Wi-Fi6的技术分析及其应用探讨

梁佳依

（作者单位：浙江中波发射管理中心浙江省临海广播转播台）

1 Wi-Fi6协议的发展历程

Wi-Fi历经20多年的发展和6次技术迭代，为数十亿设备提供连接，已成为现代通信网络中不可或缺的关键技术。为不断适应新业务应用、新用户需求及缩小与有线网络宽带的差距，每一代无线局域网标准都在满足用户需求的大前提下被开发、制定，最后投入应用。

第一代协议IEEE802.11由IEEE在1997年6月提出，协议数据速率最高为2 Mbps，采用直接序列扩频（Direct Se-quence Spread Spectrum，DSSS）技术，占用2.4 GHz（1、6、11）3个非重叠的22 MHz信道。但由于其在传输距离和速率方面的竞争力较低、成本较高，即使创造了全新的用户接入方式，也没有得到广泛普及。

1999年，Wi-Fi联盟的成立推动了无线局域网技术的发展和推广应用，随后Wi-Fi联盟发布了IEEE802.11a/b协议，802.11a协议基于5 GHz频段，协议数据速率为6 Mbps至54 Mbps，使用正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和 5 GHz（36、40、44、48、52、56、60、64、149、153、157、161）信道，但其覆盖范围和信号强度不够理想。b协议基于2.4 GHz频段，协议数据速率为1、2、5.5或11 Mbps，采用DSSS技术，占用2.4 GHz（1、6、11）3个非重叠的22 MHz信道，虽然与a协议相比速度较低，但其具有更强的穿透性和更广的覆盖范围，很快得以被商业应用。

第三代标准802.11g由Wi-Fi联盟于2003年7月提出，使用OFDM和2.4 GHz（1、6、11）3个非重叠20 MHz信道，协议数据速率为6 Mbps至54 Mbps，实际上是将5 GHz的802.11a技术转移到2.4 GHz频段。

从第四代标准802.11n开始，Wi-Fi联盟逐渐对传输和接入进行改进，采用双频工作模式，支持2.4 GHz和5 GHz两个频段。物理层面采用了多进多出（multiple-in multipleout，MIMO）技术、40 MHz绑定、short GI（保护间隔）等诸多新技术，支持4*4 MIMO。同时，为了更好地提高介质访问控制层（Media Access Control，MAC）效率，采用了Block确认、帧聚合等新技术，通过对物理层和MAC进行优化提高Wi-Fi的吞吐量，同时向下兼容802.11g和802.11a。

紧随智能时代的浪潮，智能手机在用户市场掀起了一阵热浪，移动通信业务随之快速发展，2013年提出的第五代协议801.11ac支持高阶多用户多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MUMIMO）并抛弃了2.4 GHz频段，主要将重心放在5 GHz频段的优化上，支持20/40/80/80+80/160 MHz带宽，支持8x8 MIMO和MU-MIMO，最高支持256-QAM调制，可选低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）编码和增强波束成形技术提升利用率，同时支持“动态频宽”模式。

随着物联网的快速发展，在数据爆炸时代，网络逐渐呈现密集化趋势，无论是家庭还是公共场所，越来越多的移动终端都需要无线网络支持，显然网络需要被重新定义，在密集用户使用场景中保持高速率的用户体验也被更加重视。Wi-Fi联盟于2019年9月提出第六代802.11ax，即Wi-Fi6，该协议主要应用在2.4 GHz和5.8 GHz两个频段，即同时达到Wi-Fi4和Wi-Fi5各自的频段，兼容低速和高速设备，支持160 Hz带宽，最高提供9.6 Gbps接入速率，相较于Wi-Fi5提升至2.7倍，同时引入了MU-MIMO等技术提升效率，减少延迟，能提升多个设备连接Wi-Fi的效率，有效实现了网络性能的优化。

2 Wi-Fi6技术分析

Wi-Fi6（802.11ax）作为Wi-Fi标准的一个升级，在延续Wi-Fi5优点的前提下，新增了许多针对高密部署场景的新特点，数据吞吐量和多个设备连接同一Wi-Fi的效率均有所提升。此次802.11ax的升级依然兼容之前的802.11ac/n/g/a/b标准，意味着使用旧终端也能和802.11ax网络连接应用。

Wi-Fi6能够支持多达8个设备同时通信，支持最多128人同时上网，终端功率减少30%，给用户带来了前所未有的网络体验。

2.1 多用户传输技术

多用户传输技术指的是上下行MU-MIMO与上下行OFDMA，能够有效地促进高密度部署场景下的终端速率均值提升，简而言之，是让接入几十台设备时的速率媲美只接入一台设备时的速率。

MU-MIMO，也就是多用户多入多出技术（UL MU-MIMO为上行，DL MU-MIMO为下行），能够允许不同的设备同时与路由器进行通讯，而不是仅仅同意下行MU-MIMO。Wi-Fi5及更早协议的路由器在同一时间只能和一台设备通信，显然，因数量不断增加的设备同时接入而变得网络拥挤的现象随着Wi-Fi6的出现得到了实质性改善。借助下行MU-MIMO增加了系统并发接入量，又均衡了吞吐量，借助上行MUMIMO提升了并发场景效率。

OFDMA即正交频分多址，指的是Wi-Fi6能够将无线信道分为若干个子信道，产生多个频率资源块作为用户数据的承载平台，并未占据信道整体，实现了同一时间段内多个用户设备接入并进行各自传输的情况下，依然能保持较高的通信速率和享受更快的响应速度，大幅度降低了多设备连接时的通信时延。相较于Wi-Fi5所支持的OFDM一次发车单数据包，OFDMA一次发车多数据包，究其原因为OFDM在设备进行数据的上传或者下载的过程中，会在各个时间段当中占用无线信道整体。另外，OFDMA相较于OFDM具有3大优势：第一是在数据传输过程中能按照信道质量选择更优质、更细腻化的资源块；第二是能提升各个终端连接速率的均值；第三是拥有更低的通信时延，进而能够更好应对视频会议、虚拟现实技术、移动教学及智能家居设备的应用[1]。

OFDMA允许多用户通过细分信道(子信道)来提升并发效率，MU-MIMO允许多用户通过使用不同的空间流来提高吞吐量，二者都是并行传输的有效方案，但是并非迭代关系，也并非竞争关系，是相互补充的关系，且二者的技术原理和使用场景存在较大的差异，需要依据应用设备的不同进行选择。

2.2 BSS-Coloring技术

长期以来，Wi-Fi协议采用的机制都是载波侦听多路访问/冲突避免，也就是CSMA/CA，即在进行数据传送前，会监听信道上是否已经有数据在传输，假如有，则进行避让并等待在下一个时间段的数据进行传输，这也意味着多个无线访问接入点（Wireless Access Point，AP）同时在某一信道工作时，因需要单独占用信道进行通信，使得网络并发容量大幅度下降。BSS-Coloring（着色）技术会对各个AP进行“着色”，也就是在数据报头添加标识符，对各个AP进行有效区别，路由器或者设备进行数据发送前一旦检测到信道被占用，就会检查这一占用所着色的BSSColoring，明确其是不是相同AP的网络，即使不是，也无须进行避让，其可以达到多个AP使用同一进行信道的效果，实现对多用户并行传输的智能化管理。

2.3 TWT技术

目标唤醒时间（Target Wakeup Time，TWT）技术允许设备与AP进行通信前，先协商通信开始时间和通信持续时间，能够把各个终端划分到多个TWT周期，有效缩短天线通电和搜索设备需要的时间。TWT技术能够使各个设备单独构建唤醒协议，终端设备在不传输数据时将处于休眠状态，此技术有效降低了电池的消耗，同时能够减少有限信道资源的占用[3]。

2.4 扩展覆盖范围

Wi-Fi6协议采用Long OFDM symbol(长正交频分复用符号)发送机制，相比于之前的Wi-Fi协议，Wi-Fi6每次数据发送持续时间能够从3.2 us提升到12.8 us，切实改善了终端丢包率。同时，Wi-Fi6协议在窄带传输时可使用最小2 MHz频宽，频段噪声干扰得到了优化，终端接收灵敏度得到了提高，从而有效提升了无线信号覆盖效果，增加了覆盖距离。

2.5 支持2.4 GHz频段

2.4 GHz频段相比于5 GHz频段，其频宽较窄，且只有信道1、6、11这3个20 MHz的互相不干扰的信道，但是它从第一代Wi-Fi协议就开始被使用，Wi-Fi6标准继续支持此频段（仅WiFi5标准中未使用），由此可见其是一个可用频段，并在较多场景中得到使用，而且具备两个突出优势。

2.5.1 优势一：覆盖范围大

在无线通信系统中，频率较高的信号在穿透力方面优势显著，能够较精准地穿过障碍物体，与此同时，其波长越短，绕射能力越差，传输损耗也就越大，有效距离也随之越短，所以频率较低的信号反而绕射能力强，传输距离远。因此，2.4 GHz频段就能较好地解决5 GHz频段在高传播速度下信号衰减严重导致传输距离短的问题。另外，在高密集的无线网络区域，2.4 GHz频段不仅能够兼容新旧设备，还能对5 GHz频段无法高速且完整覆盖的边缘区域进行弥补。

2.5.2 优势二：低成本

现阶段，2.4 GHz设备使用量仍然占据市场较大份额，包括当下占据主流的智能家居和物联网等新设备也依然在使用该频段。对于这些流量没有太大迟延需求的终端设备来说，2.4 GHz频段的无线模块所具备的经济性、低成本等优势会促使其被广大所需用户选用。

2.6 分布式架构

为推动互联式智能家居的落实使用，Wi-Fi6采用了分布式架构（Pod in Per Room），其能有效解决室内场景中覆盖范围小、穿墙能力弱等问题，这也是当前最先进的无线组网方案。其中，每个Pod节点都可以成为无线接入点，各个节点都符合物联网和Wi-Fi的相关标准，这种智能家居网络架构不仅能够满足更高信号的覆盖要求，而且能够将蓝牙设备和ZigBee设备加入其中，甚至能够利用语音辅助命令进行管理[5]。以往的Wi-Fi协议在不同的节点之间进行切换时，需要手动更改服务集标识（Service Set Identifier，SSID），耗时又费力，Wi-Fi6采用分布式的设计能够有效完成对住宅整体的覆盖，同时能够在各个节点之间实现无缝自动切换。总体来说，Wi-Fi6的优势主要体现在3个方面，如图1所示。

图1 Wi-Fi6的技术优势

3 Wi-Fi6的应用

万物互联的时代已经到来，人们在实际应用中对高宽带、低时延、广连接的移动网络要求越来越高，相关资料显示生活中有超过7成的数据传输都是通过Wi-Fi协议完成的。Wi-Fi6的速度是目前所有无线连接协议中最快的，也是应用上最为灵活的，在密集用户环境下的吞吐率均值、用户体验、应用的使用效果及无线生态的发展方面均有较好的表现。《全球无线局域网（WLAN）季度跟踪报告》显示，Wi-Fi6产品在消费级市场持续向好，2021年季度消费级市场总收入增长了4.2%，主要分为商业应用场景和家庭应用场景两大类，涉及城市热点覆盖、移动医疗业务、智能企业办公运营、智能家居、VR/AR、网络游戏、网络教学等多个应用场景。

3.1 商业应用

从消费级电子终端到物联网应用，再到新一代高速率应用，Wi-Fi6技术逐渐渗透多个行业的应用场景中。

（1）承担智能通信网络建设。目前，三大运营商与各大企业强强联手，全面展开部署，其中包含商圈、社区、云游戏、车路协同等，逐渐朝着千兆全覆盖的目标前进。例如，中国联通已推行“宽带+5G+Wi-Fi”三千兆升级，致力于打造标志性网络场景；上海电信已完成在高铁等商业公共区域全面覆盖Wi-Fi6。

（2）承担物联交互智能应用。Wi-Fi6能在多用户使用的情况下提供高速率，能够在写字楼、商场、机场等场景为用户提供更加高速、可靠的互联网接入服务，在工厂和产业园区，其可以为各类工业机器人和生产设备提供信息交互通道。

（3）承担网络游戏、视频直播制作等低时延业务。随着近几年电竞行业的崛起，移动端竞技类游戏玩家越来越多，对操作要求、输出环境的要求也越来越高。同时，直播行业涵盖电商、游戏等多个领域，同时间段能够拥有畅通无阻的网络环境对于主播、受众来说都十分重要。视频创作类工作者的高清视频素材越来越多，上传文件逐渐变大，高速稳定的无线网络环境尤为重要，Wi-Fi6的“黑科技”可以较好满足其需求。

3.2 智慧家庭智慧互联应用

从家庭应用场景的角度来说，《2020年中国智能家居生态发展白皮书》数据显示，2021年智能家居市场规模高达5 800亿元。

Wi-Fi6的成熟应用为智能家居的应用奠定了坚定基础，能够在室内每个角落都覆盖网络，让智能家居真正融入人们的生活，可以说是家庭用户完成室内网络部署的最佳选择。相比于Wi-Fi5，Wi-Fi6能够将家中的Wi-Fi速度提升3倍，既能满足更多数量终端的接入，又可以为终端在带宽、响应、连接等方面提供更优质的体验，使得智慧家庭构想中的万物互联、场景联动的设想成为现实。目前，居家办公、居家云课堂等网络需求日益增加，家居智能化趋势对Wi-Fi智能家居场景中最为关键的无线组网连接技术的需求不断增加，同时推动了整个Wi-Fi产业的发展。

4 结语

Wi-Fi6协议通过较低的成本，提供高密度和大容量的无线接入服务，成为5G的有力补充，除了能为家庭用户提供稳定可靠的无线接入服务外，其更加适合在商场、写字楼等用户较密集的场景中部署，同时为各类企业级应用提供支持。