Wi-Fi 6关键技术及产业进展——中国信通院王芳等

0  引言
Wi-Fi技术自1997年诞生以来，虽然带宽只有1 Mbit/s ~ 2 Mbit/s，但是这种连接方式使人们摆脱了有线连接的束缚，以其便捷有效的特性，成为人们上网的首选方式。在接下来的十几年里，陆续出现了802.11a、802.11b、802.11n，一直到2014年802.11ac的出现，人们始终致力于提升网络的传输速率，从最初的2 Mbit/s，提升到了1.73 Gbit/s。除了传输速率的提升，Wi-Fi也引入了更宽的射频带宽（提升至160 MHz）和更高的调制技术（256-QAM）。
近年来，由于无线技术以及智能家居的高速发展，家庭无线网络中出现了越来越多的设备，除了电脑、手机这些传统设备，无线音响、网络电视、摄像头等新型的智能家电也出现在人们的生活中，在线教育以及4K高清、AR、VR等新型产业也都加入无线网络中。人们享受着网络带给大家的便利，同时也对网络提出了更高的要求。以传统Wi-Fi标准（802.11a/b/g/n/ac）运行的无线基础设备已无法应对当前WLAN终端数量的增加和带宽需求的提高，因此急需引入新一代Wi-Fi技术，802.11ax就此应运而生。802.11ax在2013年5月就已开始进行研究，其标准草案由IEEE标准协会的TGax工作组制定，该工作组于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，最新的版本为D6.0。Wi-Fi发展历程参见图 1。
图1  Wi-Fi发展历程
随着Wi-Fi标准的演进，Wi-Fi联盟组织WFA为了便于Wi-Fi用户和设备厂商了解其使用的设备连接或支持的Wi-Fi协议标准，选择使用数字序号来对每一代的Wi-Fi协议标准重新命名，Wi-Fi 6是802.11ax标准的简称。
1  Wi-Fi 6关键技术
从Wi-Fi的发展历程可以看出，在Wi-Fi 5之前，WLAN重点关注的基本都是如何提升速率，但随着无线终端和无线应用的普及，使用无线网络的设备越来越多，那么在一定宽度的道路上争抢有限的无线网络资源的终端用户数就会越来越多，即使速度提的再高，也无法使用户有更好的体验，因此Wi-Fi标准开始重视接入终端容量。在Wi-Fi 5（802.11ac）的标准里，就引入了MU-MIMO的技术，该技术的引入，迈出了提升接入终端容量的第一步。
Wi-Fi 6（802.11ax）与Wi-Fi 5（802.11ac）相比，在很多性能指标上都有着卓越的表现，通过一系列新的核心技术，使Wi-Fi网络不论是速率，还是接入终端容量以及时延方面，都有了很大的提升。Wi-Fi 6的显著优势，和802.11ax协议中使用到的关键技术息息相关，这些关键技术具体如下。
1.1  OFDMAWi-Fi 5采用的数据传输方式是正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），在这种方式下，用户是通过不同时间片进行区分，每一个时间片上，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据报文。但随着用户数量的增多，用户之间的数据请求就会发生冲突，导致当这些用户使用高带宽应用时，服务质量变差。Wi-Fi 6采用的数据传输方式为正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），它是OFDM技术的一个演进，通过OFDM技术与OFDMA技术的结合，将无线信道划分成正交的互不重叠的多个子信道，然后将不同的子信道集分配给不同的用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。其标准仿效LTE，将最小的子信道称为“资源单位（Resource Unit，RU）”，在该模式下，用户的数据承载在每一个RU上，故从总的时频资源上来看，每一个时间片上，将多个用户同时并行传输，无需等待、避免竞争，从而提升了效率，减少了排队等待时延，实现了系统资源的优化利用及多用户接入。图2是OFDM与OFDMA工作模式的对比。
图2  OFDM与OFDMA工作模式对比
1.2  MU-MIMOMU-MIMO是一种使用信道的空间分集来在相同带宽上发送独立的数据流从而实现多个用户同时进行数据传输的技术，该技术在802.11ac上已经有所应用，当时只是应用在下行，802.11ax不仅支持下行的MU-MIMO，还支持上行的MU-MIMO。MU-MIMO与OFDMA不同的是，该技术中所有用户使用的是全部带宽，而不是平分带宽。
802.11ax与802.11ac相比，增加了天线数量，802.11ac只支持44的MU-MIMO，即最多同时可以传输4个用户的上行数据；而802.11ax已经支持8×8的MU-MIMO，即可以最多同时传输8个用户的上下行数据，既增加了接入用户数，又均衡了吞吐量。图3为4×4 AP设备支持SU-MIMO和支持MU-MIMO的吞吐量对比图，从中可以看出，支持MU-MIMO的AP设备的传输速率有很大的提高。
图3  SU-MIMO与MU-MIMO吞吐量对比
1.3  1024-QAM
802.11ax标准的主要目标就是增加系统容量，降低时延，提高多用户高密场景下的效率，但更好的效率与更快的速度并不互斥。802.11ax引入了更高阶的调质编码方案，即1024-QAM，与802.11ac采用的256-QAM相比，从原来每个符号传输8 bit数据提升为每个符号位传输10 bit数据，提升了25%（见图4）。也就是说，相对于802.11ac来说，单条空间流数据吞吐量提高了25%。
图4  256-QAM与1024-QAM的星座图对比
1.4  BSS Coloring着色机制在802.11ax中引入了一种新的同频传输识别机制，称为BSS Coloring着色机制，通过在PHY报文头中添加BSS Color字段对来自不同BSS的数据进行“染色”，为每个通道分配一种颜色，一种颜色标识一组不应相互干扰的基本服务集（BSS），接收端通过及早识别同频传输干扰信号并停止接收，避免浪费收发机时间（见图5）。如果颜色相同，则认为是同一BSS内的干扰信号，发送将推迟；反之，则认为两者之间无干扰，两个Wi-Fi设备可同信道同频并行传输。
图5  有无BSS Coloring机制的对比
1.5  目标唤醒时间目标唤醒时间（Target Wakeup Time，TWT）是802.11ax支持的另一个重要的资源调度功能，借鉴于802.11ah标准，允许设备协商什么时候和多久会被唤醒，然后发送或接收数据。此外，Wi-Fi AP可以将客户端设备分组到不同的TWT周期，从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间，对采用电池供电的终端来说，大大提高了电池寿命。
802.11ax AP可以和STA协调TWT功能的使用，AP和STA会互相交换信息，信息包含预计的活动持续时间，以及STA访问介质的特定时间或一组时间，这样就可以避开多个不同STA之间的竞争和重叠情况。另外，支持802.11ax标准的STA可以使用TWT来降低能量损耗，在自身的TWT来临之前进入睡眠状态。
2  Wi-Fi 6的产业发展现状
近年来，Wi-Fi市场一直在不断壮大，IDC《 中国WLAN市场季度跟踪报告 2019年第三季度》 报告显示^[1]，WLAN市场总体规模在2019年第三季度达到2.3 亿美元规模，处于平稳上升趋势。其中，Wi-Fi 6在2019年第三季度开始从一些主流厂商陆续登场，首次登场的Wi-Fi 6产品在2019年第三季度便有470 万美元的销售规模。
从图6的Wi-Fi 5产品发展轨迹可以看到，Wi-Fi 5从2019年开始增速放缓，暗示着新产品的迭代，而Wi-Fi 6在经历了2019年下半年的“试用期”后，不同的行业对Wi-Fi 6持有不同的认可度和接受度。2020年是Wi-Fi 6进军市场的第一个完整元年，在上一代产品增速放缓的市场背景下给予无线市场一剂强心针。从目前的市场来看，Wi-Fi 6的产品主要包括芯片、网络设备和终端3个方面。
图6  IDC对中国网络无线市场规模预测
2.1  芯片芯片是一个产业链的核心产品，对整个产业链来说，起着至关重要的作用。目前，商用Wi-Fi 6芯片厂商主要包括高通、博通、Intel等国外厂商，以及MTK、RealTek、海思等国内厂商，但各厂商芯片产品种类及成熟度存在差异。
从天线数来看，各厂商目前均有支持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，研发3×3天线数以及8×8天线数的芯片都已列入各芯片厂家的计划中。
从频宽来看，2.4 G的频宽各厂家大部分以40 MHz为主，大部分厂家的5G频宽为80 MHz，目前只有博通、海思以及Intel支持160 MHz频宽。从关键特性的支持程度来看，上下行的OFDMA目前各芯片厂家均已支持，但MU-MIMO技术，大部分厂家只支持下行的MU-MIMO，不支持上行的MU-MIMO。
2.2  网络设备支持Wi-Fi 6的网络设备主要有AP和路由器，对于支持Wi-Fi 6的AP设备，目前在国内销售的国外品牌AP设备中，主要以Aruba为主，国内厂商华为、TPLINK、H3C等也均推出了支持Wi-Fi 6的无线AP产品。对于支持Wi-Fi 6的无线路由器，目前在售的国外品牌，主要有NETGEAR，其采用的芯片包括博通、高通和Intel；国内厂家主要有华硕、D-Link、TP-LINK、华为、小米、天邑等。
2.3  终端Wi-Fi终端出货中占比最大的是智能手机和笔记本电脑^[3]。在国外品牌方面，目前已经有三星S10系列、三星Note10系列以及iPhone11两个国外厂家的手机支持Wi-Fi 6；在国内品牌方面，2020年2月14日，小米发布的小米10全系支持Wi-Fi 6，这是国内发布的首个支持Wi-Fi 6的手机；2020年2月25日，vivo在IQOO 3手机的发布会上，宣称该款手机亦支持Wi-Fi 6；在笔记本电脑方面，弘基、联想、惠普、戴尔等主流厂商都已推出了支持Wi-Fi 6的笔记本电脑产品。根据Wi-Fi联盟统计^[3]，截止到2020年6月已经通过Wi-Fi 6联盟认证的产品数为335 款，其中芯片产品13 款，我国企业占比7.6%；无线路由器产品154 款，我国企业占比42.2%；移动终端类152 款，我国企业占比20.4%；笔记本/平板电脑16 款，我国企业占比81.25%。目前来看，Wi-Fi 6的产品价格偏高，但随着芯片的量产化以及研发成本的下降，Wi-Fi 6的产品价格也会有所下降。
3  结束语
Wi-Fi 6具有更高的传输速率、更大的并发接入量以及更低的时延，这些优点使得Wi-Fi 6的应用场景更加丰富，不仅满足智慧家庭4K、VR、网络游戏、智能家居互联等业务的高效承载，同时也适用于行业应用中高密办公、生产无线、智慧教学、智慧传媒以及城市和企业的数字化等。在Wi-Fi 6还未完全普及时，Wi-Fi联盟推出了Wi-Fi 6E标准，该标准允许Wi-Fi设备支持6 GHz频段，这意味着Wi-Fi将可以包含14个80MHz信道和 7个160 MHz信道，比Wi-Fi 6带来更快的网速和更低的延迟。同时，Wi-Fi 7也已安排上了日程，802.11be标准作为Wi-Fi 7的有力候选者，相比于Wi-Fi 6来说，支持更多的数据流，2.4 GHz 、5 GHz以及6 GHz三频段同时工作，信号的调制方式也升级到了4096QAM，可提供高达30 Gbit/s的传输速度。Wi-Fi技术的发展，不断为无线网络带来一次次革新，彻底改变了无线网络的实现方式，给人们带来前所未有的网络体验。
参考文献
[1] IDC. Wi-Fi 6将在2020元年大放异彩[EB/OL]. (2020-03-04)[2020-10-10]. https://www.idc.com/getdoc.jsp? containerId=prCHC 46106220.[2] 华为技术有限公司. 华为Wi-Fi 6(802.11ax)技术白皮书[R], 2019.[3] 网络通信技术. 802.11ax技术标准值得期待但无需等待[EB/OL]. (2018-06-13)[2020-10-10]. http://net.it168.com/a2018/0613/3208/000003208962.shtml.

作者简介

 王 芳 

中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网领域的科研与测试等方面的工作。

 苟书智 

中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网领域的科研与测试等方面的工作。

 卓安生 

中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网领域的科研与测试等方面的工作。

论文引用格式

王芳, 苟书智, 卓安生. Wi-Fi 6关键技术及产业进展[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(5):91-96.

本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第5期

主办：中国信息通信研究院

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