Wi-Fi 6與5G技術的功能對比以及應用走向分析

耿愛雷 李詩龍 王慶權

（通標標準技術服務有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

2018 年10 月Wi-Fi 聯(lián)盟制定了802.11ax 標準并將其正式推出，將它稱為Wi-Fi 6。 Wi-Fi 6 采用多用戶多輸出傳輸技術（multi-user multiple input multiple output，MU-MIMO）和正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM），采用OFDM 調制方式，大大提高了網(wǎng)絡傳輸速度和網(wǎng)絡容量。同時采用BSS（Basic Service Set）顯色技術，減少了同頻網(wǎng)絡的干擾，該技術可提高多臺設備的服務能力；使用TWT（Target Waken-up Timet）目標喚醒技術調整終端與路徑的通信時間連接，減少終端使用的消耗，優(yōu)化了Wi-Fi 應用場景。與前幾代通信技術相比，第五代移動通信技術（5G）將為客戶提供更多服務。5G 不再只關注網(wǎng)絡的最高速度，而是優(yōu)化關注了8 個技術指標：網(wǎng)絡最大速度、用戶體驗、頻譜效率、分發(fā)時延、移動性、連接數(shù)、網(wǎng)絡性能和流量密度[1]。

目前，大量學者對Wi-Fi 6 和5G 新技術進行對比分析，但是僅從理論或者應用對兩者進行討論，比較片面，甚至會影響網(wǎng)絡建設。對此，需要對兩者的關鍵技術、網(wǎng)絡結構進行詳細比較，以便能夠綜合考慮這2 個技術的應用走向。

1 Wi-Fi 6與5G 關鍵技術對比

1.1 Wi-Fi 6技術特點

1.1.1 正交頻分多址接入技術

Wi-Fi 6 采用正交頻分多址（OFDM）技術，將無線信道拆分成更多的子信道，每個子信道產生的數(shù)據(jù)連接到不同入口的設備，有效提高數(shù)據(jù)速率。當設備連接并單獨使用時，Wi-Fi 6 理論上傳輸速率高達9.6 Gbit/s，比Wi-Fi 5 高40%（Wi-Fi 5 理論最高水平為6.9 Gbit/s）。Wi-Fi 6 技術的主要優(yōu)點是利用OFDM 技術將功率根據(jù)子信道劃分分布到網(wǎng)絡上的每個終端設備中，提高每個設備的數(shù)據(jù)速率。

1.1.2 MU-MIMO 技術

Wi-Fi 6 同時使用多用戶多輸入多輸出MIMO 技術，該技術允許多個終端同時接入多個接入點（access points，APs），因此APs 可以同時與多個用戶終端相連接進行通信。在Wi-Fi 5 技術中，雖然APs 也可以與多個終端進行連接，但終端設備無法同時進行響應，這是Wi-Fi 6 技術的一大進步。

1.1.3 目標喚醒時間技術

Wi-Fi 6 技術中使用的調度方法是TWT 喚醒時間技術，該技術允許設備在喚醒呼叫的時間和持續(xù)時間內進行通信，以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。無線接入點可以在不同時間將客戶端設備分組到 TWT 周期中，減少喚醒后的競爭。TWT 技術使終端的休眠時間得到延長，這有助于提高電池使用時間，同時減少設備消耗。根據(jù)統(tǒng)計，TWT 技術能夠減少終端30%的消耗，這有助于在未來物聯(lián)網(wǎng)中使用Wi-Fi 6 技術能夠滿足網(wǎng)絡低功耗的要求。

1.1.4 基本服務集著色機制

Wi-Fi 6 為了提高系統(tǒng)在分布式部署中的整體性能，更好地利用了有限的頻譜資源，解決了同頻頻繁干擾的問題，反過來又在上一代技術的基礎上，增加了新的同頻傳輸機制，即基本服務集著色（BSS 集著色）機制[2]。該技術通過在消息頭中添加BSS 字段，分配“顏色”，為每個通道分配不同“顏色”字段的數(shù)據(jù)，接收者可以開始看到消息頭中的BSS Coloring 幀字段。如果收到相同的顏色，就停止接收，這樣就不會在發(fā)送和接收上浪費時間。在該著色機制下，如果同一個消息頭顏色相同，則認為同一個BSS 中存在干擾，傳輸會延遲；反之沒有相同消息頭顏色視為沒有干擾，數(shù)據(jù)可以在同一信道同一頻率上進行傳輸。

1.2 5G 關鍵技術分析

1.2.1 大規(guī)模天線

隨著對LTE 系統(tǒng)物理層技術的深入研究，網(wǎng)絡容量接近香農定理的最大值，如果提升5G 網(wǎng)絡容量就需要考慮別的方法。MIMO 概念最早由貝爾實驗室 Marzetta 于2010 年提出[3]。該理論假設基站使用了大規(guī)模天線，當天線數(shù)遠大于用戶終端數(shù)時，使用Beam forming 波束合成技術可以使天線功率向一個方向傳播，多用戶傳輸信道正交，在空域環(huán)境中利用頻譜復用可以極大增加蜂窩容量和頻譜效率。5G 技術中使用大規(guī)模天線的優(yōu)勢很多，例如能夠極大地提升網(wǎng)絡容量、增加用戶體驗水平、增大網(wǎng)絡覆蓋范圍以及做到無縫連接等，因此大規(guī)模天線成為5G 中最具潛力的技術之一。

1.2.2 新型無線網(wǎng)絡架構

新的5G 無線網(wǎng)絡架構重新分配BBU 和RRU 功能，通過這種重新設置能夠集中處理頻譜資源，并且能夠靈活搭建5G 網(wǎng)絡架構，對提高頻譜利用率、降低設備消耗以及減少運營成本等方面都有好處。新的5G 無線網(wǎng)絡架構由分布式單元（DU）、中央單元（CU）和連接兩者的新一代前傳接口組成。DU 包括部分原RRU 射頻部分和部分原BBU基帶處理功能； CU 包括基帶處理功能的其余部分，以實現(xiàn)部分或全部基帶處理功能。一方面，這種新的架構減少了原有架構對接口帶寬和時延的要求；另一方面，利用中心頻段資源集中進行資源分配，并將小區(qū)劃分為更加靈活的微小區(qū)，有利于網(wǎng)絡覆蓋的無縫連接，也便于終端用戶接入網(wǎng)絡，提高了網(wǎng)絡資源的利用效率。

1.2.3 超密集組網(wǎng)

5G 無線網(wǎng)絡主要在寬帶寬、高吞吐量通信和網(wǎng)絡擁擠3 個方面實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率?？s短了超密集網(wǎng)絡（ultra dense network，UDN）站與站之間的距離，最低可達10 m，站點之間的密度增加很多，從而提高了頻譜復用率、單位面積內網(wǎng)絡容量以及縮短了切換的短時延，進而提升用戶體驗水平。

1.2.4 邊緣計算

ETSI 首先研究了移動邊緣計算 （mobile edge computing，MEC），此后 3GPP 將這項技術的范圍擴大，不僅局限于手持終端設備。邊緣計算機技術將政府公共服務器置于網(wǎng)絡邊緣，為用戶終端提供云計算服務，其目的是減少服務時延、降低網(wǎng)絡帶寬以及提高服務交付性能，從而為用戶提供高質量的服務體驗。

1.3 Wi-Fi 6與5G 的對比分析

Wi-Fi 6 使用與 5G 相同的技術來提高網(wǎng)絡速度和功率。但是，基于用戶的無線系統(tǒng)和未授權的無線系統(tǒng)之間仍然存在顯性差異。這些變化反映在成本、基礎設施調整以及提供給網(wǎng)絡運營商的控制和控制水平上。因此，Wi-Fi 6 不會取代 5G 技術。如果有數(shù)百個物聯(lián)網(wǎng)設備需要無線通信，則在室內環(huán)境中 Wi-Fi 將是與物聯(lián)網(wǎng)設備通信所需要的無線技術。而在室外環(huán)境，5G 無線模式是通過可靠連接獲得速度的首選。因此，作為局域網(wǎng)中的領先技術，Wi-Fi 6 技術與5G 技術互為補充，Wi-Fi 6 技術也是支持室內場景的重要技術。

5G 是一種數(shù)字移動通信技術，可用于高速移動通信和無線上網(wǎng)。具有吞吐量高、時延低以及并發(fā)能力強等優(yōu)點，但系統(tǒng)復雜、成本高。Wi-Fi 6 是一種無線接入技術，主要用于互聯(lián)網(wǎng)上的內部無線終端。它具有傳輸速度快、系統(tǒng)簡單以及成本低等優(yōu)點，但不適用于快速移動通信。

5G 上行峰值傳輸速率達到10 Gbit/s，下行連接峰值傳輸速率達到20 Gbit/s。在Wi-Fi 6 帶寬為80 MHz 的情況下，單個空間流的峰值速度為600 Mbit/s，而在160 MHz 帶寬、8 個帶寬的情況下，峰值速度可達9.6 Gbit/s

eMBB 場景下5G 時延小于4 ms，uRLLC 時延小于1 ms。Wi-Fi 6 的延遲為20 ms，遠大于5G 的延遲。因此，5G 在延遲方面優(yōu)于Wi-Fi 6。

5G 具有強大且快速的本地間通信速度，可跨區(qū)切換用戶體驗無縫連接。但是 Wi-Fi 6 跨區(qū)切換時連接慢。

5G 系統(tǒng)復雜且昂貴，而Wi-Fi 6 系統(tǒng)簡單且成本低。因此，Wi-Fi 6 在系統(tǒng)建設投資方面優(yōu)于5G。

2 Wi-Fi 6與5G 網(wǎng)絡技術分析

2.1 Wi-Fi 6網(wǎng)絡技術

Wi-Fi 網(wǎng)絡一般有集中式和分布式網(wǎng)絡2 種模式。集中式組網(wǎng)是指通過中繼網(wǎng)絡將無線局域網(wǎng)接入流量與一個或多個無線網(wǎng)關相結合。當用戶規(guī)模不太大時，應使用集中式中心網(wǎng)絡，所有數(shù)據(jù)流量都應連接到無線網(wǎng)關。集中式組網(wǎng)必須接受PPPoE 批準或DHCP+Web 批準。分布式網(wǎng)絡：分布式網(wǎng)絡是指利用二層以太網(wǎng)路由器收集來自多個AP 的流量，并將它們與安裝在每個服務區(qū)域（用戶位置）的無線網(wǎng)關相連接。分布式網(wǎng)絡必須在有大量用戶的公共場所獲得批準，多個工作區(qū)域需要多個工作端口通暢無阻。分布式網(wǎng)絡必須接受PPPoE 認可或DHCP+Web認證。

在傳輸網(wǎng)絡中，一般的結構分為接入層、匯聚層和核心層。在Wi-Fi 網(wǎng)絡中，設備無線側的內容是AP 的無線接入點以及如何通過AP 有效接入用戶終端。無線接入點AP 與無線交換機作用相同，具備提供信號傳輸和無線接收等功能，位于傳輸網(wǎng)絡的接入層。另外，AP 是Wi-Fi的無線接入點，是實現(xiàn)IEEE802.11a、IEEE802.11b/g 或IEEE802.11n 等無線接入功能的小型無線基站，還是連接有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的橋接器。帶有無線網(wǎng)卡的計算機設備可以通過無線接入點連接到無線網(wǎng)絡、訪問網(wǎng)絡資源以及與高速網(wǎng)絡通信，并具有一定的漫游性，滿足企業(yè)、移動和用戶群體的需求。

2.2 5G 網(wǎng)絡技術

在4G 中無接入技術使用的還是傳統(tǒng)的蜂窩式技術。不采用先進的接入技術，無論走到哪里，都不會增加用戶和網(wǎng)絡的需求。網(wǎng)絡訪問對用戶體驗產生了不利影響。這迫使通信運營商尋找可以增加流程規(guī)模、降低網(wǎng)絡復雜性和網(wǎng)絡連接成本的傳輸網(wǎng)絡。在5G 移動通信中將云計算與集中化、基于云的無線接入網(wǎng)絡（C-RAN）架構相結合，可以有效解決上述問題。如圖 1 所示，C-RAN 的設計通常由3 個部分組成：由遠端無線射頻單元（RRH）和天線組成的分布式無線網(wǎng)絡；由高帶寬低延遲的光傳輸網(wǎng)絡連接遠端無線射頻單元；由高性能處理器和實時虛擬技術組成的集中式基帶處理池（BBU pool）。遠程無線電單元提供大容量和寬帶寬。低帶寬、低延遲傳輸網(wǎng)絡必須連接所有基于頻率的連續(xù)性單元和遠程無線電單元。許多基礎設施項目由高性能系統(tǒng)組成，連接到實時技術，并具有可以滿足每個基站需求的強大處理能力。

圖1 C-RAN 架構

BBU 池集中化可以充分利用BBU，從而減少損耗。以下是 C-RAN 的主要優(yōu)勢： 1） C-RAN 兼容非均勻流量。通常，每天的高峰業(yè)務規(guī)模負載是淡季高峰期的10 倍。由于C-RAN 架構下大部分基站的沖擊過程都在一個BBU 核心組中進行，可以提高整體的利用率。基站處理能力池必須小于單個基站的產品容量。分析表明，作為基站設計的一項基本功能，按照傳統(tǒng)的RAN 架構，C-RAN 架構下的BBU 數(shù)量可以大大減少。2） 節(jié)約能源和成本。使用 C-RAN 可降低能源成本。例如與傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)絡相比，減少了C-RAN BBU 的數(shù)量。在低流量（夜間）時，可以在不影響整個網(wǎng)絡的情況下關閉一些BBU 或者將RRH 掛在建筑物的設備或墻壁上，可以自然冷卻，從而減少能量耗散。3） 增加網(wǎng)絡吞吐量并減少延遲。增加網(wǎng)絡收益，減少延遲。BBU 池的設計側重于集中頻譜資源，可以利用網(wǎng)絡來對這些資源進行調整。同時，它可以簡化大范圍無線設備的規(guī)劃和集成干預，從而提高頻譜的可用性和網(wǎng)絡容量。 4） 推動網(wǎng)絡更新和維護。BBU 組可以發(fā)布并自動調整 C-RAN 故障，從而減少干預的需要。每當需要恢復設備故障時，僅需要在 BBU 池上進行手動干預，BBU 池與家庭無線接入網(wǎng)絡是分開的。由于硬件需要放在幾個集中的地點，因此C-RAN 和虛擬BBU 池能夠使新的標準方式平穩(wěn)地引入。

3 未來應用方向

3.1 Wi-Fi 6應用方向

Wi-Fi 6 技術的產業(yè)鏈是一項涵蓋技術、生產、投資、用戶和使用等各種問題的業(yè)務。每個環(huán)節(jié)都很重要，要減少各環(huán)節(jié)的障礙。綜合來看，Wi-Fi 6 業(yè)務鏈路主要表現(xiàn)在4 個方面：1） 芯片。全球有很多研發(fā)Wi-Fi 芯片的廠商，例如Intel 和高通。這些芯片制造商擁有最先進的技術，也有研發(fā)維護和后期擴展支持。同時，早期的領先廠商聲稱他們已經(jīng)在Wi-Fi 6 芯片解決方案方面取得了很大突破。2） 模組。模組有靈活的訪問限制，大多數(shù)公司都有相關權力。本土企業(yè)可以通過自主打標、定點生產（OEM）等方式生產模塊化產品。3） 網(wǎng)絡設備。網(wǎng)絡設備類型、業(yè)務接入點、家庭網(wǎng)關設備以及無線家庭路由器等。現(xiàn)在，華為、小米和TP-LINK等相關廠商都將相關設備投入市場。例如2020 年初，小米發(fā)布了第一款支持網(wǎng)絡Wi-Fi 6 技術的路由器。這款路由器采用了高通的六核處理器和1 個帶功放的6 通道外置功放。它有1 個單獨的天線，并為 11ax 技術提供 2.4 GHz 支持。2個 5 GHz 頻段，重復速度高達 2 976 Mbps[4]。 4） 終端。智能手機、IPAD 和筆記本電腦等。預計不同的5G 終端將全面支持Wi-Fi 6 功能。

3.2 5G 應用場景

5G 技術的快速發(fā)展也帶動了其他的高新技術，結合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算以及大數(shù)據(jù)等信息技術，為互聯(lián)網(wǎng)媒體、電子商務、交通科技、社保、教育和醫(yī)療等領域提供信息技術升級，預計會產生顛覆性影響并重建商業(yè)模式[5]。智能通信時代，5G 行業(yè)應用的增長是電信行業(yè)的若干倍，同時也帶來了挑戰(zhàn)性問題。這就要求通信運營商具備資源整合能力，可以將大量數(shù)據(jù)與領先的云計算技術進行整合，構建智能業(yè)務平臺。 5G 業(yè)務是電信業(yè)的重要產業(yè)，也是未來的職業(yè)指南。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被視為未來實現(xiàn)經(jīng)濟高速發(fā)展的關鍵因素，準確理解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對可持續(xù)發(fā)展至關重要。5G 是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要數(shù)字平臺，5G 應用場景可以解決互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的數(shù)字化痛點，例如智能工廠、智能產品線、業(yè)務管理與跟蹤、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務、智能家居發(fā)展、資金管理與安全、智能產品創(chuàng)新以及推動智能業(yè)務創(chuàng)新發(fā)展等[6]。

4 結語

從各項技術性能指標來看，Wi-Fi 6 和5G 各有優(yōu)缺點，但Wi-Fi 6 在室內環(huán)境中可以實現(xiàn)更高的吞吐量、容量接入服務，可以有效滿足M2M 接入和大規(guī)模網(wǎng)絡的需求，而且成本建設低；在室外公共環(huán)境中，使用5G 技術可以增大網(wǎng)絡覆蓋范圍，減少切換乒乓效應，提升用戶體驗水平等。Wi-Fi 6 和 5G 需要結合不同的應用場景，針對性地為用戶提供高質量網(wǎng)絡服務。未來，Wi-Fi 6 和5G 仍將在不同場景下協(xié)同合作，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，滿足終端用戶的需求。對Wi-Fi 和5G 廠商來說，都需要不斷提升產品的生產力、以及增強M2M 接入能力，解決現(xiàn)實場景中遇到的各種問題，最終為用戶提供最高質量的互聯(lián)網(wǎng)接入。