[原创] WIFI 6要来了,你了解它了吗

2019-09-19 14:00:03 来源: 半导体行业观察

来源:内容由 半导体行业观察翻译自 techspot ,谢谢。

随着即将到来的重大更新,Wi-Fi将变得更好更快。虽然很多路由器已经配备了使用规范草案的芯片,但802.11ax Wi-Fi直到2019年9月正式获得Wi-Fi 6认证时才完全定型。WIFI联盟也在近日开启了WIFI 6认证计划。这将带来一波更新设备的浪潮,它们兜售新的无线功能,将为下一代网络带来更快的速度和更少的拥塞。但你真的了解WIFI 6吗?


我们平常所说的Wi-Fi 6,也就是802.11ax,同时也也被称为“高效无线”。这是由Wi-Fi联盟设定的新命名标准,前几代现在被称为Wi-Fi 5(802.11ac)和Wi-Fi 4(802.11n)。该标签惯例将出现在下面的设备上。


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,更新后的规范将为拥挤环境中的每个用户提供四倍的吞吐量,以及更高的能效,这将提高设备的电池寿命。



为了实现这些改进,802.11ax实现了多种变化,包括从蜂窝行业借鉴的几种多用户技术,即MU-MIMO和OFDMA,这些技术通过支持更多的同时连接和更彻底地使用频谱,极大地提高了容量和性能。


升级硬件的家庭用户可以期待从这些技术中得到一些改进,特别是随着时间的推移,每家设备数量的增加。一些估计表明,到2022年,每家将有多达50个节点。


然而,如前所述,Wi-Fi 6预计将在网络高度拥挤的地区产生更直接的影响,并最终有助于为即将到来的智能基础设施(如物联网设备)的节点数量打下基础。随着物联网的推出,设备和网络部署的数量不断增加,覆盖范围不断重叠,Wi-Fi 6也将配备起来,以满足对更快的多用户数据速率的日益增长的需求。



总体而言,Wi-Fi 6基于802.11ac构建,具有50多种更新功能,但并非所有功能都必须包含在最终规范中。


Wi-Fi 6想要实现的一些目标


  • 为超高清和虚拟现实流媒体提供更高的每用户总带宽


  • 支持更多的数据流同时增加吞吐量


  • 更多的总频谱(2.4GHz和5GHz,最终频段为1GHz和6GHz)


  • 所述频谱分成更多信道以实现更多的通信路由

  • 数据包包含更多的数据,网络可以同时处理不同的数据流


  • 在访问点的最大范围内改进性能(最多4倍)


  • 在室外和多路径(杂乱)环境中提供更好的性能/稳健性


  • 能够从接收较差的蜂窝网络offload 无线业务



2013年发布的802.11ac(现在也被称为Wi-Fi 5)在2013年实现了标准化,虽然该规范在很大程度上适用于今天的普通家庭使用,但它只使用5GHz频段,缺乏支持同时连接越来越多设备的多用户技术水平。


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)上的扩展:


更宽的信道(80MHz或160MHz,而5GHz频段的最大值为40MHz)


8个空间流而不是4个(空间流图示)


256-QAM与64-QAM调制(每个QAM symbol传输更多的比特)


802.11ac Wave 2上的多用户MIMO (MU-MIMO),可以同时实现四个下行连接,而不是单用户MIMO上只有一个(上行仍然是1x1)


当Wi-Fi 6全面启动时,该规范将向后兼容先前的标准,包括2.4GHz和5GHz,并最终将该频谱扩展到包括1GHz和6GHz的频段。


可能比包括这个附加频谱更值得注意的是将使用这个带宽的技术。随着可用频谱的增加,Wi-Fi 6可以将带宽分成更窄(更多)的子信道,为客户端和接入点提供更多的通信途径,同时支持任何给定网络上的其他设备。


尽管Wi-Fi 5可以通过MU- MIMO同时为下游的四个用户提供服务(这比Wi-Fi 4上的单用户MIMO有很大的改进),但今天的AC无线(Wi-Fi 5)仍然只能在上游一次处理一个用户。从理论上讲,802.11ax将在上行和下行两个方向上增加到8个用户,并有可能同时向一个客户端提供4个流。


然而,我们已经了解到,在第一轮802.11ax认证的硬件上可能不支持上行MU-MIMO,目前几乎没有任何设备能够从4个空间流中获益,更不用说支持Wi-Fi 6的8个了,因为大多数现有的MU-MIMO配备的智能手机和笔记本电脑只有2x2:2或3x3:3的MIMO无线电。


(说明一下,此数字格式(AxB:C)用于演示MIMO无线电支持的最大发射天线数量(A)、最大接收天线数量(B)和最大空间数据流数量(C)。虽然Wi-Fi设备必须支持MU-MIMO才能直接受益于该技术,但没有MU-MIMO芯片的硬件应该间接受益于启用了MU-MIMO的接入点的额外air time。)


Wi-Fi 6还引入了对上行和下行链路“正交频分多址”(OFDMA)技术的支持,OFDMA是一种调制方案,等同于多用户版本的OFDM(802.11ac / n规范),它将通过允许多达30个用户同时共享一个信道来减少延迟、提高容量和提高效率。


为了帮助您直观地看到这些技术,我们来举一个简单的类比:


MU- MIMO和OFDMA的结合可以等同于拥有多个职员和多条线路,而不是一个职员单独为一行客户提供服务,每个职员能够同时为多个客户提供服务。


此外,802.11ax可以更清楚地通知客户路由器什么时候可用,而不是让他们争用访问权,并通过1024-QAM编码提高每个有效负载中传输的数据量,而不是Wi-Fi 5上的256-QAM调制和Wi-Fi 4上的64-QAM调制。


尽管Wi-Fi 6的总体数据速率和信道宽度与Wi-Fi 5相似,但许多技术已实现到更新的规范中,这将显著提高未来Wi-Fi网络的效率和吞吐量,未来的Wi-Fi网络可能在一个通道上为数十台设备提供服务,速度可达每秒几次。


Wi-Fi 6改变的一些核心技术



MU- MIMO(多用户多输入多输出):


Wi-Fi 5 Wave 2引入了多用户MIMO,但仅支持下游的四个同时连接(上游一个),而Wi-Fi 6将能够处理上下行的八个数据流,同时支持更多用户,并提供比Wi-Fi 5理论上最大吞吐量的4倍。


与SU-MIMO APs相比,MU-MIMO接入点还可以处理更多的信号处理,从而减轻端点设备的负担,在开发出处理信号的工具之前,MU-MIMO业务被认为是安全的,因为只有预期的接收方可以读取数据。


OFDMA(正交频分多址):


不是Wi-Fi 5的一部分,它有常规的OFDM。借用4G LTE网络。允许在给定带宽内分配资源单元。与Wi-Fi 6连接,使更多的客户(多达30个)可以共享同一频道,而不是等待,同时还可以通过梳理不同的流量类型来提高效率。OFDMA被认作OFDM的多用户版本来进行比较。


1024-QAM(正交调幅):


比Wi-Fi 5上的256-QAM有所增加,尽管这一代路由器的一个实验特性是1024-QAM。这通过在每个数据包中塞入更多的数据来提高吞吐量。


1024-QAM每OFDM symbol 使用10 bits,而256 QAM使用8 bits,25%的容量提升导致使用80MHz信道的理论单流数据速率为600Mb/s(比Wi-Fi 5的理论上433Mb/s单流数据速率高39%)。



更长的OFDM Symbols :


增加OFDM Symbol从Wi-Fi 5上的3.2ms传输时间到Wi-Fi 6上的12.8ms的持续时间,并为每个符号支持更长的循环前缀。(Longer OFDM Symbols - Increases the duration that an OFDM symbol is transmitted from 3.2ms on Wi-Fi 5 to 12.8ms on Wi-Fi 6 and supports a longer cyclic prefix for each symbol.)


循环前缀(CP)将OFDM符号末尾的一部分添加到负载前端,以提供防止符号间干扰的保护间隔,并提高鲁棒性,因为如果需要,可以使用这部分。这个数字可以根据开销需求进行调整(较长的CP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)。


动态分配 (Dynamic fragmentation ):


虽然Wi-Fi 5具有静态分配(static fragmentation),它要求数据包的所有片段具有相同的大小(最后一个片段除外),但动态分配允许这些片段具有不同的大小,以便更好地利用网络资源。


如果多个接入点在同一个信道上运行,它们可以使用一个独特的“颜色”标识符传输数据,使它们可以在无线介质上同时通信,而无需等待,因为颜色使它们能够区分彼此的数据。

Beamforming(波束成形):


存在于Wi-Fi 5上,虽然该标准支持四个天线,而Wi-Fi 6将此增加到八个。波束形成通过将信号定向到特定的客户端而不是同时指向各个方向来提高数据速率和扩展范围。这有助于MU-MIMO,它不适用于快速移动的设备。波束形成在Wi-Fi 4设备上是可选的,但随着Wi-Fi 5 Wave 2上的MU-MIMO的实现,波束形成成为必要。


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休眠以及何时唤醒,这对电池的寿命有很大的影响,因为设备会知道什么时候在频道上监听。



上行资源调度程序:


类似地,Wi-Fi 6调度上行资源以最小化冲突,从而实现更好的资源管理,而不是像今天的无线网络那样,用户竞相上传数据。


基于触发器的随机访问:

通过指定上行窗口的长度和其他属性,还可以减少数据冲突/冲突,从而提高资源分配和效率。


两个NAV(网络分配矢量):


当一个无线站正在传输时,它会公布完成所需的时间,以便其他站可以设置其NAV,以避免在访问无线介质时发生冲突。Wi-Fi 6引入了两种NAV:一个用于站点所属的网络,另一个用于相邻网络。这还应通过最小化对载波传感的需求来降低能耗。


改进的户外操作:


其中一些功能将带来更好的户外性能,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。


将Wi-Fi 6扩展到6GHz


像高通这样的行业领导者已经确定,未来网络上的足够服务质量将需要比2.4GHz或5GHz更多的频谱。2.4GHz频段长期以来一直被普通电子产品所饱和使用,而5GHz频谱不足以用于更宽带宽信道(例如80MHz或160MHz),5GHz的部分频段受到限制使用。


高通已建议,监管机构应预期在5GHz频段的某个地方,为未授权技术分配约1280MHz的无授权频谱。


美国联邦通信委员会(FCC)在2017年7月呼吁公众就3.7GHz至24GHz之间的中频频谱扩展发表意见,对此,包括高通(Qualcomm)在内的30多家科技公司提交了一份提案,坚称5925-7125MHz频段(“6GHz频段”)“对于满足下一代无线宽带服务的需求至关重要”。



为了满足即将到来的Wi-Fi需求,两家公司提出对未经许可的技术开放6GHz,并分成四个具有不同技术规则和干扰保护的子频段。


鉴于Wi-Fi - 6目前正在开发中,美国和其他国家正在开放6GHz频段,IEEE 802.11ax任务组决定在下一代Wi-Fi 6上实现对该频段的支持。


将6GHz频段分配为无牌照频段对企业颇具吸引力,因为它们可以在不向FCC申请接入的情况下使用这一频段。随着所谓的第四次工业革命的展开,FCC有望推动创新和投资。


“通过向无授权无线电本地接入网络运营商开放整个频段,委员会将允许我们能够为消费者带来更快的服务,更低的延迟和更广泛的覆盖范围,并使国家能够获得与无授权技术相关无经济和公共安全利益”,这些公司在提交给FCC的提案中写道。


Wi-Fi 6或802.11ax只是许多即将推出的无线标准之一,这些标准正在开发中,以满足不同类型设备对网络的各种需求。



标准范围从802.11aj/ay(每秒可传输数十千兆比特,超过60 GHz毫米波频率)到802.11ah(为物联网传感器提供更低带宽/更好范围)等低于1GHz的规范,所有这些(或更多)都将是经许可和无授权的5G频谱的一部分。


总结: 俯瞰Wi-Fi 6


为了取代802.11n和802.11ac成为下一个WLAN标准,802.11ax或Wi-Fi 6正在开发中,以显著提高密集人口中心的网络效率和容量,并适度提高峰值数据速率,这将在更多设备上同时得到更好的支持。


或者像高通喜欢说的那样,“问题不在于Wi-Fi的速度有多快,而是Wi-Fi网络是否有足够的容量来满足对许多不同连接设备和服务日益增长的需求。”



由于Wi-Fi 6将对体育场馆或公寓楼等拥挤场所的网络性能产生直接影响,因此该标准预计将比以前的Wi-Fi迭代更快地采用,并且最终将成为家庭用户的必需品。100Mb / s到1Gb / s的宽带连接变得更加可用,并且随着物联网的推出导致“一切”在线。


从更广泛的角度考虑Wi-Fi 6,对多用户支持的提升,特别是上游同时连接的增加,将加速对用户数据的需求,这些数据将从物联网设备收集,用于机器学习、推动人工智能、整体技术的未来和不断增长的数字经济等目的。


本文在介绍中提到的,路由器已经可用基于802.11 ax规范草案,最终批准的标准和最终的认证,于2019年9月发行。此外,第一轮的官方设备可能不支持Wi-Fi 6的全部功能,而第二波硬件可能会进一步支持更高阶的MU-MIMO和6GHz频谱等功能。

**点击文末 阅读原文 可阅读英文原文。


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