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揭秘當(dāng)代Wi-Fi技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2024-06-26 17:47:58 瀏覽數(shù)：2781 文章出自：創(chuàng)凌智聯(lián)

Wi-Fi技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)歷程，從早期的802.11標(biāo)準(zhǔn)到如今的Wi-Fi 6、Wi-Fi 6E甚至Wi-Fi 7標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi技術(shù)的持續(xù)發(fā)展不僅改善了速度和覆蓋范圍，還引入了許多新的技術(shù)。下面將進(jìn)一步介紹最近兩代Wi-Fi協(xié)議的核心技術(shù)細(xì)節(jié)，以了解它們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)更高的速度、更穩(wěn)定的連接、更高的容量和更好的性能。

Wi-Fi 6核心技術(shù)

Wi-Fi 6設(shè)計(jì)之初就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(chǎng)所、高密場(chǎng)館、室內(nèi)高密無線辦公、電子教室等場(chǎng)景以及未來4K/8K/VR等大帶寬視頻的承載。所以Wi-Fi 6繼承了Wi-Fi 5的所有先進(jìn)MIMO特性，并新增了許多針對(duì)高密部署場(chǎng)景的新特性。相比上一代Wi-Fi 5，Wi-Fi 6擁有“兩高兩低”四大優(yōu)勢(shì)：

· （1）高帶寬：同時(shí)支持2.4G和5G頻段，而不是像Wi-Fi 5路由器的2.4G頻段實(shí)際為Wi-Fi 4。另外采用1024-QAM高階調(diào)制、最大支持160MHz頻寬，速度快近3倍。

· （2）高并發(fā)：智能分頻，多臺(tái)設(shè)備并發(fā)連接，4倍容量提升。

· （3）低時(shí)延：支持多設(shè)備并發(fā)，大幅減少排隊(duì)等待，時(shí)延降低2/3。

· （4）低功耗：引入目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）技術(shù)，終端設(shè)備按需喚醒功耗降低30%。
下面來介紹一下其使用的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

OFDMA頻分復(fù)用技術(shù)

Wi-Fi 6之前，數(shù)據(jù)傳輸采用的是OFDM模式，用戶是通過不同時(shí)間片段區(qū)分出來的。每一個(gè)時(shí)間片段，一個(gè)用戶完整占據(jù)所有的子載波，并且發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包（如下圖(a)）。Wi-Fi 6則引入了更高效的數(shù)據(jù)傳輸模式OFDMA，它通過將子載波分配給不同用戶并在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法來實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用信道資源。Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)仿效LTE（Long-Term Evolution），將最小的子信道稱為“資源單位(Resource Unit，RU)”，每個(gè)RU當(dāng)中至少包含26個(gè)子載波，用戶是根據(jù)時(shí)頻資源塊RU區(qū)分出來的。故從總的時(shí)頻資源上來看，每一個(gè)時(shí)間片上，有可能有多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送（如下圖(b)）。

圖2-1 OFDM和OFDMA時(shí)頻示意圖

OFDMA相比OFDM實(shí)現(xiàn)了更細(xì)的信道資源分配。這可以更好的貼合室內(nèi)Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景，一些小包報(bào)文在傳輸時(shí)無需等待當(dāng)前時(shí)刻用戶發(fā)送完數(shù)據(jù)，即可立即加入到當(dāng)前信道來進(jìn)行傳輸，這顯然可以提高報(bào)文的傳輸效率。RU數(shù)量越多，發(fā)送小包報(bào)文時(shí)多用戶處理效率越高，吞吐量也越高，下圖展示了OFDMA在多用戶場(chǎng)景下的仿真收益5：

圖2-2 OFDM與OFDMA吞吐量對(duì)比圖

DL/UL MU-MIMO技術(shù)

常規(guī)的MIMO可以稱為SU-MIMO（Single-User MIMO），其雖然可以通過多鏈路同時(shí)傳輸?shù)姆绞?，提升路由器與客戶端設(shè)備之間的通訊速率，但在同一時(shí)間和同一個(gè)頻段內(nèi)，路由器只能夠與一個(gè)客戶端設(shè)備通信。那么即使客戶端設(shè)備無需完全占用所有的空間流，那路由器也無法將多余的空間流資源分配給其他用戶（如下圖(a)）。而MU-MIMO（Multi-User MIMO）則通過給不同用戶分配不同的地址，允許路由器同時(shí)與多個(gè)設(shè)備通信，而不是依次進(jìn)行通信，提升了整個(gè)系統(tǒng)容量。

圖2-3 SU-MIMO和MU-MIMO示意圖

注意到上圖所示的都是下行鏈路（down-link），即DL MU-MIMO。實(shí)際上，DL MU-MIMO在Wi-Fi 5就已經(jīng)引入，但只支持DL 4x4 MU-MIMO，而Wi-Fi 6不僅進(jìn)一步增加了空間流數(shù)量，可支持DL 8x8 MU-MIMO（最多與8個(gè)用戶同時(shí)傳輸），還新增了上行(up-link，UL)的UL 8x8 MU-MIMO（最多支持8個(gè)用戶同時(shí)上行傳輸數(shù)據(jù)），提升多用戶并發(fā)場(chǎng)景效率，大大降低了應(yīng)用時(shí)延。如下圖給出了下行/上行多用戶模式調(diào)度順序圖，不同的顏色塊表示不同的空間流。

圖2-4 下行/上行多用戶模式調(diào)度順序

需要注意的是，不要將MU-MIMO和OFDMA混淆。OFDMA支持多用戶通過細(xì)分信道（子信道）來提高并發(fā)效率，而MU-MIMO支持多用戶通過使用不同的空間流來提高吞吐量。下表是OFDMA與MU-MIMO的對(duì)比：

表1-3 OFDMA 與 MU-MIMO 對(duì)比

1024QAM

Wi-Fi 5采用的256-QAM正交幅度調(diào)制，每個(gè)符號(hào)可以傳輸8bit數(shù)據(jù)，而Wi-Fi 6則提升到1024-QAM，每個(gè)符號(hào)可傳輸10bit數(shù)據(jù)，于是單條空間流數(shù)據(jù)吞吐量可以提高25%。

圖2-5 256-QAM與1024-QAM 的星座圖對(duì)比

空分復(fù)用技術(shù)（SR） & BSS Coloring 著色機(jī)制

這項(xiàng)技術(shù)主要是針對(duì)多個(gè)無線接入點(diǎn)（Access Point）之間的同頻干擾問題。一直以來，Wi-Fi采用CSMA/CA（載波偵聽多路訪問／沖突避免）機(jī)制，即每次在傳送數(shù)據(jù)之前，會(huì)監(jiān)聽無線信道上有無其他AP也在傳送數(shù)據(jù)，如果有，先避讓，等下個(gè)時(shí)間段再傳送。這意味著多個(gè)AP工作于同一信道時(shí)，由于采用輪流單獨(dú)通信的方式，會(huì)大幅降低網(wǎng)絡(luò)容量。

而Wi-Fi 6中則引入了一種新的同頻傳輸識(shí)別機(jī)制——BSS Coloring（Basic Service Set coloring）機(jī)制。為每個(gè)AP“著色”，即在PHY報(bào)文頭增加6bit的標(biāo)識(shí)符區(qū)分不同AP，這樣一來，當(dāng)路由器或設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前偵聽到信道已被占用時(shí)，會(huì)首先檢查該“占用”的BSS Coloring，確定是否是同一AP的網(wǎng)絡(luò)。如果顏色相同，則認(rèn)為是同一BSS內(nèi)的干擾信號(hào)，發(fā)送將推遲；如果不是，則不用避讓，從而允許多個(gè)AP在同一信道上運(yùn)行，從而有效緩解多路由場(chǎng)景下同信道干擾退避的問題，提升頻譜資源利用率。5

圖2-6 無BSS Color機(jī)制與有BSS Color機(jī)制對(duì)比

擴(kuò)展覆蓋范圍(ER)

Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)采用的是Long OFDM symbol發(fā)送機(jī)制，每次數(shù)據(jù)發(fā)送持續(xù)時(shí)間從原來的3.2us提升到12.8us，更長(zhǎng)的發(fā)送時(shí)間可降低終端丟包率；另外Wi-Fi 6最小可僅使用2MHz頻寬進(jìn)行窄帶傳輸，有效降低頻段噪聲干擾，提升了終端接受靈敏度，增加了覆蓋距離。如下圖5 （802.11ac為Wi-Fi 5，802.11ax為Wi-Fi 6）。

圖2-7 Long OFDM symbol與窄帶傳輸帶來覆蓋距離提升

目標(biāo)喚醒時(shí)間(TWT)

最后就是Wi-Fi 6針對(duì)功耗做出的優(yōu)化。Wi-Fi 6采用一種叫TWT（Target Wakeup Time，目標(biāo)喚醒時(shí)間）的功能，允許終端設(shè)備在不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。此外，Wi-Fi 6的AP還可以設(shè)定TWT 編排計(jì)劃，將STA（客戶端設(shè)備）分組到不同的TWT周期，從而減少喚醒后同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)無線介質(zhì)的設(shè)備數(shù)量。TWT還增加了設(shè)備睡眠時(shí)間，對(duì)采用電池供電的終端來說，可節(jié)省高達(dá)7倍的電池功耗4 。這對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能家居、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化和智慧城市等領(lǐng)域意義非凡。