Wi-Fi 6技術發(fā)展現(xiàn)狀綜述

李 轅，祁 權

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

Wi-Fi全稱為 Wireless Fidelity，是基于 IEEE802.11系列標準的無線局域網(wǎng)通信技術，目的是實現(xiàn)基于 IEEE 802.11系列標準的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品之間的互通性。隨著無線技術的演進，在線圖片、視頻、流媒體等服務與應用對無線局域網(wǎng)技術提出了更高的帶寬和傳輸速率要求，而企業(yè)與個人所擁有的終端數(shù)量不斷增加，為無線局域網(wǎng)在密集環(huán)境中的終端接入能力帶來巨大考驗。

1 Wi-Fi技術發(fā)展歷程

Wi-Fi技術主要以于無線局域網(wǎng)為主，非授權頻段為其工作頻段，主要使用2.4 GHz頻段（2.4 GHz–2.4835 GHz）和5 GHz頻段（5.15 GHz–5.35 GHz、5.725 GHz–5.850 GHz）。Wi-Fi標準由美國電氣電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，以下簡稱“IEEE”）制定，而 Wi-Fi的授權認證和商業(yè)推廣由 Wi-Fi聯(lián)盟（ Wi-Fi Alliance）負責。

1997年，IEEE制定了第一個無線局域網(wǎng)標準協(xié)議IEEE 802.11，即第一代 Wi-Fi技術，工作頻段為2.4 GHz的非授權 ISM頻段，總數(shù)據(jù)傳輸速率為 2 Mb/s。

1999年，IEEE在原有技術的基礎上形成了IEEE 802.11b，即第二代Wi-Fi技術，這種技術采用了與原IEEE 802.11無線標準相同的2.4 GHz頻段，但是將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了 11 Mb/s。

2002年，IEEE又發(fā)布了一個更快的IEEE 802.11a標準，即第三代Wi-Fi技術，該標準不再是工作在日益擁擠的2.4 GHz頻段，而是運行在5 GHz頻段，所支持的速度高達 54 Mb/s。

2007年，IEEE基于多天線技術開發(fā)了第四代Wi-Fi技術EEE 802.11n，該技術可支持2.4 GHz或 5 GHz頻段，最低數(shù)據(jù)傳輸速率150 Mb/s，最高數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達到 450 Mb/s。

2012年，IEEE發(fā)布的第五代 Wi-Fi技術IEEE 802.11ac，只運行于 5 GHz，能夠提供最少 1 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸速率。

2019年，IEEE發(fā) 布 最 新 的 Wi-Fi標 準 協(xié) 議802.11ax，即Wi-Fi 6，其工作頻段可同時支持 2.4 GHz和5 GHz頻段，最高傳輸速率達 9.6 Gb/s。2020年，Wi-Fi聯(lián)盟宣布將可在 6 GHz頻段運行的 Wi-Fi 6設備命名為 Wi-Fi 6E（E代表Extended）。目前，Wi-Fi 6E工作頻段為 5.925 GHz–7.125 GHz共1.2 GHz的帶寬，2.4 GHz（2.412 GHz–2.484 GHz）及5 GHz（5.15 GHz–5.825 GHz）頻段。[1]

2 Wi-Fi 6的技術特點

2.1 多用戶-多輸入多輸出技術

多用戶-多輸入多輸出（ MU-MIMO）技術是指在無線通信系統(tǒng)里，一個基站同時服務于多個移動終端，基站之間充分利用天線的空域資源與多個用戶同時進行通信。[2]

Wi-Fi 6支持上下行的 MU-MIMO技術，可以一次同時支持 8臺終端設備上行 /下行傳輸更多數(shù)據(jù)。MUMIMO路由的信號在空域、時域、頻域空域三個維度上相互獨立，同時發(fā)出不同的信號，能夠同一時間與三臺設備協(xié)同工作。由于三部分信號互不干擾，因此每臺設備得到的頻寬資源得到最優(yōu)化的利用，從路由器角度對比，數(shù)據(jù)傳輸速率提高了3倍，優(yōu)化了網(wǎng)絡資源利用率，從而確保 Wi-Fi不間斷連接。MU-MIMO技術給予了路由器并行處理的能力，適用于大數(shù)據(jù)包的并行傳輸，使路由器能夠同時為多臺設備傳輸數(shù)據(jù)，提高單用戶的有效帶寬，減少時延，極大地改善了網(wǎng)絡擁堵的情況。

2.2 正交頻分多址技術

Wi-Fi以OFDM（正交頻分復用技術）作為核心傳輸方案。該技術將信道分成若干正交子信道，可將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，從而調(diào)制到每個子信道上進行傳輸。正交信號通過相關技術在接收端進行區(qū)分，來減少子信道之間的相互干擾（ ISI）。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此，每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而消除碼間串擾，且每個子信道的帶寬僅為原信道帶寬的一小部分，信道均衡更易實現(xiàn)。

正交頻分多址（ OFDMA）技術是在OFDM的基礎上加入多址（即多用戶）技術演進而來的。[3]OFDMA技術將幀結構重新設計，細分成若干資源單元，為多個用戶服務。以20MHz信道為例，在OFDM方案里每一幀由52個數(shù)據(jù)子載波組成，但由于這一幀只為一個終端服務，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包過小的時候，空載的子載波也無法分配給其他終端，而在 OFDMA方案里每一幀由 234個數(shù)據(jù)子載波組成，每26個子載波定義為一個資源單元，每個資源單元可以為一個終端服務，這樣每一幀就可以同時為 9個用戶服務，從而提升傳輸效率。

OFDM使無線路由器一次只能與一臺手機通信，即使只是在網(wǎng)頁上加載一張圖片，都要占用整個通信周期。Wi-Fi 6的編碼類型升級到 OFDMA，即正交頻分多址技術，適用于小數(shù)據(jù)包的并行傳輸，能夠讓無線路由器在一個通信周期內(nèi)跟多臺手機同時通信，同時盡可能壓縮每次通信周期的數(shù)據(jù)傳輸量，以提高傳輸效率和信道利用率，從而使網(wǎng)絡更暢通。

2.3 1024-QAM調(diào)制技術

正交幅度調(diào)制（ QAM調(diào)制）是一種在兩個正交載波上進行幅度調(diào)制的調(diào)制方式，這兩個載波通常是正弦波，因此被稱作正交/2π°（90是相位差為載波。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術，其幅度和相位同時變化，利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的頻帶利用率。基于 IEEE 802.11ac標準的第五代Wi-Fi技術主要采用 256-QAM的調(diào)制技術，數(shù)據(jù)流最大支持4個，而 Wi-Fi 6采用的是1024-QAM調(diào)制技術，數(shù)據(jù)流最大支持 8個，因此，第五代 Wi-Fi 256-QAM調(diào)制技術的理論傳輸速率可達到3.5 Gb/s，而 Wi-Fi 6 1024-QAM調(diào)制技術則可以達到的9.6 Gb/s。

2.4 目標喚醒時間機制

目標喚醒時間（TWT）機制是Wi-Fi 6的一項新技術，終端與 AP之間有時間表，在協(xié)商好的周期到達時終端醒來，傳輸完成后返回睡眠狀態(tài)，減少了保持傳輸和搜索信號所需的時間。路由器會自動生成一個數(shù)據(jù)交換用的喚醒時間，在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸不高的時段去依次喚醒這些低速設備進行數(shù)據(jù)交換，比如下載最新數(shù)據(jù)庫，上傳生成數(shù)據(jù)等操作，從而有效避免網(wǎng)絡擁堵。TWT作為優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬利用率的技術手段的同時，也有效減少了電量消耗，降低 30%終端功耗。

3 結束語

Wi-Fi 6通 過 MU-MIMO、OFDMA、1024 -QAM、TWT等技術實現(xiàn)了更高的網(wǎng)絡傳輸速率與更低的延遲，同時延長了待機時間并降低了終端功耗。此外，支持 2.4 GHz、5 GHz、6 GHz的使用頻段使得Wi-Fi 6所能利用的頻段與信道增多，在資源分配上也更有彈性。這些新技術的應用使得 Wi-Fi 6技術能夠極大程度的適應未來市場的需求，從而提高其市場普及率。