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揭秘当代Wi-Fi技术

发布时间:2024-06-26 17:47:58 浏览数:73 文章出自:创凌智联

     Wi-Fi技术及其标准的演进历程,从早期的802.11标准到如今的Wi-Fi 6、Wi-Fi 6E甚至Wi-Fi 7标准,Wi-Fi技术的持续发展不仅改善了速度和覆盖范围,还引入了许多新的技术。下面将进一步介绍最近两代Wi-Fi协议的核心技术细节,以了解它们如何实现更高的速度、更稳定的连接、更高的容量和更好的性能。  

 Wi-Fi 6核心技术

Wi-Fi 6设计之初就是为了适用于高密度无线接入和高容量无线业务,比如室外大型公共场所、高密场馆、室内高密无线办公、电子教室等场景以及未来4K/8K/VR等大带宽视频的承载。所以Wi-Fi 6继承了Wi-Fi 5的所有先进MIMO特性,并新增了许多针对高密部署场景的新特性。相比上一代Wi-Fi 5Wi-Fi 6拥有两高两低四大优势:

· 1)高带宽:同时支持2.4G5G频段,而不是像Wi-Fi 5路由器的2.4G频段实际为Wi-Fi 4。另外采用1024-QAM高阶调制、最大支持160MHz频宽,速度快近3倍。

· 2)高并发:智能分频,多台设备并发连接,4倍容量提升。

· 3)低时延:支持多设备并发,大幅减少排队等待,时延降低2/3

· 4)低功耗:引入目标唤醒时间(TWT)技术,终端设备按需唤醒功耗降低30%
下面来介绍一下其使用的几个关键技术。

 OFDMA频分复用技术

Wi-Fi 6之前,数据传输采用的是OFDM模式,用户是通过不同时间片段区分出来的。每一个时间片段,一个用户完整占据所有的子载波,并且发送一个完整的数据包(如下图(a))。Wi-Fi 6则引入了更高效的数据传输模式OFDMA,它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。Wi-Fi 6标准仿效LTELong-Term Evolution),将最小的子信道称为资源单位(Resource UnitRU)”,每个RU当中至少包含26个子载波,用户是根据时频资源块RU区分出来的。故从总的时频资源上来看,每一个时间片上,有可能有多个用户同时发送(如下图(b))。

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2-1 OFDM和OFDMA时频示意图

OFDMA相比OFDM实现了更细的信道资源分配。这可以更好的贴合室内Wi-Fi数据传输的场景,一些小包报文在传输时无需等待当前时刻用户发送完数据,即可立即加入到当前信道来进行传输,这显然可以提高报文的传输效率。RU数量越多,发送小包报文时多用户处理效率越高,吞吐量也越高,下图展示了OFDMA在多用户场景下的仿真收益5

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2-2 OFDM与OFDMA吞吐量对比图

DL/UL MU-MIMO技术

常规的MIMO可以称为SU-MIMOSingle-User MIMO),其虽然可以通过多链路同时传输的方式,提升路由器与客户端设备之间的通讯速率,但在同一时间和同一个频段内,路由器只能够与一个客户端设备通信。那么即使客户端设备无需完全占用所有的空间流,那路由器也无法将多余的空间流资源分配给其他用户(如下图(a))。而MU-MIMOMulti-User MIMO)则通过给不同用户分配不同的地址,允许路由器同时与多个设备通信,而不是依次进行通信,提升了整个系统容量。

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2-3 SU-MIMO和MU-MIMO示意图

注意到上图所示的都是下行链路(down-link),即DL MU-MIMO。实际上,DL MU-MIMOWi-Fi 5就已经引入,但只支持DL 4x4 MU-MIMO,而Wi-Fi 6不仅进一步增加了空间流数量,可支持DL 8x8 MU-MIMO(最多与8个用户同时传输),还新增了上行(up-linkUL)UL 8x8 MU-MIMO(最多支持8个用户同时上行传输数据),提升多用户并发场景效率,大大降低了应用时延。如下图给出了下行/上行多用户模式调度顺序图,不同的颜色块表示不同的空间流。

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2-4 下行/上行多用户模式调度顺序

需要注意的是,不要将MU-MIMOOFDMA混淆。OFDMA支持多用户通过细分信道(子信道)来提高并发效率,而MU-MIMO支持多用户通过使用不同的空间流来提高吞吐量。下表是OFDMAMU-MIMO的对比:

1-3 OFDMA 与 MU-MIMO 对比

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1024QAM

Wi-Fi 5采用的256-QAM正交幅度调制,每个符号可以传输8bit数据,而Wi-Fi 6则提升到1024-QAM,每个符号可传输10bit数据,于是单条空间流数据吞吐量可以提高25%

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2-5 256-QAM与1024-QAM 的星座图对比

空分复用技术(SR) & BSS Coloring 着色机制

这项技术主要是针对多个无线接入点(Access Point)之间的同频干扰问题。一直以来,Wi-Fi采用CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)机制,即每次在传送数据之前,会监听无线信道上有无其他AP也在传送数据,如果有,先避让,等下个时间段再传送。这意味着多个AP工作于同一信道时,由于采用轮流单独通信的方式,会大幅降低网络容量。

Wi-Fi 6中则引入了一种新的同频传输识别机制——BSS ColoringBasic Service Set coloring)机制。为每个AP“着色,即在PHY报文头增加6bit的标识符区分不同AP,这样一来,当路由器或设备在发送数据前侦听到信道已被占用时,会首先检查该占用BSS Coloring,确定是否是同一AP的网络。如果颜色相同,则认为是同一BSS内的干扰信号,发送将推迟;如果不是,则不用避让,从而允许多个AP在同一信道上运行,从而有效缓解多路由场景下同信道干扰退避的问题,提升频谱资源利用率。5

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2-6 无BSS Color机制与有BSS Color机制对比

扩展覆盖范围(ER)

Wi-Fi 6标准采用的是Long OFDM symbol发送机制,每次数据发送持续时间从原来的3.2us提升到12.8us,更长的发送时间可降低终端丢包率;另外Wi-Fi 6最小可仅使用2MHz频宽进行窄带传输,有效降低频段噪声干扰,提升了终端接受灵敏度,增加了覆盖距离。如下图5 802.11acWi-Fi 5802.11axWi-Fi 6)。

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2-7 Long OFDM symbol与窄带传输带来覆盖距离提升

目标唤醒时间(TWT)

最后就是Wi-Fi 6针对功耗做出的优化。Wi-Fi 6采用一种叫TWTTarget Wakeup Time,目标唤醒时间)的功能,允许终端设备在不进行数据传输时进入休眠状态。此外,Wi-Fi 6AP还可以设定TWT 编排计划,将STA(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,对采用电池供电的终端来说,可节省高达7倍的电池功耗4 。这对于许多物联网应用,如智能家居、农业监测、工业自动化和智慧城市等领域意义非凡。

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