​科普:什么是WiFi 6

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本文来自半导体行业观察
 
最新一代的Wi-Fi(称为Wi-Fi 6)带来了一些显著的性能改进,旨在解决老一代的限制。尽管已经通过802.11ax 认证的芯片提供了大量路由器和客户端,但Wi-Fi 6才刚刚开始推广。它将在2020年9月成为IEEE正式规范的一部分。这将迎来一波更新的设备浪潮,吹捧新的无线功能,这些功能将为下一代网络带来更快的速度和更少的拥塞。
 
在深入探讨之前,我们必须强调一下,802.11ax(也称为“高效无线”)与Wi-Fi 6是同一个东西,这一点很重要。但如果说起来,Wi-Fi 6比802.11ax更容易。
 
这是Wi-Fi联盟制定的新命名标准,以前的几代人现在被称为Wi-Fi 5(802.11ac)和Wi-Fi 4(802.11n)。预计该标签约定将出现在设备上,如下所示。
 
从技术上讲,Wi-Fi 6的单用户数据速率比802.11ac快37%,但更重要的是,更新的规范将在拥挤的网络环境中为每位用户提供四倍的吞吐量,并且具有更高的电源效率。应该可以延长设备的电池寿命。
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为了实现这些改进,802.11ax进行了各种更改,包括从蜂窝行业借用的几种多用户技术,即MU-MIMO和OFDMA,这些技术通过实现更多同时连接和频谱吞吐量的使用,而大大提高了网络的容量和性能。
 
升级其硬件的家庭用户可以期待这些技术的改进,尤其是随着时间的推移,随着每户家庭设备数量的增加——一些估计表明,到2022年,每户家庭将有多达50个节点。
 
虽然Wi-Fi 6并非旨在显着提高下载速度,但随着区域中设备数量的增加,这些新功能将真正发挥作用。它具有更细致入微的方法,有望随着时间的推移带来搬迁收益。这最终将为即将到来的智能基础架构(例如,物联网设备)上预期的节点数量奠定基础。除了解决因物联网推出而出现的大量设备和网络部署重叠覆盖的问题外,Wi-Fi 6还可以满足不断增长的对多用户数据速率的需求。
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总体而言,Wi-Fi 6建立在802.11ac之上,根据最初提出的建议,会有50多个更新,但并非所有最终功能都包含在最终规范中。
 
以下是Wi-Fi 6的主要优点:
 
为超高清和虚拟现实流提供的更高的每用户总带宽
 
支持更多同时数据流,并提高了吞吐量
 
总频谱更多(2.4GHz和5GHz,最终频带在1GHz和6GHz)
 
所述频谱分为更多的信道,以实现更多的通信路径
 
数据包包含更多数据,网络可以一次处理不同的数据流
 
在接入点的最大范围内提高了性能(多达4倍)
 
在室外和多路径(杂乱)环境中更好的性能/鲁棒性
 
能够从接收效果较差的蜂窝网络中分流无线流量
 
802.11n与802.11ac与802.11ax
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802.11ac(也就是WiFi 5)在2013年进行了标准化。虽然该规范在很大程度上适合当今的典型家庭使用,但它仅使用5GHz频谱的频段,缺乏多用户技术水平这将支持越来越多的设备同时连接。
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作为Wi-Fi 6中即将发生的变化的参考,以下是802.11ac(Wi-Fi 5)在802.11n(Wi-Fi 4)上扩展的内容:
 
较宽的频道(80MHz或160MHz,而5GHz频段中最大为40MHz)
 
八个空间流(spatial streams ),而不是四个
 
256-QAM与64-QAM调制(每个QAM符号传输更多位)
 
802.11ac Wave 2上的多用户MIMO(MU-MIMO),一次可实现四个下行链路连接,而不是单用户MIMO上仅一个(上行链路仍为1x1)
 
该规范与以前的标准一样向后兼容,合并了2.4GHz和5GHz,并最终扩展了该频谱,使其在可用时包括1GHz和6GHz频段。
 
可能比将这些附加频谱包含进来更值得注意的是将这一带宽投入使用的技术。有了更多可用频谱,Wi-Fi 6可以将带宽划分为更窄(更多)的子信道,从而为客户端和接入点创建更多的通信渠道,并支持任何给定网络上的其他设备。在较旧的802.11n中,由于重叠太多,您基本上只能同时使用3个独立的通道。由于每个人的路由器都在互相竞争,这使公寓等拥挤的地方变得一团糟。802.11ac在5GHz频带中增加了额外的空间,但是802.11ax在处理此问题方面做得更好。
 
另一个需要考虑的领域是单个网络上的多设备性能。这就是所谓的多输入多输出,它允许单个设备一次通过多个通道进行通信。基本上就像将多个无线适配器连接到同一网络一样。在接入点端的扩展称为MU-MIMO或多用户MIMO。顾名思义,它允许接入点通过MIMO一次连接到多个用户。
 
尽管MU-MIMO可以使Wi-Fi 5一次为下游的四个用户提供服务(相对于Wi-Fi 4上的单用户MIMO而言有很大的改进),但此功能不是必需的,仅在较新的802.11ac设备中才添加。在纸面上,802.11ax可以将上行和下行链路的用户数增加到8个,并有可能向单个客户端交付四个同时的流。
 
但是,上行链路MU-MIMO不太可能使用。当前几乎没有任何设备可以从四个空间流中受益,因为大多数现有的配备MU-MIMO的智能手机和笔记本电脑只有2x2:2或3x3:3 MIMO无线电,因此几乎没有Wi-Fi 6支持的八个空间流。
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此数字格式(AxB:C)用于演示MIMO无线电支持的最大发送天线(A),最大接收天线(B)和最大空间数据流(C)。虽然Wi-Fi设备必须支持MU-MIMO才能直接从该技术中受益,但是不带MU-MIMO芯片的硬件应间接受益于启用MU-MIMO的接入点上可用的额外广播时间。
 
为了帮助您可视化这些技术,MU-MIMO和OFDMA的组合可以等同于拥有许多职员和多条线路,而每个职员能够一次为多个客户提供服务,而不是一个职员单独为单个客户服务。此外,802.11ax可以在路由器可用时更清楚地通知客户端,而不是让它们争用访问权限。
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尽管Wi-Fi 6的总体数据速率和信道宽度与Wi-Fi 5相似,但根据已更新的规范实施了数十种技术,这些技术将显着提高未来Wi-Fi网络的效率和吞吐量,这可能会为数十种Wi-Fi网络服务在单个通道上以每秒几千兆的速度传输设备。我们现在将讨论其中的一些。
 
OFDMA:Wi-Fi 6还引入了对上行和下行链路“正交频分多址”(OFDMA)的支持,该调制方案等效于OFDM的多用户版本(802.11ac / n规范)。OFDMA通过一次允许多达30个用户共享一个信道来减少延迟,提高容量并提高效率。请勿将此与正交频分复用(OFDM)混淆。
 
OFDMA允许在给定的带宽中更好地分配资源单元。集成在Wi-Fi 6中,因此更多的客户端(多达30个)可以共享同一信道而不是等待,同时还可以通过组合不同的流量类型来提高效率。OFDMA被比较为OFDM的多用户版本。
 
为了简化起见,OFDM将信道分成几个子载波,从而允许多个并行数据流。但是,每个用户必须使用其完整的子载波。另一方面,OFDMA将其进一步细分为可以单独分配的资源单元。这种细粒度的分配是OFDMA性能优势的关键。
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1024-QAM:下一个重大性能改进是从256-QAM跃升至1024-QAM。当无线设备传输消息时,它必须发出模拟信号,因为无法直接传输二进制数据。该模拟信号有两个部分,分别称为振幅(信号的强度)和正交(信号从参考点偏移了多少)。通过控制正交和幅度,我们可以通过模拟信号有效地传输数字数据。
 
802.11ac中使用的256-QAM系统将幅度和正交分为16个预定义级别。这总共提供了256(16 * 16)个可能的传输值,并且每次传输最多允许8位(2 ^ 8 = 256)。自从引入802.11ac以来,发送器和接收器技术有了长足的进步,因此我们现在能够为传输分配更精确的值。802.11ax可以将传输的正交和幅度划分为16个可能的值,而不是将其划分为多达32个级别。这为我们提供了1024(32 * 32)个可能的传输值,每次传输最多10位。
 
当然,随着我们将越来越多的数据打包到相同数量的资源中,我们的灵敏度和准确性也必须提高。256-QAM信号的接收中的小错误可能不会引起问题,但是由于1024-QAM将符号打包得更近,因此同一错误可能会导致解码不正确的值。设备足够智能,可以知道如果许多传输被不正确地解码,则应将其降至较低的方案。
 
使用80MHz信道,1024-QAM可以产生600Mb / s的理论单流数据速率,这比Wi-Fi 5的理论433Mb / s单流数据速率高39%。
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更长的OFDM符号:将OFDM符号的传输时间从Wi-Fi 5上的3.2us增加到Wi-Fi 6上的12.8us,并为每个符号支持更长的循环前缀(cyclic prefix:CP)。
 
循环前缀(CP)将OFDM符号结尾的一部分添加到有效负载的前面,以提供一个防止符号间干扰的保护间隔并提高鲁棒性,因为可以在必要时使用此部分。该数字可以根据开销要求进行调整(较长的CP会重复更多的数据,并在符号中占用更多的空间,从而导致较低的数据速率)。
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动态分段(Dynamic fragmentation):Wi-Fi 5具有静态分段,这要求数据包的所有分段都具有相同的大小(最后一个分段除外),而动态分段允许这些分段具有不同的大小,以便更好地利用网络资源。
 
空间频率复用/ OBSS(BSS着色):如果多个接入点在同一信道上运行,则它们可以传输带有唯一“颜色”标识符的数据,从而使它们可以同时通过无线介质进行通信,而无需等待颜色使它们能够区分彼此的数据。
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波束成形:这存在于Wi-Fi 5上,尽管该标准支持四个天线,而Wi-Fi 6却将其增加到八个。波束成形通过将信号定向到特定的客户端而不是同时在每个方向上定向,从而提高了数据速率并扩展了范围。这有助于MU-MIMO,它不适用于快速移动的设备。可以在Wi-Fi 4设备上进行波束成形,但随着Wi-Fi 5 Wave 2上MU-MIMO的实现,波束成形成为必要。在一个新的方向。
 
TWT(目标唤醒时间):唤醒时间调度,而不是基于竞争的访问。路由器可以告诉客户端何时入睡以及何时醒来,这预计会大大延长电池寿命,因为设备会知道何时收听频道。
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上行资源调度程序:同样,Wi-Fi 6不会像在较旧的无线网络上那样用户争相上传数据,而是调度上行链路以最大程度地减少冲突,从而实现更好的资源管理。每个人都有自己的发言空间,因此没有人需要大声喊叫或与他人交谈。
 
基于触发器的随机访问:还可以通过在其他属性中指定上行链路窗口的长度来减少数据冲突/冲突,这些属性可以改善资源分配并提高效率。
 
TWO NAVs(网络分配向量):无线站正在传输时,它会通告完成所需的持续时间,以便其他站可以设置其NAV以避免访问无线介质时发生冲突。Wi-Fi 6引入了两种NAV:一种用于站点所属的网络,另一种用于邻近的网络。这还将通过最小化对载波侦听的需求来减少能耗。
 
改进的室外操作:这些功能中的一些功能将带来更好的室外性能,包括新的数据包格式,更长的保护间隔和模式,以改善冗余和错误恢复。
 
Wi-Fi 6E:将Wi-Fi 6扩展到包括6GHz
 
Wi-Fi 6E是对现有Wi-Fi 6标准的新扩展的名称,表示它能够支持全新的6 GHz频率。这将增加频谱,更高的吞吐量和更低的延迟。
 
高通等行业领导者确定,未来网络上适当的服务质量将需要的频谱超出2.4GHz或5GHz所能提供的范围。长期以来,2.4GHz频段已被诸如微波之类的常见电子设备所饱和。另一种选择是5GHz,它的频谱不足以用于更宽的带宽信道(例如80MHz或160MHz),并且5GHz的某些部分受到限制以限制其使用的限制。
 
2020年初,美国联邦通信委员会(FCC)正式批准了Wi-Fi,将其覆盖范围扩展到美国6 GHz频段的新无线电频谱。具体来说,新的Wi-Fi 6E标准将可访问1.2 GHz或1200 MHz的无线电频谱,范围从5.9 GHz到7.1 GHz(并在其之间合并所有6 GHz频率,因此也包含6 GHz参考)。
 
标准Wi-Fi面临频谱短缺的问题,因为如果全世界使用的设备数量不断增加并且6GHz的增加将有助于缓解这一问题。一旦允许,6GHz将促进Wi-Fi的持续增长,以及其他优势,例如更宽的信道大小以及更少的来自传统Wi-Fi 4(802.11n)和Wi-Fi 5设备的干扰。分析师预测批准将触发设备制造商对该频段的快速采用。
 
从新的频谱来看,即使毫米波5G的最宽连接(现有最快的5G连接)也被限制在800 MHz。换句话说,新的Wi-Fi连接可以访问的频率几乎是最快的5G连接的1.5倍。
 
从理论上讲,这意味着Wi-Fi 6E的连接速度可能比5G所能提供的最高速度明显快得多。另外,由于物理和信号传播的基本规律,Wi-Fi 6E的覆盖范围实际上可以比毫米波5G宽。
 
Wi-Fi 6E的影响力将在高度拥挤的地区真正发挥作用。路由器将具有更宽的通道,可以以更高的吞吐率容纳更多的设备。
 
Wi-Fi 6或802.11ax只是为满足不同类型设备将要满足的各种网络需求而开发的众多即将到来的无线标准之一。802.11ad / ay将通过使用毫米波频率带来数千兆位的速度。相反,802.11ah专为超低功耗而设计,可能会导致几年的电池寿命。
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总结:Wi-Fi 6的空中视野
 
作为接替802.11n和802.11ac的下一个WLAN标准,802.11ax或Wi-Fi 6将为人口密集的中心带来网络效率和容量的显着提高,峰值数据速率将得到适度的提高,在整个数据中心将得到更好的维持。一次增加设备。
 
“问题不在于Wi-Fi能走多快,而在于Wi-Fi网络是否具有足够的容量来满足对许多不同的连接设备和服务的不断增长的需求。”
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当前没有很多Wi-Fi 6客户端,因此采用尚需时日。直到更多的设备使用该标准,才能真正感受到这一代的改进。像往常一样,Wi-Fi 6向后兼容,但较旧的设备将无法利用较新的功能。
 
从更广泛的角度考虑Wi-Fi 6,随着对用户数据的需求不断增加,多用户支持的增加,尤其是同时上行连接的增加已经到来。这些数据将从物联网设备中收集,并用于机器学习,推动人工智能发展,整个技术的未来以及不断发展的数字经济等目的。
继续阅读
Wi-Fi 6 的关键技术解读

在 Wi-Fi 6 标准发布了以后,市场上关于 Wi-Fi 6 的讨论日益增加,主要的关注点聚焦在 Wi-Fi 6 的标准跟以前的 Wi-Fi 有什么不同?在应用上面又有怎样的想象空间?在这里我们为大家分享一下。

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