Wi-Fi 6關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

Wi-Fi技術(shù)自1997年誕生以來(lái)，雖然帶寬只有1 Mbit/s ～ 2 Mbit/s，但是這種連接方式使人們擺脫了有線連接的束縛，以其便捷有效的特性，成為人們上網(wǎng)的首選方式。在接下來(lái)的十幾年里，陸續(xù)出現(xiàn)了802.11a、802.11b、802.11n，一直到2014年802.11ac的出現(xiàn)，人們始終致力于提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，從最初的2 Mbit/s，提升到了1.73 Gbit/s。除了傳輸速率的提升，Wi-Fi也引入了更寬的射頻帶寬(提升至160 MHz)和更高的調(diào)制技術(shù)(256-QAM)。

近年來(lái)，由于無(wú)線技術(shù)以及智能家居的高速發(fā)展，家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了越來(lái)越多的設(shè)備，除了電腦、手機(jī)這些傳統(tǒng)設(shè)備，無(wú)線音響、網(wǎng)絡(luò)電視、攝像頭等新型的智能家電也出現(xiàn)在人們的生活中，在線教育以及4K高清、AR、VR等新型產(chǎn)業(yè)也都加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。人們享受著網(wǎng)絡(luò)帶給大家的便利，同時(shí)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。以傳統(tǒng)Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)(802.11a/b/g/n/ac)運(yùn)行的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)備已無(wú)法應(yīng)對(duì)當(dāng)前WLAN終端數(shù)量的增加和帶寬需求的提高，因此急需引入新一代Wi-Fi技術(shù)，802.11ax就此應(yīng)運(yùn)而生。802.11ax在2013年5月就已開始進(jìn)行研究，其標(biāo)準(zhǔn)草案由IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的TGax工作組制定，該工作組于2014年5月成立，于2017年11月完成D2.0，2018年5月完成D3.0，2019年10月完成D5.0，截止到目前，最新的版本為D6.0。Wi-Fi發(fā)展歷程參見(jiàn)圖1。

圖1 Wi-Fi發(fā)展歷程

隨著Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，Wi-Fi聯(lián)盟組織WFA為了便于Wi-Fi用戶和設(shè)備廠商了解其使用的設(shè)備連接或支持的Wi-Fi協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，選擇使用數(shù)字序號(hào)來(lái)對(duì)每一代的Wi-Fi協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)重新命名，Wi-Fi 6是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)稱。

2 Wi-Fi 6關(guān)鍵技術(shù)

從Wi-Fi的發(fā)展歷程可以看出，在Wi-Fi 5之前，WLAN重點(diǎn)關(guān)注的基本都是如何提升速率，但隨著無(wú)線終端和無(wú)線應(yīng)用的普及，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備越來(lái)越多，那么在一定寬度的道路上爭(zhēng)搶有限的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的終端用戶數(shù)就會(huì)越來(lái)越多，即使速度提的再高，也無(wú)法使用戶有更好的體驗(yàn)，因此Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)開始重視接入終端容量。在Wi-Fi 5(802.11ac)的標(biāo)準(zhǔn)里，就引入了MU-MIMO的技術(shù)，該技術(shù)的引入，邁出了提升接入終端容量的第一步。

Wi-Fi 6(802.11ax)與Wi-Fi 5(802.11ac)相比，在很多性能指標(biāo)上都有著卓越的表現(xiàn)，通過(guò)一系列新的核心技術(shù)，使Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)不論是速率，還是接入終端容量以及時(shí)延方面，都有了很大的提升。Wi-Fi 6的顯著優(yōu)勢(shì)，和802.11ax協(xié)議中使用到的關(guān)鍵技術(shù)息息相關(guān)，這些關(guān)鍵技術(shù)具體如下。

2.1 OFDMA

Wi-Fi 5采用的數(shù)據(jù)傳輸方式是正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，在這種方式下，用戶是通過(guò)不同時(shí)間片進(jìn)行區(qū)分，每一個(gè)時(shí)間片上，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)報(bào)文。但隨著用戶數(shù)量的增多，用戶之間的數(shù)據(jù)請(qǐng)求就會(huì)發(fā)生沖突，導(dǎo)致當(dāng)這些用戶使用高帶寬應(yīng)用時(shí)，服務(wù)質(zhì)量變差。Wi-Fi 6采用的數(shù)據(jù)傳輸方式為正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)，它是OFDM技術(shù)的一個(gè)演進(jìn)，通過(guò)OFDM技術(shù)與OFDMA技術(shù)的結(jié)合，將無(wú)線信道劃分成正交的互不重疊的多個(gè)子信道，然后將不同的子信道集分配給不同的用戶并在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用信道資源。其標(biāo)準(zhǔn)仿效 LTE，將最小的子信道稱為“資源單位(Resource Unit，RU)”，在該模式下，用戶的數(shù)據(jù)承載在每一個(gè)RU 上，故從總的時(shí)頻資源上來(lái)看，每一個(gè)時(shí)間片上，將多個(gè)用戶同時(shí)并行傳輸，無(wú)需等待、避免競(jìng)爭(zhēng)，從而提升了效率，減少了排隊(duì)等待時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用及多用戶接入。圖2是OFDM與OFDMA工作模式的對(duì)比圖。

圖2 OFDM與OFDMA工作模式對(duì)比

2.2 MU-MIMO

MU-MIMO是一種使用信道的空間分集來(lái)在相同帶寬上發(fā)送獨(dú)立的數(shù)據(jù)流從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，該技術(shù)在802.11ac上已經(jīng)有所應(yīng)用，當(dāng)時(shí)只是應(yīng)用在下行，802.11ax不僅支持下行的MU-MIMO，還支持上行的MU-MIMO。MU-MIMO與OFDMA不同的是，該技術(shù)中所有用戶使用的是全部帶寬，而不是平分帶寬。

802.11ax與802.11ac相比，增加了天線數(shù)量，802.11ac只支持44的MU-MIMO，即最多同時(shí)可以傳輸4個(gè)用戶的上行數(shù)據(jù)；而802.11ax已經(jīng)支持8×8的MU-MIMO，即可以最多同時(shí)傳輸8個(gè)用戶的上下行數(shù)據(jù)，既增加了接入用戶數(shù)，又均衡了吞吐量。圖3為4×4 AP設(shè)備支持SU-MIMO和支持MU-MIMO的吞吐量對(duì)比圖，從中可以看出，支持MU-MIMO的AP設(shè)備的傳輸速率有很大的提高。

圖3 SU-MIMO與MU-MIMO吞吐量對(duì)比

2.3 1024-QAM

802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)就是增加系統(tǒng)容量，降低時(shí)延，提高多用戶高密場(chǎng)景下的效率，但更好的效率與更快的速度并不互斥。802.11ax引入了更高階的調(diào)質(zhì)編碼方案，即1024-QAM，與802.11ac采用的256-QAM相比，從原來(lái)每個(gè)符號(hào)傳輸8 bit數(shù)據(jù)提升為每個(gè)符號(hào)位傳輸10 bit數(shù)據(jù)，提升了25%。也就是說(shuō)，相對(duì)于802.11ac來(lái)說(shuō)，單條空間流數(shù)據(jù)吞吐量提高了25%。

2.4 BSS Coloring著色機(jī)制

在802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識(shí)別機(jī)制，稱為BSS Coloring著色機(jī)制，通過(guò)在PHY報(bào)文頭中添加BSS Color字段對(duì)來(lái)自不同BSS的數(shù)據(jù)進(jìn)行“染色”，為每個(gè)通道分配一種顏色，一種顏色標(biāo)識(shí)一組不應(yīng)相互干擾的基本服務(wù)集(BSS)，接收端通過(guò)及早識(shí)別同頻傳輸干擾信號(hào)并停止接收，避免浪費(fèi)收發(fā)機(jī)時(shí)間(見(jiàn)圖5)。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；反之，則認(rèn)為兩者之間無(wú)干擾，兩個(gè)Wi-Fi設(shè)備可同信道同頻并行傳輸。

圖5 有無(wú)BSS Coloring機(jī)制的對(duì)比

2.5 目標(biāo)喚醒時(shí)間

目標(biāo)喚醒時(shí)間(Target Wakeup Time，TWT)是802.11ax支持的另一個(gè)重要的資源調(diào)度功能，借鑒于802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，允許設(shè)備協(xié)商什么時(shí)候和多久會(huì)被喚醒，然后發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。此外，Wi-Fi AP可以將客戶端設(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(wú)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(lái)說(shuō)，大大提高了電池壽命。

圖4 256-QAM與1024-QAM的星座圖對(duì)比

802.11ax AP可以和STA協(xié)調(diào)TWT功能的使用，AP和STA會(huì)互相交換信息，信息包含預(yù)計(jì)的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間，以及STA訪問(wèn)介質(zhì)的特定時(shí)間或一組時(shí)間，這樣就可以避開多個(gè)不同STA之間的競(jìng)爭(zhēng)和重疊情況。另外，支持802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的STA可以使用TWT來(lái)降低能量損耗，在自身的TWT來(lái)臨之前進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

3 Wi-Fi 6的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，Wi-Fi市場(chǎng)一直在不斷壯大，IDC《中國(guó)WLAN市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告，2019年第三季度》報(bào)告顯示[1]，WLAN市場(chǎng)總體規(guī)模在2019年第三季度達(dá)到2.3 億美元規(guī)模，處于平穩(wěn)上升趨勢(shì)。其中，Wi-Fi 6在2019年第三季度開始從一些主流廠商陸續(xù)登場(chǎng)，首次登場(chǎng)的Wi-Fi 6產(chǎn)品在2019年第三季度便有470 萬(wàn)美元的銷售規(guī)模。

從圖6的Wi-Fi 5產(chǎn)品發(fā)展軌跡可以看到，Wi-Fi 5從2019年開始增速放緩，暗示著新產(chǎn)品的迭代，而Wi-Fi 6在經(jīng)歷了2019年下半年的“試用期”后，不同的行業(yè)對(duì)Wi-Fi 6持有不同的認(rèn)可度和接受度。2020年是Wi-Fi 6進(jìn)軍市場(chǎng)的第一個(gè)完整元年，在上一代產(chǎn)品增速放緩的市場(chǎng)背景下給予無(wú)線市場(chǎng)一劑強(qiáng)心針。從目前的市場(chǎng)來(lái)看，Wi-Fi 6的產(chǎn)品主要包括芯片、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端3個(gè)方面。

圖6 IDC對(duì)中國(guó)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

3.1 芯片

芯片是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心產(chǎn)品，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)說(shuō)，起著至關(guān)重要的作用。目前，商用Wi-Fi 6芯片廠商主要包括高通、博通、Intel等國(guó)外廠商，以及MTK、RealTek、海思等國(guó)內(nèi)廠商，但各廠商芯片產(chǎn)品種類及成熟度存在差異。

從天線數(shù)來(lái)看，各廠商目前均有支持2×2 80 MHz的Wi-Fi 6芯片，博通、高通、Intel以及MTK已有支持4×4的Wi-Fi 6芯片，只有高通支持8×8的Wi-Fi 6芯片，研發(fā)3×3天線數(shù)以及8×8天線數(shù)的芯片都已列入各芯片廠家的計(jì)劃中。

從頻寬來(lái)看，2.4 G的頻寬各廠家大部分以40 MHz為主，大部分廠家的5G頻寬為80 MHz，目前只有博通、海思以及Intel支持160 MHz頻寬。

從關(guān)鍵特性的支持程度來(lái)看，上下行的OFDMA目前各芯片廠家均已支持，但MU-MIMO技術(shù)，大部分廠家只支持下行的MU-MIMO，不支持上行的MU-MIMO。

3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

支持Wi-Fi 6的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有AP和路由器，對(duì)于支持Wi-Fi 6的AP設(shè)備，目前在國(guó)內(nèi)銷售的國(guó)外品牌AP設(shè)備中，主要以Aruba為主，國(guó)內(nèi)廠商華為、TP-LINK、H3C等也均推出了支持Wi-Fi 6的無(wú)線AP產(chǎn)品。對(duì)于支持Wi-Fi 6的無(wú)線路由器，目前在售的國(guó)外品牌，主要有NETGEAR，其采用的芯片包括博通、高通和Intel；國(guó)內(nèi)廠家主要有華碩、D-Link、TP-LINK、華為、小米、天邑等。

3.3 終端

Wi-Fi終端出貨中占比最大的是智能手機(jī)和筆記本電腦[3]。在國(guó)外品牌方面，目前已經(jīng)有三星S10系列、三星Note10系列以及iPhone11兩個(gè)國(guó)外廠家的手機(jī)支持Wi-Fi 6；在國(guó)內(nèi)品牌方面，2020年2月14日，小米發(fā)布的小米10全系支持Wi-Fi 6，這是國(guó)內(nèi)發(fā)布的首個(gè)支持Wi-Fi 6的手機(jī)；2020年2月25日，vivo在IQOO 3手機(jī)的發(fā)布會(huì)上，宣稱該款手機(jī)亦支持Wi-Fi 6；在筆記本電腦方面，弘基、聯(lián)想、惠普、戴爾等主流廠商都已推出了支持Wi-Fi 6的筆記本電腦產(chǎn)品。

根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)[3]，截止到2020年6月已經(jīng)通過(guò)Wi-Fi 6聯(lián)盟認(rèn)證的產(chǎn)品數(shù)為335 款，其中芯片產(chǎn)品13 款，我國(guó)企業(yè)占比7.6%；無(wú)線路由器產(chǎn)品154 款，我國(guó)企業(yè)占比42.2%；移動(dòng)終端類152 款，我國(guó)企業(yè)占比20.4%；筆記本/平板電腦16 款，我國(guó)企業(yè)占比81.25%。

目前來(lái)看，Wi-Fi 6的產(chǎn)品價(jià)格偏高，但隨著芯片的量產(chǎn)化以及研發(fā)成本的下降，Wi-Fi 6的產(chǎn)品價(jià)格也會(huì)有所下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

Wi-Fi 6具有更高的傳輸速率、更大的并發(fā)接入量以及更低的時(shí)延，這些優(yōu)點(diǎn)使得Wi-Fi 6的應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富，不僅滿足智慧家庭4K、VR、網(wǎng)絡(luò)游戲、智能家居互聯(lián)等業(yè)務(wù)的高效承載，同時(shí)也適用于行業(yè)應(yīng)用中高密辦公、生產(chǎn)無(wú)線、智慧教學(xué)、智慧傳媒以及城市和企業(yè)的數(shù)字化等。在Wi-Fi 6還未完全普及時(shí)，Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi 6E標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)允許Wi-Fi設(shè)備支持6 GHz頻段，這意味著Wi-Fi將可以包含14個(gè)80 MHz信道和7個(gè)160 MHz信道，比Wi-Fi 6帶來(lái)更快的網(wǎng)速和更低的延遲。同時(shí)，Wi-Fi 7也已安排上了日程，802.11be標(biāo)準(zhǔn)作為Wi-Fi 7的有力候選者，相比于Wi-Fi 6來(lái)說(shuō)，支持更多的數(shù)據(jù)流， 2.4 GHz 、5 GHz以及6 GHz三頻段同時(shí)工作，信號(hào)的調(diào)制方式也升級(jí)到了4096QAM，可提供高達(dá)30 Gbit/s的傳輸速度。Wi-Fi 技術(shù)的發(fā)展，不斷為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一次次革新，徹底改變了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式，給人們帶來(lái)前所未有的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。