關于探索5G時代的WiFi6應用

上海潤欣科技股份有限公司創(chuàng)研社

導語：近半年來，5G網(wǎng)絡的的消息和應用 層出不窮，5G的商用牌照也已發(fā)布，三大運營商也迫不及待的發(fā)布對5G的部署及規(guī)劃。在人們對5G展示最大熱情的時候,作為一直以來和蜂窩網(wǎng)絡勢均力敵的wifi也不甘落后，WIFI6悄然面世。潤欣科技在無線通信行業(yè)有深厚的技術沉淀，積累了豐富的應用經驗，所以想借此機會跟大家一起探討交流wifi6的發(fā)展與應用。

本文主要分為4個部分：

1. wifi的發(fā)展歷程及WIFI6技術革新

2. wifi6和5G的對比，以及這兩種技術互利共贏的方式

3. 高通新一代的wifi6芯片QCA6391

4. wifi6芯片的新增RF性能以及測試挑戰(zhàn)

一、Wifi的發(fā)展歷程及WIFI6技術革新

wifi的發(fā)展歷程

第一代無線局域網(wǎng)協(xié)議推出于1997年，其物理層工作在ISM的2.4G頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbps。由于它在傳輸速度和傳輸距離上的表現(xiàn)都不太好，因此并未被大規(guī)模使用。

1999年，IEEE制定了802.11a標準，直接將其頻段定在了5GHz，使物理層的最高速率達到了54Mbps，但是，802.11a產品中5GHz的組件研制成功太慢，再加上802.11a的一些弱點和一些地方的規(guī)定限制導致802.11a也沒有被廣泛的采用。

802.11b協(xié)議，幾乎和11a同時制訂。11b協(xié)議基于2.4GHz頻率，最大的傳輸速度只有11Mbps，相比于11a來說雖然速率低了很多，但憑借著在傳輸距離和穿墻能力上的優(yōu)勢及當時802.11a的核心芯片研發(fā)進度緩慢的原因，11b迅速占領了市場。

802.11g協(xié)議推出于2003年7月，是IEEE制訂的第三代Wi-Fi標準。它繼承了802.11b的2.4GHz頻段和802.11a的最高54Mbps傳輸速率。同時，它還使用了CCK技術后向兼容802.11b產品。

隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，在線圖片、視頻、流媒體等服務對無線局域網(wǎng)技術提出了更高的帶寬要求，為滿足用戶需求， 2009年，IEEE宣布了新的802.11n標準， 802.11n協(xié)議憑借MIMO、波束成形及40Mhz綁定等技術使最高傳輸速率達到了600Mbps。

2016年7月IEEE推出了第5代Wi-Fi標準802.11ac ， 11ac工作在5GHz的頻段上，在提供良好的后向兼容性的同時，把每個通道的工作頻寬由802.11n的40MHz，提升到80MHz甚至是160MHz，再加上大約10%的實際頻率調制效率提升，最終理論傳輸速度由802.11n最高的600Mbps躍升至1Gbps。

2018年10月3日，Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）將基于802.11ax標準的WiFi協(xié)議正式納入正規(guī)軍，成為第六代WiFi技術。借著這個機會，聯(lián)盟又將WiFi規(guī)格重新命名，之前標準802.11n改名WiFi 4，標準802.11ac改名WiFi 5，新標準802.11ax改名WiFi 6。

Wifi6的技術革新

802.11ax又被稱為“高效率無線標準”（High-Efficiency Wireless，HEW），將大幅度提升用戶密集環(huán)境中的每位用戶的平均傳輸率，有效減少網(wǎng)絡擁塞、大幅提升無線速度與覆蓋范圍。其實，設計802.11ax的首要目的是解決網(wǎng)絡容量問題，因為隨著公共Wi-Fi的普及，網(wǎng)絡容量問題已成為機場、體育賽事和校園等密集環(huán)境中的一個大問題。那么作為新一代WiFi協(xié)議的11ax具體都有哪些技術上的突破呢？

1、wifi6支持2.4G與5G

802.11ax協(xié)議基于2.4GHz和5GHz兩個頻段，這種雙頻段，并非是ac雙頻路由器那樣不同的頻段對應不同的協(xié)議，ax協(xié)議本身就支持兩個頻段。這顯然迎合了當下物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等發(fā)展潮流。對于一些對帶寬需要不高的智能家居設備，可以使用2.4GHz頻段去連接，保證足夠的傳輸距離，而對于需要高速傳輸?shù)脑O備，就使用5GHz頻段。

2、支持1024-QAM，數(shù)據(jù)容量更高

從調制上看WiFi 5是256-QAM，WiFi-6是1024-QAM，前者的數(shù)據(jù)流最大支持4個，后者則最大支持8個，因此WiFi 5的理論吞吐量可以做到3.5Gbps，而WiFi 6則可以做到驚人的9.6Gbps。

3、支持完整版的MU-MIMO

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）即為為多輸入多輸出技術，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，實現(xiàn)以更小的代價達到更高的用戶速率，從而改善通信質量。實際上 IEEE在802.11n協(xié)議時代就引入了MIMO技術，而MU-MIMO技術可以理解為它的升級版或者是多用戶版本。

通俗來說，以前在802.11n上面的MIMO只能說是SU-MIMO即單用戶MIMO，傳統(tǒng)的SU-MIMO路由器信號呈現(xiàn)一個圓環(huán)，依據(jù)遠近親疏，依次單獨與上網(wǎng)設備進行通訊。當接入的設備過多時，就會出現(xiàn)設備等待通訊的情況；更為嚴重的是，這種依次單獨的通訊，是基于設備對AP（路由器或熱點等）總頻寬的平均值。也就是說，如果擁有100MHz的頻寬，按照“一次只能服務一個”的原理，在有3個設備同時接入網(wǎng)絡的情況下，每個設備只能得到約33.3MHz頻寬，另外的66.6MHz則處于閑置狀態(tài)。即在同一個Wi-Fi區(qū)域內，連接設備越多寬頻被平均得越小，浪費的資源越多，網(wǎng)速也就越慢。

MU-MIMO路由器則不同，MU-MIMO路由的信號在時域、頻域、空域三個維度上分成三部分，就像是同時發(fā)出三個不同的信號，能夠同時與三部設備協(xié)同工作；尤其值得一提的是，由于三個信號互不干擾，因此每臺設備得到的頻寬資源并沒有打折扣，資源得到最大化的利用，從路由器角度衡量，數(shù)據(jù)傳輸速率提高了3倍，改善了網(wǎng)絡資源利用率，從而確保Wi-Fi無間斷連接。MU-MIMO技術就是賦予了路由器并行處理的能力，讓它能夠同時為多臺設備傳輸數(shù)據(jù)，極大地改善了網(wǎng)絡擁堵的情況。在今天這種無線聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量爆發(fā)式增長的時代，它是比單純提高速率更有實際意義的。

值得一提是WiFi5中也使用了MU-MIMO功能，但它天生不足：設備需要連接在同一5G頻段下，要全部支持MU-MIMO功能。且設備數(shù)量要剛剛好才能觸發(fā)這個功能。最重要的一點是WiFi5下的MU-MIMO功能只支持數(shù)據(jù)下行，上傳數(shù)據(jù)時還是走得SU-MIMO。而WiFi6給我們帶來了完整版的MU-MIMO功能——至少它支持數(shù)據(jù)上行和下行。相比于WiFi中最大的4×4 MU-MIMO規(guī)格，WiFi6擁有了8×8 MU-MIMO——最多可以同時支持向8個終端傳輸數(shù)據(jù)。如此一來適用的場景便多了許多，這時MU-MIMO才到了真正能用的地步。

4、OFDMA技術

長久以來，WiFi一直采用OFDM作為核心傳輸方案。

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復用技術，是由多載波調制發(fā)展而來的一種實現(xiàn)復雜度低、應用最廣的一種多載波傳輸方案。OFDM主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以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，從而可以消除碼間串擾，而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。用一個簡單的例子來說明：假設我們現(xiàn)在有很多車要從A地到B地，沒有使用OFDM技術之前，路是一條路，所有的車四處亂開，橫沖直撞，結果誰都快不了。現(xiàn)在使用了OFDM技術，將一條大路劃分為很多個車道，大家都按照車道駕駛，這樣既可以提高速度，又能減少車與車之間的干擾。同時這條道的車多了，就勻一點到那條車少的道上去，管理上也方便很多。

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。OFDMA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（即11n/ac）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。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包過小時（像聊天記錄），空載的子載波也無法分配給其他終端。而在OFDMA方案（即11ax）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，這樣每一幀就可以同時為9個用戶服務。用卡車拉貨來解釋這個技術最方便直觀了。OFDM方案是為每一個客戶發(fā)一次貨車。不管貨物多少，來一單發(fā)一趟，這樣不免就有貨車空載的現(xiàn)象。而OFDMA方案會將多個訂單合在一起發(fā)貨，讓卡車盡量滿載上路，使得運輸效率大大提升。

不但如此，WiFi6下OFDMA和MU-MIMO的效果可以疊加。兩者呈現(xiàn)出一種互補關系，OFDMA適用于小數(shù)據(jù)包的并行傳輸提高信道利用率和傳輸效率。而MU-MIMO則適用于大數(shù)據(jù)包的并行傳輸，提高單用戶的有效帶寬，同樣能減少時延。

5、TWT機制

TWT機制是專門針對類似智能家居這樣的低速設備而設置的。例如配置2.4GHz頻段、20MHz頻帶的WiFi設備。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)絡數(shù)據(jù)傳輸不高的時段去依次喚醒這些低速設備進行數(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）這樣就可以有效避免網(wǎng)絡擁堵。這也是一種優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬利用率的技術手段。

以上5項技術，他們每一項都有獨當一面之處，再相互結合之后可以讓wifi6迸發(fā)出更高的性能，未來2-3年 ，wifi6會逐漸普及，并取代wifi5。

二、5G和wifi6的對比及二者之間的共存

比起最近比較熱門的5G， WIFI6有哪些優(yōu)缺點呢？那這兩者之間會是怎樣的存在關系呢，接下來，我會從以下4個方面來分享下5G和wifi6的優(yōu)缺點；從而來和大家說明為什么共存是5g和wifi6最好的歸宿。而不是5G取代WiFi6。

5G和WIFI6的對比

1. 應用場景: 5G是運營商部署的網(wǎng)絡， 5G的應用是面向eMBB（大流量移動寬帶業(yè)務）、mMTC（大連接物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務）和uRLLC（超高可靠超時延通信）場景的，以室外為主，5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng) 無人駕駛等領域有強烈的需求。而WiFi6主要以室內短距離覆蓋為主，Wi-Fi6的應用可以在eMBB和mMTC場景作為5G的補充。是企業(yè)辦公的不二選擇。為企業(yè)更加智能化提供更多選擇。另外，從家庭用戶的使用角度來看，只有wifi6才能發(fā)揮出5G的最大功效。

2. 從技術層面

? 理想速率，wifi6的高速是通過MU-MIMO和OFDMA實現(xiàn)的。采用1024QAM，帶寬最高160MHZ，天線數(shù)量最多8T8R，理想速率為9.6Gbps。5G的高速是通過大規(guī)模的MIMO無線電技術實現(xiàn)，大規(guī)模的MIMO無線電技術采用幾十到幾百個天線用于傳播無線電信號，理想速率達到10Gbps， 兩者理想速率相差不大。

? 覆蓋范圍，覆蓋范圍是和發(fā)射強度有關的，Wi-Fi6 AP國家的認證要求發(fā)射功率不超過0.2W，，覆蓋范圍約五百到一千平米；一個室外5G基站發(fā)射功率可達60W，其覆蓋是公里級的。就覆蓋面積來說，5G優(yōu)于wifi6。

? 室內單用戶體驗： Wi-Fi6 AP最高可以是8T8R，實際速率至少為3Gbps-4Gbps。典型的室內5G小基站天線一般是4T4R，實際速率是1.5Gbps-2Gbps。所以，單設備的性能Wi-Fi6會優(yōu)于5G。

3. 頻譜資源：wifi6支持的頻段是2.4GHz和5.8GHz，這些頻譜資源是免費的，成本相對較低。 5G支持1Ghz以下的低頻段，1GHz到6Ghz的中頻段，24/30Ghz到300GHz的高頻多（也成為毫米波）,雖然5G的頻譜資源很寬，很廣，但是 這些頻段都是需要授權的，中國是發(fā)牌照，國外是以拍賣的形式為主。成本非常高。

4. 建設成本：5G網(wǎng)絡因信號易衰減，需經過嚴密規(guī)劃仿真驗證，此外，5G頻帶和波長的特點需要5G基站更密集，導致投入基站成本高。之前運營商在4G的投資在8千億，而5G的投資是4G的2-4倍。相比較而言，wifi6的升級僅需升級主芯片，且主芯片都是ASIC，成本本身就低于5G 所需的FPGA芯片；光纖入戶或者進入企業(yè)后，只需要購買整機Wi-Fi6 AP即可實現(xiàn)部署，成本相對基站而言非常低廉。再加上當前主流的電腦、手機、pad以及無線終端均支持wifi接入，wifi6的應用就更容易迭代出新了。

5G和wifi6的共存

前段時間中國聯(lián)通官方微博爆出：通過華為Wi-Fi 6技術進行網(wǎng)絡拓展，采用聯(lián)通5G網(wǎng)絡接入，將深圳地鐵福田樞紐建成全國首個應用Wi-Fi 6技術的地鐵車站，實現(xiàn)5G與Wi-Fi6技術的完美融合，開啟了Wi-Fi6軌道行業(yè)應用的元年。

在深圳地鐵車站采用的華為Wi-Fi6技術和設備可以提供4倍于傳統(tǒng)Wi-Fi的帶寬，單個AP支持用戶數(shù)提升4倍，平均時延降低50%，覆蓋范圍提升20%。

而對于消費者而言， 使用5G和wifi6 技術來實現(xiàn)隨身WIFI也可以實現(xiàn)高帶寬，低時延便捷使用的特點。比如高通現(xiàn)有的方案SDX55平臺搭載wifi6芯片 （通過PCIe-G3進行通訊）

三、高通新一代wifi6芯片---QCA6391

QCA6391是一款高度集成的SOC芯片，主要應用于IOT，支持80211ax WI-FI

及藍牙5.1，QCA6391支持2.4G與5G實時雙頻工作，也就是常說的DBS功能。

特性：

? 支持11ax協(xié)議并向后兼容 802.11a/b/g/n/ac

? 支持2x2的MU-MIMO

? 支持雙MAC的DBS功能，2x2的工作模式下，吞吐量最高可以達到1774.5 Mbps

? 2.4G的信道帶寬為20/40 MHz,5G的信道帶寬為 20/40/80MHz

? 支持動態(tài)頻率選擇

? 芯片采用了單端射頻輸入輸出口，

? LTE與wifi共存

? wifi與藍牙共存

? 需要晶體或者主平臺產生48MHz參考時鐘，

? 支持外接FEM來實現(xiàn)高功率。

? 另外256腳的NSP封裝

四、802.11ax的RF性能及測試

11ax技術引進了先進的OFDMA和1024-QAM調制技術，對芯片的RF也有了更高的要求，接下來，和大家分享一些RF的新要求及測試難點。

1. 嚴格的EVM規(guī)定：我們都知道11ax采用了1024QAM更高階的調制編碼技術，對應的，MCS相比802.11ac有提升，從原來的MCS9（256QAM）提升到了MCS11（1024QAM）再加上子載波的間隔也從原來的312.5Khz降到了78.125Khz，這意味著調制信號的星座點密度有了更高的要求。映射到我們的RF指標上，就是 EVM。與802.11ac中-32dB的EVM要求相比，該標準針對最高傳輸速率指定的EVM要求為-35dB。而對射頻前端PA的EVM要求更高，目標規(guī)范需達到-47dB的EVM, 為滿足這種新的、更為嚴格的EVM要求，測試儀器要求其EVM噪聲水平應遠低于DUT。據(jù)我所知，Litepiont 羅德等wlan儀器廠商的儀表EVM噪聲是做到了-51db的。

2. 絕對與相對頻率錯誤

802.11ax新引進的OFDMA技術，不僅要求所有用戶同時傳輸，而且還要求OFDMA AP可根據(jù)用戶對帶寬的需求來動態(tài)地改變用戶所占用頻譜的數(shù)量。這兩種要求顯著提高了WIFI頻譜的復雜度，時序同步，頻率對齊以及相應時間等特性就變得很重要。

? 絕對頻率錯誤參數(shù)：待測件會傳送802.11ax訊號框架，而測試儀器則會使用標準參考來測量頻率和頻率偏移。結果將與目前802.11ac規(guī)格的所述數(shù)據(jù)相似，限制約為±20ppm。

? 相對頻率錯誤：測試程序包含兩個步驟。首先，測試儀器會將觸發(fā)幀傳送給待測件。待測件將依照取自于觸發(fā)幀的頻率和頻率信息進行自適應。接著，待測件會使用已修正頻率的幀做出回應，而測試儀器則會測量這些框架的頻率錯誤。在載波頻率偏移和時序補償完成后，而我們需要確認的是：通信可以在400ns的短幀間間隔(SIFS)內傳輸，并在350Hz范圍內與AP時鐘同步。從而確認這個指標是ok的。

3.功率控制

上面我們也提到 OFDMA技術旨在多用戶共享頻譜，但是如果AP側 接到不同用戶功率差異過大，會導致載波間的干擾，功率泄露等一系列的問題，從而影響傳輸質量，所以功率控制是我們必須重視的一個指標。

在802.11ax中，AP是可以命令station根據(jù)AP側的目標RSSI（信號強度）來提高或降低功率的，從而使多個用戶到達AP側的功率等級一致。

控制發(fā)射功率的算法：

1. station估算路徑損耗。AP的發(fā)射功率－station處測得RSSI（信號強度）

2. station算自身的發(fā)射功率并發(fā)送信號：目標RSSI（信號強度）+第一步估算出來的路徑損耗

4.MU-MIMO功能測試

若在MIMO作業(yè)中使用多達8個天線測試802.11ax裝置，其結果可能會與個別及連續(xù)測試每個信號鏈路大不相同。舉例來說，來自各個天線的信號可能會對彼此造成負面干擾，并影響到功率和EVM性能，進而對傳輸率帶來負面且顯著的影響。

測試儀器需要支持每個信號鏈的局部振蕩器亞毫微秒同步化，以確保多個通道的相位微調和MIMO性能不會發(fā)生問題。

以上大概就是11ax RF 新的要求和測試。11ax還在繼續(xù)規(guī)范中。測試需求也會根據(jù)協(xié)議的規(guī)范來繼續(xù)改進。測試儀器廠商及芯片廠商也在不斷優(yōu)化設備及測試方案。讓我們以一個最好的姿態(tài)來迎接wifi6時代的到來。