物联网系列报告:5G与Wi-Fi6协同发展,高质量网络与物联网驱动

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一、Wi-Fi 标准持续进化
% X, S3 _2 ^' W  f4 f3 p& }# bWi-Fi 是实现WLAN的一种技术。无线局域网（Wireless Local Area Networks/WLAN）是利用射频技术，使用电磁波取代网线，以弥补有线网络覆盖缺陷，达到网络延伸的目的。Wi-Fi（Wireless Fidelity）是符合 IEEE 802.11 系列的无线网络规范，具有相互兼容性的通信技术。从定义而言，Wi-Fi 是实现 WLAN 的一种技术。虽然实现 WLAN 的技术和标准众多，但由于消费领域常见的 WLAN 都是基于 Wi-Fi 标准构建，所以 Wi-Fi 是目前最为主流的技术。
  ]) q8 y! [  C! A; i1 r  ]7 i1.1 Wi-Fi 发展历程
Wi-Fi 已历经二十余年发展。802.11 协议始于 20 世纪 90 年代，电气和电子工程师协会(IEEE)在 90 年代初即成立相关工作组，专门研究和制定无线局域网的保准协议。随着时间推移，802.11 协议有不同版本进行迭代以满足网络需求。
802.11 协议部分重要发展历程：
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  B3 E% i& G- [& H第一代协议 IEEE 802.11-1997 于 1997 年 6 月推出，但由于其在传输速度和距离上不具备竞争力，所以其普及程度较低。其后，IEEE 802.11 a/b 协议被推出，其中 802.11 a协议将频段定在 5GHz，其在物联层的最高速率有较大幅度提升，达到 54Mbps，但由于芯片开发缓慢等原因，发展受到了限制；而 802.11 b 协议则基于 2.4GHz，虽然其传输速度较 802.11 a 低，但其在覆盖范围和穿透能力较好。由于 802.11 a/b 协议无法兼容，而 b 协议在实用性上更胜一筹，所以其在当时占领了市场。
7 q4 E9 _8 k& F& u0 g# x! @802.11 g 协议是 IEEE 在 2003 年 7 月制定的第三代标准，其融合了前一代协议的两个版本，在 2.4GHz 和 5GHz 均能实现传输。此外，从这一代协议开始，IEEE 将向后兼容的特性加入到新协议制定中，为实际使用提供便利。由于流媒体等服务兴起以及家庭和企业对带宽需求不断上升，前几代协议已无法满足使用要求，所以在 2009 年新一代协议802.11 n 被推出，其基于 2.4GHz 使用了多输入多输出（MIMO）、波束成形和 40Mhz 绑定等技术，使得传输距离更远且速率最高可达 600Mbps。
随着时间推移，使用 2.4GHz 频段进行传输的协议越来越多，可用带宽被严重压缩。所以，第五代协议 801.22 ac 聚焦于 5GHz 频段优化。在这一代协议中，在维持良好向后兼容性的同时，提高了单个通道的工作频宽和频率调制效率。此外，其还支持多用户-多输入多输出（MU-MIMO）。MU-MIMO 路由信号可在多维度进行拆分；与上一代 MIMO 技术相比，其能实现并行处理。相关技术引进在提高即时传输率的同时，也对网络资源进行优化。
3 `* H* v! Q0 n5 s5 \( }! T& \5 c& I目前， 802.11 ax 协议是最新版本，其是在 2019 年 9 月推出。与 802.11 ac 相比，新版协议除对 5GHz 频段进一步优化外，对 2.4GHz 频段也给予关注。对于 802.11 协议而言，每一次迭代都通过引入新技术，从而实现网络性能提升。
Wi-Fi 联盟推动相关标准发展。Wi-Fi 联盟前身是无线以太网路相容性联盟（WECA)。在1999 年，为推动 IEEE 802.11b 规格的制定，组成了无线以太网路兼容性联盟。此外，联盟还为符合相关标准的产品提供验证服务，解决不同设备间兼容问题，从而推动 IEEE 802.11 协议发展。在 2002 年，WECA 改名为 Wi-Fi 联盟。目前，Wi-Fi 联盟已经将部分标准名称进行了简化，其中最新一代协议 IEEE 802.11 ax 称为 Wi-Fi 6；IEEE 802.11 ac称为 Wi-Fi 5。
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1.2 Wi-Fi 6 实现创新和优化
Wi-Fi 6 在性能实现较大幅度提升。随着视频会议、移动教学等应用场景日渐增加，使用网络的终端设备数量也在持续攀升，日益增加的终端设备将影响网络效率。目前，Wi-Fi6 引入上行 MU-MIMO、OFDMA 正交频分多址接入、1024-QAM 高阶调制等技术，将从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题。目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量相比如今的 Wi-Fi5 提高至少 4 倍，并发用户数提升 3 倍以上。

; P6 H0 R' U! Y  e1.2.1 正交频分多址（OFDMA） 从 OFDM 向 OFDMA 转变。在 Wi-Fi6 之前，数据传输是使用 OFDM 模式进行传输。在这种模式下，在一个时间片段中，单个用户将占据所有子载波，并发送一个完整的数据包。这种传输模式虽然能满足单个用户的使用需求，但在数据包较小的情况下，单个用户并不需求使用所有子载波。所以，这种传输模式在一定程度上将造成网络资源浪费，且在多用户的情况下将会增加其他用户等待时间。为改善用户网络体验，OFDMA 被引入 Wi-Fi6协议中。OFDMA 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。此外，在 Wi-Fi6 协议中，最小子信道“资源单位”（RU）至少包含 26 个子载波，由于用户数据通过子载波承载在 RU 上，所以在每一个时间片上，可实现多个用户同时进行传输。

OFDMA 传输模式能更好适应小数据包使用场景。由于在实际传输过程中存在部分节点信道状态不佳的情况，若无法进行有效调节则存在数据丢失的可能。但这种现象在 Wi-Fi6中能得到有效缓解，由于 OFDMA 传输模式中 RU 为最小子信道且 Wi-Fi6 可根据信道质量来分配发送功率，所以其能实现使用最优 RU 资源进行传输。对于用户而言，在使用中对于带宽的需求不尽相同；在 OFMDA 模式下，单个客户可使用一组或多组 RU 从而满足对带宽需求。而在多用户场景中，由于 OFDMA 传输中能实现多个用户共享信道，与 OFDM相比，在时延上将得到有效改善。OFDMA 传输模式能满足用户的不同需求，其在小数据包的传输效率更高、效果更好。
) v9 s- N3 h& _4 b8 i# @1.2.2 多用户多输入多输出（MU-MIMO）
: D9 G' d. _% t9 \, t) M" EMIMO 技术提升数据吞吐量。MIMO 技术包含空间分集和空间复用。其中空间复用能在不改变信道带宽的前提下，同时传输单个用户的多个数据或者多个用户的数据。在 MIMO技术中，可分为单用户 MIMO(SU-MIMO)和多用户 MIMO(MU-MIMO)。SU-MIMO 在传输过程中AP 只能与一个用户通信，这种通信方式能增加单用户的吞吐量。MU-MIMO 与 SU-MIMO 相比，能与多个终端同时进行传输。由于 MU-MIMO 技术能实现 AP 与多个终端并发传输，所以同一时间的数据吞吐量得到提升。在 802.11ac Wave2 标准中，其所引入 MIMO 技术只支持数据下行且最多只能同时给 4 个用户传输数据，对于用户的上行数据仍然采用一个一个发送的方式，不能并发。但在 Wi-Fi6 中，这种技术得到更为充分利用。
Wi-Fi6 使用完整 MU-MIMO 技术。在数据下行端，在 802.11ac 协议中，部分版本已支持DL 4X4 MU-MIMO；而在 Wi-Fi6 中，DL MU-MIMO 得到进一步提升，其已支持 8X8 传输模式。而在数据上行端，在之前协议中仅支持 UL SU-MIMO，Wi-Fi6 则首次将 UL MU-MIMO引入，实现在多用户的情况下使用相同的信道资源在多个空间流上传输数据。所以，在Wi-Fi6 中引入 DL MU-MIMO 后，在协议中已支持 DL/UL MU-MIMO 技术。Wi-Fi6 在 MU-MIMO技术加持下，在多用户数据传输环境中性能将得到提升。

1.2.3 目标唤醒时间（Target Wakeup Time）
+ C% {. m+ J" i$ s' C- oTWT 技术能使得终端拥有更长续航能力。随着科技的发展，越来越多的电子设备加入到无线网络中。在消费端，家庭无线网络中除手机、笔记本等电子设备外，还有存在大量智能家居设备。而这些设备大多使用电池供电，若长时间处于活跃状态且并非处于工作状态，则出现电能浪费的问题。而 Wi-Fi6 引入 TWT 技术，该技术允许设备协商被唤醒时间,在不进行数据传输时进入休眠状态。此技术能有效减少电池消耗，从而达到更长待机时长。
总结：在性能提升方面，除上述所提及的技术外，在 Wi-Fi6 中还引入了更高的调节技术和 BSS Coloring 着色机制等。在相关技术的加持下，通过特定技术使得终端与 AP 之间通信更为通畅，在提升网络承载能力的同时，降低了时延。在消费端，智能家居设备渗透率不断提升，对于网络承载能力提出了更高要求。随着物联网等推进，无论是消费端还是工业端，联网设备数量将会持续攀升，Wi-Fi 网络将成为无线设备入网选择之一。
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