李 轅,祁 權(quán)
(國家無線電監(jiān)測中心檢測中心,北京 100041)
Wi-Fi全稱為 Wireless Fidelity,是基于 IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)通信技術(shù),目的是實現(xiàn)基于 IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。隨著無線技術(shù)的演進(jìn),在線圖片、視頻、流媒體等服務(wù)與應(yīng)用對無線局域網(wǎng)技術(shù)提出了更高的帶寬和傳輸速率要求,而企業(yè)與個人所擁有的終端數(shù)量不斷增加,為無線局域網(wǎng)在密集環(huán)境中的終端接入能力帶來巨大考驗。
Wi-Fi技術(shù)主要以于無線局域網(wǎng)為主,非授權(quán)頻段為其工作頻段,主要使用2.4 GHz頻段(2.4 GHz–2.4835 GHz)和5 GHz頻段(5.15 GHz–5.35 GHz、5.725 GHz–5.850 GHz)。Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)由美國電氣電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,以下簡稱“IEEE”)制定,而 Wi-Fi的授權(quán)認(rèn)證和商業(yè)推廣由 Wi-Fi聯(lián)盟( Wi-Fi Alliance)負(fù)責(zé)。
1997年,IEEE制定了第一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEEE 802.11,即第一代 Wi-Fi技術(shù),工作頻段為2.4 GHz的非授權(quán) ISM頻段,總數(shù)據(jù)傳輸速率為 2 Mb/s。
1999年,IEEE在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了IEEE 802.11b,即第二代Wi-Fi技術(shù),這種技術(shù)采用了與原IEEE 802.11無線標(biāo)準(zhǔn)相同的2.4 GHz頻段,但是將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了 11 Mb/s。
2002年,IEEE又發(fā)布了一個更快的IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn),即第三代Wi-Fi技術(shù),該標(biāo)準(zhǔn)不再是工作在日益擁擠的2.4 GHz頻段,而是運(yùn)行在5 GHz頻段,所支持的速度高達(dá) 54 Mb/s。
2007年,IEEE基于多天線技術(shù)開發(fā)了第四代Wi-Fi技術(shù)EEE 802.11n,該技術(shù)可支持2.4 GHz或 5 GHz頻段,最低數(shù)據(jù)傳輸速率150 Mb/s,最高數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到 450 Mb/s。
2012年,IEEE發(fā)布的第五代 Wi-Fi技術(shù)IEEE 802.11ac,只運(yùn)行于 5 GHz,能夠提供最少 1 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸速率。
2019年,IEEE發(fā) 布 最 新 的 Wi-Fi標(biāo) 準(zhǔn) 協(xié) 議802.11ax,即Wi-Fi 6,其工作頻段可同時支持 2.4 GHz和5 GHz頻段,最高傳輸速率達(dá) 9.6 Gb/s。2020年,Wi-Fi聯(lián)盟宣布將可在 6 GHz頻段運(yùn)行的 Wi-Fi 6設(shè)備命名為 Wi-Fi 6E(E代表Extended)。目前,Wi-Fi 6E工作頻段為 5.925 GHz–7.125 GHz共1.2 GHz的帶寬,2.4 GHz(2.412 GHz–2.484 GHz)及5 GHz(5.15 GHz–5.825 GHz)頻段。[1]
多用戶-多輸入多輸出( MU-MIMO)技術(shù)是指在無線通信系統(tǒng)里,一個基站同時服務(wù)于多個移動終端,基站之間充分利用天線的空域資源與多個用戶同時進(jìn)行通信。[2]
Wi-Fi 6支持上下行的 MU-MIMO技術(shù),可以一次同時支持 8臺終端設(shè)備上行 /下行傳輸更多數(shù)據(jù)。MUMIMO路由的信號在空域、時域、頻域空域三個維度上相互獨(dú)立,同時發(fā)出不同的信號,能夠同一時間與三臺設(shè)備協(xié)同工作。由于三部分信號互不干擾,因此每臺設(shè)備得到的頻寬資源得到最優(yōu)化的利用,從路由器角度對比,數(shù)據(jù)傳輸速率提高了3倍,優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)資源利用率,從而確保 Wi-Fi不間斷連接。MU-MIMO技術(shù)給予了路由器并行處理的能力,適用于大數(shù)據(jù)包的并行傳輸,使路由器能夠同時為多臺設(shè)備傳輸數(shù)據(jù),提高單用戶的有效帶寬,減少時延,極大地改善了網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況。
Wi-Fi以O(shè)FDM(正交頻分復(fù)用技術(shù))作為核心傳輸方案。該技術(shù)將信道分成若干正交子信道,可將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,從而調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號通過相關(guān)技術(shù)在接收端進(jìn)行區(qū)分,來減少子信道之間的相互干擾( ISI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬,因此,每個子信道上可以看成平坦性衰落,從而消除碼間串?dāng)_,且每個子信道的帶寬僅為原信道帶寬的一小部分,信道均衡更易實現(xiàn)。
正交頻分多址( OFDMA)技術(shù)是在OFDM的基礎(chǔ)上加入多址(即多用戶)技術(shù)演進(jìn)而來的。[3]OFDMA技術(shù)將幀結(jié)構(gòu)重新設(shè)計,細(xì)分成若干資源單元,為多個用戶服務(wù)。以20MHz信道為例,在OFDM方案里每一幀由52個數(shù)據(jù)子載波組成,但由于這一幀只為一個終端服務(wù),傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包過小的時候,空載的子載波也無法分配給其他終端,而在 OFDMA方案里每一幀由 234個數(shù)據(jù)子載波組成,每26個子載波定義為一個資源單元,每個資源單元可以為一個終端服務(wù),這樣每一幀就可以同時為 9個用戶服務(wù),從而提升傳輸效率。
OFDM使無線路由器一次只能與一臺手機(jī)通信,即使只是在網(wǎng)頁上加載一張圖片,都要占用整個通信周期。Wi-Fi 6的編碼類型升級到 OFDMA,即正交頻分多址技術(shù),適用于小數(shù)據(jù)包的并行傳輸,能夠讓無線路由器在一個通信周期內(nèi)跟多臺手機(jī)同時通信,同時盡可能壓縮每次通信周期的數(shù)據(jù)傳輸量,以提高傳輸效率和信道利用率,從而使網(wǎng)絡(luò)更暢通。
正交幅度調(diào)制( QAM調(diào)制)是一種在兩個正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式,這兩個載波通常是正弦波,因此被稱作正交/2π°(90是相位差為載波。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù),其幅度和相位同時變化,利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特,因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的頻帶利用率?;?IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的第五代Wi-Fi技術(shù)主要采用 256-QAM的調(diào)制技術(shù),數(shù)據(jù)流最大支持4個,而 Wi-Fi 6采用的是1024-QAM調(diào)制技術(shù),數(shù)據(jù)流最大支持 8個,因此,第五代 Wi-Fi 256-QAM調(diào)制技術(shù)的理論傳輸速率可達(dá)到3.5 Gb/s,而 Wi-Fi 6 1024-QAM調(diào)制技術(shù)則可以達(dá)到的9.6 Gb/s。
目標(biāo)喚醒時間(TWT)機(jī)制是Wi-Fi 6的一項新技術(shù),終端與 AP之間有時間表,在協(xié)商好的周期到達(dá)時終端醒來,傳輸完成后返回睡眠狀態(tài),減少了保持傳輸和搜索信號所需的時間。路由器會自動生成一個數(shù)據(jù)交換用的喚醒時間,在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不高的時段去依次喚醒這些低速設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,比如下載最新數(shù)據(jù)庫,上傳生成數(shù)據(jù)等操作,從而有效避免網(wǎng)絡(luò)擁堵。TWT作為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的技術(shù)手段的同時,也有效減少了電量消耗,降低 30%終端功耗。
Wi-Fi 6通 過 MU-MIMO、OFDMA、1024 -QAM、TWT等技術(shù)實現(xiàn)了更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與更低的延遲,同時延長了待機(jī)時間并降低了終端功耗。此外,支持 2.4 GHz、5 GHz、6 GHz的使用頻段使得Wi-Fi 6所能利用的頻段與信道增多,在資源分配上也更有彈性。這些新技術(shù)的應(yīng)用使得 Wi-Fi 6技術(shù)能夠極大程度的適應(yīng)未來市場的需求,從而提高其市場普及率。