揭秘當代Wi-Fi技術
發布時間：2024-06-26 17:47:58 瀏覽數：2910 文章出自：創凌智聯
Wi-Fi技術及其標準的演進歷程，從早期的802.11標準到如今的Wi-Fi 6、Wi-Fi 6E甚至Wi-Fi 7標準，Wi-Fi技術的持續發展不僅改善了速度和覆蓋范圍，還引入了許多新的技術。下面將進一步介紹最近兩代Wi-Fi協議的核心技術細節，以了解它們如何實現更高的速度、更穩定的連接、更高的容量和更好的性能。
Wi-Fi 6核心技術
Wi-Fi 6設計之初就是為了適用于高密度無線接入和高容量無線業務，比如室外大型公共場所、高密場館、室內高密無線辦公、電子教室等場景以及未來4K/8K/VR等大帶寬視頻的承載。所以Wi-Fi 6繼承了Wi-Fi 5的所有先進MIMO特性，并新增了許多針對高密部署場景的新特性。相比上一代Wi-Fi 5，Wi-Fi 6擁有“兩高兩低”四大優勢：
· （1）高帶寬：同時支持2.4G和5G頻段，而不是像Wi-Fi 5路由器的2.4G頻段實際為Wi-Fi 4。另外采用1024-QAM高階調制、最大支持160MHz頻寬，速度快近3倍。
· （2）高并發：智能分頻，多臺設備并發連接，4倍容量提升。
· （3）低時延：支持多設備并發，大幅減少排隊等待，時延降低2/3。
· （4）低功耗：引入目標喚醒時間（TWT）技術，終端設備按需喚醒功耗降低30%。
下面來介紹一下其使用的幾個關鍵技術。
OFDMA頻分復用技術
Wi-Fi 6之前，數據傳輸采用的是OFDM模式，用戶是通過不同時間片段區分出來的。每一個時間片段，一個用戶完整占據所有的子載波，并且發送一個完整的數據包（如下圖(a)）。Wi-Fi 6則引入了更高效的數據傳輸模式OFDMA，它通過將子載波分配給不同用戶并在OFDM系統中添加多址的方法來實現多用戶復用信道資源。Wi-Fi 6標準仿效LTE（Long-Term Evolution），將最小的子信道稱為“資源單位(Resource Unit，RU)”，每個RU當中至少包含26個子載波，用戶是根據時頻資源塊RU區分出來的。故從總的時頻資源上來看，每一個時間片上，有可能有多個用戶同時發送（如下圖(b)）。
圖2-1 OFDM和OFDMA時頻示意圖
OFDMA相比OFDM實現了更細的信道資源分配。這可以更好的貼合室內Wi-Fi數據傳輸的場景，一些小包報文在傳輸時無需等待當前時刻用戶發送完數據，即可立即加入到當前信道來進行傳輸，這顯然可以提高報文的傳輸效率。RU數量越多，發送小包報文時多用戶處理效率越高，吞吐量也越高，下圖展示了OFDMA在多用戶場景下的仿真收益5：
圖2-2 OFDM與OFDMA吞吐量對比圖
DL/UL MU-MIMO技術
常規的MIMO可以稱為SU-MIMO（Single-User MIMO），其雖然可以通過多鏈路同時傳輸的方式，提升路由器與客戶端設備之間的通訊速率，但在同一時間和同一個頻段內，路由器只能夠與一個客戶端設備通信。那么即使客戶端設備無需完全占用所有的空間流，那路由器也無法將多余的空間流資源分配給其他用戶（如下圖(a)）。而MU-MIMO（Multi-User MIMO）則通過給不同用戶分配不同的地址，允許路由器同時與多個設備通信，而不是依次進行通信，提升了整個系統容量。
圖2-3 SU-MIMO和MU-MIMO示意圖
注意到上圖所示的都是下行鏈路（down-link），即DL MU-MIMO。實際上，DL MU-MIMO在Wi-Fi 5就已經引入，但只支持DL 4x4 MU-MIMO，而Wi-Fi 6不僅進一步增加了空間流數量，可支持DL 8x8 MU-MIMO（最多與8個用戶同時傳輸），還新增了上行(up-link，UL)的UL 8x8 MU-MIMO（最多支持8個用戶同時上行傳輸數據），提升多用戶并發場景效率，大大降低了應用時延。如下圖給出了下行/上行多用戶模式調度順序圖，不同的顏色塊表示不同的空間流。
圖2-4 下行/上行多用戶模式調度順序
需要注意的是，不要將MU-MIMO和OFDMA混淆。OFDMA支持多用戶通過細分信道（子信道）來提高并發效率，而MU-MIMO支持多用戶通過使用不同的空間流來提高吞吐量。下表是OFDMA與MU-MIMO的對比：
表1-3 OFDMA 與 MU-MIMO 對比
1024QAM
Wi-Fi 5采用的256-QAM正交幅度調制，每個符號可以傳輸8bit數據，而Wi-Fi 6則提升到1024-QAM，每個符號可傳輸10bit數據，于是單條空間流數據吞吐量可以提高25%。
圖2-5 256-QAM與1024-QAM 的星座圖對比
空分復用技術（SR） & BSS Coloring 著色機制
這項技術主要是針對多個無線接入點（Access Point）之間的同頻干擾問題。一直以來，Wi-Fi采用CSMA/CA（載波偵聽多路訪問／沖突避免）機制，即每次在傳送數據之前，會監聽無線信道上有無其他AP也在傳送數據，如果有，先避讓，等下個時間段再傳送。這意味著多個AP工作于同一信道時，由于采用輪流單獨通信的方式，會大幅降低網絡容量。
而Wi-Fi 6中則引入了一種新的同頻傳輸識別機制——BSS Coloring（Basic Service Set coloring）機制。為每個AP“著色”，即在PHY報文頭增加6bit的標識符區分不同AP，這樣一來，當路由器或設備在發送數據前偵聽到信道已被占用時，會首先檢查該“占用”的BSS Coloring，確定是否是同一AP的網絡。如果顏色相同，則認為是同一BSS內的干擾信號，發送將推遲；如果不是，則不用避讓，從而允許多個AP在同一信道上運行，從而有效緩解多路由場景下同信道干擾退避的問題，提升頻譜資源利用率。5
圖2-6 無BSS Color機制與有BSS Color機制對比
擴展覆蓋范圍(ER)
Wi-Fi 6標準采用的是Long OFDM symbol發送機制，每次數據發送持續時間從原來的3.2us提升到12.8us，更長的發送時間可降低終端丟包率；另外Wi-Fi 6最小可僅使用2MHz頻寬進行窄帶傳輸，有效降低頻段噪聲干擾，提升了終端接受靈敏度，增加了覆蓋距離。如下圖5 （802.11ac為Wi-Fi 5，802.11ax為Wi-Fi 6）。
圖2-7 Long OFDM symbol與窄帶傳輸帶來覆蓋距離提升
目標喚醒時間(TWT)
最后就是Wi-Fi 6針對功耗做出的優化。Wi-Fi 6采用一種叫TWT（Target Wakeup Time，目標喚醒時間）的功能，允許終端設備在不進行數據傳輸時進入休眠狀態。此外，Wi-Fi 6的AP還可以設定TWT 編排計劃，將STA（客戶端設備）分組到不同的TWT周期，從而減少喚醒后同時競爭無線介質的設備數量。TWT還增加了設備睡眠時間，對采用電池供電的終端來說，可節省高達7倍的電池功耗4 。這對于許多物聯網應用，如智能家居、農業監測、工業自動化和智慧城市等領域意義非凡。
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