Wi-Fi 6：资料文件

Wi-Fi² 是一种无线网络技术，允许计算机和其他设备通过无线信号进行通信。它描述了基于IEEE制定并由Wi-Fi联盟采用的802.11个标准之一的网络组件。

几乎所有现代计算机都有内置的Wi-Fi芯片，允许用户找到并连接到无线接入点。大多数移动设备、视频游戏系统和其他独立设备也支持Wi-Fi，使他们能够连接到无线网络。当设备与路由器建立 Wi-Fi 连接时，它可以与路由器和网络上的其他设备通信。但是，路由器必须连接到互联网（通过 DSL 或 CM），以便为连接的设备提供互联网接入。

蜂窝和Wi-Fi已经共存了几十年，到目前为止都没有取代对方。相反，两者都蓬勃发展，人们普遍认为，对多种无线技术的需求将继续存在。虽然Wi-Fi和蜂窝技术相似，但它们在很大程度上支持不同的用例。更多的时候，它们彼此互补而不是替代。

Cellular

在许可频谱内运行的蜂窝意味着存在移动网络运营商(MNO)形式的频谱所有者。对于用户来说，优势在于与网络的连接是自动的、通用的和普遍的。蜂窝技术还具有更大的覆盖范围，可以覆盖大型空间，并且具有固有的移动性，这意味着即使用户在服务无线电之间移动，用户会话也会得到维护。移动性是使移动电话适合语音呼叫的功能之一，因为语音呼叫用户体验受到会话中断的干扰，而许多数据体验（例如电子邮件）则没有。蜂窝也是紧急服务组织（消防、警察、救护车）通常对其通信进行标准化的技术。

Wi-Fi

相比之下，Wi-Fi在未经许可的频谱中运行，使私营企业或房主能够在不依赖商业服务提供商的情况下创建网络。因此，它是对企业或家庭网络的默认访问。它因其自部署能力和无订阅成本而受到重视。Wi-Fi技术提供了不计费的高速连接，并使移动网络运营商以外的实体能够收集用户数据。然而，请注意，对 Wi-Fi 的访问并非每个人都自动进行，而仅适用于常规授权用户。新用户或访客用户需要登录才能接入（前提是允许接入）。

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Wi-Fi于1997³年发明，当年面向消费者开放，但其起源可以追溯到更远的地方。

截至2020年初，最新版本的Wi-Fi被称为Wi-Fi 6，这是技术格式802.11ax的消费者友好型品牌重塑。早期版本的Wi-Fi，如802.11ac和802.11n，现在分别被称为Wi-Fi 5和Wi-Fi 4⁶。

802.11 项标准涉及：

• 无线信号达到多远（间接，因为它与功率水平有关）
• 信号可以传输多少数据

此图表显示了标准名称和新的 Wi-Fi 命名惯例：

*Wi-Fi 联盟仅正式命名为 Wi-Fi 4、Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 6。Wi-Fi 1-3 是假定的命名惯例。

正如我们所看到的，一个特定的未经许可的频段被分配给Wi-Fi系统。目前有三个频段可供选择：2.4 GHz（Wi-Fi 1*、3*、4 和 6）、5 GHz（Wi-Fi 2*、4、5 和 6）和 6 GHz（Wi-Fi 6E）。由于法规不同，一般经验法则可以认为频率越低，覆盖范围越长，最大速度越低（每个信道的传输功率也起作用）。如果您想获得更多的 Wi-Fi 覆盖，可以使用 2.4 GHz 频段。如果想要更快的速度，可以使用 5 GHz 或 6 GHz 频段。

在这些 Wi-Fi 频段中，较小的频段称为 Wi-Fi 信道。信道是许多设备可以在相同频带上在同一附近运行的手段。根据国家的不同，2.4 GHz 频段有 11 到 14 个信道，5 GHz 频段有 17 到 25 个信道⁷。

将 Wi-Fi 信道视为高速公路上的通道，尽管它们可能有不同的宽度：

• 频段内的预定义频率范围（2.4、5 和 6 GHz）
• 标准尺寸：20、40、80 和 160 MHz
• 实际上，信道在 2.4 GHz 频段重叠（5 MHz 间隔），因此接入点 （AP） 可以选择的非重叠信道较少

就像高速公路一样，Wi-Fi信道可能会拥挤，管理正确的信道可以显着提高网络性能（更多关于本文第二部分的内容）。

5 GHz 信道化

信道利用率示例

如今，几乎所有设备都能够启用 Wi-Fi。全球安装了超过130亿台Wi-Fi设备，这一数字每天都在增加。

按数字显示 Wi-Fi

消费者在2017.⁸中平均连接到每人6.5台设备，并且它并没有放缓。预计到 2030 年，每人将增加到 15 台联网设备。⁹

虽然其中一些设备将使用5G蜂窝技术，但行业专家认为Wi-Fi将与5G共存，并且是许多5G用例的关键部分。使用中的设备越多，对网络的需求就越多。这就是Wi-Fi 6发挥作用的地方。

音频和视频网络

许多网络使用实时传输协议 （RTP） 来提供音频和视频服务。

 语音流量有两个网络要求：

• 发送语音流量时，不希望收到接收客户端的确认响应。
• 语音流量在数据消耗方面很小。根据设备中使用的压缩机/解压缩器，负载约为 64 千字节，加上管理标头后约为 264 千字节。

语音流量对网络带宽的需求很少。然而，当延迟出现问题时，可能会发生掉话和干扰。

视频会议应用程序的要求与语音流量相同，对音频的需求也越来越大。Wi-Fi 6 可解决音频和视频的延迟和抖动问题，从而提高应用程序性能。

自动化

就像语音和视频一样，自动化流量很小，但对延迟很敏感。网络通常会添加自动化服务，而不考虑它们是否能够支持这些服务。与音频和视频一样，自动化流量不需要大量带宽，但对延迟很敏感。

 
Wi-Fi 6 支持高速、低延迟连接，理论上最大速度为每秒 9.6 千兆比特¹¹。这几乎是Wi-Fi 5的2.6倍。

随着 Wi-Fi 6 的扩展并成为网络的新标准，企业将开始将其基础设施迁移到 Wi-Fi 6。这将在高密度环境中变得越来越重要，例如体育场、会议中心和交通枢纽。

这项新技术在提高容量和安全性、提高数据速率、减少网络拥塞和延长兼容设备的电池寿命的同时，保持了旧设备的向后兼容性。

在密集设备环境中部署的 Wi-Fi 6 AP 可能需要为更多并发连接的用户和设备支持更高的服务水平协议，并具有更多样化的使用配置文件。

三个关键的技术更新有助于Wi-Fi 6的性能优于Wi-Fi 5：

• 多用户、多输入、多输出 （MU-MIMO）： 允许 Wi-Fi AP 同时与多个设备通信，改善整体 Wi-Fi 体验。MU-MIMO 可以显著提高高密度网络的吞吐量，即使在使用带宽密集型服务的网络中也是如此。
   
• 正交频分多址（OFDMA）： 将 Wi-Fi 信道划分为称为资源单元的较小频率分配。这允许 AP 通过将多个客户端分配给特定的资源单元来与多个客户端通信。
   
• 1024 正交调幅 （QAM）： 使 Wi-Fi 6 AP 和设备的数据速率提高 25%。通过改变无线电波的相位和振幅，该技术通过将更多数据整合到每个传输中来提高频谱效率。

虽然Wi-Fi 6显著提高了速度，但由于无线电链和空间流的增加，大多数设备不会接近每秒9.6千兆比特。对于移动设备，由于电池和物理空间限制，实现最大速率所需的功率和天线是禁止的。此外，大多数移动设备甚至无法使用来自千兆连接速度的数据量。

想象一下，一条四车道高速公路可以扩展到八车道，并容纳大型满载卡车。用卡车想象同样的高速公路只有20%满。在这种情况下，网络的可能效率和容量被浪费，因为卡车在没有满载的情况下拥挤了道路。每辆卡车只能为一个客户（一台设备）运送产品（或数据）。

使用高速公路网络的车辆（设备）是一个低效的系统。解决方案？卡车运输公司将不为每个客户配备一辆卡车，而是从多个客户那里拿起多个包裹，直到卡车装满，然后再将其送到路上。这允许在路上使用更多的产品（数据）。

资源利用

使用早期版本的 Wi-Fi，无法将多个设备组合到单个资源中。一次只能传输一个设备 — 无论是完全有效载荷（满载卡车）还是平均有效载荷（仅满载 20%）。Wi-Fi 6改变了这一点。

Wi-Fi 6 AP，带 Wi-Fi 5 客户端

很难量化网络将通过Wi-Fi 6实现的确切改进。然而，康普的测试表明，即使在所有Wi-Fi 5客户端的环境中，用Wi-Fi 6 AP替换Wi-Fi 5 AP也能将网络速度提高420%。该百分比将根据客户端和所用应用程序的差异而有所不同。

在引入 Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 6 客户端设备组合时，可以看到其他改进。这些改进证明了今天使用Wi-Fi 6 AP的合理性，同时等待明天Wi-Fi 6设备的涌入。

在Wi-Fi 6之前，容量限制是由设备所连接的资源的整体效率决定的。如今，对无线连接和移动性的不断需求使得拥有额外的容量和效率至关重要，这正是Wi-Fi 6所提供的。

无线网络不再专注于移动设备。一项国际数据公司研究估计，到2025年，全球将拥有416亿台物联网设备，包括机器，传感器和相机。其中很少有人认为是移动的。在普通企业中，超过30%的网络连接终端是物联网设备（不包括移动终端）。这些设备将在第 2025 年生成近 80 zettabyte 的数据。作为参考，一个 zettabyte 为 1,000 x 10 KB。

使用 OFDMA 的其他客户端

Wi-Fi 6不是提高单个设备的速度，而是在连接多个设备时改善网络。客户端设备将有更多机会传输和接收数据，从而减少延迟和抖动。

在以前的Wi-Fi标准中，额外的传输无线电（TX）、接收无线电（RX）和空间流（SS）的形式出现了额外的速度，读作“TX x RX：SS”（4x4：4 表示四个发射无线电、四个通过四个空间流接收无线电）、额外信道宽度（范围从 20 MHz 到 320 MHz）或增加 QAM（从 16-QAM 到 1024-QAM）。这种额外的硬件和改进的调制并不是帮助Wi-Fi 6提高网络速度的唯一方面。客户不一定必须是Wi-Fi 6设备。这些好处也将适用于旧设备。

关于改进的调制：更高的数据速率（网络速度）意味着每秒更多的比特数，这需要更复杂的调制——在Wi-Fi 6的情况下，这是一个更密集的QAM星座。为了正确建立通信，无线电设备需要击中QAM星座中的特定点并按需进行。虽然64-QAM比更高的QAM实现更慢的网络速度，但更容易击中星座中的这些小点，使系统更加强大。如果Wi-Fi 6完全依靠1024-QAM来提高速度，那么改进就不会像预期的那样好。

误差向量大小（EVM）是围绕正交振幅调制（QAM）星座中的每个点绘制的虚框。它与每个点相等，表示信号在尝试击中目标时所具有的误差裕度。由于无线领域的完美性很难获得，因此星座中的点不必恰好击中中心。

QAM 越低（16 对 64），目标越大（EVM），但值或速度降低。QAM 越高（64 对 1024），目标越小。考虑到 64 QAM 时的 EVM 大小，想象 1024 QAM 时的 EVM 大小。

在更高的 QAM 速率下，设备每次都需要具有非常“清洁的空气”（高信噪比）才能达到 EVM。如果空气不“干净”，一些设备将从 1024-QAM 降到 256-QAM，然后降到 64-QAM，最后是 16-QAM，从而改变可靠性的速度。随着QAM数量的减少，星座中的EVM变得更大，使其更容易达到目标。

即使使用较旧的客户端（非Wi-Fi 6），新的AP也将更好地在QAM星座中达到其目标或EVM，从而为所有设备带来更快的体验，而不仅仅是那些能够使用Wi-Fi 6和1024-QAM的设备。使用Wi-Fi 6，并非所有设备都能利用1024-QAM，但有些设备会利用。Wi-Fi 6 客户端能够更快发送数据，甚至有时也能实现更高效的基本服务集（Wi-Fi 蜂窝基站组），从而为所有人带来更快的体验。

不仅仅依靠更快、更高的QAM速率，Wi-Fi 6的附加速度也带来了更高的效率和容量。由于设备可以更有效地使用频谱，因此它为设备打开了传输的时隙，称为传输机会（TXOP）。通过使用 OFDMA，有效载荷较小的设备可以同时传输数据。该信道上的更多机会意味着所有设备都会自然加速，因为需要它的设备有更多的时间。

资源利用率提高

更多的 TXOP 与可以使用更高 QAM 速率的设备相结合，意味着设备可以更快地传输更多数据，从而减少设备所需的 TXOP。其他设备，包括Wi-Fi 4和5设备，更多的TXOP意味着它们将走得更快。

底线？升级到Wi-Fi 6网络，即使大多数客户端不具备Wi-Fi 6功能，也有望解决当今许多网络挑战。

受保护的管理框架

WPA3 要求启用受保护的管理帧 （PMF）。PMF 通过提供数据保密性和对管理帧的重放保护，增强 Wi-Fi 安全和网络保护，防止恶意攻击，如欺骗。

Wi-Fi 6E 旨在帮助缓解传统 Wi-Fi 频段的拥堵、瓶颈和受限信道宽度：

• 减少拥堵： 当前的 Wi-Fi 提供 28 个不重叠的 20 MHz 信道；Wi-Fi 6E 将提供 59 个新的 20 MHz 信道¹⁴。添加的信道将有助于最大限度地减少当今许多拥塞挑战，并为更多连接的设备和设备类型提供更好的支持。
   
• 更高速度： 1,200 MHz 连续频谱可实现 80 MHz（14 个新信道）甚至 160 MHz（7 个新信道）的信道绑定。对于会议中心和礼堂等高密度场所来说，这是个好消息。在家里，Wi-Fi和Wi-Fi 6E将提供速度，以补充最新光纤和 DOCSIS 3.1网络的数千兆位速度。通过将多个 20 MHz 信道组合到一个更宽、更高通量的 80 MHz 或 160 MHz 信道中，现有的 Wi-Fi 6 客户端可以达到其最大速度，而不会限制在较小的信道宽度下运行。Wi-Fi 6E 还可以支持更多有线替换应用，如无线点对点和室内网状骨干网链路。
   
• 低延迟： Wi-Fi 6E 将仅支持能够进行 OFDMA 的设备；多用户、多输入、多输出 （MU-MIMO）；1024-QAM 和 6 GHz。所有其他旧版 Wi-Fi 设备将仅限于 2.4 GHz 和 5 GHz 频段。新的接入点预计将提供向后兼容性，以支持Wi-Fi 6E和传统频段。
   
• 有线更换应用： Wi-Fi 6E 还可支持更多有线替换应用，包括无线点对点和室内网状骨干网链路。
   

Wi-Fi 5、Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E 之间的主要区别：

Wi-Fi中的先前调制方案使用正交频分复用（OFDM），无论有效载荷的大小如何，这一次仅允许一个设备传输。一个完整的帧（数据包在空中时的名称）被分配给一个客户端设备 - 无论它是否需要整个帧 - 效率低下是显而易见的。

20 MHz 宽信道上的 OFDM

Wi-Fi 6 使用一种名为 OFDMA 的新调制方案，现在允许多达九台设备在 20 MHz 信道上同时传输，如果其有效负载满足要求。如果需要传输的有效载荷需要更多的容量，基础设施会即时调整和调度，以便同时传输最有效的有效载荷组合。

20 MHz 宽信道上的 OFDMA

当比较上面的两个数字时，你可以看到使用OFDM传输的三个帧现在可以组合成一个帧。半空资源（客户端 A 的框架 #1）现在填充了另外两个客户端的额外数据（客户端 B 和 C 的框架 2 和 3）。这两个数字仍然使用20 MHz宽信道，但在图3中，我们看到资源单元（RU）的引入或20 MHz宽信道被分解为九个单独的频率分配。

OFDM 中占用了 8 帧的内容现在只需 3 帧 OFDMA 即可完成。Wi-Fi 6 的新效率意味着，从帧 #4 开始，通过使用 OFDMA，客户端现在可以发送更多数据，或者，如帧 #5 所示，其他客户端现在可以发送他们的数据。通过充分利用可用的资源，可以在相同的时间内发送更多数据（每个示例为 8 帧），并且更多的客户有机会发送他们的数据。在更短的时间内从更多客户端获得更多数据，从而形成一个比前几代人感觉更快的网络。

值得注意的是，并非所有客户端都需要使用（或能够使用）OFDMA。将 OFDMA （Wi-Fi 6） 客户端分组到单个帧中，将打开剩余帧，以便 OFDM （Wi-Fi 5） 客户端利用资源。

换句话说，Wi-Fi 6 AP 向后兼容旧的 Wi-Fi 设备；但是，由于所有客户端现在都可以在更短的时间内发送数据，因此体验会更快。

OFDM 过渡到 OFDMA

通过使用 Wi-Fi 6 网络并利用 OFDMA，Wi-Fi 6 AP 将能够处理更多设备，而无需稍后添加更多 AP 以承载负载，因为设备数量持续增加。

1024-quadrature 振幅调制 （QAM） 是一种高度开发的调制方案，其中数据通过无线电频率传输。对于无线通信，QAM 是一种信号，其中两个载波（两个正弦波） - 相移 90 度（四分之一异相） - 被调制，所得输出由振幅和相位变化组成。这些变化是我们在客户端设备中看到的信息的基础。

MIMO 代表多个输入、多个输出，与使用多个天线发送和接收信号的无线电有关。该设置允许接入点和客户端设备从各种传播路径中受益，从而产生更快的速度和更长的范围。这种改进出现在Wi-Fi 4中，并且仍然被更高的标准使用。

除了 MIMO 优势，Wi-Fi 5 还提供至少 1 Gbps 的多站 （MU） 无线网络吞吐量和至少 500 Mbps 的单站吞吐量。

然而，多用户、多输入、多输出 （MU-MIMO） 的 Wi-Fi 5 实现存在一些限制，下面进一步讨论，这些限制影响了其在实验室外的工作方式，最终几乎没有在现实世界部署中带来任何优势。

第一个限制是数据的方向。它只是下行链路，这意味着它只能用于将数据从接入点发送到客户端设备。其次，它不是使用无线电单元，而是使用空间流。这意味着只有当参与该组的所有客户端设备都朝向AP时，它才会起作用 - 发送数据以允许空间流的分离。

如果客户不在绿色区域，如下所示，MU-MIMO将无法工作。此外，随着波束的融合，出现了更多的问题。最终限制：MU-MIMO 一次最多限四个设备。

使用空间流的 Wi-Fi 5 MU-MIMO

使用 Wi-Fi 6 代替空间流，使用 OFDMA 资源单元（参考图 5：OFDM向OFDMA过渡），解决了MU-MIMO在Wi-Fi 5中的局限性。它不仅适用于从接入点到客户端的下行链路 （DL），也适用于从客户端到接入点的上行链路 （UL）。

Wi-Fi 5 使用空间流来分离数据流，使得实现有限且难以协调。通过使用RU的较小信道宽度，Wi-Fi 6系统使接收站，无论是AP还是客户端，都能够简单地将接收机调谐到较小的频谱片段，并忽略发送到其他设备的数据。

OFDM （Wi-Fi 5） 与 OFDMA MU-MIMO （Wi-Fi 6）

目标唤醒时间 （TWT） 使设备能够确定何时以及多久唤醒以发送或接收数据。从本质上讲，这允许 802.11ax¹⁵AP 增加设备睡眠时间并显著延长电池寿命，这一功能对物联网非常重要。

除了在客户端上节省电力外，TWT 还使无线接入点和设备能够协商和定义访问介质的特定时间。这有助于通过减少用户之间的争论和重叠来优化光谱效率。TWT机制首次出现在IEEE 802.11ah“Wi-Fi HaLow”标准中。

该低功耗标准于 2017 年发布，专为支持大规模部署物联网基础设施而设计，如工作站和传感器，以智能方式协调信号共享。TWT 功能根据 IEEE 802.11ax 标准进一步发展，因为工作站和传感器现在只需要唤醒并与其所属 TWT 广播会话的特定信标（传输指令）通信。这使得无线 IEEE 802.11ax 标准¹⁶能够优化许多设备的节能，并具有更可靠、确定性和类似 LTE 的性能。

传统的高密度 Wi-Fi 部署通常看到多个 AP 被分配到相同的传输信道，因为频谱有限，这是一种低效的模式，导致了网络拥塞和速度减慢。此外，IEEE 802.11 设备无法有效地相互沟通和协商，从而最大限度地利用渠道资源。

相比之下，Wi-Fi 6 AP 旨在使用包括基本服务集 （BSS） 着色的技术优化高密度部署中频谱的有效重复使用。该机制智能地“着色代码”或标记共享频率，其数字包含在设备与网络之间传递的 PHY（OSI 堆栈中的物理层）标头中。

在现实世界中，这些颜色代码允许 AP 决定是否允许同时使用频谱，因为检测到相同颜色时，信道显示为忙碌且无法使用。这有助于减少重叠的基本服务集 （OBSS）。反过来，该协议使网络能够更有效地同时将数据传输到拥挤区域中的多个设备。

该目标通过识别 OBSS、协商中型争论和确定最合适的干扰管理技术来实现。着色还允许 Wi-Fi 6 AP 精确调整清晰信道评估 （CCA） 参数，包括能量（自适应功率）和信号检测（灵敏度阈值）水平。

借助 Wi-Fi 6，部署在密集设备环境中的多个 AP 可以共同为具有更多样化使用配置文件的更多客户端提供所需的服务质量 （QoS）。这可以通过一系列技术来实现，例如 BSS 着色，即使在拥挤的同信道干扰环境中也能最大限度地提高网络性能。

请继续关注本文第二部分的更多 Wi-Fi 6 技术创新。