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中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 中国联合网络通信有限公司 中兴通讯股份有限公司 2020 年 3 月 中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 2 页 共 26 页 目录 1 引言 . 3 2 Wi-Fi 发展历程 . 4 3 Wi-Fi6 关键技术 . 5 3.1 OFDMA . 6 3.2 MU-MIMO . 7 3.3 1024QAM . 8 3.4 BSS-Coloring 技术 . 9 3.5 TWT 技术 . 10 4 Wi-Fi6 与 5G . 10 4.1 应用场景 . 10 4.2 技术指标 .11 5 Wi-Fi6 应用场景 . 12 5.1 智慧家庭应用 . 12 5.1.1 4K/8K/VR 等大带宽视频的承载 . 12 5.1.2 网络游戏等低时延业务的承载 . 13 5.1.3 智慧家庭智能互联 . 13 5.2 行业应用 . 14 6 Wi-Fi6 技术评测 . 16 6.1 多场景测试 . 17 6.1.1 近距离最佳吞吐 . 17 6.1.2 远距离吞吐 . 18 6.1.3 穿墙吞吐 . 18 6.1.4 距离 vs 吞吐性能对比 . 19 6.1.5 干扰环境下 距离 vs 吞吐性能对比 . 19 6.2 Wi-Fi6 核心技术测试 . 20 6.2.1 MU-MIMO . 20 6.2.2 OFDMA . 21 7 2020 年将是 Wi-Fi6 大规模发展的元年 . 22 7.1 技术标准逐渐成熟 . 22 7.2 Wi-Fi6 产业链发展 . 22 7.3 Wi-Fi6 占有市场指日可待 . 24 中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 3 页 共 26 页 1 引言 Wi-Fi 技术自诞生以来以其便捷有效的特性 使人们摆脱了有线连接的束缚， 迅速成为了用户上网的首选方式 。 在过去的二十年中， Wi-Fi 使数十亿人能够轻松连接到互联网， 享受在线视频、游戏、教育等丰富的媒体资源，彻底改变了人们获取信息的方式，更好的与外界沟通互联。 近些年，随着无线技术以及智能家居的快速发展， 越来越多的设备需要加入家庭无线网络，除了 智能手机和笔记本电脑 之外 ，新型设备如无线音箱 、 监控摄像头 、 恒温器 、 冰箱以及无数其他智能家电和机器都加入了家庭无线网络中。以传统 Wi-Fi 标准（ 802.11a / b / g / n / ac）运行的现有无线基础设施 不足以应对连接的增加和带宽需求的提高 ，因此，急需引入新一代 Wi-Fi 技术， Wi-Fi6 就此应运而生。 Wi-Fi6 具有更高的传输速率、更大的并发、更低的时延。这种特性使得其应用场景更加丰富， 既满足智慧家庭 4K、 VR、网络游戏、智能家居互联等业务的高效承载，也适用于行业应用中 高密办公、生产无线、智慧教学、智慧传媒以及城市和企业的数字化 等。 Wi-Fi6 技术，将为室内无线网络带来一次革新，彻底改变物联网和智能家居的实现方式，给人们 带来 前所未有的网络体验。 中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 4 页 共 26 页 2 Wi-Fi 发展历程 Wi-Fi（ Wireless Fidelity） 是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（ WLAN）的技术 ，从 1997 年第一代 Wi-Fi 技术产生，至今已有 20 多年的历史。 随着人们对网络传输速率的要求不断提升 ， Wi-Fi 技术截止目前进行了 6 代的革新发展。 1997 年 IEEE 制定出第一个无线局域网标准 802.11，数据传输速率仅有 2Mbps，但这个标准的诞生改变了用户的接入方式，使人们从线缆的束缚中解脱出来 。 1999 年 IEEE 发布了 802.11b 标准。 802.11b 运行在 2.4 GHz 频段，传输速率为 11Mbit/s，是原始标准的 5 倍 。 1999 年 ， IEEE 又补充发布了 802.11a 标准，采用了与原始标准相同的核心协议，工作频率为 5GHz，最大原始数据传输率 54Mbit/s，达到了现实网络中等吞吐量 (20Mbit/s)的要求 。 2003 年， IEEE 发布 802.11g，其载波的频率为 2.4GHz(跟 802.11b 相同 )，原始传送速度为 54Mbit/s，净传输速度约为 24.7Mbit/s(跟 802.11a 相同 )。 2009 年 ， IEEE 发布 802.11n， 同时工作在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段 ， 重大改进，引入了 MIMO、安全加密等新概念和基于 MIMO 的一些高级功能传输速度达到 600Mbit/s。 2013 年 ， IEEE 发布 802.11ac，工作频率为 5GHz， 引入了更宽的射频带宽（提升至 160MHz）和更高阶的调制技术（ 256-QAM），传输速度高达 1.73Gbps，进一步提升 Wi-Fi 网络吞吐量 。 2019 年 ， IEEE 发布 802.11ax，同时工作在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段 ， 引入上行 MU-MIMO、 OFDMA频分复用、 1024-QAM 高阶编码等技术，将用户的平均吞吐量相比如今的 Wi-Fi 5 提高至少 4 倍，并发用户数 提升 3 倍以上 。 Wi-Fi Alliance (WFA） 在 2019 年，将 “ Wi-Fi+数字”的方式呈现的方式把 802.11ax 命名为 Wi-Fi6。 并将前两代技术 802.11n 和 802.11ac 分别更名为 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 5。 同时还更新了 Wi-Fi 的图标， 当我们在使用 Wi-Fi 时，像 手机上会变化的 3G 和 4G 信号标识一样，可根据后面的数字来判断当前使用的技术标准和速率等级。 中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 5 页 共 26 页 3 Wi-Fi6 关键 技术 根据 WFA 的命名规则， IEEE 802.11ax 标准简称 Wi-Fi 6。与 Wi-Fi 5（ 802.11ac）相比， Wi-Fi 6 在很多技术指标上有着突破性的提升，具体表现在：最高 9.6Gbps 的传输速率、更高的并发能力、更低（ 10ms以内 ）的业务时延、更大的覆盖范围、更低的终端功耗。 Wi-Fi6 为什么最高速率可达 9.6Gbps？根据空间速率的计算公式，空口速率 =空间流数 *子载波数 *单子载波编码比特率 *调制方式编码率 /码元时间，可知影响 Wi-Fi 速率的四大因素：空间流、子载波数量、信号传输时间、编码方式。 表 1. 支持 802.11ax 调制和编码 M C Si n d exM o d u l a t i o nt y p eC o d i n gr a t eD a t a ra t e ( i n M b /s )20 M H Z c h a n n el s 40 M H Z c h a n n e l s 80 M H Z c h a n n el s 160 M H Z c h a n n e l s1600ns GI800ns GI1600ns GI800ns GI1600ns GI800ns GI1600ns GI800ns GI0 B P S K 1 / 2 8 8 . 6 16 17 . 2 34 36 . 0 68 721 Q P S K 1 / 2 16 17 . 2 33 34 . 4 68 72 . 1 136 1442 Q P S K 3 / 4 24 25 . 8 49 51 . 6 102 108 . 1 204 2163 16 - Q A M 1 / 2 33 34 . 4 65 68 . 8 136 144 . 1 272 2824 16 - Q A M 3 / 4 49 51 . 6 98 103 . 2 204 216 . 2 408 4325 64 - Q A M 2 / 3 65 68 . 8 130 137 . 6 272 288 . 2 544 5766 64 - Q A M 3 / 4 73 77 . 4 146 154 . 9 306 324 . 4 613 6497 64 - Q A M 5 / 6 81 86 . 0 163 172 . 1 340 360 . 3 681 7218 256 - Q A M 3 / 4 98 103 . 2 195 206 . 5 408 432 . 4 817 8659 256 - Q A M 5 / 6 108 114 . 7 217 229 . 4 453 480 . 4 907 96110 1024 - Q A M 3 / 4 122 129 . 0 244 258 . 1 510 540 . 4 1021 108111 1024 - Q A M 5 / 6 135 143 . 4 271 286 . 8 567 600 . 5 1134 1201表 2. 802.11ax 子载波数目 RU 大小 26 52 106 242C BW 2 0484C BW 40996C BW802 * 996C BW 1 6 0载波间隔 (K H z )数据子载波 24 48 102 234 468 980 1960 7 8 . 1 2 5导频子载波 2 4 4 8 16 16 32 7 8 . 1 2 5保护子载波 NA NA NA 14 28 28 56 7 8 . 1 2 5子载波总数 NA NA NA 256 512 1024 2048 7 8 . 1 2 5空间流数，即 MIMO 数，收发两端 天线数相关， Wi-Fi 6 最大空间流数目为 8； 编码比特率和调制有关，比如 Wi-Fi 6 支持 1024-QAM， 1024 = 210，即一个子载波可以携带 10bit； 子载波数和带宽以及子载波的间隔有关。 11n 和 11ac 子载波间隔为 312.5KHz， 11ax 中子载波间隔为 78.125kHz； Wi-Fi 6 支持 160MHz 频宽，子载波数目为 160M/78.125K = 2048，可以传输数据的子载波为 1960 个； 码元时间为一次频谱数据传输时间，为固定值， Wi-Fi 6 一次码元传输时间为 12.8us，短帧 间隔 GI为 0.8us，共计耗时 13.6us； 按照计算公式， Wi-Fi 6 8*8 160M MCS11 计算速率为： 8*1960*10bit*(5/6)/(13.6us) = 9.6Gbps，为最大中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 6 页 共 26 页 空口速率。 此外， Wi-Fi6 还引入了更高阶的频谱利用技术和频谱干扰优化等技术，从而可以提高网络容量、降低时延，提升用户体验感知。 3.1 OFDMA 在 802.11ac 时，数据传输采用 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术 。 用户是 通过不同时间片段区分出来的。每一个时间片段，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据包 。 随着用户数量的增多，用户之间的数据请求会发生冲突，从而造成瓶颈，导致当这些用户在请求数据（特别是在流式视频等高带宽应用中）时，服务质量较差。 图 1. OFDM 技术 OFDMA（ Orthogonal Frequency Division Multiple Access）正交频分多址，是将无线信道划分为多个子信道（子载波）形成一个个频率资源块，用户数据承载在每个资源块上，而不是占用整个信道，实现在每个时间段内多个用户 同时并行传输。 图 2. OFDMA 技术 中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 7 页 共 26 页 在 OFDMA 中，通过将把 Wi-Fi 信道划分为更小的专用子信道 -RU（ Resource Unit）资源 单位 ， 可以在多个 OFDMA 用户之间共享 802.11ax Wi-Fi 信道 。 RU 有多种类型， 802.11ax 中最小 RU 尺寸为2.031MHz，最小子载波带宽是 78.125KHz，因此最小 RU 类型为 26 子载波 RU。 802.11ax 给出了不同大小RU 所包含的子载波数量，包括有 26/ 52/ 106/ 242/ 484/ 996/ 2*996 等多种规格。 Wi-Fi 信道划分 为 OFDMA 的多个 RU 的示例 如下： 表 3. 不同带宽下的 RU 数量 RU 类型 CBW 20M CBW 40M CBW 80M CBW 160M 26 子载波 9 18 37 74 52 子载波 4 8 16 32 106 子载波 2 4 8 16 242 子载波 1 2 4 8 484 子载波 N/A 1 2 4 996 子载波 N/A N/A 1 2 2x996 子载波 N/A N/A N/A 1 根据 表 3，可知 对于每 20MHz 带宽，最 多 可容纳 9 个 RU，此时最多 同时 接入 9 个用户。 RU 越大 ，同时 接入的用户数也越大。 20M 信道一共有 256 个子载波（子载波频宽 78.125KHz），实际 26-tone RU 总共只使用了 234（ 26*9）个，相差 22 个子载波，这些子载波是用来做保护间隔，其中包括 DC 保护（ 7 个）、空子载波（ 4 个）和保护子载波（ 5+6 个）。 图 3. 20M 带宽的 RU 数量 3.2 MU-MIMO 常规的 MIMO 可以称为 SU-MIMO，即“单用户多进多出”，其虽然可以通过多链路同时传输的方式，中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 8 页 共 26 页 提升路由器与客户端设备之间的 网络通讯速率，但在同一时间和同一个频段内，路由器只能够与一个客户端设备通信。因此即便客户端设备不能完全占用路由器的无线带宽，那路由器也无法将剩余带宽分配给其它设备使用。 图 4. SU-MIMO 技术 MU-MIMO（ Multi-User Multiple-Input Multiple-Output） 多用户多入多出技术，即允许路由器同时与多个设备通信，而不是依次进行通信，提升了整个系统容量。 MU-MIMO 使用信道的空间分集来在相同带宽上发送独立的数据流 ， 所有用户都使用全部带宽，从而带来多路复用增益。 图 5. MU-MIMO 技术 MU-MIMO 技术在 802.11ac Wave2 中已经有所应用，不过只应用在下行，最多同时支持 4 个用户同时传输。在 802.11ax 中，增加了下行 MU-MIMO 的数量，可以达到 8 个，支持 8 根天线，最多同时传输 8个用户同时传输。 802.11ax 除了沿用 802.11ac 下行 MU-MIMO 技术之外，还新增了上行 MU-MIMO， 通过发射机和接收机多天线技术使用相同的信道资源在多个空间流上同时传输 多个用户的 数据 ，最多支持 8 个用户同时上行传输数据。 3.3 1024QAM 正交振幅调制 QAM（ Quadrature Amplitude Modulation）是二维点阵调制方式，调制即将数据信号“ 01”转换为无线电波。 802.11ac 采用的 256-QAM 正交幅度调制，每个符号传输 8bit 数据（ 28=256），802.11ax 将采用 1024-QAM 正交幅度调制，每个符号位传输 10bit 数据（ 210=1024），从 8 到 10 的提升是中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 9 页 共 26 页 25%，也就是相对于 802.11ac 来说， 802.11ax 的单条空间流数据吞吐量又提高了 25%。 图 6. 256-QAM 与 1024-QAM 的星座图对比 3.4 BSS-Coloring 技术 一直以来， Wi-Fi 采用 CSMA/CA（载波侦听多路访问冲突避免）机制，即每次在传送数据之前，会监听无线信道上有无其他 AP 也在传送数据，如果有，先避让，等下个时间段再传送。这意味着多个 AP工作于同一信道时，由于采用轮流单独通信的方式，会大幅降低网络容量。 802.11ax中引入了一种新的同频传输识别机制，叫 BSS Coloring着色机制， “ BSS着色”（ Basic Service Set coloring）机制。为每个 AP“着色”，即在数据报头增加 6bit 的标识符区分不同 AP，这样一来，当路由器 或设备在发送数据前侦听到信道已被占用时，会首先检查该“占用”的 BSS Coloring，确定是否是同一 AP 的网络。 如果颜色相同，则认为是同一 BSS 内的干扰信号，发送将推迟 ； 如果不是，则不用避让，从而允许多个 AP 在同一信道上运行，从而有效缓解多路由场景下同信道干扰退避的问题，提升频谱资源利用率。 图 7. BSS-Coloring 技术 中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书 第 10 页 共 26 页 3.5 TWT 技术 目标唤醒时间 TWT（ Target Wakeup Time）是 802.11ax 引入的 资源调度功能，它允许设备协商他们什么时候和多久会被唤醒，然后发送或接收数据。 允许 设备在 beacon 传输周期之外的其他周期唤醒。 此外，Wi-Fi AP 可以将客户端设备分组到不同的 TWT 周期，从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。 终端设备仅在收到 自己的“唤醒”信息之后才进入工作状态，而其余时间均处于休眠状态，从而 大大提高了电池寿命。 802.11ax AP 可以和 STA 协调目标唤醒时间 (TWT)功能的使用， AP 和 STA 会互相交换信息，当中将包含预计的活动持续时间，以定义让 STA 访问介质的特定时间或一组时间。如此一来， STA 就可控制需要访问介质的客户端之间的竞争和重叠情况。 802.11ax STA 可以使用 TWT 来降低能量损耗，在自身的TWT 来临之前进入睡眠状态。另外， AP 还可另外设定调度程序并将 TWT 值提供给 STA，这样一来，双方之间就不需要存在个别的 TWT 协议，此操作称为“ Beacon TWT 操作”。 图 8. TWT 技术 4 Wi-Fi6 与 5G 长期以来， Wi-Fi 与蜂窝网络彼此竞争且势均力敌， Wi-Fi 主要应用于室内，蜂窝主要应用室外， Wi-Fi以其流量便宜的特点，一直是蜂窝网络室内覆盖 的 补充。目前两种技术已经 分别 发展到第五代和第六代，技术已经成熟，未来， 这 两种技术在特 定场景会存在互补替代，但仍将长期共存。 4.1 应用场景 2G 时代主要承载语音业务，早期 Wi-Fi 11a/b/g 主要承载数据业务，在当时的应用场景下两者基本上是互补关系。从 3G 时代大量承载数据业务开始，到 4G 时代移动互联网应用的蓬勃发展迎来移动数据量的爆发性增长。在人流密集的高铁站、体育场馆、商场、咖啡厅等场景 4G 和 Wi-Fi 11n/ac 出现了一定程度的竞争。 随着 VoIP 技术的成熟，许多场景下 Wi-Fi 也对语音业务进行了一定程度的渗透，逐渐形成了