下一代无线通讯网络技术之Wi-Fi 6

Wi-Fi 6是下一代无线Wi-Fi的通讯技术,使用802.11ax协议标准的高效无线网络(HEW)。数字的增加也表明了技术的重大进步,包括更大的吞吐量、更快的连接速度以及更多的单位并发连接数。

2019年9月11日,苹果公司在总部Apple Park的乔布斯剧院举行了秋季新品发布会,其中谈及苹果公司在新一代的iPhone上使用了第六代Wi-Fi无线通讯技术,后面简称Wi-Fi 6。

什么是Wi-Fi 6? Wi-Fi 6是下一代无线Wi-Fi的通讯技术,使用802.11ax协议标准的高效无线网络(HEW)。针对Wi-Fi 6标准的设备认证工作,Wi-Fi联盟已于美国东部时间2019年9月16日凌晨8点开始启动。随着Wi-Fi标准的演进,Wi-Fi联盟为了便于Wi-Fi用户和设备厂商了解其设备连接或支持的Wi-Fi标准,选择使用追加数字符号的方式对Wi-Fi重新命名。数字的增加也表明了技术的重大进步,包括更大的吞吐量、更快的连接速度以及更多的单位并发连接数。

发布年份 标准 频段
Wi-Fi 1 1999 802.11a 5GHz
Wi-Fi 2 1999 802.11b 2.4GHz
Wi-Fi 3 2003 802.11g 2.4GHz
Wi-Fi 4 2009 802.11n 2.4GHz或5GHz
Wi-Fi 5 2013-2015 802.11ac 5GHz
Wi-Fi 6 2019 802.11ax 2.4GHz或5GHz

Wi-Fi发展历史

 

和以往的Wi-Fi一样,Wi-Fi 6也兼容之前的版本。

随着视频会议、虚拟现实VR、移动数字等多方面业务的发展以及物联网设备的快速普及,使得家庭Wi-Fi网络也随着越来越多的智能设备接入而变得拥挤。为了解决更多终端接入导致整个Wi-Fi网络效率降低的问题,早在2014年IEEE 802.11工作组就开始新一代Wi-Fi标准的研究与制定工作。通过引入MU-MIMO、OFDMA频分复用、1024QAM高阶编码等技术,从空间信道复用、频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题,其目标是在密集用户区域将用户的平均吞吐量提高到如今Wi-Fi 5标准的4倍以上、并发用户数提升3倍以上。因此新一代的Wi-Fi 6也被称为高效无线网络(HEW)。

 

Wi-Fi 6使用的核心技术如下:

  • 正交频分多址技术(OFDMA)

之前的Wi-Fi采用的是OFDM(正交频分复用)技术,存在诸如同一帧只有一个标准的数据包,用户独占信道导致多用户请求发生冲突等问题。Wi-Fi 6采用OFDMA(正交频分多址技术),将各种大小的数据包从调制的角度组合在一起,通过共享技术提高用户接入能力、提高数据传输速率,减少网络延迟,能同时支持上行和下行数据传输。

图片来自Wi-Fi联盟

 

  • 多用户输入输出(MU-MIMO)

通过分割天线、优化闲置情况,独立的为不同设备进行传输。允许多个设备同时传输数据,利用多径空间信道提高网络容量。

OFDMA MU-MIMO
提升传输效率 提升网络容量
降低通讯延迟 提升每个用户的传输速率
适合低带宽应用场景 适合高带宽应用场景
适合小包传输 适合大包传输

OFDMA与MU-MIMO对比

 

  • 160MHz的信道利用率

开启160MHz频宽信道,提高带宽容量,以较低的延迟提供更高的性能。

  • 扩展覆盖范围(ER)

Wi-Fi 6 采用了Long OFDM symbol发送机制,每次数据发送时间从原来的3.2us提升到12.8us,有效降低数据丢包率和重传率,使信号更加稳定,同时使用最小的2MHz频宽进行窄带通信,有效降低波间干扰,提高终端接收灵敏度,增加覆盖距离。

  • 高阶调制

Wi-Fi 6 使用了1024-QAM技术,每个符号位传输10bit(1024),相比256-QAM,数据吞吐量提升25%,在信号良好的情况下可以大大提高数据传输速率。

256QAM与1024QAM空间容量对比图      图片涞源:Qorvo

 

  • 空间复用技术与BSS Coloring着色技术

Wi-Fi射频传输的原理就是在任何一个时间内,一个信道上只允许一个用户传输数据,如果存在信道冲突则需要合理安排信道资源让每个用户轮流使用,因此在高密度的接入环境中,合理划分信道资源对整个网络通信质量至关重要。Wi-Fi 6 通过信道复用技术提升信道的吞吐量。

在物理层报文的头目加入BSS颜色码字段,对不同的数据进行着色处理。每个设备只会与自己BSS颜色码相同的设备竞争信道资源,从而缓解信道干扰退避的问题,提升频谱资源利用率,提升整个网络空间利用效率。

虚线表示占用冲突,实线表示可以通讯。图片来自:aerohive

 

  • 降低功耗

Wi-Fi 6 使用了目标唤醒时间(TWT)技术,统一调度无线终端休眠和数据传输时间,不仅可以和无线终端协商被唤醒以及发送和接收数据的时机,减少设备相互竞争的情况,还可以将无线终端分组到不同的TWT周期,增加睡眠时间,降低设备功耗。

 

  • 新一代无线加密技术WPA3

WPA3将算法提升至192位的CNSA等级算法,并且通过设置对多次尝试密码破解的行为直接锁号以及个性化加密等策略,增加黑客攻击的难度,对Wi-Fi网络中的用户隐私和关键网络进行保护,有效降低攻击者通过抓包、线下分析提取密码的风险。

 

随着5G的临近,人们对于5G的期待也越来越迫切,甚至有一种说法是未来5G会取代宽带和Wi-Fi,经过下面的技术对比,可以发现5G取代Wi-Fi还是比较难的。5G和Wi-Fi并不是对立的,而应该进行互补的。

  Wi-Fi 6 5G
上市时间 2018年 2019年
标准制定组织 IEEE 3GPP
与前代的技术比较 更高速率、更低延迟、更高的设备密度 更高速率、更低延迟、更高的设备密度
设备部署 支持的终端和设备已经上市,可以直接使用。 设备和网络处于试验性阶段。
使用频率 2.4GHz和5GHz 多频段,不同国家规划不同
采用技术 MU-MIMO、OFDMA,1024QAM 大规模MIMO技术
安全性 WPA3,增加黑客攻击难度。 基于身份验证协议(EAP),防止欺骗
应用场景 室内 室外
使用成本 免费 付费
授权方式 免费授权无线频谱 付费授权无线频谱
理论速率 9.6Gbps 10Gbps
设备费用 价格相对较低 价格相对昂贵
覆盖半径 20-30米左右 200-300米

 

目前市面上在售支持Wi-Fi 6 的设备不完全统计如下:

  • 路由器
    • TP-LINK:TL-XDR3020
    • 华硕:RT-AX88U、RT-AX92U、TUF-AX3000、GT-AX11000
    • NETGEAR:RAX120、RAX80、RAX40
    • Ruckus
    • Marvell
  • 手机
    • Apple:iPhone 11 系列
    • 三星:Galaxy Note 10
  • 网卡
    • Intel:AX200
    • 博通:BCM943698、BCM94375
  • 芯片
    • 博通:BCM94908R43684AX
    • 高通:CA-WIFI6STA-50
    • Cypress
  • AP
    • Intel:MMID 999KK4
  • 平台
    • 高通:CA-65-YC633-HE

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