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信通院专家:Wi-Fi 6有5大核心技术和2大主要应用场景

发布时间:2021-06-15 11:17:21

Wi-Fi 6是在Wi-Fi 5之后无线局域网协议本身的进一步演进和扩展,其初始的命名代号为HEW(High Efficiency WLAN)。Wi-Fi 6的设计思路与传统Wi-Fi存在一定区别,过去Wi-Fi协议的发展主要集中在提供更高的峰值速率;而Wi-Fi 6从其协议名称High Efficiency就可以看出,它更关注效率,也希望更加有效地使用当前频谱资源,从而提供更高的实际网络速率。为此,Wi-Fi 6引入了OFDMA(正交频分多址)、上行MU-MIMO(多用户-多输入多输出)、TWT(Target Wake Time,目标唤醒时间)、BSS Coloring着色机制和1024QAM等新型技术。

Wi-Fi 6的五大核心技术

OFDMA频分复用技术

OFDMA是从OFDM演进过来最早应用于蜂窝通信的技术。Wi-Fi 6标准也采纳了这种技术来提高频谱的利用效率。在传统方式中,每个用户要发送的数据(无论数据包的大小)都会占用整个信道。OFDMA将信道划分为多个子载波,将最小的子信道作为资源单元(Resource Unit,RU)。Wi-Fi 6中最小RU为2MHz带宽,用户的数据就承载在每个RU上。以20MHz带宽为例,通过OFDMA技术最多可以容纳9个RU,其余空间作为保护间隔。就好比一辆公共汽车(20MHz带宽)之前只能一次承载1名乘客,现在最多可以同时运送9名乘客(9个并发用户)。

上行/下行MU-MIMO技术  

在物理空间方面,Wi-Fi 6继承了Wi-Fi 5下行MU-MIMO的特点,即在同一时刻无线路由器可以向多个支持MU-MIMO的终端发送数据,解决了之前同一时间只能向一个终端发送数据的问题。Wi-Fi 6在保持这一技术的同时加入了上行的MU-MIMO,可以同一时刻支持最多8个终端向无线路由器发送数据,从而实现了上行与下行的双向MU-MIMO。OFDMA与MU-MIMO分别在频率空间和物理空间上提供多路并发技术,带来了网络整体性能与速率的极大提升。

BSS Coloring着色机制

为解决Wi-Fi频谱资源匮乏导致的同频干扰问题,Wi-Fi 6引入了一种新的同频传输识别机制叫BSS Coloring着色机制。在PHY报文头中添加6bit的标识符对来自不同BSS的数据进行“染色”,为每个通道分配一种颜色,该颜色标识一组不应干扰的基本服务集(BSS),接收端可以及早识别同频传输干扰信号并停止接收,避免浪费收发机时间。如果颜色相同,则认为是同一BSS内的干扰信号,发送将推迟;如果颜色不同,则认为两者之间无干扰,两个Wi-Fi设备可同信道同频并行传输。初步解决了不同无线路由器工作在相同信道相互干扰的问题,提升了系统性能与频谱的利用率。

TWT目标唤醒时间

目标唤醒时间TWT是Wi-Fi 6支持的一个重要的资源调度功能,它允许设备协商什么时候和多久唤醒发送或接收数据,无线接入点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信道的设备数量。TWT 还增加了设备睡眠时间,从而大大提高了电池寿命。预计这项功能将为IoT设备节约 30%以上的电力。

1024QAM高阶调制技术

Wi-Fi 6在提升效率的同时还增加了传输速率。其最高采用1024QAM调制方式,每个符号位最多传输10bit数据。Wi-Fi 5采用的256-QAM正交幅度调制,每个符号最多传输8bit数据,从8到10的提升是25%,也就是相对于Wi-Fi 5来说,Wi-Fi 6的单条空间流数据吞吐量提高了25%。

总的来看,Wi-Fi 6在传统的Wi-Fi技术基础上借鉴了移动蜂窝通信技术中的创新技术,大幅提升了网络容量和网络性能,为用户提供了更好的体验。

全球Wi-Fi 6的频谱资源

目前全球Wi-Fi 6在6GHz以下主要使用2.4GHz和5GHz两个频段,采用免许可方式管理,与其它无线接入、蓝牙、点对点或点对多点扩频通信等系统共享使用。

在我国,根据信部无〔2002〕353号、信部无〔2002〕277号和工信部无函〔2012〕620号等文件规定,Wi-Fi可用频率有2400~2483.5MHz、5150~5350MHz(5.1GHz)和5725~5850MHz(5.8GHz),总量408.5MHz,最大连续带宽200MHz。相比之下,美国Wi-Fi频段主要有2400~2473MHz、5150~5350MHz和5470~5825MHz频段,总量628MHz,最大连续带宽355MHz;欧盟Wi-Fi频段主要有2400~2483.5MHz、5150~5350MHz和5470~5875MHz频段,总量688.5MHz,最大连续带宽405MHz。我国与欧美Wi-Fi在频谱总量和最大连续带宽的差异主要体现在5470~5725MHz频段的255MHz频谱。

2020年4月23日美国发布法规,将全部6GHz频段(5925~7125MHz,共计1.2GHz带宽)用于免许可技术,鉴于此策略。Wi-Fi联盟方面,为了区分工作在6GHz频段的Wi-Fi设备,2020年1月提出了Wi-Fi 6E品牌。Wi-Fi 6E在6GHz频段能够支持7个不重叠的160MHz带宽的信道。Wi-Fi联盟已经在2021年启动了Wi-Fi 6E的认证工作。目前已有支持Wi-Fi 6E的网卡和设备,如Intel AX210。

在美国影响下,部分国家和地区已选择或正在积极考虑将6GHz或其中的一部分频率用于Wi-Fi 6。2020年3月欧盟完成了5925~6425MHz用于无线局域网的频谱研究报告。英国于2020年1月17日发起将5925~6425MHz频段开放给非授权使用的公开意见征询,预计法规将于2021年生效。2020年5月阿联酋启动了关于Wi-Fi使用5925~7125MHz频段的意见调研。巴西2020年5月6日启动法规修订,以允许Wi-Fi 6使用5925~7125MHz频段,计划8月完成射频指标制定,之后将启动法规意见征询并做出决定。2019年12月韩国发布“5G+”频谱战略,考虑将整个6GHz用于免许可技术,目前正在开展Wi-Fi共存分析与法规制定工作。我国在6GHz主推IMT技术,并采取以IMT网络为主承载工业互联网、物联网基础设施建设的发展路线。在我国的主导推动下,2019年ITU WRC-19大会为WRC-23大会设立了议题,研究在6425~7125MHz等中频段再次为IMT寻找新增频率。该议题获得了非洲国家、俄罗斯等部分欧洲国家、部分阿拉伯国家和部分亚太国家的支持,受到了美国、越南、韩国等国家的反对。6GHz频段(C频段上行)全球现有业务主要是卫星固定业务(FSS,地对空)和固定业务。

Wi-Fi 6产业链条简析

Wi-Fi产业链包括芯片、网络设备、终端3个主要环节。芯片是Wi-Fi产业链的核心环节,包含了大量的核心专利,对产业链的其他环节产生重要影响。从总量角度考虑,全球Wi-Fi芯片出货量将于2022年达到49亿套,占据各大主流互联方案出货量逾40%(据IDC数据)。根据市场调研机构Markets and Markets的统计,预计2022年全球Wi-Fi芯片市场规模将达到197.2亿美元。博通、高通、英特尔、德州仪器等美国企业长期控制Wi-Fi芯片研发、生产和销售,其产品占据70%以上的市场份额并借此主导全球Wi-Fi产业发展。主流Wi-Fi芯片厂商基本都在我国台湾代工生产,使得中国台湾成为绝大多数Wi-Fi芯片的出产地。台湾企业联发科、Realtek也是主要的Wi-Fi芯片供应商。此外,我国的华为海思、紫光展锐、乐鑫科技等也研发Wi-Fi芯片,市场规模占比约为5%。

目前,主要Wi-Fi芯片厂商都推出了Wi-Fi 6芯片产品。截至2019年5月,美国高通公司发布4款产品、博通发布5款产品、英特尔发布3款产品、MTK发布1款产品。业内预估Wi-Fi 6芯片全球出货量将由2019年的约3亿套,快速成长到2022年超越20亿套。2019年的Wi-Fi 6芯片出货量占比为10%,预计到2023年占比为90%。我国华为海思已于2020年2月推出用于Wi-Fi 6无线路由器的凌霄650芯片以及用于Wi-Fi 6终端的麒麟650芯片。

Wi-Fi联盟最新数据显示,截至2021年6月,通过Wi-Fi 6认证的产品数量为1635款。其中,笔记本产品137款、手机类产品604款、无线路由器748款、平板电脑21款。

Wi-Fi网络设备主要是家用和企业无线路由器。目前,国内外主流无线路由器厂商都已经发布了Wi-Fi 6产品。国外厂商主要包括Cisco、 Hewlett Packard Enterprise、Buffalo、Ruckus、Extreme Networks。国内厂商主要包括华为、中兴、新华三、TP-LINK、小米、华硕、水星等。中国市场Wi-Fi 6家用产品主要是空间流为2×2产品,因此性能相较前一代提升不多。性能的提升还需要等待Wi-Fi 6终端的普及。欧美市场尤其是美国市场以高端产品为主,空间流以2×4和4×4为主,但成本也相对较高。Wi-Fi终端出货中占比最大的是智能手机和笔记本电脑。目前,三星、华为、苹果、小米等国内外厂商的旗舰机手机都已支持Wi-Fi 6。在笔记本电脑方面,Wi-Fi功能早已成为笔记本电脑的标准配置。联想、惠普、戴尔等主流厂商都已推出支持Wi-Fi 6的笔记本电脑产品。随着新冠肺炎疫情的发展,越来越多的公司鼓励员工在家办公,因此对家庭网络的要求也随之增高,客观上刺激了Wi-Fi 6的发展与推广。

随着物联网的快速发展,越来越多的智能化物联网设备(如冰箱、空调、洗衣机、音箱、摄像头、灯具等)开始支持Wi-Fi功能。Strategy Analytics研究分析,2019年全球有近50亿个家用Wi-Fi设备正在使用,全球Wi-Fi智能家居设备在2023年将达到170亿个,类似的物联网设备将成为Wi-Fi设备的主要增长点。目前,Wi-Fi 6在物联网领域的应用还不多,但随着Wi-Fi 6产品的日益成熟和成本的不断降低,其在物联网领域的渗透率将逐步增加。

Wi-Fi 6两大主要应用场景

Wi-Fi 6的应用场景在Wi-Fi 5的基础上进一步扩展,除了原有的家庭、企业等室内环境以外,还考虑了此类环境中高密度的使用情况,同时聚焦于体育场、校园等室外接入点和终端设备高度密集的复杂环境,以及对吞吐量要求较高的应用场景。Wi-Fi 6场景服务对象也由个人应用扩展至公众接入,以及对蜂窝网的分流,同时还涉及远程医疗、场馆活动视频和车载娱乐等对吞吐量要求较高的应用领域。

总的来看,参考IEEE设计的Wi-Fi 6应用场景主要包括两大类:高密集场景和高吞吐场景。其中,高密集场景又进一步细分为室外高密度AP(Access Point,接入点)和终端场景、室内高密度AP和终端场景、高密度AP与中低密度终端场景、室内高密度终端场景。具体细分场景如表1所示。

Wi-Fi 6的业务应用与前几代Wi-Fi基本相同,仍以部署简单灵活、组网成本低廉、结构变更简单的业务为主。目前的主要业务仍为家用互联网宽带接入、企业接入和场馆等热点区域接入。在家庭中用户可以自行通过购买Wi-Fi路由器构建网络,避免了布置网线的烦恼。Wi-Fi 6的高性能也能够为企业提供优质的网络服务,企业能够通过Wi-Fi 6迅速搭建自有网络,并且流量可以不经过运营商。另外,Wi-Fi 6还能够提供热点地区的网络服务。在人群密集地区(如在公园、体育场、飞机场、火车站)布设热点,提供上网服务。

表1  Wi-Fi 6主要应用场景

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发展建议

一是制定以5G为主、Wi-Fi为辅的发展策略,充分发挥各自优势。5G是我国关键信息技术基础设施,为消费互联网、产业互联网提供坚实的网络基础。Wi-Fi 6凭借其低成本、易部署、大带宽等特点,是5G的有益补充,二者将在未来较长时间内融合共存。

二是借鉴我国5G发展经验,推动Wi-Fi产业发展。鼓励相关企业加大技术投入,积极参与Wi-Fi标准化。指导和帮助企业、专业机构申报国内、国际专利,及时形成知识产权。鼓励Wi-Fi 6在智能家居、企业办公等室内场景的应用。依托我国庞大的Wi-Fi应用市场,建立具有国际影响力的产业推进组织。

三是评估5G和Wi-Fi 6供应链安全情况,加大对相关芯片设计、芯片制造、高技术部件等薄弱环节的研发投入,摆脱对国外企业的依赖,实现相关供应链的自主可控。在芯片方面,Wi-Fi芯片比5G芯片门槛低很多,但主要芯片仍然由高通、博通等国际厂商垄断。华为自研了Wi-Fi 6芯片,但主要为自己的产品使用。国产其他厂商目前多在做物联网方面Wi-Fi的IoT芯片,离高端芯片还有很大差距,预计10年能赶上,而且需要产业链的支持。


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