Wi-Fi 6技術發展現狀綜述

李 轅，祁 權

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

Wi-Fi全稱為 Wireless Fidelity，是基于 IEEE802.11系列標準的無線局域網通信技術，目的是實現基于 IEEE 802.11系列標準的無線網絡產品之間的互通性。隨著無線技術的演進，在線圖片、視頻、流媒體等服務與應用對無線局域網技術提出了更高的帶寬和傳輸速率要求，而企業與個人所擁有的終端數量不斷增加，為無線局域網在密集環境中的終端接入能力帶來巨大考驗。

1 Wi-Fi技術發展歷程

Wi-Fi技術主要以于無線局域網為主，非授權頻段為其工作頻段，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標準由美國電氣電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，以下簡稱“IEEE”）制定，而 Wi-Fi的授權認證和商業推廣由 Wi-Fi聯盟（ Wi-Fi Alliance）負責。

1997年，IEEE制定了第一個無線局域網標準協議IEEE 802.11，即第一代 Wi-Fi技術，工作頻段為2.4 GHz的非授權 ISM頻段，總數據傳輸速率為 2 Mb/s。

1999年，IEEE在原有技術的基礎上形成了IEEE 802.11b，即第二代Wi-Fi技術，這種技術采用了與原IEEE 802.11無線標準相同的2.4 GHz頻段，但是將數據傳輸速率提高到了 11 Mb/s。

2002年，IEEE又發布了一個更快的IEEE 802.11a標準，即第三代Wi-Fi技術，該標準不再是工作在日益擁擠的2.4 GHz頻段，而是運行在5 GHz頻段，所支持的速度高達 54 Mb/s。

2007年，IEEE基于多天線技術開發了第四代Wi-Fi技術EEE 802.11n，該技術可支持2.4 GHz或 5 GHz頻段，最低數據傳輸速率150 Mb/s，最高數據傳輸速率能夠達到 450 Mb/s。

2012年，IEEE發布的第五代 Wi-Fi技術IEEE 802.11ac，只運行于 5 GHz，能夠提供最少 1 Gb/s數據傳輸速率。

2019年，IEEE發 布 最 新 的 Wi-Fi標 準 協 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 9.6 Gb/s。2020年，Wi-Fi聯盟宣布將可在 6 GHz頻段運行的 Wi-Fi 6設備命名為 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]

2 Wi-Fi 6的技術特點

2.1 多用戶-多輸入多輸出技術

多用戶-多輸入多輸出（ MU-MIMO）技術是指在無線通信系統里，一個基站同時服務于多個移動終端，基站之間充分利用天線的空域資源與多個用戶同時進行通信。[2]

Wi-Fi 6支持上下行的 MU-MIMO技術，可以一次同時支持 8臺終端設備上行 /下行傳輸更多數據。MUMIMO路由的信號在空域、時域、頻域空域三個維度上相互獨立，同時發出不同的信號，能夠同一時間與三臺設備協同工作。由于三部分信號互不干擾，因此每臺設備得到的頻寬資源得到最優化的利用，從路由器角度對比，數據傳輸速率提高了3倍，優化了網絡資源利用率，從而確保 Wi-Fi不間斷連接。MU-MIMO技術給予了路由器并行處理的能力，適用于大數據包的并行傳輸，使路由器能夠同時為多臺設備傳輸數據，提高單用戶的有效帶寬，減少時延，極大地改善了網絡擁堵的情況。

2.2 正交頻分多址技術

Wi-Fi以OFDM（正交頻分復用技術）作為核心傳輸方案。該技術將信道分成若干正交子信道，可將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，從而調制到每個子信道上進行傳輸。正交信號通過相關技術在接收端進行區分，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，從而消除碼間串擾，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。

正交頻分多址（ OFDMA）技術是在OFDM的基礎上加入多址（即多用戶）技術演進而來的。[3]OFDMA技術將幀結構重新設計，細分成若干資源單元，為多個用戶服務。以20MHz信道為例，在OFDM方案里每一幀由52個數據子載波組成，但由于這一幀只為一個終端服務，傳輸的數據包過小的時候，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個數據子載波組成，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，這樣每一幀就可以同時為 9個用戶服務，從而提升傳輸效率。

OFDM使無線路由器一次只能與一臺手機通信，即使只是在網頁上加載一張圖片，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，適用于小數據包的并行傳輸，能夠讓無線路由器在一個通信周期內跟多臺手機同時通信，同時盡可能壓縮每次通信周期的數據傳輸量，以提高傳輸效率和信道利用率，從而使網絡更暢通。

2.3 1024-QAM調制技術

正交幅度調制（ QAM調制）是一種在兩個正交載波上進行幅度調制的調制方式，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、相位聯合調制的技術，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更高的頻帶利用率。基于 IEEE 802.11ac標準的第五代Wi-Fi技術主要采用 256-QAM的調制技術，數據流最大支持4個，而 Wi-Fi 6采用的是1024-QAM調制技術，數據流最大支持 8個，因此，第五代 Wi-Fi 256-QAM調制技術的理論傳輸速率可達到3.5 Gb/s，而 Wi-Fi 6 1024-QAM調制技術則可以達到的9.6 Gb/s。

2.4 目標喚醒時間機制

目標喚醒時間（TWT）機制是Wi-Fi 6的一項新技術，終端與 AP之間有時間表，在協商好的周期到達時終端醒來，傳輸完成后返回睡眠狀態，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據交換用的喚醒時間，在網絡數據傳輸不高的時段去依次喚醒這些低速設備進行數據交換，比如下載最新數據庫，上傳生成數據等操作，從而有效避免網絡擁堵。TWT作為優化網絡帶寬利用率的技術手段的同時，也有效減少了電量消耗，降低 30%終端功耗。

3 結束語

Wi-Fi 6通 過 MU-MIMO、OFDMA、1024 -QAM、TWT等技術實現了更高的網絡傳輸速率與更低的延遲，同時延長了待機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。這些新技術的應用使得 Wi-Fi 6技術能夠極大程度的適應未來市場的需求，從而提高其市場普及率。