張 帆,岳超剛,任麗媛,張 笑
(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712100)
1997年6月,美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)制定了無(wú)線局域網(wǎng)第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.11,工作頻段是2.4 GHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為2 Mbps[1]。
1999年9月,IEEE發(fā)布了802.11b、IEEE 802.11a兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),IEEE 802.11b的工作頻段在2.4 GHz,最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mbps,IEEE 802.11a的工作頻段是5 GHz,數(shù)據(jù)傳輸采用的是OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)模式,最大數(shù)據(jù)傳輸速率為54 Mbps。
2009年,IEEE發(fā)布了一個(gè)比較重要的標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行在2.4 GHz和5 GHz頻段,命名為IEEE 802.11n(Wi-Fi 4),此標(biāo)準(zhǔn)還引入了其他的新特性,比如4×4 MIMO(Multiple Input Multiple Output)、空間復(fù)用、波速成型等,數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到600 Mbps[2]。
IEEE 802.11工作組在2019年9月推出了IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)(Wi-Fi 6)[3],此標(biāo)準(zhǔn)引入了上行/下行多用戶-多輸入多輸出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)、正交頻分多址技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)、1024-QAM(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)等多個(gè)新技術(shù),理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到9.6 Gbps[1-3]。
表1 IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)信息簡(jiǎn)表
IEEE 802.11ax之前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)使用的是跳頻擴(kuò)頻技術(shù)、直接序列擴(kuò)頻和正交頻分復(fù)用這三種調(diào)制方式[1],IEEE 802.11ax首次使用OFDMA調(diào)制技術(shù),OFDMA是在OFDM的調(diào)制基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。OFDM調(diào)制模式是在頻域內(nèi),將信道劃分成很多子信道,這些子信道之間保證是正交的關(guān)系,在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi),一個(gè)用戶占據(jù)一個(gè)完整的子信道,并且完成發(fā)送數(shù)據(jù)包。
OFDMA調(diào)制形式,新增了多址技術(shù),OFDMA將每一個(gè)子信道劃分為大小固定的資源單元(Resource Unit,RU),在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi),可以有多個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù),用戶數(shù)據(jù)是承載在RU上[4]。這樣,就能實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)間段內(nèi),可有多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),OFDMA提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。OFDM和OFDMA工作模式對(duì)比如圖1所示。
圖1 OFDM和OFDMA工作模式對(duì)比圖
IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)采用上行/下行多用戶-多輸入多輸出(DL/UL MU-MIMO)技術(shù),MU-MIMO使用信道的空間分集來(lái)在相同信道上發(fā)送獨(dú)立的數(shù)據(jù)流[4],同一時(shí)間段內(nèi),接入點(diǎn)可以和多個(gè)終端設(shè)備交互,IEEE 802.11ax支持DL 8×8 MU-MIMO和UL 8×8 MU-MIMO,IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)只支持DL 4×4 MU-MIMO。IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)可以同時(shí)進(jìn)行上行和下行傳輸數(shù)據(jù),DL/UL MU-MIMO技術(shù)提高了多用戶并發(fā)性能,減少了延遲。
在QA M調(diào)制(正交幅度調(diào)制)中,數(shù)據(jù)信號(hào)由相互正交的兩個(gè)載波的幅度變化表示。在IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)中,采用256-QAM調(diào)制方式,每個(gè)符號(hào)傳輸8 bit(28=256)數(shù)據(jù),在IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中,采用1024-QAM調(diào)制方式,每個(gè)符號(hào)傳輸10 bit(210=1 024)數(shù)據(jù)[4],IEEE 802.11ax的傳輸速率比IEEE 802.11ac的傳輸速率提高了25%。1024-QAM技術(shù)的使用,提高了IEEE 802.11ax的傳輸速率[5]。1024-QAM和256-QAM的對(duì)比如圖2所示[4]。
圖2 1024-QAM和256-QAM的對(duì)比圖[4]
IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)支持的2.4 GHz和5 GHz,2.4 GHz頻段范圍為2.412 GHz~2.484 GHz,共劃分為1~14信道,如圖3所示,我國(guó)使用的是1~13信道,從圖3可以看出,相鄰的信道之間頻率重疊,干擾嚴(yán)重,其中1、6、11或者2、7、12或者3、8、13為相互獨(dú)立的信道,互不干擾。5 GHz頻段范圍為5.150 GHz~5.850 GHz,5 GHz頻段帶寬較寬,信道較多,具有較高的傳輸速率且干擾較少,但是隨著傳輸距離增加,信號(hào)衰減,穿透能力較弱,難以覆蓋較遠(yuǎn)的范圍。2.4 GHz頻段帶寬窄,波長(zhǎng)較長(zhǎng),傳輸速率低但穿透能力強(qiáng),可以輻射到邊緣地區(qū)。在IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)上使用2.4 GHz和5 GHz,完美覆蓋高速和低速設(shè)備,讓IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的使用場(chǎng)景更加廣泛。
圖3 2.4 GHz信道劃分示意圖
IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高,接入終端數(shù)量大,網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低等特點(diǎn)。在IoT中,IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于很多場(chǎng)景,比如,智能家居、智慧醫(yī)療、智慧城市和智慧農(nóng)業(yè)。
(1)智慧城市:在智慧城市中,使用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接交通信號(hào)燈、監(jiān)控?cái)z像頭和智能路燈等,IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和效率,同時(shí)減少延遲和數(shù)據(jù)丟包的風(fēng)險(xiǎn),從而提高智慧城市系統(tǒng)的效率和可靠性[6]。
(2)智慧農(nóng)業(yè):智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)農(nóng)田的全流程智能化管理,智慧農(nóng)場(chǎng)里布置了很多的無(wú)線設(shè)備和傳感器,用來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)田的土壤濕度、生長(zhǎng)溫度、二氧化碳含量等指標(biāo)。智慧農(nóng)場(chǎng)一般位置較為偏遠(yuǎn),5G流量成本高,運(yùn)營(yíng)商的投資成本大,引入IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn),將5G信號(hào)轉(zhuǎn)化為Wi-Fi 6無(wú)線信號(hào),智慧農(nóng)業(yè)園區(qū)可以接入海量設(shè)備,并且解決5G信號(hào)穿透力弱的問(wèn)題[7-8]。
(3)智能家居:智能家居中有很多的設(shè)備需要連接到家庭W i-Fi 網(wǎng)絡(luò)中,如智能燈泡、智能插板、智能門(mén)鎖、家用攝像頭等,應(yīng)用I E E E 802.11ax標(biāo)準(zhǔn),降低了智能家居成本、對(duì)低頻率的單品非常適用[9-10]。
IEEE 802.11ax技術(shù)是目前Wi-Fi應(yīng)用中的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)使用OFDMA、DL/UL MU-MIMO、1024-QAM調(diào)制、雙頻設(shè)計(jì)等技術(shù),提高數(shù)據(jù)傳輸速率,增大用戶接入量,擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用場(chǎng)景。IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)在智能家居、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧交通、智慧建筑、智能制造等領(lǐng)域有出色的表現(xiàn),協(xié)助IoT領(lǐng)域高速發(fā)展?!?/p>