Wi-Fi联盟Wi-Fi 6下的6GHz技术与认证解析

徐凯，徐颖，沈辰，刘志辉

（上海同耀通信技术有限公司，上海，201201）

0 引言

Wi-Fi的出现使每个人、每件事、每个地方都紧密连接在了一起。但是随着通信技术行业日新月异的发展，电子设备使用无线网络技术的要求也在不断加强。

2019年8月Wi-Fi联盟推出了Wi-Fi 6技术和认证，但是随着产品出货量的增长和现有技术、新应用的使用，如云通信、增强现实、虚拟现实、移动游戏等，给Wi-Fi网络和可用的频谱带来了更大的压力，Wi-Fi面临着频谱短缺，特别是160MHz带宽通道。Wi-Fi联盟及其成员已经要求世界各地的监管机构提供更多未授权的频谱，以满足消费者对现有Wi-Fi市场的需求。所以，Wi-Fi联盟在2020年提出了Wi-Fi 6下的 6 GHz技术概念，使得高级应用程序迁移到这个新频段，从而让现有Wi-Fi网络的性能将得到改善。

1 Wi-Fi 6E 技术

2018年Wi-Fi联盟提出了802.11ax概念，并通过这次推广802.11ax的机会，将Wi-Fi进行了重新命名，将之前的802.11b，802.11a,802.11g,802.11n，802.11ac分别改名为Wi-Fi1到 Wi-Fi5，同时将新标准802.11ax命名为Wi-Fi6。Wi-Fi 6是第六代无线网络技术，支持了802.11AX的产品和连接。在技术上，Wi-Fi6可以同时支持2.4G和5G频段，使用了OFDMA和上/下行的MU-MIMO技术，大幅提高了Wi-Fi的通信效率。图1历代Wi-Fi的比较差异。

图1 Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6 的比较

2020年1月，Wi-Fi联盟提出6GHz频段，将使用6GHz频段的802.11ax称为Wi-Fi 6E。6GHz频段具体是从5.925-7.125GHz，但目前，欧洲达成的协议是为Wi-Fi分配的频段为5945-6425 MHz，而Wi-Fi也与欧洲监管机构合作，以开放 6425-7125 MHz 频段。Wi-Fi 6E是在 Wi-Fi 6的基础上引入了6GHz频段的支持，使得Wi-Fi 6可以从原来使用的2.4GHz/5GHz频段扩展为2.4GHz/5GHz/6GHz频段，但是这一6GHz频段的变化，使得总带宽达到1200MH，UNII-5覆盖500MHz至3160MHz通道，UNII-6覆盖100MHz，UNII-7覆盖350MHz，UNII-8覆盖250MHz，这3个带宽都覆盖至4160MHz通道，6GHz是2.4和5GHz频带中可用频谱的三倍，适配了载波聚合技术，提升的系统的容量，使得数据收发路径的数量在当前基础上实现双倍以上增加，见下图带宽图可详细表明带宽的增强。

图2 2.4/5/6GHz 带宽示意图

由于Wi-Fi 6E是在Wi-Fi 6的基础扩展而来，所以使用的技术大体上是不变的，例如1024-QAM、OFDMA、上/下行MU-MIMO、Target Wake Time 机制等。1024-QAM （1024 正交幅度调制模式）是指通过在相同数量的频谱中编码更多的数据，提高Wi-Fi 设备的吞吐量；OFDMA（正交频分多址）指有效共享频道，在要求严格的环境中提高网络效率，降低上行链路和下行链路流量的延迟。MU-MIMO（多用户多输入多输出）指允许同时传送更多下行链路数据，并使接入点能够同时向大量设备发送数据；TWT（目标唤醒时间）指允许设备协商什么时候和多久会被唤醒，然后发送或接收数据，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，对采用电池供电的终端来说，大大提高了电池寿命。

OFDMA是Wi-Fi 6引入的关键功能之一，上行OFDMA允许数据帧被同时传输到多个站点，这可以平摊开销，导致高聚合网络吞吐量。上行OFDMA允许每个客户端设备的传输功率可以集中在更小的分配资源单元上。下行OFDMA允许多个数据帧在一个数据单元传输到多个站点，同样平摊了开销，导致更高的聚合网络的吞吐量。下行OFDMA可以通过平衡链路来进一步优化总吞吐量，在高信噪比和低信噪比下进行用户之间的功率分配。

由表1可知，

表1 2.4G/5G/6G频段频谱的比较

（1）工作在2.4GHz频段的有B,G,N,AX这4种协议制式，工作在5GHz频段的A,AN,AC,AX，而工作在6GHz的只有AX模式，所有这一新的频谱利用，没有了微波等干扰，大大减少拥塞的问题。但有一点需提及的是，2.4GHz的传播距离是最远的。

（2）6GHz相比于5GHz，支持的带宽虽然是一样的，但是6GHz增加了带宽的通道数量，提供了14个额外80MHz通道和7个额外160MHz通道的连续频谱块，提供了更好的网络性能，支持了更多的Wi-Fi用户。带宽的通道的数量与最高数据速率是对应起来的，最高理论速率可达9.6Gbps，所以数量的增加显得尤为重要。

2 Wi-Fi 6E 认证功能解析

（1）带内发现与关联机制（In-Band Discovery and Association）

该特性指客户端设备能够在6GHz频段内快速、低开销的发现AP。在6GHz频段内运行的AP发送一个FILS帧或主动广播响应帧，客户端设备在发现后将其无线电设置在20MHz，并发送一些探测请求，这一探测响时间应约为20毫秒，空中的探测请求和响应降低了其他用户流量的吞吐量，增加了明确的规则，限制在6GHz频段盲探，从而避免不断去探测信号。AP在6GHz频段下仅生成HE PPDU或者non-HT PPDUs，传输的帧中不包括VHT行为和HT的功能和行为。

（2）带外发现—在发现6 GHz BSSs下减少相邻report（Out of Band Discovery -Reduced Neighbor Report for discovering 6 GHz BSSs）

这个功能允许客户端扫描6 GHz频段来发现AP。由于大多数AP是多频段的，即2.4/5/6GHz是共存的，AP遵循在2.4GHz和5GHz频段发送Beacon和Probe Response帧下的RNR IE的规则。减少的相邻report (RNR)是为了与FILS发现协议一起使用而开发的，当关联到5GHz时，客户端可以请求RNR，以发现6GHz相邻AP在同一物理单元或不同物理单元中的传输信道，来允许他们直接移动到目标6 GHz的信道。一个工作在2.4GHz和5GHz频段的BSS与一个或多个工作在6GHz频段的BSS共同位于一起，在发送Beacon和Probe Response 帧时需要包括RNR元素。RNR元素包含的信息有：信道、TBTT偏移量、BSS参数等。

（3）BSS 操作—HE 信标（BSS Operation-HE Beaconing）

在2.4GHz和5GHz频段，AP将以non-HT PPDU的格式去发送信标帧。在6GHz频段，AP可以以HT SU PPDU的格式去发送信标帧。而在6GHz频段运行的STA应能够解码以HT SU PPDU格式接收的信标帧。

（4）增强在6GHz频段-20 TUs主动探针响应（Discovery Enhancement in 6 GHz band-20 TUs Unsolicited Probe Response Active）

每20 TUs广播未经请求的探测响应帧，允许ap提供被动扫描的完整信息，通过进一步减少探测时间开销来增强在6GHz频段的搜索发现。2.4GHz和5GHz频段共存的AP可以告知6GHz频段下的AP 20 TU Probe Response Active信息，由于STA扫描发现AP，从而不需要发送6GHz频段的Probe Request帧。

3 Wi-Fi 6E 认证介绍

Wi-Fi 6E认证作为Wi-Fi6认证的一部分，提供了Wi-Fi 6的功能和能力，扩展到6GHz频段。Wi-Fi 6E认证的产品将使用 Wi-Fi CERTIFIED 6 商标。Wi-Fi 6E认证的 Wi-Fi 6设备可确保设备之间可以进行很好的互操作协同工作。由于全球只有几个国家正在对为未经许可的6GHz频段提供使用，所以Wi-Fi联盟正寻求全球统一的6GHz频段，使Wi-Fi设备可以在任何地方的6GHz频段内运行。

Wi-Fi联盟的WiFi 6E技术认证只针对于6E的功能，吞吐的性能，设备连接的互操作功能有要求，只需要满足Wi-Fi联盟提出的标准即可。而EMC，RF这些法规认证是需要满足每个地区的认证要求，所以他们之间是完全独立的。

3.1 测试产品类型

WI-FI 6E的互操作性认证范围包括 AP, STA, Mobile AP和 20 MHz-only STA。在这些设备类别之间，优先启动对AP和STA认证。Mobile AP和 20 MHz-only STA的认证将计划推迟。经过6GHz认证的Wi-Fi 6设备将在2.4GHz和5GHz频段中运行，并在6GHz频段中运行。

3.2 测试产品认证前提

3.2.1 产品在认证Wl-Fl 6E前，需要完成以下其他几个认证作为前提条件：

（1）Wi-Fi WPA3

（2）Wi-Fi Agile Multiband

（3）Wi-Fi n or ac

（4）Wi-Fi CERTIFIED 6

（5） Wi-Fi Enhanced Open （如果 APUT 在 2.4/5GHz 频段下支持无加密方式）

产品在对WI-FI 6E进行认证之前，以上所提及到的认证前提条件的测试项也是必须进行认证的，涉及到的2.4G/5G/6G的测试只有在全部完成基础上，才能对数据进行提交。

以上的测试认证，除（3）和（5）没有对6GHz频段进行测试，其余的测试项也需要增加6GHz的部分测试用例。

3.2.2 相关前提认证项概况描述

3.2.2.1 Wi-Fi WPA3

WPA3是Wi-Fi联盟提出的一种新的Wi-Fi加密协议，是Wi-Fi身份验证WPA2技术的的后续版本。WAP3不同于WPA采用TKIP，不同于WPA2采用AES的协议，而使用的是新的SAE的加密协议。在Wi-Fi基础设施网络中，SAE握手协议针对每个客户端设备协商新的PMK，然后新的PMK用于传统Wi-Fi四路握手协议，以产生会话密钥。注意：以往都是直接用PMK进行四路握手协议，SAE会在PMK基础上产生新的PMK。截止到目前为止，WPA3也经历了不断的升级完善，从R1版本已经升级到R3版本，每个认证版本都增加了新的WPA3技术，所有的认证版本目前都是可适用的。

3.2.2.2 Wi-Fi Agile Multiband

Agile Multiband为多频段操作，是基于IEEE 802.11标准的互操作功能，使用了802.11k，802.11v，802.11r的协议，主要是指在多个频段（主要是2.4GHz/5GHz/6GHz/60GHz和蜂窝数据）和不同应用场景中有效帮助AP和STA进行分析并智能做出最优决策。

3.2.2.3 Wi-Fi Enhanced Open

Enhanced Open又称OWE，不同于之前的open加密方式，是在此基础上的增强，它类似一个开放的网络，在没有用户知识的情况下加密无线流量，需提供加密但不进行身份验证，所以不需要特殊配置或用户交互。

具有OWE功能的AP会在其Beacon和probe response中的RSN信息中标识出OWE AKM(00-0F-AC-18)的字段，当STA发现带有OWE功能的AP,它会尝试使用使用开放模式去进行认证连接，在STA进行连接过程中，STA所发的（Re）Association Request包文中会带有DH(Diffie-Hellman) 元素，通过使用Diffie-Hellman算法，获得一个带有自己的密钥和公密钥的PMK，使用此PMK(与AP端成对）4次握手后生成 KEK,KCK 和MIC，结果就是完成带有保护的非加密连接保护数据包

3.3 产品测试内容与测试目的

3.3.1 APUT（被测接入点）

如表2所示。

表2 AP产品认证目录用例描述

3.3.2 STAUT(被测终端)

如表3所示。

表3 STA产品认证目录用例描述

上述2个表中列举出来的6E所以功能的测试项和测试该用例的目的。标准写了必测的，在进行认证的时候则必须通过这几个功能，而选测和有条件测试则是看认证产品是否支持这个功能后在进行测试。

3.4 测试平台设备

所有的认证的陪测设备，均需要向Wi-Fi联盟采购。设备购买后，实验室要进行升级安装搭建，并只有在全部认证用例完成调试后，才能获取实验室认证资质。测试设备完成后，按照下图所示线路图，用交换机将设备全部接入到同一局域网下。

6 5.5 7.4 必测 S T A U T M U B F R P f o r ≤ 4 S S s o u n d i n g d i m e n s i o n i n 6 G H z t e s t（6 G H z频段下多用户波束控制帧小于4流维度测试）目的 确保被测终端在接收到6 G H z频段的波束控制帧后，正确地接收到空数据包/空数据包说明，并在一个高效基本物理层协议数据单元中发送完整的带宽、多用户反馈。7 5.5 8.2 必测 S T A U T D L M U-M I M O i n 6 G H z t e s t（6 G H z频段下行多用户多输入多输出）目的 通过检测被测终端在响应包中发送C-B A 或者确认字符验证了被测终端在6 G H z频段正确发送反馈并接收下行多用户、多输入输出的正交频分多址数据单元。8 5.6 0.2 选测 S T A i n d i v i d u a l T W T i n 6 G H z b a n d t e s t（6 G H z频段下单独目标唤醒时间）目的 如果被测终端支持6 G H z频段的单独的目标唤醒时间功能，通过检测被测终端连接请求包中信息以及速率达到最低限值，则确保该被测终端可以正确地与接入点协商单独的目标唤醒时间设置9 5.6 2.2 必测 S T A U T U L M U s e n s i n g i n 6 G H z t e s t（6 G H z频段下上行多用户测试）目的 验证被测终端可以在6 G H z频段正确地遵循C S要求指示，能量检测传感和网络分配向量1 0 5.7 5.1 必测 S T A U T I n-B a n d D i s c o v e r y & A s s o c i a t i o n t e s t（带内发现和关联测试）目的 验证了被测终端对于带内发现机制的正确探测行为。 它还验证被测终端是否可以成功关联并与试验台接入点设备p i n g通。1 1 5.7 6.1 必测 S T A U T 2 0 T U U n s o l i c i t e d P r o b e R e s p o n s e s t e s t（2 0 T U主动探针响应）目的 验证了当接入点使用并发布2 0 T U主动探测响应时被测终端的正确探测行为1 2 5.7 7.1 必测 S T A U T R e c e i v e s B e a c o n i n H E S U P P D U t e s t（高效单用户协议单元格式传输信标 ）目的 确保在6 G H z频段工作的被测终端应能够解码以高效单用户物理层协议数据单元格式接收信标帧。

表4 测试认证设备平台描述

图3 设备平台连接示意图

与其他Wi-Fi联盟认证测试流程一样，被测设备需要按照上述示意图进行连接，并提供自动化测试软件工具，都满足后脚本即可以自动运行测试流程。

3.5 认证基本流程

Wi-Fi 6E认证流程与其他的认证流程基本相同，大致按照下面的几个步骤：

（1）在联盟官网申请认证号

（2）提交认证号到测试实验室

（3）实验室在接收认证号，根据认证号提交的测试功能，进行测试

（4）通过测试后，审核提交测试数据

（5）联盟审核测试数据

（6）联盟下发认证证书

3.6 测试认证问题与抓包解析

Wi-Fi 6E是联盟一项最新的技术之一，市面上并没有多少产品对其技术进行认证，所以在后续产品测试中会出现很多用例失败的情况，下面例举了部分在进行WiFi 6E认证时，对可能出现的问题进行分析和解决：

（1）样机在进行最初测试过程中，可以优先考虑是否是由于没有开启WiFi6E功能，如果正常，下图的beacon包的6GHz字段应为1，如果字段为0，则测试用例都无法通过。

（2）Transmit Power Envelope，发射功率包络，只有在802.11ac以上才有。使AP能够限制每个可用信道带宽传送发射功率。设置限制20或40或80MHz等带宽的发射功率，这个功能的测试，需要抓包可以抓到Transmit Power Envelope的元素，才能进行此功能认证。

（3）H2E（Hash-to-Element）是一种新方法，在WPA3-R3的认证中提出的新技术，过这种方法，SAE中使用的密码PWE（密码元素）是从协议中生成的。H2E使用一种非迭代的代数算法 ，被认为是密码最佳实践的算法，计算效率明显高于以前的“hunting-and-pecking”方法，对侧信道攻击提供有力的抵抗。在SAE中，PWE用于派生SAE提交交换中发送的值，而这些值又被对等方用于派生一个公共PMK。H2E方法还包含了对组降级中间人攻击的保护。在H2E 下还支持extended supported rates的能力，所以当这个能力在测试中验证失败时，要注意下面2组图片中的功能是否都已经开启。

图4 6 GHz -operation information

图5 TPE -Transmit Power Envelope

4 注意事项

4.1 产品商标使用

供应商在完成Wi-Fi 6E的认证测试之后，该产品可以有6E认证的使用权，但是注意在产品使用Wi-Fi 6E技术的时候，可以将Wi-Fi 6E称为Wi-Fi 6技术，Wi-Fi 6连接在6GHz 或者Wi-Fi 6设备支持Wi-Fi 6E ，但是不能使用Wi-Fi 6E兼容或者Wi-Fi 6E标准这些字眼，这是不符合规定的。

4.2 测试要求

由于联盟最新更新了认证平台，将之前部分平台添加到最新的Indigo的平台软件工具中，其中包括了将之前对WPA2出现漏洞后进行的Krack的测试以及PMF测试都进行了更新，因此在产品进入实验室进行认证的时候，必须先提交认证号，实验室需要根据每家客户提供的认证号去下载对应的Appliacntion，获取这个Appliacntion后实验室才能对上述提及到的进行认证测试，否则整个的测试时间将被延迟。

4.3 证书使用

供应商在进行认证之前必须是联盟的会员，每年需要交纳相应的会费。在测试项完成认证之后，联盟会下发对应产品的证书，每个产品都有一个对应的证书，产品上也可以打上Wi-Fi的商标，但是这个证书的使用期限一旦在会员有效期结束后就失效了，所以如果需要长期使用，则必须一直确保是会员状态。

5 结语

Wi-Fi 6E认证作为Wi-Fi联盟最新的技术，发展前景与技术都是很广阔的，实验室通过对相关的标准进行的深入研读后，对新技术的测试内容和功能进行了相应描述，希望能为广大需要详细了解6E技术和需要进行认证测试的用户提供一个参考。