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Wi-Fi领域并购潮让业界开始重新重视Wi-Fi6技术

2019-06-28来源: EEWORLD关键字:Wi-Fi6  Wi-Fi

从2019 MWC上海来看,风头全部被5G占了,也有人说5G最终将完全替代Wi-Fi。但实际上,今年以来Wi-Fi6市场有了很大进展。

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如图所示,实际上Wi-Fi 6的进展要比5G快很多。

Wi-Fi市场即将开始

目前,包括Broadcom,Celeno,英特尔,Marvell,高通,联发科和Quantenna都在制造预标准的Wi-Fi 6芯片组,并且几家供应商已经推出了企业级接入点草桉 - 包括Aerohive Networks,Aruba Networks和华为。

而今年以来,几家WiFi厂商在资本方面也有着强烈的整合动作。比如安森美收购了Quantenna,NXP收购了Marvell无线产品组合,英飞凌收购了赛普拉斯。

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Wi-Fi市场主要玩家


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正如英特尔所畅享的,今年是Wi-Fi6元年,未来将会有更多IoT产品支持Wi-Fi6


未来,Wi-Fi 6会有非常多的应用场景,随着数据量的急剧增加,包括路由、机顶盒、手机、电脑等传统wifi市场之外,更多的iot设备会连接到互联网上,而且Wi-Fi6不光有数据传输作用,还可以更精准的进行定位,相信未来Wi-Fi6的应用前景将会更加广阔。

今天就来了解一下Wi-Fi6技术。

关于Wi-Fi6

首先,802.11ax和Wi-Fi 6没有区别,Wi-Fi 6是IEEE标准组织在2018年修改的命名规则,将802.11ax标准更名为更直接的Wi-Fi 6。相比前几代的命名规则更直接。

Wi-Fi 1:802.11a(1999)
Wi-Fi 2:802.11b(1999)
Wi-Fi 3:802.11g(2003)
Wi-Fi 4:802.11n(2009)
Wi-Fi 5:802.11ac(2014)
Wi-Fi 6:802.11ax(2019)

此外,Wi-Fi还有其他几个标准


比如802.11ay标准是基于60GHz频段推出的 WiFi 无线网络标准,就是802.11ad标准扩展升级版,旨在继续提高802.11ad标准的网络传输速度。


目前主流使用的802.11ac是2.4GHz和5GHz频段标准,而802.11ad和802.11ay都是60GHz频段无线网,这两种方桉均是毫米波频段,因此无法穿墙,只能为AR/VR等流媒体传输使用的超高速网络。


而802.11ax也就是Wi-Fi6同样使用和802.11ac一样的频段,适合家庭日常使用。


与 802.11ac 聚焦于 5GHz 不同,802.11ax 制定时就纳入 2.4GHz 和 5GHz 的 ISM 频段,让 2.4GHz 频段 802.11n 40MHz、单空间流 150Mbps 速度往上提升;但 2.4GHz 的频谱资源并不如 5GHz 丰富,限制最多仅能使用 40MHz,此时 802.11ax 单空间流仅有 287Mbps 传输速度,最小 20MHz 则为 143Mbps(均为实体层连接速度),与 802.11n 相比则是接近 1 倍增长幅度。


虽然 2.4GHz 频谱资源不足,却拥有传输距离较长的优势;一般来说,5GHz 的传输距离约为 2.4GHz 一半多一些。如果未来 1~6GHz 的频段开放使用(依各地区和国家而定),802.11ax 也能够使用该频段。此外,旧有 802.11 无线网路标准产品也可以解读 802.11ax 的信号,以便和旧有标准相容不会相互打架(别忘了无线网路采用 CSMA/CA,传输前需探测空中介面是否有其它装置正在使用中)。

Wi-Fi6比Wi-Fi5快很多。尽管Wi-Fi5利用三频等技术突破了千兆无线的限制,但受限于干扰、屏蔽等原因实际速率很难突破,而Wi-Fi6将是第一个可靠的千兆无线网络。


Wi-Fi 6引入的新技术

为了实现更快的速率和更低的功耗,Wi-Fi6引入了多项新技术。

OFDMA - 提升每人平均速度

OFDMA全称为正交频分多址,是来取代过往制制的OFDM,即正交频分复用。简单来说可想像Wi-Fi数据传输就像列车载人,人即数据。在ac旧制式的OFDM下,要运载3个队伍的人(包括数据、音频和影像),就要分别使用3辆列车来载绿队,紫队和金队,而且也要等金队列车走了,紫队才可坐下一班列车起行传输,令中间有延迟(Latency)。另外你看金队的人数比较少,即代表列车还有许多空位,何不载多点人呢?这可比喻有3个用户要传输数据,同一时间只有一部装置传输,还要逐个轮候传输,并没有尽用频宽。


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OFDMA能在同一时间传输来自不同装置的资料。来源:Wi-Fi联盟


OFDMA的做法就是把一辆列车分成最多9行座位(20MHz频宽),令不同队伍的人都可坐在同一辆列车,那么金队,紫队和绿队都可有成员登上首班车,尽快先运送部分成员,比OFDM更早有成员抵达目的地;而且列车也坐满人,更善用资源。这就如OFDMA把频道割成多个小份(Resource Unit),让多位用户都可率先行行传输,提升每人的平均速率,又能减少传输的Overhead(准备不同列车及司机),令上载Uplink及下载Downlink的传输都更有效率,亦可降低延迟,对多人上网的环境尤为有效。

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以往一辆货车载不满,但OFDMA就可在同一辆车载不同用户的货物,更善用资源。来源:Qorvo / Qualcomm

OFDMA(正交分频多工存取)技术与先前 802.11a 导入的 OFDM(正交分频多工)背后原理相同,均是利用多个子载波相互正交,减少传输时的干扰。OFDMA 多出来的 A 为 Access,让这些子载波可以分为多组,各组服务 1 个终端装置,也就是将传输时占用的 20/40/80/80+80/160MHz,再往下拆分数个 MHz 频段同时分别服务不同的终端装置,此技术已应用于目前的 LTE 网路之中。

另外还有个一体两面的改进,802.11ax 快速傅立叶转换(FFT)数量从 802.11a/g/n/ac 的 20MHz/64 个(802.11a/g:4 个pilot、48 个资料、1 个中央 DC、前 6 后 5 保护; 802.11n/ac:4 个pilot、52 个资料、1 个中央 DC、前 4 后 3 保护),变成 4 倍 256 个(数量等同频宽翻倍,如 40MHz/512 个、80MHz/1024 个……等),也因此缩减了子载波之间的间隔距离,从 312.5kHz 变为 78.125kHz。(子载波越多、可乘载资料量越多,传输时却也越容易相互干扰)


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802.11ax 的子载波间距缩小 4 倍,因而在使用同样的频宽之下,子载波数量提升 4 倍。


快速傅立叶转换数量与子载波增加,有助于 OFDMA 多装置多工效果,每个装置最少可分配到的子载波数量为 26 个,20MHz 最多可分给 9 个终端装置同时使用。802.11ax 将可分予单一装置使用的子载波数量称之为 1 个资源单位 Resource Unit,尚有 52、106、242、484、996、1992 个子载波等组合方式,其中 MU-MIMO 最小要求 106 个子载波、1024QAM 最小要求 242 个子载波。


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802.11ax 新增 RU 资源单位概念,20MHz 最多可容量 9 个使用者,106 个子载波为能够使用 MU-MIMO 的最小单位,242 个子载波则为使用 1024QAM 的最小 RU 单位。


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各频谱频宽与可容纳 RU 类型数量对照表


2.上行链路MU-MIMO - 有利多台装置的环境

MU-MIMO是(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)的缩写,即为多用户多入多出技术。目前很多ac的路由都支持MU-MIMO,同一时间可与多台装置进行传输,例如路由器具备4个空间流(1,734Mbps @ 5GHz),就同时服务最多4台433Mbps单一Spatial Stream(SS)的装置,或者1台867Mbps装置(2SS)加2台433Mbps装置,总之用尽4个SS。相反,旧的SU-MIMO就不能同时用尽所有Spatial Streams,例如当1台433Mbps连接,占用1个SS,其余3个SS就变为闲置,不能服务其他装置,导致多人上网时,速度就变慢。

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SU-MIMO只可同时服务一台装置,而MU-MIMO就可同时服务多台装置。来源:思博伦博客

以前ac制式的MU-MIMO只用于下行Downlink传输,即是上一层网络设备(如路由器)把数据传送至下一层装置。而新的ax制式就连上行Uplink,即装置把数据上传至路由器,都支持MU-MIMO了。而且MU-MIMO也由ac的4SS,变成支持ax的8SS,更多同道意味着可接受更多的输入输出链路。

除了通道更多,每个Spatial Stream的速度也变得更快,从之前的433Mbps(80MHz)增加至600.4Mbps,如果以160MHz计算,单一SS的速度就可达1.2Gbps以上,乘以8,理论速度则接近10Gbps。

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ac和ax速度比较。来源:ni.com

3、1024 QAM——更细致的调制


802.11ax 导入1024 QAM 调制,这部分已经有部分的厂商先行在 802.11ac 晶片当中加入,譬如 Broadcom 支援 NitroQAM 的 BCM4366。802.11ax MCS 部分则是导入 10 与 11,各自分别代表 1024QAM 调制、编码速率 3/4,以及 1024QAM 调变、编码速率 5/6。相比较此前256QAM,1024QAM令Wi-Fi的载波数据点变得更密集,就像有更多个速递员派货,令传输数据的速度比256QAM快25%。

1024QAM 提升传输速度的同时,也对信号品质有更高的要求,SNR 约需提升 6dB。

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802.11ax 单空间流规格速度比较表,双空间流乘上 2 倍、3 空间流乘上 3 倍......以此类推。

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相比256QAM,1024QAM的载波数据点较为密集,可传输更多位数,令速度比256QAM快25%。来源:Qorvo

4、BSS着色 - 更善用频谱

一直以来,Wi-Fi传输都是采用CSMA / CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)机制,每次传送数据之前,会「听」一下究竟传播媒介有没有其他Wi-Fi AP也在传输资料,就好像看看马路上有没有其他车。如果有的话,为防干扰和冲突,AP就会把媒介定为忙碌状态,需要等待没有其他AP传输,媒介「寂静无人」,马路通行无阻才开始传送资料。

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简说CSMA机制。来源:rfwireless-world.com

而802.11ax加入的BSS着色“coloring”就可改善问题,即使在一个具备非常多AP的密集环境,如办公室或展览馆,有很多AP使用同一个渠道传输,使媒介很挤迫,每个AP也无需等候那么久。因为在ax制式下,ax装置每次传送资料,都会在资料的Header(如寄送包裹,箱上也有一张纸写着地址等资料,即Header)加入一个6 -Bit的BSS Color栏,来代表「颜色」。这个BSS Color会写着要传送到哪个BSS(基本服务套装,可简单想成Wi-Fi组别/ Wi-Fi SSID),假设是000001红色,当资料抵达同是红组的AP / Wi-Fi路由器时,AP就会处理这个由装置传过来的包裹。假设这个AP听到媒介有车运送包裹,而包裹写的BSS颜色是000111蓝色(OBSS ,重迭BSS,用同一通道但不同组别),即使媒介有车行驶,AP也不会把媒介定为繁忙,因为蓝色并非AP用的红色。所在这情况下,AP也照样可以传送资料,毋需等候,变相释放更多时间使用媒介(空间复用/空间复用技术)。

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ax装置传输资料时,会在Header标记BSS Color。来源:Aerohive

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假设在Channel 36,图中左上角的装置要传送资料,在ac标准下,会听到附近很多Ch.36的活动,因而暂止传输。但在BSS Coloring下,它会忽忽黄,绿,紫色的CH 36干扰,照样传给黑色CH 36。来源:Aerohive

简单的理解,BSS Coloring就类似于4G LTE网络中的PCI(物理小区标识),而智能管理就相当于LTE的ICIC( Inter-Cell Interference Coordination ,小区间干扰协调)技术,用于资源调度管理和减小干扰。

5、目标唤醒时间TWT - 令IoT装置更省电

除了提升手机及电脑的连线速度外,随着IoT装置愈观流行,例如智能家居有智能灯胆,智能电饭煲,IP Cam,各种感应器等等,802.11ax亦针对IoT装置提供改善方桉.802.11 ax就加入了Target Wake Time(TWT)机制,让AP与20MHz的低速IoT装置协商,即凭装置会在何时传送及接收资料,并在「时间表」记下这个「传输时段」。当现在不是传输时间,IoT装置便会“休眠”省电。而且AP也可排好时间表,确保IoT装置“醒来”传输时,没有其他IoT装置撞时间一起传输,有效减少冲突。

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装置与AP制定好Target Wake Time后,便可在非传输时休眠,更省电。来源:Qualcomm

6、符元、保护区间、循环式前缀拉长


为了适应户外距离拉长,增加各方传输信号延迟,造成隐藏节点空中交通打结的现象,802.11ac 将保护区间拉长为 2 倍,由 400/800ns 变更为 800/1600ns,还额外提供 4 倍 3200ns 专攻户外或是大范围密集区域,用来抵御多重路径造成符元间干扰(Inter-Symbol Interference、ISI)。


不过若是单单拉长保护区间,那麽单位时间内可供传输的符元持续时间相对比例就会下降,因此 802.11ax 的符元持续时间除了过去 3200ns,新增 6400ns、12800ns 两种。用来抵御通道间干扰(ICI、Inter-Channel Interference)的循环式前缀(Cyclic Prefix)同样提高了 4 倍,只不过太高的 Cyclic Prefix 会导致淨传输量下滑,因此在室内使用时会选择使用较低的 Cyclic Prefix。


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为抵御讯号传输时的多重路径导致符元间干扰,因而导入保护区间(Guard Interval),而又为了避免空白保护区间破坏正交性导致通道间干扰,于保护区间填入尾段资料。


7、动态分段


因应网路封包结构,都会预先将资料固定切成一样的大小往外传输(除了资料不足以填满分段长度的最后 1 段)。导入 OFDMA 之后,因为无法预期会分到几个子载波数量/RU,固定的分段长度容易造成问题,太长传输不完、太短则会造成诸如错误检查码等负担太高,淨传输资料量下降。在此导入动态分段功能,可以依照分配到的子载波数量/RU 自行调整分段长度,以求尽量刚刚好填入子载波数量/RU。


近期越来越多 802.11ac 设备于 5GHz 导入使用 DFS 频段,足以达成 80MHz + 80MHz 或是连续 160MHz,提供更高的频宽或是服务更多的设备,但 802.11ax 已经虎视眈眈,上下打量着 6GHz 频段。去年年底美国 FCC 已开放 5.925GHz~7.125GHz 频段供免许执照设备使用,频宽约有 1.2GHz。不过要运作在这个频段还有些技术问题需要考量,譬如无线装置想要连接 AP 时,1.2GHz 的扫瞄范围实在是过于广泛,花时间同时浪费电,目前提出的可行方桉在 2.4GHz 或是 5GHz 埋入信标(beacon)或是探针(probe),802.11ax 之后也会为 6GHz 修改相关规范,预计使用 5.935GHz~7.125GHz。


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转进 6GHz 频段之后,802.11ax 可以获得更多的频谱资源,但 6GHz 并非 ISM 频段,美国以外地区是否能够受惠尚属未知数。


更注重频谱效率


802.11ax 虽然走在更快速的道路上,但这条高速公路更注重弹性高效率的使用。譬如 Multi-TID AMPDU(Multi-Traffic Identifier Aggregated MAC Protocol Data Unit)让多个不同流量辨识码或是 QoS 的资料,能够合并在单一传输作业当中完成,802.11ac 与之前的无线网路标准均不支援此种作法。


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802.11ax/Wi-Fi 6 功能与优点对应表,可以发现提升传输速度仅佔很小的一环,更重要的是解决无线网路规格传输的根本问题。

关键字:Wi-Fi6  Wi-Fi

编辑:冀凯 引用地址:/wltx/ic466115.html
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