小虾米聊技术之Wi-Fi 6 是什么

随着国产手机小米10的发布,国内第一款支持WI-FI 6的手机诞生了;WI-FI 6 能给我们带来什么样的体验,WI-FI 6 又是什么黑科技呢,让我们今天聊聊WI-FI 6……

WI-FI是什么

WiFi相信我们不会感觉陌生,出门无论是哪里,用手机一搜就能找到很多WiFi热点,只是这些都要密码无法连接罢了,虽然如此,还是向大家解析一下WiFi是什么

Wi-Fi是Wi-Fi联盟制造商的商标做为产品的品牌认证,是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术,也常有人把Wi-Fi当做IEEE 802.11标准的同义术语。“Wi-Fi”常被写成“WiFi”或“Wifi”,但是它们并没有被Wi-Fi联盟认可。

无线网络在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”,实质上是一种商业认证,同时也是一种无线联网技术,以前通过网线连接电脑,而Wi-Fi则是通过无线电波来连网;常见的就是一个无线路由器,那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网,如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路,则又被称为热点。

什么是WiFi 6

WiFi 6是802.11AX。2018年10月4日,WiFi联盟宣布将下一代WiFi技术802.11AX更名为WiFi 6;Wi-Fi 6标准在2019年中正式发布,是IEEE 802.11无线局域网标准的最新版本。

802.11AX,也称为高效无线网络(High-Efficiency Wireless-HEW)。通过一些列系统特性和多种机制增加系统容量,通过更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi网络的工作方式,使用户获得更良好的体验;尤其在密集用户环境中,为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量,其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4倍。也就是说基于802.11AX的Wi-Fi网络意味着前所未有的高容量和高效率。

Wifi6 速度更快

相比于上一代 802.11ac 的 WiFi 5 ,WiFi 6最大传输速率由前者的 3.5Gbps,提升到了 9.6Gbps,理论速度提升了近3倍。当然,这个速率仅是理论最大值,取决于空间数据流数量及无线信号的信道占用数量,在复杂的日常生活环境下或许难以实现,但速率无疑提升十分明显。

多用户传输技术

WiFi 6延续了WiFi 5的MU-MIMO,而且支持的数据链路从4条升级到了8条,也就是可以支持8x8 MU-MIMO,这也是WiFi 6的无线带宽相比WiFi 5会有明显增长的重要原因。

WiFi 5的MU-MIMO仅支持下行MU-MIMO,也就是上层网络设备在向下层设备分发数据时可以用到MU-MIMO,但反过来就不行;而WiFi 6则支持上行MU-MIMO与下行MU-MIMO,也就是说上下两层网络设备相互之间传送数据时都可以用上MU-MIMO,理论上进一步提高无线带宽的利用率。

调制编码方式

WiFi 6引入了更高阶的调制方式,从802.11ac的256-QAM提升到了1024-QAM,物理层协商速率提升25%,这就意味着后者拥有更高的数据传输速度。

QAM是Quadrature Amplitude Modulation的缩写,中文译名为“正交振幅调制”,其幅度和相位同时变化,属于非恒包络二维调制。QAM是正交载波调制技术与多电平振幅键控的结合 。

QAM编码是用星座图(点阵图)来做数据的调制解调,实际应用中是2的N次方的关系。

比如16-QAM,16是2的4次方,一次就可以传输4个bit的数据;

以此类推802.11N的64QAM就是2的6次方,因此一个点可以携带6个bit的数据信息;

802.11AC 就是256QAM,是2的8次方,因此一个点可以携带8个bit的数据信息;

802.11AX 最高1024QAM 是2的10次方,因此一个符号可以携带10个bit的数据信息。

由8bit提升到10bit 效率提升了25%

正交频分多址

OFDMA也就是正交频分多址技术,它是OFDM的技术演进,是一种利用OFDM对信道进行父载波化后,在部分子载波上加载传输数据的技术,在我们目前所用的4G网络上,就应用了OFDMA技术。

802.11ax借鉴了正交频分多址(OFDMA)这一成熟的4G LTE技术,将相同的信道带宽中复用给多个用户。802.11a/g/n/ac技术使用的是正交频分复用(OFDM)调制方式,其原理是将信道切分为多个子载波,但是主要是为了防止干扰,单一信道内的子载波必须同时使用。802.11ax标准则更进一步,将现有的802.11信道(20、40、80和160MHz宽度)划分成具有预定数量子载波的较小子信道,并将特定的子载波集进一步分配给个别STA。 802.11ax标准也引入了LTE专有名词,将最小的子信道称为“资源单位”(Resource Unit ,RU),每个RU当中至少包含26个子载波(相当于2MHz带宽)

OFDM——即正交频分复用技术,它是多载波调制的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力,能够支持多用户接入。

OFDMA——即正交频分多址,它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。

SR空间复用技术

为了提升密集部署环境中系统级性能和频谱资源的有效利用,802.11ax提出了一种信道空间复用技术(spatial reuse technique)。通过该技术,STA可以识别来自OBSS(overlapping Basic Service Sets, OBSS)的信号,并且根据相关信息来进行空口冲突判断与干扰管理。

基于颜色的快速BSS识别

当STA侦听802.11ax的信号时,可以通过检测前导码中的表示BSS的颜色位(BSS color bit)或者MAC地址,如果BSS的颜色与自己关联的AP发出的相同,那么STA可以认为该数据帧与自己在同一个BSS。如果不相同,那么STA可以认为该数据帧是来自OBSS的,这时就需要进行相应的退避策略。

WiFi 6引入了BSS Coloring着色机制。简单来说就是给每一个设备进行独立标注,然后在数据中也加入相应的标签,这样即便同一个信道中有不同的设备存在,传输数据时也会有相应的地址,直接发送到位而不会错误地发送到其它设备中。再结合OFDMA共用信道的特色,这样网络的各个信道都可以一直维持最高效率运行,进一步提升网络效率。

动态功率控制

由于802.11ax引入了OFDMA与MU-MIMO传输技术,实现了多个用户的同时传输,因此,需要对多用户实行相应的功率控制,以保证近距离的用户信号不会把远距离的用户淹没。

如果AP端接收到的不同用户之间信号功率差距过大,则会引入载波间干扰,接收性能下降以及帧时间定位不准确等。在802.11ax中,AP可以命令STA进行发送功率的调整,以保证AP处接收到的RSSI能够达到一个预定值。

STA首先利用接收RSSI估计一个路径损耗估计值,然后再加上AP的目标RSSI,并以该值做为发送功率来进行信号的发送,这样就能实现近距离用户使用较低的发射功率,远距离用户使用较高发射功率,在AP处的RSSI就能够处于一个合理的范围,以达到性能的最大化

TWT节能管理

目标唤醒时间TWT(Target Wakeup Time)是802.11ax支持的另一个重要的资源调度功能,它借鉴于802.11ah标准。

它允许设备协商他们什么时候和多久会唤醒发送或接收数据,允许设备于信标传输周期的其他时间段唤醒。

802.11ax 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。

TWT还增加了设备睡眠时间,从而大大提高了电池寿命。

WiFi 6的优势能在哪些场景下凸显出来?

一是城市里面密集度非常高的使用环境,11ax对办公、公寓、密集型住宅甚至室外的应用都有很大的提高;

二是企业级的应用,这也是现在非常看好的最早采纳11ax技术的应用场景之一。

因为企业级应用基本把所有的关键业务都搬到了Wi-Fi网络,有线网络连接已经很少见了。无论是终端的设备接到云端,还是应用于教育领域的电子课室都是在Wi-Fi网络上实现的。11ax使这些服务比以前的可靠度更高,支持的客户端数量也更大。比如说电子教室,以前如果是100多位学生的大课授课形式,传输视频或是上下行的交互挑战都比较大,11ax会使应用场景的可靠度和使用效果有很好的提升。

802.11ax相比于802.11ac,稳定性如何?

这里的稳定性主要指远距离的用户体验怎么样。

作为11ax来讲,因为还是在2.4GHz和5GHz上,所以信号传输的基本特性是不变的。刚才为什么说11ax能扩展覆盖范围呢?比如说11ax有更长的OFDMA符号,就对远距离传输有了进一步改善,通过这样的途径使覆盖范围扩大了。从这个方面的用户体验来说,中、远端的用户应该是能感受到连接更稳定了。比如我想在房间的另一端来看一个视频,11ac演进到11ax以后,这个视频接收的效果应该是更好、更稳定了。

关于上行链路资源调度,比如说OFDMA下/上行都可以做,这样使得多个客户端可以进行协调,而不是说大家都去抢某个网络里的某个时间段。理解成——以前完全是分时运行,现在相当于是在分时的基础上,在每个时段里可以有多个客户同时利用这个频段,把这个频段分得更细了。这样的话,只要传输效率能更高,客户端等待的时间也就更少了,整个网络的冲撞也更少,这样就达到了您提到的很重要的一点就是节能,功耗就会变少。以前11ac终端在Wi-Fi网络中,经常有可能需要重传,要不断地等待自己发射的机会,这个等待时间长,能量就浪费了。如果一个手机终端支持11ax,有了OFDMA和上行MU-MIMO,大家多个终端之间互相协调,我们就知道应该在哪个时间点传输,避免了重发与等待,功耗表现的确会更好。