0 引言
Wi-Fi技術自1997年誕生以來，雖然頻寬只有1 Mbit/s ~ 2 Mbit/s，但是這種連線方式使人們擺脫了有線連線的束縛，以其便捷有效的特性，成為人們上網的首選方式。在接下來的十幾年裡，陸續出現了802.11a、802.11b、802.11n，一直到2014年802.11ac的出現，人們始終致力於提升網路的傳輸速率，從最初的2 Mbit/s，提升到了1.73 Gbit/s。除了傳輸速率的提升，Wi-Fi也引入了更寬的射頻頻寬（提升至160 MHz）和更高的調製技術（256-QAM）。
近年來，由於無線技術以及智慧家居的高速發展，家庭無線網路中出現了越來越多的裝置，除了電腦、手機這些傳統裝置，無線音響、網路電視、攝像頭等新型的智慧家電也出現在人們的生活中，線上教育以及4K高畫質、AR、VR等新型產業也都加入無線網路中。人們享受著網路帶給大家的便利，同時也對網路提出了更高的要求。以傳統Wi-Fi標準（802.11a/b/g/n/ac）執行的無線基礎裝置已無法應對當前WLAN終端數量的增加和頻寬需求的提高，因此急需引入新一代Wi-Fi技術，802.11ax就此應運而生。802.11ax在2013年5月就已開始進行研究，其標準草案由IEEE標準協會的TGax工作組制定，該工作組於2014年5月成立，於2017年11月完成D2.0，2018年5月完成D3.0，2019年10月完成D5.0，截止到目前，最新的版本為D6.0。Wi-Fi發展歷程參見圖 1。
圖1 Wi-Fi發展歷程
隨著Wi-Fi標準的演進，Wi-Fi聯盟組織WFA為了便於Wi-Fi使用者和裝置廠商瞭解其使用的裝置連線或支援的Wi-Fi協議標準，選擇使用數字序號來對每一代的Wi-Fi協議標準重新命名，Wi-Fi 6是802.11ax標準的簡稱。
1 Wi-Fi 6關鍵技術
從Wi-Fi的發展歷程可以看出，在Wi-Fi 5之前，WLAN重點關注的基本都是如何提升速率，但隨著無線終端和無線應用的普及，使用無線網路的裝置越來越多，那麼在一定寬度的道路上爭搶有限的無線網路資源的終端使用者數就會越來越多，即使速度提的再高，也無法使使用者有更好的體驗，因此Wi-Fi標準開始重視接入終端容量。在Wi-Fi 5（802.11ac）的標準裡，就引入了MU-MIMO的技術，該技術的引入，邁出了提升接入終端容量的第一步。
Wi-Fi 6（802.11ax）與Wi-Fi 5（802.11ac）相比，在很多效能指標上都有著卓越的表現，透過一系列新的核心技術，使Wi-Fi網路不論是速率，還是接入終端容量以及時延方面，都有了很大的提升。Wi-Fi 6的顯著優勢，和802.11ax協議中使用到的關鍵技術息息相關，這些關鍵技術具體如下。
1.1 OFDMA
Wi-Fi 5採用的資料傳輸方式是正交頻分複用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），在這種方式下，使用者是透過不同時間片進行區分，每一個時間片上，一個使用者完整佔據所有的子載波，並且傳送一個完整的資料報文。但隨著使用者數量的增多，使用者之間的資料請求就會發生衝突，導致當這些使用者使用高頻寬應用時，服務質量變差。Wi-Fi 6採用的資料傳輸方式為正交分頻多重進接（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），它是OFDM技術的一個演進，透過OFDM技術與OFDMA技術的結合，將無線通道劃分成正交的互不重疊的多個子通道，然後將不同的子通道集分配給不同的使用者並在OFDM系統中新增多址的方法來實現多使用者複用通道資源。其標準仿效LTE，將最小的子通道稱為“資源單位（Resource Unit，RU）”，在該模式下，使用者的資料承載在每一個RU上，故從總的時頻資源上來看，每一個時間片上，將多個使用者同時並行傳輸，無需等待、避免競爭，從而提升了效率，減少了排隊等待時延，實現了系統資源的最佳化利用及多使用者接入。圖2是OFDM與OFDMA工作模式的對比。
圖2 OFDM與OFDMA工作模式對比
1.2 MU-MIMO
MU-MIMO是一種使用通道的空間分集來在相同頻寬上傳送獨立的資料流從而實現多個使用者同時進行資料傳輸的技術，該技術在802.11ac上已經有所應用，當時只是應用在下行，802.11ax不僅支援下行的MU-MIMO，還支援上行的MU-MIMO。MU-MIMO與OFDMA不同的是，該技術中所有使用者使用的是全部頻寬，而不是平分頻寬。
802.11ax與802.11ac相比，增加了天線數量，802.11ac只支援44的MU-MIMO，即最多同時可以傳輸4個使用者的上行資料；而802.11ax已經支援8×8的MU-MIMO，即可以最多同時傳輸8個使用者的上下行資料，既增加了接入使用者數，又均衡了吞吐量。圖3為4×4 AP裝置支援SU-MIMO和支援MU-MIMO的吞吐量對比圖，從中可以看出，支援MU-MIMO的AP裝置的傳輸速率有很大的提高。
圖3 SU-MIMO與MU-MIMO吞吐量對比
1.3 1024-QAM
802.11ax標準的主要目標就是增加系統容量，降低時延，提高多使用者高密場景下的效率，但更好的效率與更快的速度並不互斥。802.11ax引入了更高階的調質編碼方案，即1024-QAM，與802.11ac採用的256-QAM相比，從原來每個符號傳輸8 bit資料提升為每個符號位傳輸10 bit資料，提升了25%（見圖4）。也就是說，相對於802.11ac來說，單條空間流資料吞吐量提高了25%。
圖4 256-QAM與1024-QAM的星座圖對比
1.4 BSS Coloring著色機制
在802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識別機制，稱為BSS Coloring著色機制，透過在PHY報文頭中新增BSS Color欄位對來自不同BSS的資料進行“染色”，為每個通道分配一種顏色，一種顏色標識一組不應相互干擾的基本服務集（BSS），接收端透過及早識別同頻傳輸干擾訊號並停止接收，避免浪費收發機時間（見圖5）。如果顏色相同，則認為是同一BSS內的干擾訊號，傳送將推遲；反之，則認為兩者之間無干擾，兩個Wi-Fi裝置可同通道同頻並行傳輸。
圖5 有無BSS Coloring機制的對比
1.5 目標喚醒時間
目標喚醒時間（Target Wakeup Time，TWT）是802.11ax支援的另一個重要的資源排程功能，借鑑於802.11ah標準，允許裝置協商什麼時候和多久會被喚醒，然後傳送或接收資料。此外，Wi-Fi AP可以將客戶端裝置分組到不同的TWT週期，從而減少喚醒後同時競爭無線介質的裝置數量。TWT還增加了裝置睡眠時間，對採用電池供電的終端來說，大大提高了電池壽命。
802.11ax AP可以和STA協調TWT功能的使用，AP和STA會互相交換資訊，資訊包含預計的活動持續時間，以及STA訪問介質的特定時間或一組時間，這樣就可以避開多個不同STA之間的競爭和重疊情況。另外，支援802.11ax標準的STA可以使用TWT來降低能量損耗，在自身的TWT來臨之前進入睡眠狀態。
2 Wi-Fi 6的產業發展現狀
近年來，Wi-Fi市場一直在不斷壯大，IDC《 中國WLAN市場季度跟蹤報告 2019年第三季度》 報告顯示[1]，WLAN市場總體規模在2019年第三季度達到2.3 億美元規模，處於平穩上升趨勢。其中，Wi-Fi 6在2019年第三季度開始從一些主流廠商陸續登場，首次登場的Wi-Fi 6產品在2019年第三季度便有470 萬美元的銷售規模。
從圖6的Wi-Fi 5產品發展軌跡可以看到，Wi-Fi 5從2019年開始增速放緩，暗示著新產品的迭代，而Wi-Fi 6在經歷了2019年下半年的“試用期”後，不同的行業對Wi-Fi 6持有不同的認可度和接受度。2020年是Wi-Fi 6進軍市場的第一個完整元年，在上一代產品增速放緩的市場背景下給予無線市場一劑強心針。從目前的市場來看，Wi-Fi 6的產品主要包括晶片、網路裝置和終端3個方面。
圖6 IDC對中國網路無線市場規模預測
2.1 晶片
晶片是一個產業鏈的核心產品，對整個產業鏈來說，起著至關重要的作用。目前，商用Wi-Fi 6晶片廠商主要包括高通、博通、Intel等國外廠商，以及MTK、RealTek、海思等國內廠商，但各廠商晶片產品種類及成熟度存在差異。
從天線數來看，各廠商目前均有支援2×2 80 MHz的Wi-Fi 6晶片，博通、高通、Intel以及MTK已有支援4×4的Wi-Fi 6晶片，只有高通支援8×8的Wi-Fi 6晶片，研發3×3天線數以及8×8天線數的晶片都已列入各晶片廠家的計劃中。
從頻寬來看，2.4 G的頻寬各廠家大部分以40 MHz為主，大部分廠家的5G頻寬為80 MHz，目前只有博通、海思以及Intel支援160 MHz頻寬。從關鍵特性的支援程度來看，上下行的OFDMA目前各晶片廠家均已支援，但MU-MIMO技術，大部分廠家只支援下行的MU-MIMO，不支援上行的MU-MIMO。
2.2 網路裝置
支援Wi-Fi 6的網路裝置主要有AP和路由器，對於支援Wi-Fi 6的AP裝置，目前在國內銷售的國外品牌AP裝置中，主要以Aruba為主，國內廠商華為、TPLINK、H3C等也均推出了支援Wi-Fi 6的無線AP產品。對於支援Wi-Fi 6的無線路由器，目前在售的國外品牌，主要有NETGEAR，其採用的晶片包括博通、高通和Intel；國內廠家主要有華碩、D-Link、TP-LINK、華為、小米、天邑等。
2.3 終端
Wi-Fi終端出貨中佔比最大的是智慧手機和膝上型電腦[3]。在國外品牌方面，目前已經有三星S10系列、三星Note10系列以及iPhone11兩個國外廠家的手機支援Wi-Fi 6；在國內品牌方面，2020年2月14日，小米釋出的小米10全系支援Wi-Fi 6，這是國內釋出的首個支援Wi-Fi 6的手機；2020年2月25日，vivo在IQOO 3手機的釋出會上，宣稱該款手機亦支援Wi-Fi 6；在膝上型電腦方面，弘基、聯想、惠普、戴爾等主流廠商都已推出了支援Wi-Fi 6的膝上型電腦產品。根據Wi-Fi聯盟統計[3]，截止到2020年6月已經透過Wi-Fi 6聯盟認證的產品數為335 款，其中晶片產品13 款，我國企業佔比7.6%；無線路由器產品154 款，我國企業佔比42.2%；移動終端類152 款，我國企業佔比20.4%；筆記本/平板電腦16 款，我國企業佔比81.25%。目前來看，Wi-Fi 6的產品價格偏高，但隨著晶片的量產化以及研發成本的下降，Wi-Fi 6的產品價格也會有所下降。
3 結束語
Wi-Fi 6具有更高的傳輸速率、更大的併發接入量以及更低的時延，這些優點使得Wi-Fi 6的應用場景更加豐富，不僅滿足智慧家庭4K、VR、網路遊戲、智慧家居互聯等業務的高效承載，同時也適用於行業應用中高密辦公、生產無線、智慧教學、智慧傳媒以及城市和企業的數字化等。在Wi-Fi 6還未完全普及時，Wi-Fi聯盟推出了Wi-Fi 6E標準，該標準允許Wi-Fi裝置支援6 GHz頻段，這意味著Wi-Fi將可以包含14個80MHz通道和 7個160 MHz通道，比Wi-Fi 6帶來更快的網速和更低的延遲。同時，Wi-Fi 7也已安排上了日程，802.11be標準作為Wi-Fi 7的有力候選者，相比於Wi-Fi 6來說，支援更多的資料流，2.4 GHz 、5 GHz以及6 GHz三頻段同時工作，訊號的調製方式也升級到了4096QAM，可提供高達30 Gbit/s的傳輸速度。Wi-Fi技術的發展，不斷為無線網路帶來一次次革新，徹底改變了無線網路的實現方式，給人們帶來前所未有的網路體驗。
參考文獻
[1] IDC. Wi-Fi 6將在2020元年大放異彩[EB/OL]. (2020-03-04)[2020-10-10]. https://www.idc.com/getdoc.jsp? containerId=prCHC 46106220.
[2] 華為技術有限公司. 華為Wi-Fi 6(802.11ax)技術白皮書[R], 2019.
[3] 網路通訊技術. 802.11ax技術標準值得期待但無需等待[EB/OL]. (2018-06-13)[2020-10-10]. http://net.it168.com/a2018/0613/3208/000003208962.shtml.
作者簡介
王 芳，中國資訊通訊研究院技術與標準研究所工程師，主要從事接入網領域的科研與測試等方面的工作。
苟書智，中國資訊通訊研究院技術與標準研究所工程師，主要從事接入網領域的科研與測試等方面的工作。
卓安生，中國資訊通訊研究院技術與標準研究所工程師，主要從事接入網領域的科研與測試等方面的工作。
本文刊於《資訊通訊技術與政策》2021年 第5期
