5G 和 Wi-Fi 市场与技术的一些思考系列之二

3       Wi-Fi 技术的发展

3.1    Wi-Fi 6：一个时代的革新

在前面的章节中详细的讨论了帧的结构和细节，其目的是为本节和未来几节打下基础。在 Wi-Fi 6 之前，既有的标准已经在物理层和 MAC 层上进行了各种各样的创新以期提供更高的带宽，但是它同时导致了很多问题，比较典型的场景如高密度部署和使用下，效率会快速下降，吞吐量遭遇瓶颈，终端使用者的体验非常难以提高。在面对新业务的需求例如全高清、4K 视频、AR、VR、Cloud gaming 时，原有的 Wi-Fi 技术标准面临了巨大的挑战。除了创新业务和数字化转型的需求以外，运营商也越来越多的在 Wi-Fi 上引入传统业务，例如移动终端上的 VoWifi 就对 QoS 和高密度部署有着很高的诉求，下面的章节会专门探讨这个问题。在未来的章节中还将比较 5G 和 Wi-Fi 6 在技术上的差别，事实上在 Wi-Fi 6 大量的使用了 5G 通信的技术，我们即将揭开这个谜底。

用一句话总结 Wi-Fi 6 的主要革新，即高带宽、高并发、低时延、低耗电，两高两低，其中最重要的一条高带宽则需要通过分析影响 Wi-Fi 速率的四个因子来解决：空间流，子载波数量，编码方式，信号传输时间。下面四个小节会简单的从原理上解释 Wi-Fi 6 是如何实现这一目的的。

3.1.1    MU-MIMO

把 MU-MIMO 技术放在最前面的一个章节，是因为早在 802.11n 即 Wi-Fi 4 中就已经引入 MIMO，而从 802.11ac 即 Wi-Fi 5 中引入了 4 用户的 MIMO 技术，802.11ax 即 Wi-Fi 6 更是将其继续增加到了 8 用户。同时从另外一个角度而言，MIMO 在 Wi-Fi 中间是一个相对新的名词，如同第一代 Wi-Fi 时就存在的 OFDM 相比其出现要晚的多，但在传统的蜂窝无线通信中 MIMO 的概念要出现的早的多，早在 3G 时代就已经开始使用相应的技术，这恰恰反映了 Wi-Fi 特别是 Wi-Fi 6 以来的一个重要趋势：即传统蜂窝无线通信中的大量技术被借鉴甚至重用到 Wi-Fi 技术中，后面会重点比较。下面看具体看看 MU-MIMO 如何工作，MU-MIMO 的全称是 Multi User-Multi Input Multi Output 即多用户-多输入多输出系统。早在 1908 年马可尼就提出了这个概念，但真正的标准化却要到 3G 时代，主要的原因是空分复用的出现解决了相长干涉的缺陷。学习过和熟悉信息论的读者都知道信道容量的计算公式，即著名的香农公式：

C=B*log₂(1+S/N)

其中 C 代表信道容量，B 代表信道带宽，S/N 则代表信噪比，在极限情况下信道容量约等于 1.44 倍信道带宽，但是在现实生活中信号都有各种各样的衰减，所以信道容量永远都达不到极限容量。MIMO 的出现正是希望增加信道的容量，而方法简单的说就是通过增加多个信道。如果假设发射天线的数量是 N，接受天线的的数量是 M，根据 MIMO 系统的信道传输特性和香农公式可以得出如下结论：

C={min(N,M)}B*log₂(1+S/N)

简单的说，MIMO 系统信道的总量会随着发射和接受天线数量的增加而线性增加。在本小节的语境中，MIMO 即指从 AP 到终端的天线信号数量，此时我们已经可以很自然的理解 MU 的概念：即 AP 和终端都是多天线的情况下，允许 AP 和多个天线同时进行通信，此时系统的容量会有一个大幅度的增加。在华为的《Wi-Fi 6，在线阅读版》中有一个非常直观和形象的比喻，此处应用如下：

即同一个 AP 通过多个天线和多个终端同时建立通信，从而大大的提高了传输的带宽。实际上除了在 Wi-Fi6 中使用了 MIMO，在 5G 通信中其作用更是发挥到了极致，在本节已经普及了基本概念，在后面的章节了我们会看到 5G 和 Wi-Fi 的相爱相杀，或者准确的说在技术上的互相促进。

3.1.2    OFDMA vs OFDM

和 MIMU 的概念类似，OFDMA 在 802.11ax 中引入已是 2019 年，而在 4G 刚刚兴起的 2007 年-2008 年，OFDMA 已经成为其中的标准技术。为了讲清楚 OFDMA 和 OFDM 的概念，需要大量的数学和通信基础，从三角函数到傅里叶变换，从时域到频域，再加上调制等技术。本文笔者虽然长期工作在通信领域同时兼具通信领域的硕士背景，在此不准备展开长文分析和阐述，我们的目的是为了讲清楚 802.11ax 和前面几代 802.11 标准上的差别，以及为什么可以增加带宽的原因。

为了解释 OFDMA 和 OFDM 的差别，首先需要阐述什么是 OFDM，即正交频分复用，其英文全称是 Orthogonal Frequency Division Multiplexing，该技术广泛的运用于 Wi-Fi 的各个标准，同时在蜂窝通信技术中也得到了广泛的使用。OFDM 的主要思路是将信道分成多个子载波，每个子载波信道之间是正交所以不会产生互相干扰，通过对每个子信道进行调制和传输，从而提高频谱的利用率。由于 DSP 技术的成熟，子载波信道的调制和解调可以非常容易的通过傅里叶变换和逆傅里叶变换来实现。为了防止在播间干扰，通过也会增加一个空子载波。其原理可以通过下图来说明。（来源：微波射频网）

OFDMA 的全称是 Orthogonal Frequency Division Multiple Addressing，即正交频分复用多址。OFDMA 和 OFDM 的差别在于，通过引入 ODFM 的子载波 OFDM subcarriers 或 ODFM tones，以及更长的 OFDM Symbol 时间，子载波间隔变的更窄，每个用户传输数据时不再需要占据整个信道，从而可以实现每个时间段内多个用户同时传输数据。OFDMA 区别于 OFDM 最重要的差别在于引入了 RU(Resource Unite)的概念，一个字载波并不完全等同于一个子信道，802.11ax 通过引入 RU 的方式将不同的子载波组合形成一共 7 种 RU 类型，和不同的频段结合形成了 29 种全新的组合，从而大大的提高了信道的使用效率。

在 802.11ax 的 OFDMA 中共有三种类型的子载波：

数据子载波(Data Tones)：用于承载数据，通过引入了新的 MCS(Modulation and Coding Schemes)来进行更高的调制解调。

导频子载波(Pilot Tones)：用于发送者和接收者之间的同步。

未使用的子载波(Guard Tones)：用于抵抗来自相邻信道或相邻子信道的干扰从而实现保护的目的。

结合前文所述的 MU-MIMO，多用户结合多个子信道，从而将传输的带宽和效率大大的进行了提升。需要特别指出的是 MU-MIMO 是一种通过增加物理空间上的并发从而提高传输的效率，而 OFDMA 并没有在物理上增加更多的手段，而是通过对频域的细分，减少对信道的占用从而提高传输的效率。

3.1.3    1024QAM

熟悉数字通信原理的读者对于调制这个概念不会陌生，QAM 的全程是 Quadrature Amplitude Modulation，即正交振幅调制或正交幅度调制。对于两个载波如正弦波相移 90 度以后，其相位和幅度变化而互相不产生干扰，在数字信号中通过振幅不同来代表 0 和 1，同时通过相位的调制即 0°，90°，180°，270°四个相位分别表示 00,01,10,11 四种符号，这就是 4QAM 的原理。在 QAM 中通常用星座图来表示信号，如下图所示：

这个一个 16QAM 的典型示例，星座图上的每个点表示 4bit 的信息。星座图上点的数量代表了每个符号所能够传输的比特数，常见的 QAM 包括：

16QAM：            16 个符号，每个符号传输 4bit 的数据。

64QAM：            64 个符号，每个符号传输 6bit 的数据。

256QAM：   256 个符号，每个符号传输 8bit 的数据。

1024QAM： 1024 个符号，每个符号传输 10bit 的数据。

所以我们可以很容易理解在 802.11ax 中每个符号传输的信息量相比上一代标准提高了 25%。

3.1.4    BSS-Coloring

为了引入和解释 BSS-Coloring 技术，首先需要回顾一些基本的概念：什么是 BSS 和 OBSS。BSS 的全称是 Basic Service Set 即基本服务集，其泛指互相有联系的一组无线设备如 AP 和 STA，回顾本文的 2.2.2 小节中特别对地址位字段进行了说明，其中 BSSID 即用于标识基本服务集的 ID，这个 48 位地址长度的标识符用于指示 BSS 服务集的 AP 地址。

其次我们还需要了解动态门限 CCA 机制，即 Clear Channel Assessment。本系列的第一篇文章中的小节 2.2.1 曾经花费不少篇幅来回顾以太网和 802.11 在冲突避免方面的机制，从本质而言是一种半双工的通信机制，无线网络的介质和以太网的介质本无不同，所有发送者的数据都在共享介质中传输。为了提高传输的效率、避免冲突所导致的延迟，无线网络规划了不同的信道，但是在同一个信道上同一时间依然只能允许一个用户进行数据的传输。CCA 使用了载波侦听即 CSMA 中的 CS：Carrier Sense 和能量检测 Energy Detection 来进行协议门限和能量门限的设定和检测。

有了前面的概念 BSS-Coloring 从字面理解就非常容易了，即 BSS 着色技术，通过给不同的 BSS 不通过的颜色来提高无线空间的利用率以及降低 BSS 之间的干扰。BSS-Coloring 的最早引入是在 802.11ah 修正案，而到了 802.11ax 中则正式成为标准技术，其修改在 802.11ax PHY 头部的前导码中，在下图中可以直观的看到 BSS Color 一共可以有 63 中颜色，同时可以使用部分使用和禁用字段来灵活的进行调整。在 802.11ax 中，BSS 颜色标记是通过无线接入控制器来实现的，不同的 AP 在报文的 PHY 和 MAC 进行相应的标记。CCS 启动以后，通过协议门限和能量门限来判断信道是否繁忙，针对不同的 BSS 进行设置以后其接受的灵敏度不同，从而达到区分不同 BSS 的目的，进而提高无线空间的复用效率。

3.2    Wi-Fi 6E：从 Wi-Fi 6 到 Wi-Fi 7 的过渡

首先，从本质上说，Wi-Fi 6E 是 Wi-Fi 6 的一种。从其命名中也可以看出，其中的 E 代表 Extension，即扩展，其扩展的主要是 6G 赫兹频段。如前所述，Wi-Fi 从诞生一直到 Wi-Fi 6 都在使用 2.4G 赫兹和 5 G 赫兹频段。Wi-Fi 6E 则大幅度的增加了 14 个可用信道在 80M 赫兹（合计 1.12G 赫兹带宽），或 7 个额外的可用信道在 160G 赫兹。其工作频段为 5.925–7.125 G 赫兹，即我们平时所声称的 6G 赫兹频。

Wi-Fi 6E 通过继承 Wi-Fi 6 中的既有技术实现 8x8 上行链路/下行链路 MU-MIMO 从而将容量提升四倍，同时前向支持 Wi-F 6 中的原有技术如目标唤醒时间 (TWT)，BSS coloring 等。

WiFi 联盟在 2021 年初推出 WiFi 6E 认证，目前只有支持 6E 协议的设备能够在 6GHz 频段内工作。下图是对 6G 频段分配的一个示意。