总16期
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浅谈Wi-Fi 6新标准
文/张海涛
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随着移动终端和移动应用的普及,如今我们正逐步迈进随时随地接入网络的无线互联网时代。人们对无线接入的需求已经从“最好能有”变成了“必须得有”。由于数量越来越庞大的移动终端的接入,以及高清视频和VR/AR等高带宽消耗业务的兴起,人们对无线网络的容量和可靠性提出了更高要求。为了顺应用户为王、体验为王、速度为王的未来无线网络技术的发展趋势,Wi-Fi联盟近期正式将基于IEEE 802.11ax标准的Wi-Fi纳入麾下,成为第6代Wi-Fi技术,简称Wi-Fi 6。

在了解第6代Wi-Fi技术具体都使用了哪些先进技术来为移动互联网应用体验提供助力之前,让我们首先回顾一下Wi-Fi技术的发展历程(表1所示 ),最早的Wi-Fi 标准802.11颁布于1997年,最初的用户接入速率只有2Mbps,后续又相继出现了802.11a、802.11b、802.11g标准。从第4代Wi-Fi技术802.11n开始,用户的接入速率开始大幅度提高,理论上可以达到600Mbps,第5代Wi-Fi技术802.11ac的理论用户接入速率达到了6.9Gbps,而第6代Wi-Fi技术802.11ax的理论用户接入速率更是高达9.6Gbps。

表1 Wi-Fi技术发展历程

在进入Wi-Fi 5时代之前,无线局域网重点关注的还是如何提升“最高传输”速度而忽略网络容量,然而随着无线终端和无线应用的普及,接入无线网络的无线设备越来越多,狭小空间里需要争抢无线网络资源的终端用户越来越多,让无线局域网络标准开始重视网络容量,即对服务设备数量的考量。Wi-Fi 5标准里通过MU-MIMO技术的引入迈出了增加网络容量和通信效率的第一步,而在最新的Wi-Fi 6标准中通过一系列新技术和优化手段的加入,使Wi-Fi网络在速率、接入密度、覆盖距离上都带来了相应的提升,能够满足诸如网页浏览、即时通信、AR/VR、高清影视等多元化场景应用的需求。

接下来我们就对Wi-Fi 6当中使用到的关键技术进行剖析。

关键技术1:OFDMA

在Wi-Fi 6之前的Wi-Fi标准采用的都是OFDM(正交频分复用)调制方式,其原理是将信道切分为子载波,目的是为了防止干扰,但单一信道同一时间内只能为同一用户服务,而Wi-Fi 6采用了正交频分多址(OFDMA)这一成熟的4G蜂窝技术,单一信道同一时间内可以为多用户服务。打个比方来说,就像快递员送货的快递车,如果每次只能放一件货物,那么给多个用户送货就要分别跑很多趟,效率极低,而如果在快递车内放入很多货物,就可以一次为多个用户派送快递,送货效率就会大大提高。此外由于OFDMA允许设备按子载波组进行数据发送,增加了功率谱密度,从而在相同的发射功率下可以传送的更远。

关键技术2:MU-MIMO

MU-MIMO即多用户输入输出技术,该技术在802.11ac wave2 Wi-Fi 5时代被首次应用,使得AP接入点可以同时向多个支持MU-MIMO的客户端发送数据包,解决了AP接入点之前一次只能和一个终端通信的问题(如图1所示)。我们还以快递公司送货为例,MU-MIMO技术采用之前,好比快递公司只有一辆快递车,采用MU-MIMO技术后好比快递公司新购置了多辆快递车同时送货,送货效率相比原来大幅提升。

图1 MU-MIMO工作原理

由于Wi-Fi 6对​MU-MIMO功能进一步增强,802.11ac 可以同时向4个终端发送MU-MIMO数据包,而Wi-Fi 6可以同时向8个终端发送MU-MIMO数据包。Wi-Fi 6除了支持下行MU-MIMO技术之外,还新增了对上行MU-MIMO的支持,可以最多同时传输8个用户的上行数据。

关键技术3:更高阶的调制编码方案

早期的Wi-Fi调制编码效率是比较低的,每个子载波只能携带4bit数据,Wi-Fi 4支持64QAM,每个子载波可以携带6bit数据,而Wi-Fi 5支持的256QAM每个子载波可以携带8bit数据,Wi-Fi 6引入了更高阶的调制编码方案1024QAM,相比于256QAM,每个子载波携带的数据从8bit增加到10bit,相应的速率提升25%,再结合其他速率提升技术,单条空间流(80MHz频宽)的速率可以由433Mbps提升到600Mbps

关键技术4:空间重用(Spatial Reuse)

802.11​协议​使用​载波​侦听​多​路​访问​(CSMA)​技术来进行冲突检测和发送仲裁,​​无线​终端在发送报文前都会首先​进行​信道评估,​仅​当​它们检测到​信道​空闲​时​才​会​发送报文,​以​避免​冲突。​​这个冲突检测方法使所有​参与​者​公平​共享​信道,​但​当在线设备​数量​大幅​增长​时,​传输​效率​就​会​严重下降,尤其是在多个AP相互间有​重叠​覆盖区域的场景。针对高密场景的信号特点,华三公司在Wi-Fi 4时代就提出了“信道重用”技术,可以极大缓解高密场景下信号冲突的问题,提升整网的使用性能。同时,Wi-Fi 6标准在物理报文头中加入了一个bss color信息,用来协助辨别接收到报文的BSS信息,并采用了类似“信道重用”的空间重用技术,来提升高密部署环境下的空口利用率和提升整网性能。举例来说:如图2所示,实线圈表示各STA无线信号发射可以达到的范围,STA2在BSS2(AP2)上线,对于STA2来说来自BSS1(AP1和接入AP1的STA)的报文并不需要关心,但由于双方信号有交集,在发报文的时候彼此之间都会产生退避行为,造成不必要的时间浪费。因此当STA2将功率调低至虚线圈的覆盖范围后,两个BSS(AP1和AP2)彼此之间就不存在上述问题,同时也不再影响STA2与BSS2的正常数据交互,达到了空间重用的效果。

对于STA来讲,来自其他BSS(AP)的报文是并不需要去处理的,当接收到来自其他BSS(AP)的报文RSSI值低于其正常报文交互所需的最低门限值时,STA可以完全忽略该报文,并且将自己的发送功率调整至合适的范围值,那么就可以完全达到信道重用的目的了。

图2 空间重用技术示例

关键技术5:节电管理(Target Wake Times)

在Wi-Fi 6之前,希望节能的无线终端在休眠期间会每隔固定时间醒来侦听AP发送的beacon,以确认是否需要进行报文接收,当有报文接收则继续保持唤醒状态等待接收,无报文接收则继续保持休眠。而在Wi-Fi 6中引入了更高效的节能机制TWT(Target Wake Times),其允许无线终端不再需要侦听beacon,而是可以与AP协商在特定时间唤醒获取空口资源,这样就可以做到只在无线终端需要报文交互时才进行唤醒。TWT(Target Wake Times)技术,同时允许AP对STA的唤醒与休眠进行统一调度,减少STA不必要的唤醒次数,从而达到节能的目的。此外,AP还可以将无线终端设备分组到不同的TWT周期,以减少唤醒后同时竞争无线介质设备之间的冲突。

结束语

Wi-Fi 6作为最新的Wi-Fi标准拥有众多的杀手锏:OFDMA 、8x8 DL/UL MU-MIMO、1024-QAM、空间重用等技术的使用,让用户在使用Wi-Fi网络时可以在上网速度、连接稳定性、特别是高密环境下的用户体验上有显著提升,其最大理论数据速率高达9.6Gbps左右,实现了在密集用户环境中将用户平均吞吐量提高至少4倍。我们可以大胆预期,当未来Wi-Fi 6普及时,在车站、机场、体育场馆、学校教室、开放式办公室等高密度场景下,人们能够随意、流畅地连接Wi-Fi网络,告别“连不上、频掉线、速度慢”等上网体验。

Wi-Fi 6的技术标准802.11ax预计在2019年会正式发布,芯片和通信设备制造商都非常看好即将发布的新标准,纷纷推出各自的产品和后续发布路线:以高通、博通为代表的芯片厂商已经发布了多款802.11ax无线芯片,以新华三为代表的设备厂商更拿出了多款支持Wi-Fi 6的企业级无线AP,以三星为代表的手机厂商开始在主流手机机型支持Wi-Fi 6。据咨询公司预测2019年全球企业级Wi-Fi 6 AP的销售额将达到14亿美金,可以说2019年将是Wi-Fi 6走向普及的一年,而未来的2-3年将会逐步替代现有的Wi-Fi设备,成为市场的主流。

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