劉 洋，龔戈勇

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)App及數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式地增長(zhǎng)，人們對(duì)“低時(shí)延、高帶寬、泛聯(lián)接”的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求特別巨大。5G和Wi-Fi6技術(shù)憑借各自的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)性能，成為當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入的關(guān)鍵技術(shù)。5G和Wi-Fi6技術(shù)代表當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，滿足用戶在擺脫有線束縛的同時(shí)，接入高帶寬、高并發(fā)、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)。

1 5G和Wi-Fi6的技術(shù)特征

1.1 5G的技術(shù)特征

5G是繼4G之后的新一代移動(dòng)通信技術(shù)，其功能與性能都得到了明顯的增強(qiáng)，5G系統(tǒng)定義了靈活的物理層資源配置，引入了大規(guī)模MIMO、毫米波、上下行解耦、LTE-NR雙鏈接等技術(shù)，具有更高容量、更強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力，服務(wù)范圍從4G時(shí)代面向個(gè)人進(jìn)一步擴(kuò)展到萬(wàn)物互聯(lián)。

圖1 5G系統(tǒng)性能指標(biāo)

如圖1所示，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的空口能力設(shè)計(jì)目標(biāo)是支持更高的吞吐率增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)10 Gb/s，用戶體驗(yàn)帶寬可達(dá)100 Mb/s；密度更大的連接數(shù)大規(guī)模機(jī)器類型通信（Massive MachineType Communication，mMTC），提升10～100倍，達(dá)到每平方公里百萬(wàn)個(gè)；以及更低的時(shí)延和更高的可靠度超高可靠低時(shí)延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC），降低5～10倍，達(dá)到毫秒級(jí)量[1]。

當(dāng)前5G系統(tǒng)采用的頻段主要分為兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)是6 GHz以下的（sub-6GHz），這部分是5G當(dāng)前的主流應(yīng)用范圍；一個(gè)是6 GHz以上及更高頻率的毫米波頻段?，F(xiàn)有的234G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基本采用低于3 GHz的頻段，因此目前3.5 GHz是各國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主流頻段。

1.2 Wi-Fi6的技術(shù)特征

Wi-Fi6作為最新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，相比Wi-Fi5（802.11ac）在多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上有著根本的提升，減少擁塞的同時(shí)允許更多設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，除了具有更快的傳輸速率和頻譜效率，還提供更高的并發(fā)能力、更低的業(yè)務(wù)時(shí)延、更大的覆蓋范圍、更節(jié)能的終端功耗，能較大幅度擴(kuò)展Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍和使用場(chǎng)景。

如表1所示，與Wi-Fi5標(biāo)準(zhǔn)相比，Wi-Fi6技術(shù)可達(dá)9.6 Gb/s的超高理論帶寬（采用160 MHz 頻寬，8條流情況下），AP設(shè)備的接入容量是Wi-Fi5的4倍，支持更多的終端并發(fā)接入，終端功耗節(jié)約30%以上[2]。

表1 Wi-Fi6理論帶寬

Wi-Fi6使用的頻段是免費(fèi)頻段，無(wú)需報(bào)備。Wi-Fi頻段主要采用2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)頻段，其中2.4 GHz頻段是通用的公開(kāi)使用無(wú)線頻段，可用于短距離無(wú)線傳輸，有83.5 MHz（2 400～2 483.5 MHz）的頻寬可以使用，除Wi-Fi外，藍(lán)牙、Zigbee、無(wú)線 USB、微波爐等也使用2.4 GHz頻段。

1.3 5G與Wi-Fi6共用技術(shù)

Wi-Fi與移動(dòng)通信一直是無(wú)線連接的兩大關(guān)鍵技術(shù)，最大限度地提升連接速度及用戶的滿意度是這兩個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)共同的目標(biāo)。因此，兩者在技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程中不斷互相借鑒。

1.3.1 提高信道利用效率的OFDMA技術(shù)

正交頻分多址技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）由OFDM改進(jìn)而來(lái)，首先應(yīng)用于4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，后被引用到Wi-Fi6標(biāo)準(zhǔn)中。Wi-Fi6標(biāo)準(zhǔn)采納了這種技術(shù)來(lái)提高頻譜的利用效率，在多個(gè)用戶之間共享WiFi信道。以80 MHz的頻寬為例，最多可以分成37個(gè)RU（Resource Unit）資源單元，同時(shí)供37個(gè)用戶并發(fā)。5G標(biāo)準(zhǔn)的空口技術(shù)也源于OFDM，在子載波及頻寬設(shè)計(jì)上與OFDMA有類似的地方[3-4]，如圖2所示。

1.3.2 MU-MIMO 和 Massive MIMO

多用戶多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）技術(shù)最早用于Wi-Fi5 wave2階段，但只支持 AP到終端的下行傳輸過(guò)程，其AP節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)向多個(gè)支持MU-MIMO的客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包，有效解決了之前無(wú)線AP一次只能和一個(gè)終端通信的問(wèn)題。Wi-Fi6除了沿用MU-MIMO技術(shù)外，還新增了支持上行的MU-MIMO，最多支持8×8的天線。

大規(guī)模天線（Massive MIMO）技術(shù)作為5G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，信號(hào)可以通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線發(fā)送和接收，在不增加系統(tǒng)頻譜資源和發(fā)送功率的情況下，能有效提升5G系統(tǒng)信道容量和信號(hào)覆蓋范圍。其中，室外宏站為了滿足更大范圍及用戶覆蓋，天線的數(shù)量可采用64T64R，且支持水平方向+垂直方向的波束成型；5G室內(nèi)有源分布系統(tǒng)的有源天線單元因考慮空間限制和覆蓋范圍，一般采用4×4 MIMO的天線。

圖2 MIMO技術(shù)

2 典型數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比分析

2.1 室外覆蓋

Wi-Fi6室外設(shè)備的發(fā)射功率一般不超過(guò)30 dBm，覆蓋范圍為500 m以內(nèi)，所以室外Wi-Fi主要用于一定范圍內(nèi)的用戶接入，尤其是室外高密場(chǎng)景，例如學(xué)校操場(chǎng)、步行街等，如圖3所示。

對(duì)于大面積的室外覆蓋，例如景區(qū)、城市等，使用5G更合適，室外宏基站在覆蓋范圍及漫游效果都具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)于無(wú)人駕駛、無(wú)人機(jī)、智慧城市的IoT（如智慧路燈）等都是5G的主要應(yīng)用，如圖4所示。

圖3 室外Wi-Fi6覆蓋

圖4 5G室外基站覆蓋

2.2 室內(nèi)高密覆蓋

5G系統(tǒng)理論的高密覆蓋是每平方公里100萬(wàn)接入終端，換算成每平方米是1個(gè)終端接入。但部分室內(nèi)人員高密度場(chǎng)景，如學(xué)校宿舍（每人至少2個(gè)移動(dòng)終端）、體育場(chǎng)館看臺(tái)（每個(gè)座位約0.5 m2），該類場(chǎng)景中單平方米終端數(shù)量可能5G系統(tǒng)難以滿足承載要求。Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)由于其靈活性，可以選擇定向天線覆蓋特定區(qū)域，也可以根據(jù)連接用戶數(shù)來(lái)選擇高性能AP、三射頻AP，通過(guò)控制AP的發(fā)射功率縮小覆蓋范圍，可以實(shí)現(xiàn)每平方米2～3個(gè)并發(fā)終端的連接。

2.2.1 VR/AR等高帶寬需求場(chǎng)景

當(dāng)前VR/AR/4K/8K 等新應(yīng)用對(duì)帶寬都具有非常高的需求；VR/AR的帶寬要求在100 Mb/s以上，4K的帶寬要求在50 Mb/s以上；5G采用了高頻寬的方式提升用戶帶寬，在Sub-6G下最大支持100 MHz的頻寬，在mmWave下最大支持400 MHz的頻寬。5G室內(nèi)有源分布系統(tǒng)采用的4T4R天線單元，邊緣速率要達(dá)到100 Mb/s，通常要配置100 MHz的頻寬（如圖5所示的仿真），而且需要部署跟AP數(shù)量相當(dāng)?shù)男』?，從而大大增加了室?nèi)5G覆蓋的成本。

而Wi-Fi6高性能AP設(shè)備，在80 MHz頻寬下有 3個(gè)不重疊的信道，在終端支持2×2 MIMO的情況下其理論帶寬最高可達(dá)到1.2 Gb/s，能有效滿足現(xiàn)有VR/AR/4K等各類應(yīng)用對(duì)高帶寬的需求。對(duì)于VR教育或沉浸式體驗(yàn)，可以通過(guò)Wi-Fi6滿足接入的需求；但對(duì)于時(shí)延敏感的遠(yuǎn)程協(xié)助類VR，由于通常只有單用戶使用，通過(guò)5G的方式連接方式效果更佳。

圖5 5G室內(nèi)分布系統(tǒng)邊緣速率仿真

2.2.2 工業(yè)生產(chǎn)制造

隨著傳感器/AGV/工業(yè)AR/機(jī)器視覺(jué)規(guī)模應(yīng)用興起，車間級(jí)寬帶物聯(lián)無(wú)線成為剛需，設(shè)備時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)正在起步。Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大帶寬的特點(diǎn)，將其應(yīng)用場(chǎng)景從室內(nèi)辦公延伸到與工業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)場(chǎng)景。

Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)以其靈活性及高帶寬特性能解決智能生產(chǎn)制造中部分無(wú)線接入場(chǎng)景。在工業(yè)生產(chǎn)制造中，還有一些對(duì)時(shí)延要求非常敏感的應(yīng)用，例如同步實(shí)時(shí)協(xié)作機(jī)器人對(duì)時(shí)延要求小于5 ms，這類對(duì)于時(shí)延要求敏感（如時(shí)延小于20 ms）的應(yīng)用，不適合使用Wi-Fi6傳輸，采用5G網(wǎng)絡(luò)接入方式更具有優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景

5G網(wǎng)絡(luò)mMTC場(chǎng)景能有效滿足海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，支持如智慧城市的IoT連接。但在室內(nèi)場(chǎng)景中，無(wú)論是工廠的資產(chǎn)管理、商場(chǎng)電子價(jià)簽還是工業(yè)制造的機(jī)器人，都會(huì)使用不同的IoT傳輸協(xié)議，難以直接通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸。目前大部分廠家的Wi-Fi AP里已經(jīng)集成了RFID、Zigbee、Bluetooth等功能模塊，而且可以通過(guò)外置的插卡方式支持更多的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)合二為一，從而節(jié)約建設(shè)成本。例如，零售行業(yè)的電子價(jià)簽業(yè)務(wù)，利用AP集成電子價(jià)簽的基站，電子價(jià)簽基站管理電子價(jià)簽ESL，AP提供Wi-Fi與ESL統(tǒng)一的上行連接，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與ESL網(wǎng)絡(luò)的合一。

2.3 性能對(duì)比

從技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)性能、建網(wǎng)部署及施工、用戶使用等多個(gè)角度，分析5G和Wi-Fi6的場(chǎng)景差異性對(duì)比如表2所示[5]。

圖6 Wi-Fi6在智能工業(yè)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

3 結(jié)語(yǔ)

2G時(shí)代，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要承載語(yǔ)音業(yè)務(wù)，Wi-Fi主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，二者基本上為互補(bǔ)關(guān)系；在4G時(shí)代，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和VoIP技術(shù)的成熟，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi出現(xiàn)了一定程度的競(jìng)爭(zhēng)；當(dāng)前5G和Wi-Fi 6技術(shù)的主戰(zhàn)場(chǎng)不斷變化，但不同應(yīng)用場(chǎng)景下二者存在細(xì)分差異。未來(lái)，5G新技術(shù)的演進(jìn)會(huì)導(dǎo)致Wi-Fi受到一定影響，但Wi-Fi在高私密性（比如家庭室內(nèi)、商場(chǎng)、辦公區(qū)域）的應(yīng)用場(chǎng)景依然有很大的市場(chǎng)。