第五代通信技術與WiFi 6空口技術對比探析

袁夫 郭紅

摘?要：在過去的一年時間里，5G網絡的消息層出不窮，5G營業執照正式發放。三大運營商表示，到今年年底，它們將覆蓋至少40個城市。當人們對5G表現出最大的熱情時，WiFi 6也悄然誕生了。本文首先簡要回顧了WiFi 6和蜂窩網絡的發展，然后簡單介紹了它們的技術特點。最后，我們從技術角度對WiFi 6和5G進行了比較，分析了它們的應用場景。

關鍵詞：5G;NR;802.11ax;WiFi 6

由于通信運營商網絡與WiFi網絡之間有相似之處，因此每當在技術層面上有新的更新和迭代時，人們會把兩種類型的網絡進行比較，特別是運營商的室內覆蓋方案與WiFi網絡不僅有功能上的相似之處，還有技術上的相似之處。而這些比較通常不能做到全面分析，在技術理論層面和應用層面分析不到位，從而可能影響到網絡建設和運營的決策。本文通過從技術層面上，不同應用場景下各個技術參數的對比分析，以期在性能上能相關技術人員給予一定的參考。

一、 兩類無線通信系統

（一）WiFi與移動通信網絡的發展

長久以來，WiFi和蜂窩網絡就像兩個移動設備高手，彼此勢均力敵：一個主要的內部，一個主要的外部。多年來，WiFi由于其低流量成本以及高清視頻下載等高數據量場景，一直是蜂窩網絡內部覆蓋范圍的補充。

（二）移動通信系統

20世紀90年代以來，GSM發展到2G，3G，4G再到5G，移動通信是城市中的人人共享式的無線網絡，其中有三大運營商。到2018年，移動通信網絡已經擁有超過80億用戶，而每年的新終端數量達到15億。到了5G時代，用戶數量和新終端的數量將會更大。

（三）WiFi無線通信系統

無線LAN中最成功的技術是WiFi。第一代WiFi 1（11b）誕生于1997年，經過11b，11a，11g，11n，11ac和11ax，WiFi聯盟于2018年統一使用數字代碼命名WiFi。也就是說，從WiFi 1到WiFi 6，其中WiFi 6將于2018年正式商用。到2018年為止，WiFi類終端的庫存超過130億臺，包括大家使用的手機，平板電腦和PC以及其他智能設備。每年新追加的WiFi終端數量超過40億，占到全球人類總數的2/3。

二、 技術對比

（一）5G技術特點

5G支持超寬帶，超低延遲和物聯網三大應用場景，與上一代移動通信相比，融合了新的關鍵技術。

1. 中高頻段通信

3GPP指定新5G空中接口包括兩個主要的光譜范圍FR1和FR2。FR1的最大信道帶寬被定義為100兆赫，和FR2的最大信道帶寬被定義為400兆赫。頻帶中的中頻和高頻的寬的光譜范圍可以具有更大的信道帶寬來重新定義，從而使系統容量和通信速度得到了提高。

2. 載波技術

OFDM是一種3GPP LTE和IEEE 802.11（WiFi）等在內的都在使用的一種標準化的波形。5G需要滿足超大規模連接、超低時延和超大帶寬三大應用場景的需求。而華為提出的F-OFDM，以其支持再配置的循環前綴長度、符號長度、靈活的子載波帶寬等特性，成了主流5G技術標準。

3. 多址技術

一種用于OFDMA的EMB場景的4G多址接入方法，對于EMB場景的5G仍然基于OFDMA。但是，百萬級別接入數每平方公里的mMTC大型連接場景來說，改進的OFDMA可能無法滿足需求，因此2016年中舉行的3GPP RAN1會議決定：eMBB多址接入方式必須基于多址多址接入（OMTC）技術，這種正交頻分尋址技術將不適用于MMTC場景。而非正交頻分多址也成了關注的研究熱點，如華為的SCMA、中興的MUSA和大唐的PDMA等等都在MMTC Release 16上行多址方案中競爭。

4. 多天線技術

多天線是第四代移動通信系統的一個特征，其中包括雙天線、四天線、八天線。而在5G通信系統中，它將顛覆4G時代只能區分二維空間的用戶的弊端，通過更大規模的MIMO多天線，使系統可以識別三個維度的用戶。

5. 新型編碼技術

Polar編碼方案將用來在5G時代的eMBB控制信道方案。而在數據信道的編碼方案選擇中，則會使用LDPC碼。

（二）WiFi 6技術特點

和之前上代的WiFi 5相比，WiFi 6具備很多新的技術特點和規格，它是一種新的協議規范，它的技術特點匯總如下。

1. OFDMA

在提升用戶體驗及效率方面，WiFi 6引入了基于4G的OFDMA（正交頻分多址）技術。這種技術可以保證在多用戶場景下的通信有序和數據傳輸的均衡。

2. 1024QAM

6.9Gbps是WiFi 5的極限連接速率，而在WiFi 6協議標準下這個極限速率可以達到.6Gbps。這便是更高速率的調制1024QAM，所帶來的優勢。

3. MU-MIMO

為提升多用戶接入點在并發數據傳輸上進一步提升帶寬和系統容量，而采用UL/DLMU-MIMO（多用戶多進多出）8*8天線技術。

4. BSS-Color（空間復用技術）

BSS-Color是一種空間復用技術，它可以通過顏色標記技術將自己的網絡和鄰近區域的網絡標記為不同的顏色，并將其命名為BSS-A、BSS-B、BSS-C等等。而這種區分網絡的目的則是可以對這些不同區域的網絡進行有針對性的功率調節，還能根據不同的網絡進行信號檢測閾值的調節，從而使這些網絡能夠并行傳輸而不相互干擾，也舍不得空間利用率增加。

5. 智能節電方案TWT

TWT（Target Wakeup Time）目標喚醒時間是WiFi 所支持的一項重要能源調配功能。適用于多設備并行上網的場景。如果所有設備都并行接入則會出現爭搶網絡資源的情況，并且造成信號的相互干擾。而目標喚醒時間功能則可以將所有接入設備的休眠和喚醒時間進行統籌分組，讓這些設備之間錯峰喚醒，以便高效無干擾的進行數據傳輸。

（三）5G與WiFi 6對比

1. eMBB場景

（1）理想速率

首先在eMBB場景，5G采用的是256QAM物理層調制方式，FR1和FR2的頻率帶寬分別是100MHz和400MHz。而WiFi 6的物理屋調制方式則為1024QAM，帶寬的最高頻率是在160MHz。從天線數量上對比，5G的天線數量可達64T64R，而WiFi 6則是最多8T8R。綜上所述，5G與WiFi 6的上下行速率分別為20Gbps和9.6Gbps。

（2）單設備覆蓋范圍

設備的信號覆蓋范圍和設備的發射功率是直接相關的，發射功率越強覆蓋范圍越大，發射功率弱則覆蓋范圍越小。作為5G的基站設備來說，它的發射功率較大，一般在60W左右，這使其覆蓋范圍可以達到公里級別;而根據需要不同在小區或是屋內覆蓋信號，為了降低成本，一般為采用發射功率不超過10W的設備，這也使得它的覆蓋范圍大幅減少到5000～10000平方米以內;0.2W以內，則是對WiFi 6AP的國家認證標準，這使得它的覆蓋范圍在500～1000平方米以內。綜上所述，5G的覆蓋范圍接近于WiFi 6的10倍。

（3）室內單用戶體驗

標準的用來覆蓋室內的小型基站天線，通常的速率在1.5Gbps至2Gbps之間，采用的天線數量為4T4R。相比來說，WiFi 6天線的數量占用優勢，它可以達到8T8R，速率也能達到3Gbps至4Gbps。另外還要考慮5G單設備的覆蓋范圍問題，它的覆蓋范圍是WiFi 6的十倍，相應的，它的帶寬也會是WiFi 6的十分之一了，因此，就室內的用戶體驗來說，WiFi 6的用戶體驗更佳。

2. mMTC場景

（1）理想速率

所述5G MMTC方案中，可以預期，NB-IOT和EMTC用作大的連接的物理層的空中接口技術。NB-IOT占用的總帶寬180KHZ，調制方式為BPSK，QPSK，并且是GMSK。理想的上行和下行速率為250kbps。在1.4MHZ，EMTC的載波帶寬，物理層技術是與LTE網絡相同，它被部署在LTE網絡的頻帶，設有1Mbps的理想的上行鏈路和下行鏈路速率。OFDMA和TWT技術在WiFi 6中的使用，使其也具備物聯網的場景和功能。在160MHz帶寬的條件下，理論上可以有74個設備被允許接入，160M帶寬的速率是1200Mbps，平均到每個設備的上下行速率可能達到16.2Mbps。

（2）覆蓋范圍

覆蓋增強20dB，這是在GSM的基礎之上增加的，這是NB-IOT的設計目標。在上行增加覆蓋范圍的方法是功率的譜密度增加;而下行覆蓋的增強則是通過增加重傳的次數實現的。在LTE基礎上增加15dB，是eMTC的設計目標。而它的覆蓋增強方法與NB-IOT的一樣。因此，NB-IOT和eMTC的覆蓋范圍都比現階段的LTE網絡基站強。而WiFi 6則是把能量子信道RU中，它的帶寬很窄，只有2MHz。它同樣也是通過功率的譜密度增加來實現的。這種模式也適用于將來從室內應用到室外，也為未來的智慧園區等應用奠定了基礎。綜上所述，NB-IOT及eMTC的覆蓋范圍要強于WiFi 6。

（3）連接數量

SC-FDMA是NB-IOT和eMTC所采用的上行模式，而下行則采用OFDMA多址技術。NB-IOT的設備接入數量為每個基站可達10萬個，eMTC相對較少，但也能達到5萬個接入。WiFi 6的OFDMA技術允許在頻域將載波劃分為多個RU單元，并規定至少26個子載波為一個RU。理論上160MHZ帶寬下可以劃分為74個RU，可實現74個用戶設備連入WiFi 6。所以，在單個基站的接入設備數量上來說WiFi 6弱于5G mMTC技術。

（4）功耗

由于NB-IoT和eMTC采用相同的技術，得益于PSM（power savingmode，省電模式）、eDRX（DiscontinuousReception，擴展的不連續接收）和延長周期定時器，幾種技術的疊加，使得它們在功耗控制上可以實現電池供電，續航5到10年。反觀WiFi 6它所使用的TWT技術設備終端休眠，只是相較于上代的WiFi 5有技術優勢，它只能實現設備的有計劃的休眠和喚醒，因此，其和5G技術相比，相差較大。

三、 總結

通過對通信運營商5G網絡和新的WiFi 6標準網絡在技術層面上的參數對比，可以發現兩種網絡類型在不同應用場景下的性能參數各有優劣。在提供高密度用戶接入，大容量接入方面，WiFi 6可以有效地提升組網和接入性能，并大幅降低成本。而5G由于引入了更多的頻率帶寬，可以在有效增強移動性能的同時，解決了公共區域的AP接入點覆蓋問題，在這些場景下，5G相較WiFi 6的建設成本是較低的。從前面的場景和專項對比中可以發現5G面向的應用更適合于室外大面積的場景，而WiFi 6則適用于室內小范圍的場景。不論是WiFi 6還是5G，都已經發展到五代至六代，技術積累也達到相當的數量和級別。而從存量層面來說，這兩種技術都已經被大眾所廣泛應用，但它們都有各自的適用范圍，短期內誰也無法取代另一個，是一種互補的關系，今后將長期共存。

作者簡介：

袁夫，郭紅，河南省鄭州市，鄭州澍青醫學高等專科學校。