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    技術盛宴 | Wi-Fi 6真的很“6”(概述篇)——不只是更高的傳輸速率

    類別:行業新聞發布人:聯迪發布時間:2019-03-11

    2018年10月4日,Wi-Fi聯盟正式宣布將下一代Wi-Fi技術802.11ax更名為Wi-Fi 6,并將前兩代技術802.11n和802.11ac分別更名為Wi-Fi 4和Wi-Fi 5。(本文后續都將以新名字來稱呼802.11n/ac/ax)


     

    ▲表1:新Wi-Fi Logos


    Wi-Fi 6相比起Wi-Fi 4/5來說不只是速率更快了,同時也針對不同場景和相關技術做了很多升級和優化,通過這篇概述,我希望大家能更多的了解到Wi-Fi 6是如何“6”的。


    Wi-Fi速率真的就是一切嗎?


     

    ▲圖1:802.11標準的演進


    從Wi-Fi 4協議(2009年)開始,WLAN(Wireless Local Area Networks,無線局域網絡)就進入了高速時代。在VHT40(Very High Throughput,超高吞吐量)的頻寬配置下,1條空間流可以達到150Mbps、最大4條空間流可以達到600Mbps的物理連接速率,相對于早期802.11a/g的54Mbps來說有了大幅度的提升。


    2013年發布的Wi-Fi 5(Wave1)連接速率進一步提升,將頻寬由原先的VHT40提升到了VHT80(Wave1)甚至VHT160/VHT80+80(Wave2),調制方式也由Wi-Fi 4的64QAM提高到256QAM,因此相應的物理連接速率也提升到了1條空間流867Mbps,以及理論上最大8條空間流的6.9Gbps,可以說在物理連接速率層面達到了Gbps級別。

    ▲表2:Wi-Fi 4/5/6發展歷程


    從Wi-Fi的發展歷程上不難發現,過去Wi-Fi的發展主要集中在提升數據連接速率,通過使用更高階調制方式及增加可用頻寬,實現更高的峰值數據傳輸速率。但在實際設計和部署中,如果只是單純的靠提升速率是不能確保用戶體驗提升的。


    在現實環境中,不同的用戶需求不同,有的需要低延遲、低抖動,對帶寬要求不高;有的則需要高帶寬,但是對延遲和抖動不敏感。所以當設計一個無線網絡時,關注的重點不應該只是速率,而是要更關注用戶的實際需求和使用場景,做到讓Wi-Fi網絡能自動適應用戶的場景和需求,真正為每位無線用戶提供好的體驗。

     

    Wi-Fi 6不一樣

    與前幾代Wi-Fi技術相比,Wi-Fi 6不一樣。Wi-Fi 6在物理幀、調制、編碼、多用戶并發等多方面進行了技術改進和優化。Wi-Fi 6的關注點不只是單設備的峰值速率,Wi-Fi 6更關注的是應用、用戶體驗和整個無線環境的優化。


    Wi-Fi 6協議的設計目標和關注點,更貼合于現階段多Wi-Fi終端、多應用普及的場景。現階段各類終端和應用繁多,如視頻類應用、即時通訊類應用等,因此無線場景中多并發、短報文的情況越來越多,早期的Wi-Fi協議應對這種情景并無技術優勢,而Wi-Fi 6針對這些場景做了大量的改進和優化,能大幅度的提升大家的無線體驗。


    Wi-Fi 6引入的主要新技術概述

    Wi-Fi 6作為致力提升無線使用效率和用戶真實體驗的標準,定義了很多和以往協議截然不同的技術規格。例如更高的調制階數(1024-QAM)、更窄的子載波間隔、上下行OFDMA技術、上下行MU-MIMO技術(其中下行MU-MIMO在Wi-Fi 5時引入)、空間復用技術等。


    ▲表3:Wi-Fi 4/5/6技術對比表


    從表3里可以看到,Wi-Fi 6的技術改進是方方面面的,這些技術點的改進又可以歸納為幾個方面,主要是帶寬提升、高密度接入和更好的抗干擾能力;其中高密度接入和抗干擾能力的提升恰恰又是最能提升無線使用體驗的。


    帶寬提升

    1024-QAM

    1024-QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅調制),這是一種調制方式,所謂調制就是將電信號轉換為無線電波的過程,反之則稱為解調,調制方式越高階,轉換過程中數據密度就越高。


    QAM編碼是采用二維(點陣)調制方式,實際應用中QAM數值是2的N次方。比如說64-QAM,64是2的6次方,一次就可以傳輸6個bit的數據;Wi-Fi 5支持的最高調制是256-QAM,因此Wi-Fi 5一次可以攜帶8個bit的數據信息,Wi-Fi 6支持的最高調制是1024-QAM,Wi-Fi 6一次可以攜帶10bit,通過使用1024-QAM,讓Wi-Fi 6的物理層協商速率提升了25%。


     

    ▲圖2:256-QAM與1024-QAM對比


    更窄的子載波間隔

    Wi-Fi 6對子載波間隔進行了重新設計,將子載波間隔從Wi-Fi 5的312.5kHz,變成78.125kHz,即相同信道帶寬帶(MHz)的情況下,Wi-Fi 6的子載波數量是Wi-Fi5的4倍。


     

    ▲圖3:Wi-Fi 6與Wi-Fi 5的子載波間隔對比


    通過引入更窄的子載波間隔,讓Wi-Fi 6的有效子載波數增加了4.7%,因此效率得到了4.7%的提升,即物理層的協商速率提升了4.7%。


    由于更窄子載波間隔的引入,也讓單幀容量增至原來的四倍(即256個子載波/20MHz),單幀發送時長自然也是Wi-Fi 4/5(3.2微秒)的四倍(12.8微秒),但幀間隔僅為原來的兩倍(0.8微秒),即每一幀的傳輸周期是13.6微秒。綜合起來,幀間隔時間開銷從Wi-Fi 4/5的11.11%【0.4/(3.2+0.4)=11.11%】降低到了5.88%【0.8/(12.8+0.8)=5.88%】,因此Wi-Fi 6的整體效率再提升5.88%,即物理層協商速率提升了5.88%。


    通過更高階的調制技術和更窄的子載波間隔,讓Wi-Fi 6的理論關聯速率(160MHz頻寬,8條空間流)從Wi-Fi 5的6.9Gbps提升到9.6Gbps。


    高密度接入

    MU-MIMO(多用戶多進多出)

    MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,多用戶的多進多出)就如他的名字一樣,它讓AP可以同時與多臺終端并發通信。


    Wi-Fi 6在Wi-Fi 5下行MU-MIMO的基礎上新增上行MU-MIMO,同時也把Wi-Fi 5最大支持4×4的下行MU-MIMO提升到最大支持8×8的上下行MU-MIMO,與Wi-Fi 5相比,下行鏈路容量增加了2倍,上行鏈路容量增加了8倍,從而大幅提高無線接入總容量。


    OFDMA(正交頻分多址)

    OFDMA技術是在頻域上將無線信道劃分為多個子信道(子載波),形成一個個射頻資源單元,用戶傳輸數據時,數據將承載在每個資源單元上,而不是像Wi-Fi 4/5(使用OFDM技術)時那樣占用整個信道。


    OFDMA劃分的射頻資源單元就像把貨車的載貨箱劃分了很多小格子,這樣貨車在拉貨時就可以進行靈活組合,不論是拉大貨物還是小貨物,都可以裝滿整個貨箱再出發,充分利用每臺貨車的資源。


    ▲圖4:OFDM與OFDMA技術對比舉例


    通過OFDMA技術可實現在每個時間段內多個終端同時并行傳輸,不必依次排隊等待、相互競爭,提升了效率,提高了無線接入的密度。


    抗干擾能力——Spatial Reuse(空間復用)

    Spatial Reuse(空間復用),也被稱作“BSS著色”(BSS coloring),通過此技術可以實現更多同步傳輸,即AP可以識別兩個相距不遠但并不相鄰的AP和終端設備,能夠在同一時間內實現無線并發傳輸而不會相互影響。簡而言之,即對允許接入終端在什么時候傳輸數據做出更智能的決策,從而提升傳輸效率;同時通過空間復用技術還可以更快地識別并丟棄接收到的干擾報文,從而大幅度提升在重干擾場景下的性能。


    銳捷網絡Wi-Fi 6進展分享

    從前面的技術概述可以看到,Wi-Fi 6技術的升級是全方位的,但很多技術的收益和獲取,并不能單純依賴標準制定的一些接口和相應的芯片去完全實現。要理想地利用Wi-Fi 6的技術,讓Wi-Fi 6實實在在地發揮出其預期優勢,還需要配合成熟的軟件平臺和有效的無線優化算法,只有這兩方面的配合才能發揮出Wi-Fi 6的真正性能。


    對于Wi-Fi 6的技術探索和產品化,銳捷網絡一直走在業界前列。在技術標準的草案階段就開始投入預研,并把Wi-Fi 6相關技術提前移植到上一代的Wi-Fi 4/5協議中,提出Pre-ax算法,從而有效提高了無線網絡的通信質量??煽闖鋈窠萃繚赪i-Fi技術上的研發能力和相關算法上的沉淀。


    同時,銳捷網絡也是業界首批推出Wi-Fi 6商用產品的廠商,銳捷網絡Wi-Fi 6產品已經在2018年8月量產,到現在已經把全系無線產品升級到Wi-Fi 6;從推出產品到現在半年左右的時間,Wi-Fi 6產品已經在十幾個客戶成熟規模商用,同時為配合Wi-Fi 6產品,銳捷網絡也推出全新的2.5G POE交換機RG-S2930-12GT12MG4XS-UP-H,此POE交換機滿足Wi-Fi 6 AP對更大流量的帶寬需求,讓Wi-Fi 6酣暢淋漓的“6”起來。


    寫在最后

    Wi-Fi的真正瓶頸其實不只在AP上,終端能力的匹配也是相關的。隨著Wi-Fi 6標準的定檔,各大終端芯片廠商也早早推出了相應的Wi-Fi 6終端芯片,在剛剛結束的MWC2019(世界移動通信大會)上,已有某手機廠商發布了支持Wi-Fi 6的旗艦手機,后續支持Wi-Fi 6的終端也會越來越多,終端生態的匹配也會更加完備。


    但我們在經歷了前幾代無線產品關于高速率的宣傳,不免會心存疑慮,Wi-Fi 6的這些新技術究竟是噱頭,還是實實在在帶來使用體驗的提升?


    在下一期Wi-Fi 6技術篇分享中,我將對Wi-Fi 6技術原理進行詳細介紹,讓大家看清Wi-Fi 6具體是如何實現速率提升、高密度接入以及抗干擾能力增強的。從技術原理入手,看看Wi-Fi 6到底是營銷噱頭還是真的很“6”。


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