详解WIFI6技术

不知不觉中,2022年已经到了四季度。在过去的机圈里,国内手机圈可谓热火朝天。麒麟9000还可战一年,超级火龙888和变态升级版8淦1、还有改良版的8淦1plus,2K+120HZ、UFS3.1、LPDDR5,全像素对焦等等诸多新产品新技术,其中,有一项技术与5G一样特别引人注意,那就是WIFI6

小米高调发布了wifi6旗舰路由器

Wi-Fi这个术语被人们普遍误以为是指无线保真(Wireless Fidelity),并且即便是Wi-Fi联盟本身也经常在新闻稿和文件中使用“Wireless Fidelity”这个词,Wi-Fi还出现在ITAA的一个论文中。但事实上,Wi-Fi一词没有任何意义,也是没有全拼的

技术原理

无线网络在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”,实质上是一种商业认证,同时也是一种无线联网技术。

以前通过网线连接电脑,而Wi-Fi则是通过无线电波来连网,常见的载体就是无线路由器,那么在这个无线路由器电波覆盖的有效范围内,都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网。如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路,则又被称为热点。

主要功能

无线网络上网可以简单地理解为无线上网。几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网,是当今使用最广的一种无线网络传输技术

实际上就是把有线网络信号转换成无线信号,就如在开头为大家介绍的一样,使用无线路由器供支持其技术的相关电脑、手机、平板等接收。手机如果有Wi-Fi功能的话,在有Wi-Fi无线信号的时候就可以不通过移动联通的网络上网,省掉了流量费。

无线网络、无线上网在大城市比较常用,虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好,数据安全性能也比蓝牙差,传输质量也有待改进,但传输速度非常快,可以达到54Mbps,符合个人和社会信息化的需求。

Wi-Fi最主要的优势在于不需要布线,可以不受布线条件的限制,因此非常适合移动办公用户的需要。并且由于发射信号功率低于100mw,低于手机发射功率,所以Wi-Fi上网相对也是最安全健康的。

WIFI发展史

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2.4GHz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频段已经被广泛采用,而采用5GHz频段能让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,空间复用等),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。

上图为WIFI版本的标准数据

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。

4G是移动网络高速率的代名词,同样,Wi-Fi6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:

整机速率=空间流水量*1/(Symbol+GL)*编码方式*码率*有效子载波数量

给大家分析这个公式。什么是空间流水量?空间流水其实就是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。如下表所示:

标准

802.11a/g

802.11n

802.11ac

802.11ax

单射频最大空间流

1

4

8

8

Symbol与GL又是什么呢?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(GL),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 GL需要适当增大。

标准

802.11ac之前

802.11ax

Symbol

3.2us

12.8us

Symbol Gl

0.4us

/

Gl

0.8us

0.8us

2*Gl

/

1.6us

4*Gl

/

3.2us

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。

标准

802.11a/g

802.11n

802.11ac

802.11ax

最高阶调制

64QAM

64QAM

256QAM

1024QAM

bit数

6

6

8

10

码率是按照编码方式无损传输,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。等于理论上排除纠错码之后实际真实传输的数据码占理论值的比例。

标准

调准标准

802.11a/g

802.11n

802.11ac

802.11ax

MCS0

BPSK

1/2

1/2

1/2

1/2

MCS1

QPSK

1/2

1/2

1/2

1/2

MCS2

QPSK

3/4

3/4

3/4

3/4

MCS3

16-QAM

1/2

1/2

1/2

1/2

MCS4

16-QAM

3/4

3/4

3/4

3/4

MCS5

64-QAM

2/3

2/3

2/3

2/3

MCS6

64-QAM

3/4

3/4

3/4

3/4

MCS7

64-QAM

5/6

5/6

5/6

5/6

VMCS8

256-QAM

-

-

3/4

3/4

VMCS9

256-QAM

-

-

5/6

5/6

VMCS10

1024-QAM

-

-

-

3/4

VMC11

1024-QAM

-

-

-

5/6

有效子载波数量是指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。

标准

频宽

802.11n

802.11ac

802.11ax

最小子载波宽带

-

312.5khz

312.5khz

78.123khz

有效子载波数量

HT20

52

52

234

HT40

108

108

468

HT80

-

234

980

HT160

-

-

2*980

WIFI6功能特点

Wi-Fi 6主要使用了OFDMA、MU-MIMO等技术,MU-MIMO(多用户多入多出)技术允许路由器同时与多个设备通信,而不是依次进行通信。MU-MIMO允许路由器一次与四个设备通信,Wi-Fi 6将允许与多达8个设备通信。Wi-Fi 6还利用其他技术,如OFDMA(正交频分多址)和发射波束成形,两者的作用分别提高效率和网络容量。Wi-Fi 6最高速率可达9.6Gbps。

Wi-Fi 6中的一项新技术允许设备规划与路由器的通信,减少了保持天线通电以传输和搜索信号所需的时间,这就意味着减少电池消耗并改善电池续航表现。

WIFI6的核心技术

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)

MU-MIMO

如今,每个家庭需要连接Wi-Fi的设备越来越多,在同一个Wi-Fi网络内,在电视上看个高清电影很可能会让正在看直播的手机卡顿。在饭店吃饭时,Wi-Fi信号明明满格,但网速慢到难以忍受。这是为什么呢?原因很简单:根据802.11ac标准,AP(路由器、热点)一次只能和一个终端通讯。

在同一时刻,如果大量设备接入到同一个Wi-Fi网络,网络就会变慢变卡,就好比100辆车同一时间挤在一条马路上行驶,开得动?

有什么办法可以改变这个问题呢?答案是MU-MIMO。

引入MU-MIMO技术就可以改变Wi-Fi网络的运行方式,改善网络资源利用率,显著提高网络总吞吐量和总容量,将终端上网速度大幅提升。MU-MIMO是指在无线通信系统里,一个基站同时服务于多个移动终端,基站之间充分利用天线的空域资源与多个用户同时进行通信。

WiFi 5在下行用了MU-MIMO技术,WiFi 6 则延续了WiFi 5 所带来的MU-MIMO (多用户多输入多输出系统),但WiFi 6 支持完整版的MU-MIMO 技术,支持上下行,可以一次同时支撑8 个终端设备上行/下行传输更多数据,是WiFi5 的两倍。WiFi 6让路由器利用多天线同时跟多个终端设备进行沟通,做到“一心多用”。比起过去只能单天线单设备同时通信的设计,MU-MIMO更能胜任提升网络速率,连接更多设备的需求。

OFDMA

与WiFi 5采用OFDM(正交频分复用技术)技术不同,WiFi6借用了蜂窝网络采用的OFDMA,多个终端可同时并行传输,不必排队等待、相互竞争,从而提升效率和降低时延。举个例子,原来一个时间段只能有一个载波去传输一个数据包,采用OFDMA 后就相当于在一个时间段可以有多个载波同时传输多个数据包。

虽然OFDMA和MU-MIMO都是允许多个设备同时传输的技术,但它们却截然不同。OFDMA可以在低吞吐量或小包应用(如物联网传感器)的高密度环境中提供帮助,而MU-MIMO可以帮助实现高吞吐量应用。OFDMA技术是对MU-MIMO的补充。

OFDMA和MU-MIMO作为WiFi 6的核心技术,通过分别在频率空间和物理空间上提供多路并发技术,带来了网络性能与速度的极大提升,全面优化用户体验,重新定义了WiFi的速度与激情。

Wi-Fi 6是怎样作用于我们的生活的?

带宽、网线以及Wi-Fi 6设备等都对网速产生影响,Wi-Fi 6就是大幅提升路由器和手机等终端设备连接的技术。

简单来说,路由器和手机等终端之间,进行数据的传输时需要“排队”。无论是传输图片还是浏览网页,单台设备的通信都会占用整个通道。当连接的设备一多,传输数据的效率就会降低,表现在使用上就是网速慢,不同设备需要“抢网”。

打个比方,传统的Wi-Fi 5 OFDM技术是一次只能装一种颜色的大货车,单台设备(单种颜色)就需要占用整辆车;而Wi-Fi 6的OFDMA技术则一次装多种颜色,就对应日常生活时多设备同时进行数据传输,节省时间,提升效率。

OFDMA&MU-MIMO技术演示

而MU-MIMO技术,允许同一时间多部终端共享信道,就是说由原来一辆货车变成多辆货车多线程同时运货,意味着Wi-Fi 6允许设备同时响应无线接入点,这是底层协议对于效率的革新。理论上MU-MIMO能够同时支持8个终端上行/下行,当家里的智能设备越多,WiFi 6对连接效率的提升效果就越明显。

同时WiFi 6内置TWT(Target Wake Time)唤醒技术,当终端和完成一次数据交换,会根据协定周期返回睡眠状态,从而减少电池消耗。家中的智能家居能够借此延长使用,保证寿命。

我们就拿WIFI6其中的2.4Ghz来具体分析

我们都知道 2.4GHz 频宽窄,且仅有 3 个20MHz 的互不干扰信道(1,6 和 11),在 802.11ac 标准中已经被抛弃,但是有一点不可否认的是 2.4GHz 仍然是一个可用的 Wi-Fi 频段,在很多场景下依然被广泛使用,因此,802.11ax 标准中选择继续支持 2.4GHz,目的就是要充分利用这一频段特有的优势。

优势一:覆盖范围

无线通信系统中,频率较高的信号比频率较低的信号更容易穿透障碍物,而频率越低,波长越长,绕射能力越强,穿透能力越差,信号损失衰减越小,传输距离越远。虽然 5GHz 频段可带来更高的传播速度,但信号衰减也越大,所以传输距离比 2.4GHz 要短。因此,我们在部署高密无线网络时,2.4GHz 频段除了用于兼容老旧设备,还有一个很大的作用就是边缘区域覆盖补盲。

优势二:低成本

现阶段仍有数以亿计的 2.4GHz 设备在线使用,就算如今成为潮流的 IoT 网络设备也使用的2.4GHz频段,对有些流量不大的业务场景(如电子围栏、资产管理等),终端设备非常多,使用成本更低的仅支持 2.4GHz 的终端是一个性价比非常高的选择。

WIFI6值得拥有吗?

答案是肯定的,但是需要看实际需要。

由于WiFi 6 技术刚出来,芯片还没有成熟,产量不高,所以现在市面上WiFi 6 相关路由器价格还是特别昂贵,动辄上千元。看看华为的WIFI6路由器就知道了~

如果你家庭有较多的WiFi6终端手机(华为P40系列,iPhone11、三星s10/note10、小米10等后续的新旗舰手机),较多支持WiFi 6的笔记本电脑和其他的设备,内网有NAS及影音服务;那么WiFi 6非常值得投资,如果没有的话,可以等WiFi 6路由器普及,升级路由器可以考虑WiFi 5先过度。

WIFI6与5G对比

5G是蜂窝数字移动通信技术,既可用于广域高速移动通信,又可用于室内无线上网,具有传输速率高、时延小、并发能力强等优点,但系统复杂、成本高。WiFi 6是无线接入技术,主要用于室内无线终端上网,具有传输速率高、系统简单、成本低等优点,但不适用于高速移动通信。

5G和WiFi 6具有以下特点:

(1)5G上行峰值传输速率达10Gbit/s,下行峰值传输速率达20Gbit/s。WIFI 6在80 MHz带宽下,单条空间流的峰值速率为 600Mbit/s,在带宽为160MHz、8条空间流的情况下,峰值速率达 9.6Gbit/s。

(2)5G在eMBB场景下时延小于4ms,在uRLLC场景下时延小于1ms。WIFI 6平均时延为20ms,远高于5G的时延。因此,在时延方面,5G优于WIFI 6。

(3)5G移动性强,跨区连接速度快,可实现跨区网络无缝切换。WIFI 6跨区建立连接慢。

(4)5G系统复杂、成本高,WIFI6系统简单、成本低。因此,在系统建设投入方面,WIFI 6优于5G。

最后,WIFI6对企业和家庭未来的重要性,是不言而喻的。不能说5G不重要,5G是人类通讯业发展的硬核技术,而WIFI6在将在新WIFI标准出来之前的时间内,运用在更广泛的领域。

我是六六科技人,欢迎大家参与谈论与留言,我们一起说车谈科技。

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页面更新:2024-04-29

标签:三星   载波   频段   技术   终端   速率   路由器   详解   标准   设备   网络

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