华为技术白皮书:什么是 Wi-Fi 6(802.11ax)?

EDN电子技术设计 2020-04-03 00:00
1. Wi-Fi 发展简介

Wi-Fi 已成为当今世界无处不在的技术,为数十亿设备提供连接,也是越来越多的用户上网接入的首选方式,并且有逐步取代有线接入的趋势。为适应新的业务应用和减小与有线网络带宽的差距,每一代 802.11 的标准都在大幅度的提升其速率。

1997 年 IEEE 制定出第一个无线局域网标准 802.11,数据传输速率仅有 2Mbps,但这个标准的诞生改变了用户的接入方式,使人们从线缆的束缚中解脱出来。

随着人们对网络传输速率的要求不断提升,在 1999 年 IEEE 发布了 802.11b 标准。802.11b 运行在 2.4 GHz 频段,传输速率为 11Mbit/s,是原始标准的 5 倍。同年,IEEE 又补充发布了 802.11a 标准,采用了与原始标准相同的核心协议,工作频率为 5GHz,最大原始数据传输率 54Mbit/s,达到了现实网络中等吞吐量(20Mbit/s)的要求,由于 2.4GHz 频段已经被到处使用,采用 5GHz 频段让 802.11a 具有更少冲突的优点。

2003 年,作为 802.11a 标准的 OFDM 技术也被改编为在 2.4 GHz 频段运行,从而产生了 802.11g,其载波的频率为 2.4GHz(跟 802.11b 相同),原始传送速度为 54Mbit/s, 净传输速度约为 24.7Mbit/s(跟 802.11a 相同)。
对 Wi-Fi 影响比较重要的标准是 2009 年发布的 802.11n,这个标准对 Wi-Fi 的传输和接入进行了重大改进,引入了 MIMO、安全加密等新概念和基于 MIMO 的一些高级功能(如波束成形,空间复用......),传输速度达到 600Mbit/s。此外,802.11n 也是第一个同时工作在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段的Wi-Fi 技术。

然而,移动业务的快速发展和高密度接入对 Wi-Fi 网络的带宽提出了更高的要求,在2013 年发布的 802.11ac 标准引入了更宽的射频带宽(提升至 160MHz)和更高阶的调制技术(256-QAM),传输速度高达  1.73Gbps,进一步提升  Wi-Fi  网络吞吐量。另外,在 2015 年发布了 802.11ac wave2 标准,将波束成形和 MU-MIMO 等功能推向主流,提升了系统接入容量。但遗憾的是 802.11ac 仅支持 5GHz 频段的终端,削弱了 2.4GHz 频段下的用户体验。

然而,随着视频会议、无线互动 VR、移动教学等业务应用越来越丰富,Wi-Fi 接入终端越来越多,IoT 的发展更是带来了更多的移动终端接入无线网络,甚至以前接入终端较少的家庭 Wi-Fi 网络也将随着越来越多的智能家居设备的接入而变得拥挤。因此 Wi-Fi 网络仍需要不断提升速度,同时还需要考虑是否能接入更多的终端,适应不断扩大的客户端设备数量以及不同应用的用户体验需求。

下一代Wi-Fi 需要解决更多终端的接入导致整个Wi-Fi 网络效率降低的问题,早在2014 年 IEEE 802.11 工作组就已经开始着手应对这一挑战, 预计在 2019 年正式推出的802.11ax(下个章节介绍为什么叫 Wi-Fi 6)标准将引入上行 MU-MIMO、OFDMA 频分复用、1024-QAM 高阶编码等技术,将从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题。目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量相比如今的 Wi-Fi 5 提高至少4 倍,并发用户数提升 3 倍以上,因此,Wi-Fi 6(802.11ax)也被称为高效无线(HEW)。

2. 什么是 Wi-Fi 6(802.11ax)

Wi-Fi 6 是下一代 802.11ax 标准的简称。随着 Wi-Fi 标准的演进,WFA 为了便于 Wi- Fi 用户和设备厂商轻松了解其设备连接或支持的 Wi-Fi 型号,选择使用数字序号来对 Wi- Fi 重新命名。另一方面,选择新一代命名方法也是为了更好地突出 Wi-Fi 技术的重大进步, 它提供了大量新功能,包括增加的吞吐量和更快的速度、支持更多的并发连接等。根据 WFA 的公告,现在的 Wi-Fi 命名分别对应如下 802.11 技术标准:


和以往每次发布新的 802.11 标准一样,802.11ax 也将兼容之前的 802.11ac/n/g/a/b 标准,老的终端一样可以无缝接入 802.11ax 网络。

Wi-Fi 6 速度有多快?

4G 是移动网络高速率的代名词,同样,Wi-Fi 6 是无线局域网高速率的代名词,但这个高速率是怎么来的,由以下几个因素决定。

计算公式:



1.空间流数量

空间流其实就是 AP 的天线,天线数越多,整机吞吐量也越大,就像高速公路的车道一样,8 车道一定会比 4 车道运输量更大。

2.Symbol 与 GI

Symbol 就是时域上的传输信号,相邻的两个Symbol 之间需要有一定的空隙(GI),以避免 Symbol 之间的干扰。就像中国的高铁一样,每列车相当于一个 Symbol, 同一个车站发出的两列车之间一定要有一个时间间隙,否则两列车就可能会发生碰撞。不同 Wi-Fi 标准下的间隙也有不同,一般来说传输速度较快时 GI 需要适当增大,就像同一车道上两列 350KM/h 时速的高铁发车时间间隙要比时速 250KM/h 时速的高铁发车间隙要大一些。

3.编码方式

编码方式就是调制技术,即 1 个 Symbol 里面能承载的 bit 数量。从 Wi-Fi 1 到 Wi-Fi 6,每次调制技术的提升,都能至少给每条空间流速率带来 20%以上的提升。

4.码率

理论上应该是按照编码方式无损传输,但现实没有这么美好。传输时需要加入一些用于纠错的信息码,用冗余换取高可靠度。码率就是排除纠错码之后实际真实传输的数据码占理论值的比例。

5.有效子载波数量

载波类似于频域上的 Symbol,一个子载波承载一个 Symbol,不同调制方式及不同频宽下的子载波数量不一样。

至此,我们可以计算一下 802.11ac 与 802.11ax 在 HT80 频宽下的单条空间流最大速率:

Wi-Fi 6 核心技术

Wi-Fi 6(802.11ax)继承了Wi-Fi 5(802.11ac)的所有先进 MIMO 特性,并新增了许多针对高密部署场景的新特性。以下是Wi-Fi 6 的核心新特性:

- OFDMA 频分复用技术
- DL/UL MU-MIMO 技术
- 更高阶的调制技术 (1024-QAM)
- 空分复用技术(SR) & BSS Coloring 着色机制
- 扩展覆盖范围 (ER)

下面详细描述这些核心新特性。


...

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