5G和Wi-Fi6在數據應用場景的對比研究*

劉 洋，龔戈勇

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引言

近年來，隨著移動App及數據流量爆發(fā)式地增長，人們對“低時延、高帶寬、泛聯接”的無線網絡需求特別巨大。5G和Wi-Fi6技術憑借各自的優(yōu)勢和技術性能，成為當前無線網絡接入的關鍵技術。5G和Wi-Fi6技術代表當前無線網絡發(fā)展的主要方向，滿足用戶在擺脫有線束縛的同時，接入高帶寬、高并發(fā)、低時延的網絡。

1 5G和Wi-Fi6的技術特征

1.1 5G的技術特征

5G是繼4G之后的新一代移動通信技術，其功能與性能都得到了明顯的增強，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，具有更高容量、更強的業(yè)務能力，服務范圍從4G時代面向個人進一步擴展到萬物互聯。

圖1 5G系統(tǒng)性能指標

如圖1所示，5G移動通信系統(tǒng)的空口能力設計目標是支持更高的吞吐率增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），峰值數據速率可達10 Gb/s，用戶體驗帶寬可達100 Mb/s；密度更大的連接數大規(guī)模機器類型通信（Massive MachineType Communication，mMTC），提升10～100倍，達到每平方公里百萬個；以及更低的時延和更高的可靠度超高可靠低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC），降低5～10倍，達到毫秒級量[1]。

當前5G系統(tǒng)采用的頻段主要分為兩個區(qū)域：一個是6 GHz以下的（sub-6GHz），這部分是5G當前的主流應用范圍；一個是6 GHz以上及更高頻率的毫米波頻段?，F有的234G移動網絡基本采用低于3 GHz的頻段，因此目前3.5 GHz是各國5G網絡應用的主流頻段。

1.2 Wi-Fi6的技術特征

Wi-Fi6作為最新的Wi-Fi標準，相比Wi-Fi5（802.11ac）在多項技術指標上有著根本的提升，減少擁塞的同時允許更多設備連接到網絡，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)務時延、更大的覆蓋范圍、更節(jié)能的終端功耗，能較大幅度擴展Wi-Fi網絡的應用范圍和使用場景。

如表1所示，與Wi-Fi5標準相比，Wi-Fi6技術可達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使用的頻段是免費頻段，無需報備。Wi-Fi頻段主要采用2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，其中2.4 GHz頻段是通用的公開使用無線頻段，可用于短距離無線傳輸，有83.5 MHz（2 400～2 483.5 MHz）的頻寬可以使用，除Wi-Fi外，藍牙、Zigbee、無線 USB、微波爐等也使用2.4 GHz頻段。

1.3 5G與Wi-Fi6共用技術

Wi-Fi與移動通信一直是無線連接的兩大關鍵技術，最大限度地提升連接速度及用戶的滿意度是這兩個技術標準的一個共同的目標。因此，兩者在技術的演進過程中不斷互相借鑒。

1.3.1 提高信道利用效率的OFDMA技術

正交頻分多址技術（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）由OFDM改進而來，首先應用于4G移動網絡，后被引用到Wi-Fi6標準中。Wi-Fi6標準采納了這種技術來提高頻譜的利用效率，在多個用戶之間共享WiFi信道。以80 MHz的頻寬為例，最多可以分成37個RU（Resource Unit）資源單元，同時供37個用戶并發(fā)。5G標準的空口技術也源于OFDM，在子載波及頻寬設計上與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）技術最早用于Wi-Fi5 wave2階段，但只支持 AP到終端的下行傳輸過程，其AP節(jié)點可以同時向多個支持MU-MIMO的客戶端發(fā)送數據包，有效解決了之前無線AP一次只能和一個終端通信的問題。Wi-Fi6除了沿用MU-MIMO技術外，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）技術作為5G系統(tǒng)的關鍵技術，信號可以通過發(fā)射端與接收端的多個天線發(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，天線的數量可采用64T64R，且支持水平方向+垂直方向的波束成型；5G室內有源分布系統(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

2 典型數據應用場景對比分析

2.1 室外覆蓋

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

對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。因此，對于無人駕駛、無人機、智慧城市的IoT（如智慧路燈）等都是5G的主要應用，如圖4所示。

圖3 室外Wi-Fi6覆蓋

圖4 5G室外基站覆蓋

2.2 室內高密覆蓋

5G系統(tǒng)理論的高密覆蓋是每平方公里100萬接入終端，換算成每平方米是1個終端接入。但部分室內人員高密度場景，如學校宿舍（每人至少2個移動終端）、體育場館看臺（每個座位約0.5 m2），該類場景中單平方米終端數量可能5G系統(tǒng)難以滿足承載要求。Wi-Fi6網絡由于其靈活性，可以選擇定向天線覆蓋特定區(qū)域，也可以根據連接用戶數來選擇高性能AP、三射頻AP，通過控制AP的發(fā)射功率縮小覆蓋范圍，可以實現每平方米2～3個并發(fā)終端的連接。

2.2.1 VR/AR等高帶寬需求場景

當前VR/AR/4K/8K 等新應用對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室內有源分布系統(tǒng)采用的4T4R天線單元，邊緣速率要達到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數量相當的小基站，從而大大增加了室內5G覆蓋的成本。

而Wi-Fi6高性能AP設備，在80 MHz頻寬下有 3個不重疊的信道，在終端支持2×2 MIMO的情況下其理論帶寬最高可達到1.2 Gb/s，能有效滿足現有VR/AR/4K等各類應用對高帶寬的需求。對于VR教育或沉浸式體驗，可以通過Wi-Fi6滿足接入的需求；但對于時延敏感的遠程協助類VR，由于通常只有單用戶使用，通過5G的方式連接方式效果更佳。

圖5 5G室內分布系統(tǒng)邊緣速率仿真

2.2.2 工業(yè)生產制造

隨著傳感器/AGV/工業(yè)AR/機器視覺規(guī)模應用興起，車間級寬帶物聯無線成為剛需，設備時延敏感網絡正在起步。Wi-Fi6網絡低時延、大帶寬的特點，將其應用場景從室內辦公延伸到與工業(yè)生產的相關場景。

Wi-Fi6網絡以其靈活性及高帶寬特性能解決智能生產制造中部分無線接入場景。在工業(yè)生產制造中，還有一些對時延要求非常敏感的應用，例如同步實時協作機器人對時延要求小于5 ms，這類對于時延要求敏感（如時延小于20 ms）的應用，不適合使用Wi-Fi6傳輸，采用5G網絡接入方式更具有優(yōu)勢。

2.2.3 室內物聯網場景

5G網絡mMTC場景能有效滿足海量物聯網設備連接，支持如智慧城市的IoT連接。但在室內場景中，無論是工廠的資產管理、商場電子價簽還是工業(yè)制造的機器人，都會使用不同的IoT傳輸協議，難以直接通過5G網絡傳輸。目前大部分廠家的Wi-Fi AP里已經集成了RFID、Zigbee、Bluetooth等功能模塊，而且可以通過外置的插卡方式支持更多的物聯網協議連接，實現Wi-Fi網絡和物聯網合二為一，從而節(jié)約建設成本。例如，零售行業(yè)的電子價簽業(yè)務，利用AP集成電子價簽的基站，電子價簽基站管理電子價簽ESL，AP提供Wi-Fi與ESL統(tǒng)一的上行連接，實現Wi-Fi網絡與ESL網絡的合一。

2.3 性能對比

從技術及網絡性能、建網部署及施工、用戶使用等多個角度，分析5G和Wi-Fi6的場景差異性對比如表2所示[5]。

圖6 Wi-Fi6在智能工業(yè)生產制造中的應用

3 結語

2G時代，移動網絡主要承載語音業(yè)務，Wi-Fi主要承載數據業(yè)務，二者基本上為互補關系；在4G時代，隨著移動互聯網的快速發(fā)展和VoIP技術的成熟，移動網絡和Wi-Fi出現了一定程度的競爭；當前5G和Wi-Fi 6技術的主戰(zhàn)場不斷變化，但不同應用場景下二者存在細分差異。未來，5G新技術的演進會導致Wi-Fi受到一定影響，但Wi-Fi在高私密性（比如家庭室內、商場、辦公區(qū)域）的應用場景依然有很大的市場。