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    技术盛宴 | Wi-Fi 6真的很“6”(概述篇)——不只是更高的传输速率

    类别:行业新闻发布人:联迪发布时间:2019-03-11

    2018年10月4日,Wi-Fi联盟正式宣布将下一代Wi-Fi技术802.11ax更名为Wi-Fi 6,并将前两代技术802.11n和802.11ac分别更名为Wi-Fi 4和Wi-Fi 5。(本文后续都将以新名字来称呼802.11n/ac/ax)


     

    ▲表1:新Wi-Fi Logos


    Wi-Fi 6相比起Wi-Fi 4/5来说不只是速率更快了,同时也针对不同场景和相关技术做了很多升级和优化,通过这篇概述,我希望大家能更多的了解到Wi-Fi 6是如何“6”的。


    Wi-Fi速率真的就是一切吗?


     

    ▲图1:802.11标准的演进


    从Wi-Fi 4协议(2009年)开始,WLAN(Wireless Local Area Networks,无线局域网络)就进入了高速时代。在VHT40(Very High Throughput,超高吞吐量)的频宽配置下,1条空间流可以达到150Mbps、最大4条空间流可以达到600Mbps的物理连接速率,相对于早期802.11a/g的54Mbps来说有了大幅度的提升。


    2013年发布的Wi-Fi 5(Wave1)连接速率进一步提升,将频宽由原先的VHT40提升到了VHT80(Wave1)甚至VHT160/VHT80+80(Wave2),调制方式也由Wi-Fi 4的64QAM提高到256QAM,因此相应的物理连接速率也提升到了1条空间流867Mbps,以及理论上最大8条空间流的6.9Gbps,可以说在物理连接速率层面达到了Gbps级别。

    ▲表2:Wi-Fi 4/5/6发展历程


    从Wi-Fi的发展历程上不难发现,过去Wi-Fi的发展主要集中在提升数据连接速率,通过使用更高阶调制方式及增加可用频宽,实现更高的峰值数据传输速率。但在实际设计和部署中,如果只是单纯的靠提升速率是不能确保用户体验提升的。


    在现实环境中,不同的用户需求不同,有的需要低延迟、低抖动,对带宽要求不高;有的则需要高带宽,但是对延迟和抖动不敏感。所以当设计一个无线网络时,关注的重点不应该只是速率,而是要更关注用户的实际需求和使用场景,做到让Wi-Fi网络能自动适应用户的场景和需求,真正为每位无线用户提供好的体验。

     

    Wi-Fi 6不一样

    与前几代Wi-Fi技术相比,Wi-Fi 6不一样。Wi-Fi 6在物理帧、调制、编码、多用户并发等多方面进行了技术改进和优化。Wi-Fi 6的关注点不只是单设备的峰值速率,Wi-Fi 6更关注的是应用、用户体验和整个无线环境的优化。


    Wi-Fi 6协议的设计目标和关注点,更贴合于现阶段多Wi-Fi终端、多应用普及的场景。现阶段各类终端和应用繁多,如视频类应用、即时通讯类应用等,因此无线场景中多并发、短报文的情况越来越多,早期的Wi-Fi协议应对这种情景并无技术优势,而Wi-Fi 6针对这些场景做了大量的改进和优化,能大幅度的提升大家的无线体验。


    Wi-Fi 6引入的主要新技术概述

    Wi-Fi 6作为致力提升无线使用效率和用户真实体验的标准,定义了很多和以往协议截然不同的技术规格。例如更高的调制阶数(1024-QAM)、更窄的子载波间隔、上下行OFDMA技术、上下行MU-MIMO技术(其中下行MU-MIMO在Wi-Fi 5时引入)、空间复用技术等。


    ▲表3:Wi-Fi 4/5/6技术对比表


    从表3里可以看到,Wi-Fi 6的技术改进是方方面面的,这些技术点的改进又可以归纳为几个方面,主要是带宽提升、高密度接入和更好的抗干扰能力;其中高密度接入和抗干扰能力的提升恰恰又是最能提升无线使用体验的。


    带宽提升

    1024-QAM

    1024-QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制),这是一种调制方式,所谓调制就是将电信号转换为无线电波的过程,反之则称为解调,调制方式越高阶,转换过程中数据密度就越高。


    QAM编码是采用二维(点阵)调制方式,实际应用中QAM数值是2的N次方。比如说64-QAM,64是2的6次方,一次就可以传输6个bit的数据;Wi-Fi 5支持的最高调制是256-QAM,因此Wi-Fi 5一次可以携带8个bit的数据信息,Wi-Fi 6支持的最高调制是1024-QAM,Wi-Fi 6一次可以携带10bit,通过使用1024-QAM,让Wi-Fi 6的物理层协商速率提升了25%。


     

    ▲图2:256-QAM与1024-QAM对比


    更窄的子载波间隔

    Wi-Fi 6对子载波间隔进行了重新设计,将子载波间隔从Wi-Fi 5的312.5kHz,变成78.125kHz,即相同信道带宽带(MHz)的情况下,Wi-Fi 6的子载波数量是Wi-Fi5的4倍。


     

    ▲图3:Wi-Fi 6与Wi-Fi 5的子载波间隔对比


    通过引入更窄的子载波间隔,让Wi-Fi 6的有效子载波数增加了4.7%,因此效率得到了4.7%的提升,即物理层的协商速率提升了4.7%。


    由于更窄子载波间隔的引入,也让单帧容量增至原来的四倍(即256个子载波/20MHz),单帧发送时长自然也是Wi-Fi 4/5(3.2微秒)的四倍(12.8微秒),但帧间隔仅为原来的两倍(0.8微秒),即每一帧的传输周期是13.6微秒。综合起来,帧间隔时间开销从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的整体效率再提升5.88%,即物理层协商速率提升了5.88%。


    通过更高阶的调制技术和更窄的子载波间隔,让Wi-Fi 6的理论关联速率(160MHz频宽,8条空间流)从Wi-Fi 5的6.9Gbps提升到9.6Gbps。


    高密度接入

    MU-MIMO(多用户多进多出)

    MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,多用户的多进多出)就如他的名字一样,它让AP可以同时与多台终端并发通信。


    Wi-Fi 6在Wi-Fi 5下行MU-MIMO的基础上新增上行MU-MIMO,同时也把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,与Wi-Fi 5相比,下行链路容量增加了2倍,上行链路容量增加了8倍,从而大幅提高无线接入总容量。


    OFDMA(正交频分多址)

    OFDMA技术是在频域上将无线信道划分为多个子信道(子载波),形成一个个射频资源单元,用户传输数据时,数据将承载在每个资源单元上,而不是像Wi-Fi 4/5(使用OFDM技术)时那样占用整个信道。


    OFDMA划分的射频资源单元就像把货车的载货箱划分了很多小格子,这样货车在拉货时就可以进行灵活组合,不论是拉大货物还是小货物,都可以装满整个货箱再出发,充分利用每台货车的资源。


    ▲图4:OFDM与OFDMA技术对比举例


    通过OFDMA技术可实现在每个时间段内多个终端同时并行传输,不必依次排队等待、相互竞争,提升了效率,提高了无线接入的密度。


    抗干扰能力——Spatial Reuse(空间复用)

    Spatial Reuse(空间复用),也被称作“BSS着色”(BSS coloring),通过此技术可以实现更多同步传输,即AP可以识别两个相距不远但并不相邻的AP和终端设备,能够在同一时间内实现无线并发传输而不会相互影响。简而言之,即对允许接入终端在什么时候传输数据做出更智能的决策,从而提升传输效率;同时通过空间复用技术还可以更快地识别并丢弃接收到的干扰报文,从而大幅度提升在重干扰场景下的性能。


    锐捷网络Wi-Fi 6进展分享

    从前面的技术概述可以看到,Wi-Fi 6技术的升级是全方位的,但很多技术的收益和获取,并不能单纯依赖标准制定的一些接口和相应的芯片去完全实现。要理想地利用Wi-Fi 6的技术,让Wi-Fi 6实实在在地发挥出其预期优势,还需要配合成熟的软件平台和有效的无线优化算法,只有这两方面的配合才能发挥出Wi-Fi 6的真正性能。


    对于Wi-Fi 6的技术探索和产品化,锐捷网络一直走在业界前列。在技术标准的草案阶段就开始投入预研,并把Wi-Fi 6相关技术提前移植到上一代的Wi-Fi 4/5协议中,提出Pre-ax算法,从而有效提高了无线网络的通信质量。可看出锐捷网络在Wi-Fi技术上的研发能力和相关算法上的沉淀。


    同时,锐捷网络也是业界首批推出Wi-Fi 6商用产品的厂商,锐捷网络Wi-Fi 6产品已经在2018年8月量产,到现在已经把全系无线产品升级到Wi-Fi 6;从推出产品到现在半年左右的时间,Wi-Fi 6产品已经在十几个客户成熟规模商用,同时为配合Wi-Fi 6产品,锐捷网络也推出全新的2.5G POE交换机RG-S2930-12GT12MG4XS-UP-H,此POE交换机满足Wi-Fi 6 AP对更大流量的带宽需求,让Wi-Fi 6酣畅淋漓的“6”起来。


    写在最后

    Wi-Fi的真正瓶颈其实不只在AP上,终端能力的匹配也是相关的。随着Wi-Fi 6标准的定档,各大终端芯片厂商也早早推出了相应的Wi-Fi 6终端芯片,在刚刚结束的MWC2019(世界移动通信大会)上,已有某手机厂商发布了支持Wi-Fi 6的旗舰手机,后续支持Wi-Fi 6的终端也会越来越多,终端生态的匹配也会更加完备。


    但我们在经历了前几代无线产品关于高速率的宣传,不免会心存疑虑,Wi-Fi 6的这些新技术究竟是噱头,还是实实在在带来使用体验的提升?


    在下一期Wi-Fi 6技术篇分享中,我将对Wi-Fi 6技术原理进行详细介绍,让大家看清Wi-Fi 6具体是如何实现速率提升、高密度接入以及抗干扰能力增强的。从技术原理入手,看看Wi-Fi 6到底是营销噱头还是真的很“6”。