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    Wi-Fi 6有5大核心技術和2大主要應用場景

    熱點推薦2021年07月23日
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      Wi-Fi 6是在Wi-Fi 5之后無線局域網協議本身的進一步演進和擴展,其初始的命名代號為HEW(High Efficiency WLAN)。Wi-Fi 6的設計思路與傳統Wi-Fi存在一定區別,過去Wi-Fi協議的發展主要集中在提供更高的峰值速率;而Wi-Fi 6從其協議名稱High Efficiency就可以看出,它更關注效率,也希望更加有效地使用當前頻譜資源,從而提供更高的實際網絡速率。為此,Wi-Fi 6引入了OFDMA(正交頻分多址)、上行MU-MIMO(多用戶-多輸入多輸出)、TWT(Target Wake Time,目標喚醒時間)、BSS Coloring著色機制和1024QAM等新型技術。
      
      Wi-Fi 6的五大核心技術
      
      OFDMA頻分復用技術
      
      OFDMA是從OFDM演進過來最早應用于蜂窩通信的技術。Wi-Fi 6標準也采納了這種技術來提高頻譜的利用效率。在傳統方式中,每個用戶要發送的數據(無論數據包的大小)都會占用整個信道。OFDMA將信道劃分為多個子載波,將最小的子信道作為資源單元(Resource Unit,RU)。Wi-Fi 6中最小RU為2MHz帶寬,用戶的數據就承載在每個RU上。以20MHz帶寬為例,通過OFDMA技術最多可以容納9個RU,其余空間作為保護間隔。就好比一輛公共汽車(20MHz帶寬)之前只能一次承載1名乘客,現在最多可以同時運送9名乘客(9個并發用戶)。
      
      上行/下行MU-MIMO技術
      
      在物理空間方面,Wi-Fi 6繼承了Wi-Fi 5下行MU-MIMO的特點,即在同一時刻無線路由器可以向多個支持MU-MIMO的終端發送數據,解決了之前同一時間只能向一個終端發送數據的問題。Wi-Fi 6在保持這一技術的同時加入了上行的MU-MIMO,可以同一時刻支持最多8個終端向無線路由器發送數據,從而實現了上行與下行的雙向MU-MIMO。OFDMA與MU-MIMO分別在頻率空間和物理空間上提供多路并發技術,帶來了網絡整體性能與速率的極大提升。
      
      BSS Coloring著色機制
      
      為解決Wi-Fi頻譜資源匱乏導致的同頻干擾問題,Wi-Fi 6引入了一種新的同頻傳輸識別機制叫BSS Coloring著色機制。在PHY報文頭中添加6bit的標識符對來自不同BSS的數據進行“染色”,為每個通道分配一種顏色,該顏色標識一組不應干擾的基本服務集(BSS),接收端可以及早識別同頻傳輸干擾信號并停止接收,避免浪費收發機時間。如果顏色相同,則認為是同一BSS內的干擾信號,發送將推遲;如果顏色不同,則認為兩者之間無干擾,兩個Wi-Fi設備可同信道同頻并行傳輸。初步解決了不同無線路由器工作在相同信道相互干擾的問題,提升了系統性能與頻譜的利用率。
      
      TWT目標喚醒時間
      
      目標喚醒時間TWT是Wi-Fi 6支持的一個重要的資源調度功能,它允許設備協商什么時候和多久喚醒發送或接收數據,無線接入點可以將客戶端設備分組到不同的TWT周期,從而減少喚醒后同時競爭無線信道的設備數量。TWT 還增加了設備睡眠時間,從而大大提高了電池壽命。預計這項功能將為IoT設備節約 30%以上的電力。
      
      1024QAM高階調制技術
      
      Wi-Fi 6在提升效率的同時還增加了傳輸速率。其最高采用1024QAM調制方式,每個符號位最多傳輸10bit數據。Wi-Fi 5采用的256-QAM正交幅度調制,每個符號最多傳輸8bit數據,從8到10的提升是25%,也就是相對于Wi-Fi 5來說,Wi-Fi 6的單條空間流數據吞吐量提高了25%。
      
      總的來看,Wi-Fi 6在傳統的Wi-Fi技術基礎上借鑒了移動蜂窩通信技術中的創新技術,大幅提升了網絡容量和網絡性能,為用戶提供了更好的體驗。
      
      全球Wi-Fi 6的頻譜資源
      
      目前全球Wi-Fi 6在6GHz以下主要使用2.4GHz和5GHz兩個頻段,采用免許可方式管理,與其它無線接入、藍牙、點對點或點對多點擴頻通信等系統共享使用。
      
      在我國,根據信部無〔2002〕353號、信部無〔2002〕277號和工信部無函〔2012〕620號等文件規定,Wi-Fi可用頻率有2400~2483.5MHz、5150~5350MHz(5.1GHz)和5725~5850MHz(5.8GHz),總量408.5MHz,最大連續帶寬200MHz。相比之下,美國Wi-Fi頻段主要有2400~2473MHz、5150~5350MHz和5470~5825MHz頻段,總量628MHz,最大連續帶寬355MHz;歐盟Wi-Fi頻段主要有2400~2483.5MHz、5150~5350MHz和5470~5875MHz頻段,總量688.5MHz,最大連續帶寬405MHz。我國與歐美Wi-Fi在頻譜總量和最大連續帶寬的差異主要體現在5470~5725MHz頻段的255MHz頻譜。
      
      2020年4月23日美國發布法規,將全部6GHz頻段(5925~7125MHz,共計1.2GHz帶寬)用于免許可技術,鑒于此策略。Wi-Fi聯盟方面,為了區分工作在6GHz頻段的Wi-Fi設備,2020年1月提出了Wi-Fi 6E品牌。Wi-Fi 6E在6GHz頻段能夠支持7個不重疊的160MHz帶寬的信道。Wi-Fi聯盟已經在2021年啟動了Wi-Fi 6E的認證工作。目前已有支持Wi-Fi 6E的網卡和設備,如Intel AX210。
      
      在美國影響下,部分國家和地區已選擇或正在積極考慮將6GHz或其中的一部分頻率用于Wi-Fi 6。2020年3月歐盟完成了5925~6425MHz用于無線局域網的頻譜研究報告。英國于2020年1月17日發起將5925~6425MHz頻段開放給非授權使用的公開意見征詢,預計法規將于2021年生效。2020年5月阿聯酋啟動了關于Wi-Fi使用5925~7125MHz頻段的意見調研。巴西2020年5月6日啟動法規修訂,以允許Wi-Fi 6使用5925~7125MHz頻段,計劃8月完成射頻指標制定,之后將啟動法規意見征詢并做出決定。2019年12月韓國發布“5G+”頻譜戰略,考慮將整個6GHz用于免許可技術,目前正在開展Wi-Fi共存分析與法規制定工作。我國在6GHz主推IMT技術,并采取以IMT網絡為主承載工業互聯網、物聯網基礎設施建設的發展路線。在我國的主導推動下,2019年ITU WRC-19大會為WRC-23大會設立了議題,研究在6425~7125MHz等中頻段再次為IMT尋找新增頻率。該議題獲得了非洲國家、俄羅斯等部分歐洲國家、部分阿拉伯國家和部分亞太國家的支持,受到了美國、越南、韓國等國家的反對。6GHz頻段(C頻段上行)全球現有業務主要是衛星固定業務(FSS,地對空)和固定業務。
      
      Wi-Fi 6產業鏈條簡析
      
      Wi-Fi產業鏈包括芯片、網絡設備、終端3個主要環節。芯片是Wi-Fi產業鏈的核心環節,包含了大量的核心專利,對產業鏈的其他環節產生重要影響。從總量角度考慮,全球Wi-Fi芯片出貨量將于2022年達到49億套,占據各大主流互聯方案出貨量逾40%(據IDC數據)。根據市場調研機構Markets and Markets的統計,預計2022年全球Wi-Fi芯片市場規模將達到197.2億美元。博通、高通、英特爾、德州儀器等美國企業長期控制Wi-Fi芯片研發、生產和銷售,其產品占據70%以上的市場份額并借此主導全球Wi-Fi產業發展。主流Wi-Fi芯片廠商基本都在我國臺灣代工生產,使得中國臺灣成為絕大多數Wi-Fi芯片的出產地。臺灣企業聯發科、Realtek也是主要的Wi-Fi芯片供應商。此外,我國的華為海思、紫光展銳、樂鑫科技等也研發Wi-Fi芯片,市場規模占比約為5%。
      
      目前,主要Wi-Fi芯片廠商都推出了Wi-Fi 6芯片產品。截至2019年5月,美國高通公司發布4款產品、博通發布5款產品、英特爾發布3款產品、MTK發布1款產品。業內預估Wi-Fi 6芯片全球出貨量將由2019年的約3億套,快速成長到2022年超越20億套。2019年的Wi-Fi 6芯片出貨量占比為10%,預計到2023年占比為90%。我國華為海思已于2020年2月推出用于Wi-Fi 6無線路由器的凌霄650芯片以及用于Wi-Fi 6終端的麒麟650芯片。
      
      Wi-Fi聯盟最新數據顯示,截至2021年6月,通過Wi-Fi 6認證的產品數量為1635款。其中,筆記本產品137款、手機類產品604款、無線路由器748款、平板電腦21款。
      
      Wi-Fi網絡設備主要是家用和企業無線路由器。目前,國內外主流無線路由器廠商都已經發布了Wi-Fi 6產品。國外廠商主要包括Cisco、 Hewlett Packard Enterprise、Buffalo、Ruckus、Extreme Networks。國內廠商主要包括華為、中興、新華三、TP-LINK、小米、華碩、水星等。中國市場Wi-Fi 6家用產品主要是空間流為2×2產品,因此性能相較前一代提升不多。性能的提升還需要等待Wi-Fi 6終端的普及。歐美市場尤其是美國市場以高端產品為主,空間流以2×4和4×4為主,但成本也相對較高。Wi-Fi終端出貨中占比最大的是智能手機和筆記本電腦。目前,三星、華為、蘋果、小米等國內外廠商的旗艦機手機都已支持Wi-Fi 6。在筆記本電腦方面,Wi-Fi功能早已成為筆記本電腦的標準配置。聯想、惠普、戴爾等主流廠商都已推出支持Wi-Fi 6的筆記本電腦產品。隨著新冠肺炎疫情的發展,越來越多的公司鼓勵員工在家辦公,因此對家庭網絡的要求也隨之增高,客觀上刺激了Wi-Fi 6的發展與推廣。
      
      隨著物聯網的快速發展,越來越多的智能化物聯網設備(如冰箱、空調、洗衣機、音箱、攝像頭、燈具等)開始支持Wi-Fi功能。Strategy Analytics研究分析,2019年全球有近50億個家用Wi-Fi設備正在使用,全球Wi-Fi智能家居設備在2023年將達到170億個,類似的物聯網設備將成為Wi-Fi設備的主要增長點。目前,Wi-Fi 6在物聯網領域的應用還不多,但隨著Wi-Fi 6產品的日益成熟和成本的不斷降低,其在物聯網領域的滲透率將逐步增加。
      
      Wi-Fi 6兩大主要應用場景
      
      Wi-Fi 6的應用場景在Wi-Fi 5的基礎上進一步擴展,除了原有的家庭、企業等室內環境以外,還考慮了此類環境中高密度的使用情況,同時聚焦于體育場、校園等室外接入點和終端設備高度密集的復雜環境,以及對吞吐量要求較高的應用場景。Wi-Fi 6場景服務對象也由個人應用擴展至公眾接入,以及對蜂窩網的分流,同時還涉及遠程醫療、場館活動視頻和車載娛樂等對吞吐量要求較高的應用領域。
      
      總的來看,參考IEEE設計的Wi-Fi 6應用場景主要包括兩大類:高密集場景和高吞吐場景。其中,高密集場景又進一步細分為室外高密度AP(Access Point,接入點)和終端場景、室內高密度AP和終端場景、高密度AP與中低密度終端場景、室內高密度終端場景。具體細分場景如表1所示。
      

      Wi-Fi 6的業務應用與前幾代Wi-Fi基本相同,仍以部署簡單靈活、組網成本低廉、結構變更簡單的業務為主。目前的主要業務仍為家用互聯網寬帶接入、企業接入和場館等熱點區域接入。在家庭中用戶可以自行通過購買Wi-Fi路由器構建網絡,避免了布置網線的煩惱。Wi-Fi 6的高性能也能夠為企業提供優質的網絡服務,企業能夠通過Wi-Fi 6迅速搭建自有網絡,并且流量可以不經過運營商。另外,Wi-Fi 6還能夠提供熱點地區的網絡服務。在人群密集地區(如在公園、體育場、飛機場、火車站)布設熱點,提供上網服務。

      發展建議
      
      一是制定以5G為主、Wi-Fi為輔的發展策略,充分發揮各自優勢。5G是我國關鍵信息技術基礎設施,為消費互聯網、產業互聯網提供堅實的網絡基礎。Wi-Fi 6憑借其低成本、易部署、大帶寬等特點,是5G的有益補充,二者將在未來較長時間內融合共存。
      
      二是借鑒我國5G發展經驗,推動Wi-Fi產業發展。鼓勵相關企業加大技術投入,積極參與Wi-Fi標準化。指導和幫助企業、專業機構申報國內、國際專利,及時形成知識產權。鼓勵Wi-Fi 6在智能家居、企業辦公等室內場景的應用。依托我國龐大的Wi-Fi應用市場,建立具有國際影響力的產業推進組織。
      
      三是評估5G和Wi-Fi 6供應鏈安全情況,加大對相關芯片設計、芯片制造、高技術部件等薄弱環節的研發投入,擺脫對國外企業的依賴,實現相關供應鏈的自主可控。在芯片方面,Wi-Fi芯片比5G芯片門檻低很多,但主要芯片仍然由高通、博通等國際廠商壟斷。華為自研了Wi-Fi 6芯片,但主要為自己的產品使用。國產其他廠商目前多在做物聯網方面Wi-Fi的IoT芯片,離高端芯片還有很大差距,預計10年能趕上,而且需要產業鏈的支持。

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