WIFI6介绍

　　WiFi6又被称为802。11ax，是WiFi联盟对电气和电子工程师协会IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）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。111997。之后的每45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1802。11标准的演进
　　2018年，为了方便记忆和理解，WiFi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WiFi6。
　　图2802。11axVSWiFi
　　WiFi6作为WiFi5的继任者，相比WiFi5，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3WiFi6的性能提升
　　WIFI6具有以下特征：大带宽：相较于WiFi5，WiFi6除了采用更高阶的1024QAM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。WiFi6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：WiFi5的30ms时延已经无法满足低时延场景的需求，例如VRAR互动操作模拟、全景直播、互动式游戏、沉浸式会议、高清无线投屏等，而WiFi6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BSSColoring减少了同频干扰，令时延降低至20ms。高并发：WiFi6引入了OFDMA和上行MUMIMO等多用户传输技术，进一步提升了频谱利用率，使得WiFi6相比于WiFi5，并发用户数提升了4倍。节能：WiFi6采用TWT技术，按需唤醒终端WiFi，加上20MHzOnly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WiFi6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11所示。
　　图11WiFi5下得多用户传输
　　WiFi6的引入了OFDMA。OFDMA将信道划分成不同资源单元RU（ResourceUnit）。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12所示。
　　图12WiFi6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。
　　WiFi6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（DataTones）数量为234，在中心位置作为标识的直流子载波（DCTones）数量为7，用于信道估计等功能的导频子载波（PilotTones）数量为4，用于保护间隔的边带保护子载波（GuardTones）数量为11。
　　RU的划分
　　为了简化OFDMA的调度，WiFi6只定义了7种RU类型。分别是：26toneRU、52toneRU、106toneRU、242toneRU、484toneRU、996toneRU和2x996toneRU。其中26toneRU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13所示。
　　图1320MHz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14所示，20MHz信道可以分配给用户16，用户1使用106toneRU，用户26使用26toneRU。
　　图14多用户的RU资源分配
　　如图15，在某个时刻，WiFi5信道是被单个用户独占的，而WiFi6信道是被划分给不同的用户的。
　　图15OFDM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。MUMIMO
　　通常会在WLAN设备上看到一个指标项MNMIMO，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系统中，每一路独立处理的信号被定义为一路空间流（SpatialStream）。
　　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。对无线系统而言，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21所示，目前支持44WiFi5Wave2的AP的整体理论传输速率可达1。732Gbits（每一条流的理论传输速率为433Mbits），当它与11（1天线）手机连接和传输时，最高理论传输速率仅为433Mbits。同一时间其余的1。3Gbits的容量都会被闲置。
　　图21单用户传输
　　为此，WiFi5引入了MUMIMO。MUMIMO的MU（MultiUser）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WiFi4一趟只能开一辆小车送货给接收端，那么WiFi56就是一趟开多辆小车送货，如图22所示。
　　图22MUMIMO下的多用户传输
　　如图23所示，早在WiFi5就已经支持了同时与4个用户进行下行通信，而WiFi6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23WiFi5和WiFi6的MUMIMO
　　OFDMA和MUMIMO的关系
　　虽然OFDMA和MUMIMO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。MUMIMO：实现物理空间上的多路并发，适用于大数据包的并行传输（如视频、下载等应用），提升多空间流的利用率与系统容量，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MUMIMO联合调度对每个业务进行资源的合理分配（如网页浏览、视频观看、下载、即时消息等各类业务场景）。如图24所示，华为WiFi6AP通过设计合理MUMIMO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24OFDMA与MUMIMO联合调度BSSColoring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CSMACA（CarrierSenseMultipleAccessCollisionAvoidance）。
　　怎么理解CSMACA？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31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（OverlappingBasicServiceSet）。为了解决OBSS产生的同频干扰，WiFi6引入BSSColoring加强空间复用。
　　图31OBSS
　　BSSColoring
　　BSSColoring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32同信道BSS在颜色标注前后的拥塞情况
　　如图32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BSSColoring的实现要稍微复杂一点。颜色的标记是由无线接入控制器WAC（WirelessAccessController）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WiFi6前，信道忙闲状态的具体检测方法是空闲信道评估CCA（ClearChannelAssessment）。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WiFi6需要进行双标处理，所以会设置2个协议门限，如图33所示
　　图33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34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34对OBSS调整协议门限节能
　　TWT机制
　　WiFi6之前其实也有节能模式，如图41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41WiFi6之前的节能模式
　　WiFi6引入了TWT机制，如图42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43所示
　　图42WiFi6的节能模式
　　图43TWT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自由行动。
　　TWT有2种模式，一种是InpidualTWT，一种是BroadcastTWT，如图44所示。
　　图44InpidualTWT和BroadcastTWT
　　InpidualTWT，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WiFi6又新定义了一种BroadcastTWT。如果说，InpidualTWT是私聊模式的话，BroadcastTWT就是群聊模式。BroadcastTWT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BroadcastTWT，加入完成后，终端就可以获得AP的广播TWT服务时间了。
　　OMI
　　WiFi6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。WiFi6的其他关键技术
　　1024QAM
　　如图51所示，WiFi5采用的256QAM正交幅度调制，每个符号（Symbol）传输8bit数据，WiFi6将采用1024QAM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WiFi5来说，WiFi6的单条空间流数据吞吐量又提高了25。
　　图51WiFi5和WiFi6的QAM
　　这就好比是货物打包，如图52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52WiFi5和WiFi6的QAM携带数据量
　　需要注意的是WiFi6中成功使用1024QAM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WiFi6标准采用的是LongOFDMSymbol发送机制，每次数据发送持续时间从原来的3。2s提升到12。8s，而且WiFi6也定义了0。8s、1。6s和3。2s的保护间隔GI（GuardInterval），对比WiFi5（只支持0。4s和0。8s）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，WiFi6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，WiFi6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53所示。
　　图53WiFi6相较于WiFi5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（PHYProtocolDataUnit）传输数据给不同的终端，正因为如此，WiFi6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54所示，WiFi6新增的4类PPDU，这4类PPDU功能各有不同，也能够兼容原来的WiFi标准。HESUPPDU：适用于单用户报文传输。HEMUPPDU：适用于多用户同时传输。HETBPPDU：适用于上行OFDMA和上下行MUMIMO场景。终端接收到AP发送的HETBPPDU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。HEERSUPPDU：扩展的HESUPPDU，适用于室外远距离场景。
　　图54WiFi6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WiFi6终端。HE前导码：用于传输OFDMA、MUMIMO、BSSColoring的相关信息。
　　前导码打孔
　　WiFi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。WiFi4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55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55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，WiFi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，WiFi6提出了前导码打孔（PreamblePuncturing）机制。如图56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捆绑。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56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。
　　20MHzOnly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20MHzOnly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57所示，这样就浪费了从属信道的带宽。
　　图5720MHzOnly设备仅工作在主信道
　　为了解决这个问题，WiFi6利用TWT技术，将20MHzOnly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WiFi6的优势：大带宽、低时延、高并发和低功耗。而想要使用WiFi6网络的完整特性是需要WiFi6AP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WiFi6的终端还是少数，仅有部分手机、电脑等电子设备支持。
　　WiFi6AP通常向前兼容以往的WiFi标准，也就是说WiFi6AP支持与非WiFi6终端通信。而且由于WiFi6引入的88MUMIMO，WiFi6AP将最多可跟8个设备同时进行通信，对比WiFi5的4个设备，单AP并发接入更多的终端；WiFi6AP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WiFi6终端依然有效。