WIFI6介绍

2023-06-06 阿豪的笔记

Wi-Fi 6 又被称为 802.11ax，是Wi-Fi 联盟对电气和电子工程师协会IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers ）的最新一代无线局域网标准 802.11ax 的命名。

早在 1990 年，IEEE 就已经成立了 802.11 工作组。该工作组致力于制定无线局域网的相关标准，并在 1997 年发布了第一个标准 802.11-1997。之后的每 4~5年， 802.11 标准就会升级换代一次，至今已有 6 代，如图 1 所示。

图1 802.11 标准的演进

2018 年，为了方便记忆和理解， Wi-Fi 联盟决定抛弃之前 802.11n、802.11ac 等专业标准名称，仿照移动通信中代际 3G、 4G、 5G 的划分，如图 2 所示将现有标准简化为数字命名，因此 802.11ax 也有了新名字——Wi-Fi 6。

图2 802.11ax VS Wi-Fi

Wi-Fi 6 作为 Wi-Fi 5 的继任者，相比 Wi-Fi 5，其优势不仅体现在速率的提升上，更主要体现在高密场景下的用户性能提升上，如图 3 所示。

图3 Wi-Fi 6 的性能提升

WIFI6具有以下特征：

大带宽：相较于 Wi-Fi 5 ，Wi-Fi 6除了采用更高阶的 1024-QAM 编码方式外，还增加了子载波数量、空间流数，以及延长了符号（ Symbol）传输时间等技术。WiFi 6最大传输速率9.6Gbps，理论速度比上一代有很大的提升。
低时延：Wi-Fi 5 的 30ms 时延已经无法满足低时延场景的需求，例如 VR/AR 互动*作模拟、全景直播、互动式游戏、沉浸式会议、高清无线投屏等，而 Wi-Fi 6 则是通过引入 OFDMA 有效减少冲突，提升频谱利用率，并且利用空间复用技术 BSS Coloring 减少了同频干扰，令时延降低至 20ms。
高并发：Wi-Fi 6 引入了 OFDMA 和上行 MU-MIMO 等多用户传输技术，进一步提升了频谱利用率，使得 Wi-Fi 6 相比于 Wi-Fi 5，并发用户数提升了 4 倍。
节能：Wi-Fi 6 采用 TWT 技术，按需唤醒终端 Wi-Fi，加上 20MHz-Only 等节能技术，使得终端的功耗降低 30%。

下面对WIFI6的一些关键技术进行介绍

OFDMA

OFDMA 基本原理

在 Wi-Fi 6 之前使用的技术是OFDM。在 OFDM 技术下，通信都是基于单用户的，即每次发送数据，不管用户数据量大小，一个用户要占用整个信道。

大家可以把信道看成一辆送货的小车，如果用户的数据包很小，如即时消息、浏览网页，数据包用不了整个信道，那么小车是装不满的，剩下车厢空间就浪费了，如图 1-1 所示。

图1-1 Wi-Fi 5 下得多用户传输

Wi-Fi 6 的引入了OFDMA。OFDMA 将信道划分成不同资源单元 RU（ Resource Unit）。在发送数据时，不同的用户只会占用某一个资源单元而非整个信道，这样就能实现一次向多个用户发送数据，效率自然就高了。

还是拿送货小车来举例， OFDMA 相当于在小车中划出专门的隔间（RU单元），通过调度每个隔间放置不同用户的货物，这样一次可以为多个接收方送货，如图 1-2 所示。

图1-2 Wi-Fi 6 下得多用传输

传输的最小单元-RU

子载波

无线信号是加载在某个固定频率上进行传输的，这个频率被称为载波。802.11 标准中，对传输频率有更细化的划分，而这些划分出的频率被称为子载波。

Wi-Fi 6 中，以20MHz 信道为例， 20MHz 信道被划分成 256 个子载波。其中用于数据传输的数据子载波（ Data Tones）数量为 234，在中心位置作为标识的直流子载波（ DC Tones）数量为 7，用于信道估计等功能的导频子载波（ Pilot Tones）数量为 4，用于保护间隔的边带保护子载波（ Guard Tones）数量为 11。

RU 的划分

为了简化 OFDMA 的调度， Wi-Fi 6 只定义了 7 种 RU 类型。分别是：26-tone RU、 52-tone RU、 106-tone RU、 242-tone RU、 484-tone RU、996-tone RU 和 2x 996-tone RU。其中 26-tone RU 代表着该 RU 包含 26 个子载波，其他类型的 RU 含义以此类推。

以 20MHz 信道为例，可划分成的 RU 类型如图 1-3 所示。

图1-3 20MHz 信道带宽的RU 划分

实际使用的时候，不同类型的 RU 是可以相互组合的。如图 1-4 所示， 20MHz信道可以分配给用户 1~6，用户 1 使用 106-tone RU，用户 2~6 使用 26-tone RU。

图1-4 多用户的RU 资源分配

如图 1-5，在某个时刻， Wi-Fi 5 信道是被单个用户独占的，而 Wi-Fi 6 信道是被划分给不同的用户的。

图1-5 OFDM 和 OFDMA 的对比

除了 20MHz 信道外， 40MHz， 80MHz，甚至 160MHz 信道也可以划分成各种 RU 的组合。

MU-MIMO

通常会在 WLAN 设备上看到一个指标项 M× N MIMO，也有写作 MTNR 的，这个指标项就是在讲天线数， M 表示发送端的天线数， N 表示接收端的天线数。在一个 MIMO **中，每一路**处理的信号被定义为一路空间流（ Spatial Stream）。

现实中，AP 和终端的天线数是不对称的，AP 基本上都是 3～ 4 根天线，甚至更多；但是终端，例如手机，通常只有 1～ 2 根天线。对无线**而言， AP 和终端之间通信都是单点的， AP 每次只能跟单个用户进行通信，其他用户只能等待，‍这种不对称性会造成一部分网络资源的浪费。

如图 2-1 所示，目前支持 4× 4 Wi-Fi 5 Wave 2 的 AP 的整体理论传输速率可达 1.732Gbit/s（每一条流的理论传输速率为 433Mbit/s），当它与 1× 1（ 1天线）手机连接和传输时，最高理论传输速率仅为 433Mbit/s。同一时间其余的1.3Gbit/s 的容量都会被闲置。

图2-1 单用户传输

为此，Wi-Fi 5 引入了 MU-MIMO。MU-MIMO 的 MU（ Multi-User）就是多用户的意思，该技术意味着 AP 一次可以跟多个终端进行通信，这样就能充分利用AP 的总容量。

还是拿送货小车作为比喻。试想一下，如果说 Wi-Fi 4 一趟只能开一辆小车送货给接收端，那么 Wi-Fi 5/6 就是一趟开多辆小车送货，如图 2-2 所示。

图2-2 MU-MIMO 下的多用户传输

如图 2-3 所示，早在 Wi-Fi 5 就已经支持了同时与 4 个用户进行下行通信，而Wi-Fi 6 则同时支持上下行 8 个用户，因此用户的传输速率变得更高。

图2-3 Wi-Fi 5 和Wi-Fi 6 的MU-MIMO

OFDMA 和 MU-MIMO 的关系

虽然 OFDMA 和 MU-MIMO 两者都是针对多用户，将串行传输变为并行传输，但其实两者还有很大差别的。

MU-MIMO：实现物理空间上的多路并发，适用于大数据包的并行传输（如**、下载等应用），提升多空间流的利用率与**容量，提高单用户的速率，同样能降低时延。但运行状态不够稳定，很容易受终端影响。
OFDMA：实现频域空间的多路并发，适用于小数据包的并行传输（如网页浏览、即时消息等应用），提升单空间流的信道利用率与传输效率，减少应用延迟与用户排队。运行状态稳定，不容易受终端影响。

可以通过OFDMA 与MU-MIMO 联合调度对每个业务进行资源的合理分配（如网页浏览、**观看、下载、即时消息等各类业务场景）。如图 2-4 所示，华为 Wi-Fi 6 AP 通过设计合理MU-MIMO 和 OFDMA 调度算法，能有效降低多用户场景下由上下行随机接入造成的冲突，改善多用户高密度接入场景的使用体验。

图2-4 OFDMA 与MU-MIMO 联合调度

BSS Coloring 和空间复用

OBSS

无线通信的干扰是无处不在，而且无法避免的，为解决无线中的干扰检测问题， 802.11 标准在 MAC 层设计了一种检测机制——载波侦听多址访问/冲突避免CSMA/CA（ Carrier Sense Multiple Access /Collision Avoidance）。

怎么理解 CSMA/CA？试着把在同一信道上所有的站点想象成在一张圆桌上开会的人，大家本着先听后讲的原则，如果遇到有人发言就得等待一段时间（即退避），直到没人讲话才能开始发言。这种延迟也消耗了宝贵的空口时间，这个消耗称之为竞争开销。

特别是在高密场景， AP 的部署也是非常密集的，这意味着 AP 可以侦听到其他所有同信道 AP 的信号。另一方面，信道资源是相对有限的，这些 AP 必然用到同一个信道。这就造成同一信道上的 AP 和终端将会侦听到过多的信号，在某一个特定时间内，哪怕彼此根本不在一个区域，也只能是一个终端或者一个 AP 能够传输数据，这样会产生不必要的竞争开销。

如图 3-1 所示， AP1 和 AP2 处于同一信道且可以彼此侦听到对方，虽然 AP1和 STA1 的通信和 AP2 无关，但是 AP1 与 AP2 不能同时跟 STA 通信。图中的BSS1 和 BSS2 组成重叠基本服务集 OBSS（ Overlapping Basic Service Set）。为了解决 OBSS 产生的同频干扰， Wi-Fi 6 引入 BSS Coloring 加强空间复用。

图3-1 OBSS

BSS Coloring

BSS Coloring 可以理解为不同的 AP 发出的报文套上不同颜色的信封，接收端收到信后，不拆信封就能立马判断是否跟自己相关，颜色相同表示跟自己相关，颜色不同就跟自己无关，对于跟自己无关的报文就当做不存在，接收端依旧可以发起通信而不必退避，这就达到了空间复用的效果。

图3-2 同信道BSS 在颜色标注前后的拥塞情况

如图 3-2 所示，如果不标记颜色，只要 AP 都采用 36 信道，就可能彼此干扰；但是如果标记了不同的颜色，则认为只有颜色相同且使用 36 信道的 AP，才会存在干扰，颜色不同就不会有干扰。

当然现实中 BSS Coloring 的实现要稍微复杂一点。颜色的标记是由无线接入*** WAC（ Wireless Access Controller）统一分配给 AP， AP 在报文头打上 6bit 的颜色标记位，更准确地说是在报文的 PHY 头和 MAC 头，这样不用解析报文就能判定是否跟自己相关。接收端收到报文后，如果颜色和关联 AP 的一样，就认定报文来自 MYBSS，否则就是 OBSS。区分出 MYBSS 和 OBSS 信号后，就可以“双标”对待了。

在 Wi-Fi 6 前，信道忙闲状态的具体检测方法是空闲信道评估 CCA（ Clear Channel Asses**ent）。CCA 使用两个门限判断信道是否空闲，协议门限和能量门限。

想象一下很多人在一起聊天，协议门限用于检测是否有人发言，如果有，则其他人要等待当前发言人结束发言后才开始发言；能量门限用于检测环境是否太吵闹，如果环境很吵闹，发言也没有人能听得清，就要等到环境不吵闹时再发言。

因为 Wi-Fi 6 需要进行“双标”处理，所以会设置 2 个协议门限，如图 3-3 所示

图3-3 动态CCA 门限

MYBSS：协议门限可以尽量降低，这样可以尽量不错过来自 MYBSS（同一BSS）的报文。
OBSS：协议门限可进行动态调整，尽可能调高。只要在 OBSS 的协议门限内，终端即认为不存在同频干扰，如图 3-4 所示，这样终端和 AP 依旧能发起通信，这就能达成了空间复用的效果。

图3-4 对 OBSS 调整协议门限

节能

TWT机制

Wi-Fi 6 之前其实也有节能模式，如图 4-1 所示，在一个 Beacon 周期内，终端会观察 AP 是否会向其发送数据，如果是，那么终端就保持等待，直到接收完成后，才会进入休眠模式。这其实对业务量很低的终端相当不公平，例如智能电表这种，可能很久才需要跟 AP 通信一次，大部分时间都要等待，这就造成了终端电量不必要的消耗。

图4-1 Wi-Fi 6 之前的节能模式

Wi-Fi 6 引入了 TWT 机制，如图 4-2 所示，在 TWT 机制下， AP 和终端可以建立一套 TWT 协议，双方约定好一个 TWT 服务时间终端只有在服务时间内才会工作，其他时间处于休眠状态。具体处理流程如图 4-3 所示

图4-2 Wi-Fi 6 的节能模式

图4-3 TWT 机制

这就好比送快递，收件人不需要守候在家中等收货，只要跟快递员约定一个固定时间上门送货，其他时间收件人则可以**行动。

TWT 有 2 种模式，一种是 Individual TWT，一种是 Broadcast TWT，如图 4-4 所示。

图4-4 Individual TWT 和 Broadcast TWT

Individual TWT，就是 AP 和终端一对一的协商 TWT 服务时间，每一个终端仅知道自己和 AP 协商的 TWT 时间，不需要知道其他终端的 TWT 时间。

逐一协商实在太费事，于是 Wi-Fi 6 又新定义了一种 Broadcast TWT。如果说， Individual TWT 是“私聊”模式的话， Broadcast TWT 就是“群聊”模式。Broadcast TWT 由 AP 负责管理，在该机制下， TWT 服务时间是由 AP 宣告，终端可以向 AP 申请加入 Broadcast TWT，加入完成后，终端就可以获得 AP 的广播TWT 服务时间了。

OMI

Wi-Fi 6 定义了 OMI，当终端和 AP 通信时，终端会主动上报自己的能力，例如是否支持上行 OFDMA 传输、支持的最大带宽、空间流数。

当终端电量充足时，终端可以自己的最大能力进行通信；一旦电量不足，终端可以降低自己的能力，例如降低带宽或者空间流数，并将这一信息通过 OMI 知会AP，那么 AP 则会以终端建议的发射参数与之进行通信。

如果说 TWT 的节能方案是尽量减少终端的活跃时间，那么 OMI 的节能方案就是尽量降低终端活跃时间的耗电量。

Wi-Fi 6 的其他关键技术

1024-QAM

如图 5-1 所示， Wi-Fi 5 采用的 256-QAM 正交幅度调制，每个符号（ Symbol）传输 8bit 数据， Wi-Fi 6 将采用 1024-QAM 正交幅度调制，每个符号位传输 10bit 数据，从 8 到 10 提升了 25%，也就是相对于 Wi-Fi 5 来说， Wi-Fi 6 的单条空间流数据吞吐量又提高了 25%。

图5-1 Wi-Fi 5 和Wi-Fi 6 的 QAM

这就好比是货物打包，如图 5-2 所示。原本一辆车只能携带 8bit 数据，提高QAM 的阶数后，就可以携带 10bit 数据。同样的一辆车，比原先携带的内容多了，数据传输速率自然快了。

图5-2 Wi-Fi 5 和Wi-Fi 6 的 QAM 携带数据量

需要注意的是 Wi-Fi 6 中成功使用 1024-QAM 调制取决于信道条件。因为发送一个符号所用的载波频宽是固定的，发送时长也是一定的，阶数越高意味着两个符号之间差异就越小。这不仅对接收两方的器件要求很高，而且对环境的要求也很高。

如果环境很嘈杂，则符号很容易因为命中星座图中相邻的其他点导致解调错误。这就意味着，如果环境过于恶劣，终端将无法使用高阶的 QAM 模式通信，只能使用较低阶次的调制模式。

覆盖范围提升

由于 Wi-Fi 6 标准采用的是 Long OFDM Symbol 发送机制，每次数据发送持续时间从原来的 3.2μ s 提升到 12.8μ s，而且 Wi-Fi 6 也定义了 0.8μ s、 1.6μ s和 3.2μ s 的保护间隔 GI（ Guard Interval），对比 Wi-Fi 5（只支持 0.4μ s 和 0.8μ s）的 GI 更长。在室外或者多径效应严重环境下，更长的 GI 有助于防止多径干扰。另外窄带传输可以有效降低频段噪声干扰， Wi-Fi 6 最小可仅使用 2MHz 频宽进行窄带传输，从而增加了覆盖距离。

综上， Wi-Fi 6 传输带宽更窄，符号持续时间更长，可以降低传输干扰，扩大信号覆盖范围，如图 5-3 所示。

图5-3 Wi-Fi 6 相较于 Wi-Fi 5 覆盖距离提升

4 类 PPDU

OFDMA 技术实现一个物理层协议数据单元 PPDU（ PHY Protocol Data Unit）传输数据给不同的终端，正因为如此， Wi-Fi 6 需要使用特殊的结构来支撑该功能，让终端知道自己被分配的具体 RU。如图 5-4 所示，Wi-Fi 6 新增的 4 类 PPDU ，这 4 类 PPDU 功能各有不同，也能够兼容原来的 Wi-Fi 标准。

HE SU PPDU：适用于单用户报文传输。
HE MU PPDU：适用于多用户同时传输。
HE TB PPDU：适用于上行 OFDMA 和上/下行 MU-MIMO 场景。终端接收到 AP 发送的 HE TB PPDU 格式的触发帧，可以根据其中携带的资源分配信息，同时进行多用户上行传输。
HE ER SU PPDU：扩展的 HE SU PPDU，适用于室外远距离场景。

图5-4 Wi-Fi 6 新增的4 类PPDU

PPDU 中主要分为 3 部分，前导码、数据字段和报文扩展。前导码主要用来承载发送端和接收端的时钟等信息，以辅助数据字段的接收，主要分为 2 部分：

传统前导码：用于兼容非 Wi-Fi 6 终端。
HE 前导码：用于传输 OFDMA、 MU-MIMO、 BSS Coloring 的相关信息。

前导码打孔

Wi-Fi 在传播的过程中，需要加载在高频信号上，协议最初也规定了高频信号的宽度 20MHz。

这 20MHz 的信道就好比是一条单车道的马路，马路的宽度决定了传输能力。想要提高传输能力，直接的做法是将马路拓宽。信道绑定的原理跟这个很类似。Wi-Fi4 第一次引入信道绑定的概念，所谓信道绑定就是将相邻的 2 个 20MHz 信道绑定成一个 40MHz 信道来使用，这样数据传输速率能够成倍提高。而这 2 个信道，一个被称为主信道，另一个就是从属信道。主信道和从属信道的差别在于，主信道上会发送 Beacon 帧等管理报文而从属信道则不发送。所以主信道比从属信道要重要的多。

然而连续信道绑定机制也有自己的弊端。如果一个从属信道忙碌将会直接导致带宽降维。如图 5-5 所示，在 80M 信道中，如果从属 40MHz 信道忙碌，那么只能变成 40MHz 信道，如果从属 20MHz 信道忙碌，那么直接降成 20MHz 信道。

图5-5 信道冲突对信道绑定的影响

这样显然对高密场景是很不利的，因为高密场景下部分信道会变得异常忙碌，Wi-Fi 设备很可能会一直工作在 20MHz 信道带宽模式下。

为了解决这一个问题， Wi-Fi 6 提出了前导码打孔（ Preamble Puncturing）机制。如图 5-6 所示，这个机制的原理是，即使从属信道忙，传输带宽也不会下降至 20MHz，而是将剩下不连续的可用信道进行**。还是以 80MHz 信道为例，从属 20MHz 信道忙碌，依然可以利用主 20MHz 和从属 40MHz 信道的频谱资源进行数据发送，相比于只能使用主 20MHz 信道的非前导码打孔模式，频谱利用率达到300%。

图5-6 前导码打孔机制

这种带宽模式的信息是需要发送端通过前导码携带给接收端，而跳过的忙碌信道就好像被打了孔一样，所以这个机制因此得名前导码打孔。

20MHz-Only 模式

在现网中有一类终端是低功耗和低数据量的，例如可穿戴设备、 IoT 设备等。这类设备一般只支持 20MHz 工作模式（也被称为 20MHz-Only 模式），即使终端在40MHz 或 80MHz 的信道内工作，也只能在主信道上工作，如图 5-7 所示，这样就浪费了从属信道的带宽。

图5-7 20MHz-Only 设备仅工作在主信道

为了解决这个问题， Wi-Fi 6 利用 TWT 技术，将 20MHz-Only 的终端调度到从属信道上工作，从而既能实现节能，也能更好地提升信道利用率。

向前兼容

在前文中提及了 Wi-Fi 6 的优势：大带宽、低时延、高并发和低功耗。而想要使用 Wi-Fi 6 网络的完整特性是需要 Wi-Fi 6 AP 与终端配套才可以，也就是说终端和 AP 都需要升级。目前看来，市面上支持 Wi-Fi 6 的终端还是少数，仅有部分手机、电脑等电子设备支持。

Wi-Fi 6 AP 通常向前兼容以往的 Wi-Fi 标准，也就是说 Wi-Fi 6 AP 支持与非Wi-Fi 6 终端通信。而且由于 Wi-Fi 6 引入的 8× 8 MU-MIMO， Wi-Fi 6 AP 将最多可跟 8 个设备同时进行通信，对比 Wi-Fi 5 的 4 个设备，单 AP 并发接入更多的终端；Wi-Fi 6 AP 多天线的增益可以提高接收灵敏度和提升覆盖范围，这些对非Wi-Fi 6 终端依然有效。

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