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(zhuǎn)播臺）

1 Wi-Fi6協(xié)議的發(fā)展歷程

Wi-Fi歷經(jīng)20多年的發(fā)展和6次技術(shù)迭代，為數(shù)十億設(shè)備提供連接，已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。為不斷適應(yīng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用、新用戶需求及縮小與有線網(wǎng)絡(luò)寬帶的差距，每一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都在滿足用戶需求的大前提下被開發(fā)、制定，最后投入應(yīng)用。

第一代協(xié)議IEEE802.11由IEEE在1997年6月提出，協(xié)議數(shù)據(jù)速率最高為2 Mbps，采用直接序列擴(kuò)頻（Direct Se-quence Spread Spectrum，DSSS）技術(shù)，占用2.4 GHz（1、6、11）3個(gè)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(lián)盟的成立推動了無線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，隨后Wi-Fi聯(lián)盟發(fā)布了IEEE802.11a/b協(xié)議，802.11a協(xié)議基于5 GHz頻段，協(xié)議數(shù)據(jù)速率為6 Mbps至54 Mbps，使用正交頻分復(fù)用技術(shù)（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(qiáng)度不夠理想。b協(xié)議基于2.4 GHz頻段，協(xié)議數(shù)據(jù)速率為1、2、5.5或11 Mbps，采用DSSS技術(shù)，占用2.4 GHz（1、6、11）3個(gè)非重疊的22 MHz信道，雖然與a協(xié)議相比速度較低，但其具有更強(qiáng)的穿透性和更廣的覆蓋范圍，很快得以被商業(yè)應(yīng)用。

第三代標(biāo)準(zhǔn)802.11g由Wi-Fi聯(lián)盟于2003年7月提出，使用OFDM和2.4 GHz（1、6、11）3個(gè)非重疊20 MHz信道，協(xié)議數(shù)據(jù)速率為6 Mbps至54 Mbps，實(shí)際上是將5 GHz的802.11a技術(shù)轉(zhuǎn)移到2.4 GHz頻段。

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

緊隨智能時(shí)代的浪潮，智能手機(jī)在用戶市場掀起了一陣熱浪，移動通信業(yè)務(wù)隨之快速發(fā)展，2013年提出的第五代協(xié)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(diào)制，可選低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）編碼和增強(qiáng)波束成形技術(shù)提升利用率，同時(shí)支持“動態(tài)頻寬”模式。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，在數(shù)據(jù)爆炸時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)逐漸呈現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)支持，顯然網(wǎng)絡(luò)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(yàn)也被更加重視。Wi-Fi聯(lián)盟于2019年9月提出第六代802.11ax，即Wi-Fi6，該協(xié)議主要應(yīng)用在2.4 GHz和5.8 GHz兩個(gè)頻段，即同時(shí)達(dá)到Wi-Fi4和Wi-Fi5各自的頻段，兼容低速和高速設(shè)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(shí)引入了MU-MIMO等技術(shù)提升效率，減少延遲，能提升多個(gè)設(shè)備連接Wi-Fi的效率，有效實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。

2 Wi-Fi6技術(shù)分析

Wi-Fi6（802.11ax）作為Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)升級，在延續(xù)Wi-Fi5優(yōu)點(diǎn)的前提下，新增了許多針對高密部署場景的新特點(diǎn)，數(shù)據(jù)吞吐量和多個(gè)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，意味著使用舊終端也能和802.11ax網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用。

Wi-Fi6能夠支持多達(dá)8個(gè)設(shè)備同時(shí)通信，支持最多128人同時(shí)上網(wǎng)，終端功率減少30%，給用戶帶來了前所未有的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

2.1 多用戶傳輸技術(shù)

多用戶傳輸技術(shù)指的是上下行MU-MIMO與上下行OFDMA，能夠有效地促進(jìn)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(shè)備時(shí)的速率媲美只接入一臺設(shè)備時(shí)的速率。

MU-MIMO，也就是多用戶多入多出技術(shù)（UL MU-MIMO為上行，DL MU-MIMO為下行），能夠允許不同的設(shè)備同時(shí)與路由器進(jìn)行通訊，而不是僅僅同意下行MU-MIMO。Wi-Fi5及更早協(xié)議的路由器在同一時(shí)間只能和一臺設(shè)備通信，顯然，因數(shù)量不斷增加的設(shè)備同時(shí)接入而變得網(wǎng)絡(luò)擁擠的現(xiàn)象隨著Wi-Fi6的出現(xiàn)得到了實(shí)質(zhì)性改善。借助下行MU-MIMO增加了系統(tǒng)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?qū)o線信道分為若干個(gè)子信道，產(chǎn)生多個(gè)頻率資源塊作為用戶數(shù)據(jù)的承載平臺，并未占據(jù)信道整體，實(shí)現(xiàn)了同一時(shí)間段內(nèi)多個(gè)用戶設(shè)備接入并進(jìn)行各自傳輸?shù)那闆r下，依然能保持較高的通信速率和享受更快的響應(yīng)速度，大幅度降低了多設(shè)備連接時(shí)的通信時(shí)延。相較于Wi-Fi5所支持的OFDM一次發(fā)車單數(shù)據(jù)包，OFDMA一次發(fā)車多數(shù)據(jù)包，究其原因?yàn)镺FDM在設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳或者下載的過程中，會在各個(gè)時(shí)間段當(dāng)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(shù)據(jù)傳輸過程中能按照信道質(zhì)量選擇更優(yōu)質(zhì)、更細(xì)膩化的資源塊；第二是能提升各個(gè)終端連接速率的均值；第三是擁有更低的通信時(shí)延，進(jìn)而能夠更好應(yīng)對視頻會議、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、移動教學(xué)及智能家居設(shè)備的應(yīng)用[1]。

OFDMA允許多用戶通過細(xì)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?shù)挠行Х桨福遣⒎堑P(guān)系，也并非競爭關(guān)系，是相互補(bǔ)充的關(guān)系，且二者的技術(shù)原理和使用場景存在較大的差異，需要依據(jù)應(yīng)用設(shè)備的不同進(jìn)行選擇。

2.2 BSS-Coloring技術(shù)

長期以來，Wi-Fi協(xié)議采用的機(jī)制都是載波偵聽多路訪問/沖突避免，也就是CSMA/CA，即在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送前，會監(jiān)聽信道上是否已經(jīng)有數(shù)據(jù)在傳輸，假如有，則進(jìn)行避讓并等待在下一個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這也意味著多個(gè)無線訪問接入點(diǎn)（Wireless Access Point，AP）同時(shí)在某一信道工作時(shí)，因需要單獨(dú)占用信道進(jìn)行通信，使得網(wǎng)絡(luò)并發(fā)容量大幅度下降。BSS-Coloring（著色）技術(shù)會對各個(gè)AP進(jìn)行“著色”，也就是在數(shù)據(jù)報(bào)頭添加標(biāo)識符，對各個(gè)AP進(jìn)行有效區(qū)別，路由器或者設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)，即使不是，也無須進(jìn)行避讓，其可以達(dá)到多個(gè)AP使用同一進(jìn)行信道的效果，實(shí)現(xiàn)對多用戶并行傳輸?shù)闹悄芑芾怼?/p>

2.3 TWT技術(shù)

目標(biāo)喚醒時(shí)間（Target Wakeup Time，TWT）技術(shù)允許設(shè)備與AP進(jìn)行通信前，先協(xié)商通信開始時(shí)間和通信持續(xù)時(shí)間，能夠把各個(gè)終端劃分到多個(gè)TWT周期，有效縮短天線通電和搜索設(shè)備需要的時(shí)間。TWT技術(shù)能夠使各個(gè)設(shè)備單獨(dú)構(gòu)建喚醒協(xié)議，終端設(shè)備在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)將處于休眠狀態(tài)，此技術(shù)有效降低了電池的消耗，同時(shí)能夠減少有限信道資源的占用[3]。

2.4 擴(kuò)展覆蓋范圍

Wi-Fi6協(xié)議采用Long OFDM symbol(長正交頻分復(fù)用符號)發(fā)送機(jī)制，相比于之前的Wi-Fi協(xié)議，Wi-Fi6每次數(shù)據(jù)發(fā)送持續(xù)時(shí)間能夠從3.2 us提升到12.8 us，切實(shí)改善了終端丟包率。同時(shí)，Wi-Fi6協(xié)議在窄帶傳輸時(shí)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(gè)20 MHz的互相不干擾的信道，但是它從第一代Wi-Fi協(xié)議就開始被使用，Wi-Fi6標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)支持此頻段（僅WiFi5標(biāo)準(zhǔn)中未使用），由此可見其是一個(gè)可用頻段，并在較多場景中得到使用，而且具備兩個(gè)突出優(yōu)勢。

2.5.1 優(yōu)勢一：覆蓋范圍大

在無線通信系統(tǒng)中，頻率較高的信號在穿透力方面優(yōu)勢顯著，能夠較精準(zhǔn)地穿過障礙物體，與此同時(shí)，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(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。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(yán)重導(dǎo)致傳輸距離短的問題。另外，在高密集的無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，2.4 GHz頻段不僅能夠兼容新舊設(shè)備，還能對5 GHz頻段無法高速且完整覆蓋的邊緣區(qū)域進(jìn)行彌補(bǔ)。

2.5.2 優(yōu)勢二：低成本

現(xiàn)階段，2.4 GHz設(shè)備使用量仍然占據(jù)市場較大份額，包括當(dāng)下占據(jù)主流的智能家居和物聯(lián)網(wǎng)等新設(shè)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(shè)備來說，2.4 GHz頻段的無線模塊所具備的經(jīng)濟(jì)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(gòu)

為推動互聯(lián)式智能家居的落實(shí)使用，Wi-Fi6采用了分布式架構(gòu)（Pod in Per Room），其能有效解決室內(nèi)場景中覆蓋范圍小、穿墻能力弱等問題，這也是當(dāng)前最先進(jìn)的無線組網(wǎng)方案。其中，每個(gè)Pod節(jié)點(diǎn)都可以成為無線接入點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都符合物聯(lián)網(wǎng)和Wi-Fi的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這種智能家居網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅能夠滿足更高信號的覆蓋要求，而且能夠?qū)⑺{(lán)牙設(shè)備和ZigBee設(shè)備加入其中，甚至能夠利用語音輔助命令進(jìn)行管理[5]。以往的Wi-Fi協(xié)議在不同的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行切換時(shí)，需要手動更改服務(wù)集標(biāo)識（Service Set Identifier，SSID），耗時(shí)又費(fèi)力，Wi-Fi6采用分布式的設(shè)計(jì)能夠有效完成對住宅整體的覆蓋，同時(shí)能夠在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無縫自動切換?？傮w來說，Wi-Fi6的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 Wi-Fi6的技術(shù)優(yōu)勢

3 Wi-Fi6的應(yīng)用

萬物互聯(lián)的時(shí)代已經(jīng)到來，人們在實(shí)際應(yīng)用中對高寬帶、低時(shí)延、廣連接的移動網(wǎng)絡(luò)要求越來越高，相關(guān)資料顯示生活中有超過7成的數(shù)據(jù)傳輸都是通過Wi-Fi協(xié)議完成的。Wi-Fi6的速度是目前所有無線連接協(xié)議中最快的，也是應(yīng)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(yàn)、應(yīng)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(xiàn)。《全球無線局域網(wǎng)（WLAN）季度跟蹤報(bào)告》顯示，Wi-Fi6產(chǎn)品在消費(fèi)級市場持續(xù)向好，2021年季度消費(fèi)級市場總收入增長了4.2%，主要分為商業(yè)應(yīng)用場景和家庭應(yīng)用場景兩大類，涉及城市熱點(diǎn)覆蓋、移動醫(yī)療業(yè)務(wù)、智能企業(yè)辦公運(yùn)營、智能家居、VR/AR、網(wǎng)絡(luò)游戲、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等多個(gè)應(yīng)用場景。

3.1 商業(yè)應(yīng)用

從消費(fèi)級電子終端到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，再到新一代高速率應(yīng)用，Wi-Fi6技術(shù)逐漸滲透多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用場景中。

（1）承擔(dān)智能通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。目前，三大運(yùn)營商與各大企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，全面展開部署，其中包含商圈、社區(qū)、云游戲、車路協(xié)同等，逐漸朝著千兆全覆蓋的目標(biāo)前進(jìn)。例如，中國聯(lián)通已推行“寬帶+5G+Wi-Fi”三千兆升級，致力于打造標(biāo)志性網(wǎng)絡(luò)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(dān)物聯(lián)交互智能應(yīng)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(jī)場等場景為用戶提供更加高速、可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，在工廠和產(chǎn)業(yè)園區(qū)，其可以為各類工業(yè)機(jī)器人和生產(chǎn)設(shè)備提供信息交互通道。

（3）承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻直播制作等低時(shí)延業(yè)務(wù)。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(shí)，直播行業(yè)涵蓋電商、游戲等多個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)間段能夠擁有暢通無阻的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(lián)應(yīng)用

從家庭應(yīng)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(shù)據(jù)顯示，2021年智能家居市場規(guī)模高達(dá)5 800億元。

Wi-Fi6的成熟應(yīng)用為智能家居的應(yīng)用奠定了堅(jiān)定基礎(chǔ)，能夠在室內(nèi)每個(gè)角落都覆蓋網(wǎng)絡(luò)，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(nèi)網(wǎng)絡(luò)部署的最佳選擇。相比于Wi-Fi5，Wi-Fi6能夠?qū)⒓抑械腤i-Fi速度提升3倍，既能滿足更多數(shù)量終端的接入，又可以為終端在帶寬、響應(yīng)、連接等方面提供更優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)，使得智慧家庭構(gòu)想中的萬物互聯(lián)、場景聯(lián)動的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。目前，居家辦公、居家云課堂等網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵的無線組網(wǎng)連接技術(shù)的需求不斷增加，同時(shí)推動了整個(gè)Wi-Fi產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語

Wi-Fi6協(xié)議通過較低的成本，提供高密度和大容量的無線接入服務(wù)，成為5G的有力補(bǔ)充，除了能為家庭用戶提供穩(wěn)定可靠的無線接入服務(wù)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(shí)為各類企業(yè)級應(yīng)用提供支持。