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    【技术分享】详解Wi-Fi 6的四大关键技术

    2019-04-12 13:01:01 来源:c114
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    本文将对Wi-Fi 6提升的技术点进行深入解读,让大家从原理出发,实实在在地感受Wi-Fi 6的“6”。

     

    一、Wi-Fi 6关键技术特性回顾

    Wi-Fi 6主要有以下几个技术特点:

     

    提速

    更高阶的调制方式(1024-QAM)、更多的子载波数量和更低的帧间隔开销等,通过这些技术Wi-Fi 6的最大连接速率提升到9.6 Gbps;

     

    高密接入

    通过完整MU-MIMO(多用户多进多出)与上下行OFDMA(正交频分多址),提升高密度部署场景下的并发能力和终端平均速率;

     

    抗干扰

    引入4G LTE的小区空间?#20174;?#25216;术(SR),大幅度降低AP之间的相互干扰,提升接入容量和稳定性;

     

    其他技术特点

    节电管理技术TWT(目标唤醒时间)与同时支持2.4G/5G两个频段。

     

    二、“6”的原因一:速率提升

    在谈Wi-Fi 6速率提升之前我们先来看一下Wi-Fi理论带宽的计算公式,看看与Wi-Fi速率有关的性能因素?#24515;?#20123;。

     

    Wi-Fi理论带宽=(符号位长×码率×数据子载波数量)×(1/传输周期)×空间流数。

     

    符号位长

    即每个数据子载波?#30475;?#20256;输可以携带的数据长度,它由调制方式决定,如64-QAM是6bit,256-QAM是8bit,1024-QAM是10bit,体现了不同调制方式下的数据传输效率;

     

    数据子载波数量

    数据子载波数量由协议的帧结?#36141;?#21487;用频宽共同决定,在指定频宽下的数据子载波数量越多,同步传输数据的能力越高;

     

    码率

    与调制方式有一定关联,不同调制方式对应不同的码率;在实际使用过?#35752;?#30721;率的选择是由AP和终端根据信号强度、信号质量等因素共同协商决定;

     

    传输周期

    即一次传输?#21152;?#31354;口的时间,它由协议决定,Wi-Fi 5的传输周期为3.6微秒(包含GI时间--0.4us);

     

    空间流数

    即通过MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术在多个天线上同时发送不同的数据流量,充分利用空间资源,成倍提升Wi-Fi性能(Wi-Fi 6与Wi-Fi 5的最大空间流数量的一致,均为8条空间流)。

     

    所以从决定Wi-Fi理论带宽的几个因素来看,速率提升主要是由调制方式、数据子载波数量、码率、传输周期和空间流等几个指标共同决定,对于和Wi-Fi 5协议保持一致的频宽(20/40/80/160 MHz)和空间流(最大8条空间流)本次将不进行详细讨论,同时,码?#25163;?#35201;与信号强?#32676;?#20449;道质量有关,所以本章节重点将围?#39057;?#21046;方式、数据子载波数量和传输周期这几个点展开来讨论。

     

    我们先从Wi-Fi 6的物理层帧结构来看,看看能否?#19994;?#37325;新设计的物理层帧结构与Wi-Fi 6速率提升之间的关系。

     

    ▲图1:Wi-Fi 6物理帧结构

     

    从图1我们可以看到,一个完整的Wi-Fi 6物理帧包含物理帧头、DATA和PE。物理帧?#20998;?#35201;负责同步和管理流量,PE负责传输一些设备能力信息,只有DATA数据帧里才是我们需要的?#34892;?#25968;据。

     

    DATA数据帧里面从时间轴上来看,又是由Payload(?#34892;?#20449;息数据)和GI(Guard Interval,帧间隔)构成的,GI的作用主要是为了防止两个Payload之间有串扰,所以GI是引入的保护间隔,属于传输开销,只有Payload才是传输的?#34892;?#25968;据信息。

     

    从物理帧各个部分的作用里我们可以看出,物理帧里面决定Wi-Fi传输速率的主要是Payload的实际传输量,为了提高Payload的传输量有两种方式,一是提高Payload的数据传输量(使用更高阶的调制方式和增加数据子载波数),以提升?#34892;?#25968;据传输量;二是在固定传输周期内提升Payload的传输时间占比,在一个传输周期内,Payload传输时间占比越高,传输的信息量就越大,速率自然就越高;下面我们就从这两方面展开来看,详细了解下Wi-Fi 6具体是如何提升传输效?#22987;?#25552;高传输时间占比。

     

    提速——更高阶调制(1024-QAM)

    调制方式决定无线信号子载波单个符号的数据密度,在相同频宽下,使用更高阶的调制技术就能实现更高速率的提升。

     

    所谓调制,就是将0、1这种二进制的数据信号转换为无线电波的过程,反之则称为解调,不同调制方式,可以实现的传输能力有很大差异,调制方式越高阶,转换过?#35752;?#25968;据密度就越高,常见几种调制方式对比见图2。

     

    ▲图2:调制方式对比图(从左至右为从低阶到高阶)

     

    Wi-Fi 6引入了更高阶的调制编码方案1024-QAM,对比Wi-Fi 5的256-QAM,1024Q-AM物理层的协商速率提升了25%。那这提升的25%具体是怎么来的呢?下面我们先来看看调制方式?#36864;?#25658;带数据密度的计算方式。

     

    计算方法很简单,QAM数值是2的N次方,对应的符号位长就是N。因此,64-QAM符号位长6bit,表示一次可传输6bit的数据,256-QAM符号位长8bit,1024-QAM符号位长自然就是10bit,因此可以知道Wi-Fi 6对比Wi-Fi 5的物理层协商速率提升了25%。

     

    Wi-Fi 4到Wi-Fi 6所支持的调制方式表如下:

     

    ▲表1:调制方式对应表

     

    表1中名词解释:

    MCS(Modulation and Coding Scheme)调制与编码策略表:调制方式与码率的组合,Wi-Fi设备的实际连接速率,会在MCS这张表里动态自适应选择。当无线信号强劲时,MCS会尽量选择高阶组合(高bit+低冗余),当无线信号微弱时,MCS会尽量选择低阶组合(低bit+高冗余)。

     

    码率:调制过?#35752;?#25554;入用于?#26469;?#26657;验的?#34892;?#25968;据与整体数据占比,如5/6表示5/6是?#34892;?#25968;据,1/6是冗余数据。

     

    提速——增加数据子载波数量

    在说数据子载波占比前我们来看看什?#35789;?#23376;载波。图3是用频谱分析仪捕获的信号能量图,仔细观察振幅的高点,就会发现信号高点并不是平的,而是有很多小的突起,这些小突起就是子载波。

     

    ▲图3:频谱分析仪捕获的信号能量图

     

    从频谱分析仪器捕获的信号能量图可以看出,子载波之间是相互重叠的,那么子载波为什么相互重叠而不会互相干扰呢?#31354;?#23601;不得不说OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分多路?#20174;茫?#35843;制了。OFDM调制(这里的调制与前面提到的QAM调制不同,QAM调制是星座?#21152;?#23556;,属于基带调制,就是将0、1比特调制编码,是信源编码;OFDM调制是将信源编码的结果调?#39057;?#23556;频上,然后发射出去,属于信道调制)是一种特殊的多载波传输方案,OFDM调制技术将信道切分为子载波,提升了整个信道的使用率,从而提高了无线的传输速率,并通过频率正交的方式解决子载波之间的相互干扰(利?#27599;?#36895;?#36947;?#21494;变换(FFT/IFFT)实现),从而大幅度的提高了频宽的使用效率。

     

    ▲图4:OFDM信号频?#36164;?#24847;图

     

    由前面的Wi-Fi理论带宽公式我们得知,理论带宽与数据子载波的数量是成正比的。从OFDM调制方式来看子载波相互之间是叠加的,为了提升一个周期内数据传输的子载波数,我们可以让相互叠加的子载波的间隔变的更小,以提高子载波数量。

     

    Wi-Fi 6对子载波的间隔进行了重新设计,将子载波间隔从Wi-Fi 5的312.5kHz,变成78.125kHz,通过把子载波间隔缩小4倍,即在相同信道频宽(MHz)条件下,Wi-Fi 6的子载波数量也提升到Wi-Fi 5的4倍,如图5所示:

     

    ▲图5:Wi-Fi 5与Wi-Fi 6的子载波间隔对比

     

    为了更直接地展现子载波数量提升带来的效率提升,我们以相同信道频宽80MHz时来计算一下Wi-Fi 5与Wi-Fi 6的?#34892;?#25968;据子载波占比:

     


    ▲表2:Wi-Fi 5与Wi-Fi 6在80MHz频宽下?#34892;?#23376;载波占比对比表

     

    从表2的对比可以看出,Wi-Fi 6的?#34892;?#25968;据子载波占比由91.406%提升到95.703%,效率提升了4.7%,物理层的理论传输速率也随即提升了4.7%。

     

    提速——提高?#34892;?#26102;间占比

    从前面对Wi-Fi 6的物理帧结构分析我们得知,提速的另一个?#34892;?#25163;段就是提高一个传输周期内Payload(?#34892;?#20449;息数据)的时间占比,那在固定传输周期的情况下,减小GI(Guard Interval,帧间隔)的时长,即可相应的提高Payload的时间占比。

     

    ▲图6:一个周期内Payload和GI的时间轴示意图

     

    Wi-Fi 6协议规定了三种GI时长,分别是0.8微秒、1.6微秒和3.2微秒。结合上一章节,由于Wi-Fi 6重新设计了子载波间隔,在一个传输周期内传输的子载波数量提升了4倍,这从时域上来看,信道调制时间也提升了4倍,即信道调制时间从Wi-Fi 5的3.2微秒变成12.8微秒,结合Wi-Fi 6新规定的三种GI,即可得出一个传输周期内Payload的比例。

     

    ▲表3:Payload时间占比对应表

     

    从表3可以看出,当GI时长为0.8微秒时,Wi-Fi 6的Payload时间占比从Wi-Fi 4/5的88.88%提升到了94.11%,效率提升了5.23%,即物理层的协商速率提升了5.23%。GI时间为1.6微秒和3.2微秒时效率对比Wi-Fi 4/5是没提升的,但通过这种更长的GI时长设计,提升了多路径干扰和室外远距离传输场景下无线传输的稳健性。Wi-Fi 6 AP和终端会根据使用环境的不同自动协商出不同的GI时长,来保证各种类?#31361;?#22659;下的最优体验。

     

    前面对速率提升的讨论,我们重点从调制方式(符号位长)、子载波数量和子载波传输时间(传输周期)这三个方面进行展开,关于频宽、码率和空间流等并未进行展开,为让大家更全面的了解一下Wi-Fi的带宽,我们以Wi-Fi 6支持的最高码率和最大空间流数来实际计算一下Wi-Fi 6支持的最大带宽。

     

    ▲表4:Wi-Fi 6理论带宽计算表

     

    从表4可以看出,Wi-Fi 6标准在速率提升上下了很大功夫,给我们带来实实在在的速率提升,这些速率的提升特别适合视频、AR/VR、办公场景等大流量的应用,这些场景结合MU-MIMO/OFDMA技术能实现整个无线系统性能和容量的大幅度提升,接下来我们来看看MU-MIMO/OFDMA技术是如何提高无线系统容量的。

     
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