求，而且能夠將藍牙設備和ZigBee設備加入其中，甚至能夠利用語音輔助命令進行管理[5]。以往的Wi-Fi協議在不同的節(jié)點之間進行切換時，需要手動更改服務集標識（Service Set Identifier，SSID），耗時又費力，Wi-Fi6采用分布式的設計能夠有效完成對住宅整體的覆蓋，同時能夠在各個節(jié)點之間實現無縫自動切換?？傮w來說，Wi-Fi6的優(yōu)勢主要體現在3個方面，如圖1所示。

圖1 Wi-Fi6的技術優(yōu)勢

3 Wi-Fi6的應用

萬物互聯的時代已經到來，人們在實際應用中對高寬帶、低時延、廣連接的移動網絡要求越來越高，相關資料顯示生活中有超過7成的數據傳輸都是通過Wi-Fi協議完成的。Wi-Fi6的速度是目前所有無線連接協議中最快的，也是應用上最為靈活的，在密集用戶環(huán)境下的吞吐率均值、用戶體驗、應用的使用效果及無線生態(tài)的發(fā)展方面均有較好的表現?！度驘o線局域網（WLAN）季度跟蹤報告》顯示，Wi-Fi6產品在消費級市場持續(xù)向好，2021年季度消費級市場總收入增長了4.2%，主要分為商業(yè)應用場景和家庭應用場景兩大類，涉及城市熱點覆蓋、移動醫(yī)療業(yè)務、智能企業(yè)辦公運營、智能家居、VR/AR、網絡游戲、網絡教學等多個應用場景。

3.1 商業(yè)應用

從消費級電子終端到物聯網應用，再到新一代高速率應用，Wi-Fi6技術逐漸滲透多個行業(yè)的應用場景中。

（1）承擔智能通信網絡建設。目前，三大運營商與各大企業(yè)強強聯手，全面展開部署，其中包含商圈、社區(qū)、云游戲、車路協同等，逐漸朝著千兆全覆蓋的目標前進。例如，中國聯通已推行“寬帶+5G+Wi-Fi”三千兆升級，致力于打造標志性網絡場景；上海電信已完成在高鐵等商業(yè)公共區(qū)域全面覆蓋Wi-Fi6。

（2）承擔物聯交互智能應用。Wi-Fi6能在多用戶使用的情況下提供高速率，能夠在寫字樓、商場、機場等場景為用戶提供更加高速、可靠的互聯網接入服務，在工廠和產業(yè)園區(qū)，其可以為各類工業(yè)機器人和生產設備提供信息交互通道。

（3）承擔網絡游戲、視頻直播制作等低時延業(yè)務。隨著近幾年電競行業(yè)的崛起，移動端競技類游戲玩家越來越多，對操作要求、輸出環(huán)境的要求也越來越高。同時，直播行業(yè)涵蓋電商、游戲等多個領域，同時間段能夠擁有暢通無阻的網絡環(huán)境對于主播、受眾來說都十分重要。視頻創(chuàng)作類工作者的高清視頻素材越來越多，上傳文件逐漸變大，高速穩(wěn)定的無線網絡環(huán)境尤為重要，Wi-Fi6的“黑科技”可以較好滿足其需求。

3.2 智慧家庭智慧互聯應用

從家庭應用場景的角度來說，《2020年中國智能家居生態(tài)發(fā)展白皮書》數據顯示，2021年智能家居市場規(guī)模高達5 800億元。

Wi-Fi6的成熟應用為智能家居的應用奠定了堅定基礎，能夠在室內每個角落都覆蓋網絡，讓智能家居真正融入人們的生活，可以說是家庭用戶完成室內網絡部署的最佳選擇。相比于Wi-Fi5，Wi-Fi6能夠將家中的Wi-Fi速度提升3倍，既能滿足更多數量終端的接入，又可以為終端在帶寬、響應、連接等方面提供更優(yōu)質的體驗，使得智慧家庭構想中的萬物互聯、場景聯動的設想成為現實。目前，居家辦公、居家云課堂等網絡需求日益增加，家居智能化趨勢對Wi-Fi智能家居場景中最為關鍵的無線組網連接技術的需求不斷增加，同時推動了整個Wi-Fi產業(yè)的發(fā)展。

4 結語

Wi-Fi6協議通過較低的成本，提供高密度和大容量的無線接入服務，成為5G的有力補充，除了能為家庭用戶提供穩(wěn)定可靠的無線接入服務外，其更加適合在商場、寫字樓等用戶較密集的場景中部署，同時為各類企業(yè)級應用提供支持。