IEEE 802.11ax核心技術(shù)及在IoT的使用場景

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 712100）

1 Wi-Fi技術(shù)發(fā)展簡介

1997年6月，美國電氣和電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）制定了無線局域網(wǎng)第一個標(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)布了一個比較重要的標(biāo)準(zhǔn)，這個標(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)信息簡表

2 IEEE 802.11ax核心技術(shù)分析

2.1 正交頻分多址技術(shù)

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，在每一個時間段內(nèi)，一個用戶占據(jù)一個完整的子信道，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將每一個子信道劃分為大小固定的資源單元（Resource Unit，RU），在每一個時間段內(nèi)，可以有多個用戶傳輸數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)是承載在RU上[4]。這樣，就能實(shí)現(xiàn)在同一時間段內(nèi)，可有多個用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)，OFDMA提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。OFDM和OFDMA工作模式對比如圖1所示。

圖1 OFDM和OFDMA工作模式對比圖

2.2 DL/UL MU-MIMO技術(shù)

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在相同信道上發(fā)送獨(dú)立的數(shù)據(jù)流[4]，同一時間段內(nèi)，接入點(diǎn)可以和多個終端設(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。

2.3 1024-QAM

在QA M調(diào)制（正交幅度調(diào)制）中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個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，每個符號傳輸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，每個符號傳輸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的對比如圖2所示[4]。

圖2 1024-QAM和256-QAM的對比圖[4]

2.4 雙頻設(shè)計

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，波長較長，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)的使用場景更加廣泛。

圖3 2.4 GHz信道劃分示意圖

3 在IoT的使用場景

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)延時低等特點(diǎn)。在IoT中，IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于很多場景，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)連接交通信號燈、監(jiān)控攝像頭和智能路燈等，IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和效率，同時減少延遲和數(shù)據(jù)丟包的風(fēng)險，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)了對農(nóng)業(yè)農(nóng)田的全流程智能化管理，智慧農(nóng)場里布置了很多的無線設(shè)備和傳感器，用來監(jiān)測農(nóng)田的土壤濕度、生長溫度、二氧化碳含量等指標(biāo)。智慧農(nóng)場一般位置較為偏遠(yuǎn)，5G流量成本高，運(yùn)營商的投資成本大，引入IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)，將5G信號轉(zhuǎn)化為Wi-Fi 6無線信號，智慧農(nóng)業(yè)園區(qū)可以接入海量設(shè)備，并且解決5G信號穿透力弱的問題[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、對低頻率的單品非常適用[9-10]。

4 結(jié)束語

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)通過使用OFDMA、DL/UL MU-MIMO、1024-QAM調(diào)制、雙頻設(shè)計等技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，增大用戶接入量，擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)的使用場景。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>