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【技術分享】探索5G時代的WiFi6應用

日期:2019-12-27 作者:潤欣科技 返回列表

導語近半年來,5G網絡的的消息和應用 層出不窮,5G的商用牌照也已發布,三大運營商也迫不及待的發布對5G的部署及規劃。在人們對5G展示最大熱情的時候,作為一直以來和蜂窩網絡勢均力敵的wifi也不甘落后,WIFI6悄然面世。潤欣科技在無線通信行業有深厚的技術沉淀,積累了豐富的應用經驗,所以想借此機會跟大家一起探討交流wifi6的發展與應用。


本文主要分為4個部分:


1. wifi的發展歷程及WIFI6技術革新

2. wifi6和5G的對比,以及這兩種技術互利共贏的方式

3. 高通新一代的wifi6芯片QCA6391

4. wifi6芯片的新增RF性能以及測試挑戰


一、Wifi的發展歷程及WIFI6技術革新


wifi的發展歷程

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第一代無線局域網協議推出于1997年,其物理層工作在ISM的2.4G頻段,數據傳輸速率為2Mbps。由于它在傳輸速度和傳輸距離上的表現都不太好,因此并未被大規模使用。


1999年,IEEE制定了802.11a標準,直接將其頻段定在了5GHz,使物理層的最高速率達到了54Mbps,但是,802.11a產品中5GHz的組件研制成功太慢,再加上802.11a的一些弱點和一些地方的規定限制導致802.11a也沒有被廣泛的采用。


802.11b協議,幾乎和11a同時制訂。11b協議基于2.4GHz頻率,最大的傳輸速度只有11Mbps,相比于11a來說雖然速率低了很多,但憑借著在傳輸距離和穿墻能力上的優勢及當時802.11a的核心芯片研發進度緩慢的原因,11b迅速占領了市場。


802.11g協議推出于2003年7月,是IEEE制訂的第三代Wi-Fi標準。它繼承了802.11b的2.4GHz頻段和802.11a的最高54Mbps傳輸速率。同時,它還使用了CCK技術后向兼容802.11b產品。


隨著互聯網發展,在線圖片、視頻、流媒體等服務對無線局域網技術提出了更高的帶寬要求,為滿足用戶需求, 2009年,IEEE宣布了新的802.11n標準, 802.11n協議憑借MIMO、波束成形及40Mhz綁定等技術使最高傳輸速率達到了600Mbps。


2016年7月IEEE推出了第5代Wi-Fi標準802.11ac  , 11ac工作在5GHz的頻段上,在提供良好的后向兼容性的同時,把每個通道的工作頻寬由802.11n的40MHz,提升到80MHz甚至是160MHz,再加上大約10%的實際頻率調制效率提升,最終理論傳輸速度由802.11n最高的600Mbps躍升至1Gbps。    


2018年10月3日,Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)將基于802.11ax標準的WiFi協議正式納入正規軍,成為第六代WiFi技術。借著這個機會,聯盟又將WiFi規格重新命名,之前標準802.11n改名WiFi 4,標準802.11ac改名WiFi 5,新標準802.11ax改名WiFi 6。


Wifi6的技術革新


802.11ax又被稱為“高效率無線標準”(High-Efficiency Wireless,HEW),將大幅度提升用戶密集環境中的每位用戶的平均傳輸率,有效減少網絡擁塞、大幅提升無線速度與覆蓋范圍。其實,設計802.11ax的首要目的是解決網絡容量問題,因為隨著公共Wi-Fi的普及,網絡容量問題已成為機場、體育賽事和校園等密集環境中的一個大問題。那么作為新一代WiFi協議的11ax具體都有哪些技術上的突破呢?


1、wifi6支持2.4G與5G


802.11ax協議基于2.4GHz和5GHz兩個頻段,這種雙頻段,并非是ac雙頻路由器那樣不同的頻段對應不同的協議,ax協議本身就支持兩個頻段。這顯然迎合了當下物聯網、智能家居等發展潮流。對于一些對帶寬需要不高的智能家居設備,可以使用2.4GHz頻段去連接,保證足夠的傳輸距離,而對于需要高速傳輸的設備,就使用5GHz頻段。


2、支持1024-QAM,數據容量更高


從調制上看WiFi 5是256-QAM,WiFi-6是1024-QAM,前者的數據流最大支持4個,后者則最大支持8個,因此WiFi 5的理論吞吐量可以做到3.5Gbps,而WiFi 6則可以做到驚人的9.6Gbps。


3、支持完整版的MU-MIMO


MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即為為多輸入多輸出技術,是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收,實現以更小的代價達到更高的用戶速率,從而改善通信質量。實際上 IEEE在802.11n協議時代就引入了MIMO技術,而MU-MIMO技術可以理解為它的升級版或者是多用戶版本。


通俗來說,以前在802.11n上面的MIMO只能說是SU-MIMO即單用戶MIMO,傳統的SU-MIMO路由器信號呈現一個圓環,依據遠近親疏,依次單獨與上網設備進行通訊。當接入的設備過多時,就會出現設備等待通訊的情況;更為嚴重的是,這種依次單獨的通訊,是基于設備對AP(路由器或熱點等)總頻寬的平均值。也就是說,如果擁有100MHz的頻寬,按照“一次只能服務一個”的原理,在有3個設備同時接入網絡的情況下,每個設備只能得到約33.3MHz頻寬,另外的66.6MHz則處于閑置狀態。即在同一個Wi-Fi區域內,連接設備越多寬頻被平均得越小,浪費的資源越多,網速也就越慢。


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MU-MIMO路由器則不同,MU-MIMO路由的信號在時域、頻域、空域三個維度上分成三部分,就像是同時發出三個不同的信號,能夠同時與三部設備協同工作;尤其值得一提的是,由于三個信號互不干擾,因此每臺設備得到的頻寬資源并沒有打折扣,資源得到最大化的利用,從路由器角度衡量,數據傳輸速率提高了3倍,改善了網絡資源利用率,從而確保Wi-Fi無間斷連接。MU-MIMO技術就是賦予了路由器并行處理的能力,讓它能夠同時為多臺設備傳輸數據,極大地改善了網絡擁堵的情況。在今天這種無線聯網設備數量爆發式增長的時代,它是比單純提高速率更有實際意義的。


值得一提是WiFi5中也使用了MU-MIMO功能,但它天生不足:設備需要連接在同一5G頻段下,要全部支持MU-MIMO功能。且設備數量要剛剛好才能觸發這個功能。最重要的一點是WiFi5下的MU-MIMO功能只支持數據下行,上傳數據時還是走得SU-MIMO。而WiFi6給我們帶來了完整版的MU-MIMO功能——至少它支持數據上行和下行。相比于WiFi中最大的4×4 MU-MIMO規格,WiFi6擁有了8×8 MU-MIMO——最多可以同時支持向8個終端傳輸數據。如此一來適用的場景便多了許多,這時MU-MIMO才到了真正能用的地步。


4、OFDMA技術


長久以來,WiFi一直采用OFDM作為核心傳輸方案。


OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術,是由多載波調制發展而來的一種實現復雜度低、應用最廣的一種多載波傳輸方案。OFDM主要思想是:將信道分成若干正交子信道,將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流,調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開,這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬,因此每個子信道上可以看成平坦性衰落,從而可以消除碼間串擾,而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分,信道均衡變得相對容易。用一個簡單的例子來說明:假設我們現在有很多車要從A地到B地,沒有使用OFDM技術之前,路是一條路,所有的車四處亂開,橫沖直撞,結果誰都快不了。現在使用了OFDM技術,將一條大路劃分為很多個車道,大家都按照車道駕駛,這樣既可以提高速度,又能減少車與車之間的干擾。同時這條道的車多了,就勻一點到那條車少的道上去,管理上也方便很多。


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OFDMA技術是在OFDM的基礎上加入多址(即多用戶)技術,演進而來的。OFDMA將幀結構重新設計,細分成若干資源單元,為多個用戶服務。以20MHz信道為例,在OFDM方案(即11n/ac)里每一幀由52個數據子載波組成,但由于這一幀只為一個終端服務。傳輸的數據包過小時(像聊天記錄),空載的子載波也無法分配給其他終端。而在OFDMA方案(即11ax)里每一幀由234個數據子載波組成,每26個子載波定義為一個資源單元,每個資源單元可以為一個終端服務,這樣每一幀就可以同時為9個用戶服務。用卡車拉貨來解釋這個技術最方便直觀了。OFDM方案是為每一個客戶發一次貨車。不管貨物多少,來一單發一趟,這樣不免就有貨車空載的現象。而OFDMA方案會將多個訂單合在一起發貨,讓卡車盡量滿載上路,使得運輸效率大大提升。


不但如此,WiFi6下OFDMA和MU-MIMO的效果可以疊加。兩者呈現出一種互補關系,OFDMA適用于小數據包的并行傳輸提高信道利用率和傳輸效率。而MU-MIMO則適用于大數據包的并行傳輸,提高單用戶的有效帶寬,同樣能減少時延。


5、TWT機制


TWT機制是專門針對類似智能家居這樣的低速設備而設置的。例如配置2.4GHz頻段、20MHz頻帶的WiFi設備。路由器會自動生成一個數據交換用的喚醒時間,在網絡數據傳輸不高的時段去依次喚醒這些低速設備進行數據交換。(比如下載最新數據庫,上傳生成數據等操作)這樣就可以有效避免網絡擁堵。這也是一種優化網絡帶寬利用率的技術手段。


以上5項技術,他們每一項都有獨當一面之處,再相互結合之后可以讓wifi6迸發出更高的性能,未來2-3年 ,wifi6會逐漸普及,并取代wifi5。


二、5G和wifi6的對比及二者之間的共存


比起最近比較熱門的5G, WIFI6有哪些優缺點呢?那這兩者之間會是怎樣的存在關系呢,接下來,我會從以下4個方面來分享下5G和wifi6的優缺點;從而來和大家說明為什么共存是5g和wifi6最好的歸宿。而不是5G取代WiFi6。


5G和WIFI6的對比


1. 應用場景:  5G是運營商部署的網絡, 5G的應用是面向eMBB(大流量移動寬帶業務)、mMTC(大連接物聯網業務)和uRLLC(超高可靠超時延通信)場景的,以室外為主,5G在工業互聯網,車聯網 無人駕駛等領域有強烈的需求。而WiFi6主要以室內短距離覆蓋為主,Wi-Fi6的應用可以在eMBB和mMTC場景作為5G的補充。是企業辦公的不二選擇。為企業更加智能化提供更多選擇。另外,從家庭用戶的使用角度來看,只有wifi6才能發揮出5G的最大功效。


2. 從技術層面


? 理想速率,wifi6的高速是通過MU-MIMO和OFDMA實現的。采用1024QAM,帶寬最高160MHZ,天線數量最多8T8R,理想速率為9.6Gbps。5G的高速是通過大規模的MIMO無線電技術實現,大規模的MIMO無線電技術采用幾十到幾百個天線用于傳播無線電信號,理想速率達到10Gbps, 兩者理想速率相差不大。


? 覆蓋范圍,覆蓋范圍是和發射強度有關的,Wi-Fi6 AP國家的認證要求發射功率不超過0.2W,,覆蓋范圍約五百到一千平米;一個室外5G基站發射功率可達60W,其覆蓋是公里級的。就覆蓋面積來說,5G優于wifi6。


? 室內單用戶體驗: Wi-Fi6 AP最高可以是8T8R,實際速率至少為3Gbps-4Gbps。典型的室內5G小基站天線一般是4T4R,實際速率是1.5Gbps-2Gbps。所以,單設備的性能Wi-Fi6會優于5G。


3. 頻譜資源:wifi6支持的頻段是2.4GHz和5.8GHz,這些頻譜資源是免費的,成本相對較低。 5G支持1Ghz以下的低頻段,1GHz到6Ghz的中頻段,24/30Ghz到300GHz的高頻多(也成為毫米波),雖然5G的頻譜資源很寬,很廣,但是 這些頻段都是需要授權的,中國是發牌照,國外是以拍賣的形式為主。成本非常高。


4. 建設成本: 5G網絡因信號易衰減,需經過嚴密規劃仿真驗證,此外,5G頻帶和波長的特點需要5G基站更密集,導致投入基站成本高。之前運營商在4G的投資在8千億,而5G的投資是4G的2-4倍。相比較而言,wifi6的升級僅需升級主芯片,且主芯片都是ASIC,成本本身就低于5G 所需的FPGA芯片;光纖入戶或者進入企業后,只需要購買整機Wi-Fi6 AP即可實現部署,成本相對基站而言非常低廉。再加上當前主流的電腦、手機、pad以及無線終端均支持wifi接入,wifi6的應用就更容易迭代出新了。


5G和wifi6的共存


前段時間中國聯通官方微博爆出:通過華為Wi-Fi 6技術進行網絡拓展,采用聯通5G網絡接入,將深圳地鐵福田樞紐建成全國首個應用Wi-Fi 6技術的地鐵車站,實現5G與Wi-Fi6技術的完美融合,開啟了Wi-Fi6軌道行業應用的元年。


在深圳地鐵車站采用的華為Wi-Fi6技術和設備可以提供4倍于傳統Wi-Fi的帶寬,單個AP支持用戶數提升4倍,平均時延降低50%,覆蓋范圍提升20%。


而對于消費者而言, 使用5G和wifi6 技術來實現隨身WIFI也可以實現高帶寬,低時延便捷使用的特點。比如高通現有的方案SDX55平臺搭載wifi6芯片 (通過PCIe-G3進行通訊)


三、高通新一代wifi6芯片---QCA6391


QCA6391是一款高度集成的SOC芯片,主要應用于IOT,支持80211ax WI-FI


及藍牙5.1,QCA6391支持2.4G與5G實時雙頻工作,也就是常說的DBS功能。


特性:


? 支持11ax協議并向后兼容 802.11a/b/g/n/ac

? 支持2x2的MU-MIMO

? 支持雙MAC的DBS功能,2x2的工作模式下,吞吐量最高可以達到1774.5 Mbps

? 2.4G的信道帶寬為20/40 MHz,5G的信道帶寬為 20/40/80MHz

? 支持動態頻率選擇

? 芯片采用了單端射頻輸入輸出口,

? LTE與wifi共存

? wifi與藍牙共存

? 需要晶體或者主平臺產生48MHz參考時鐘,

? 支持外接FEM來實現高功率。

? 另外256腳的NSP封裝


四、802.11ax的RF性能及測試


11ax技術引進了先進的OFDMA和1024-QAM調制技術,對芯片的RF也有了更高的要求,接下來,和大家分享一些RF的新要求及測試難點。


1. 嚴格的EVM規定:我們都知道11ax采用了1024QAM更高階的調制編碼技術,對應的,MCS相比802.11ac有提升,從原來的MCS9(256QAM)提升到了MCS11(1024QAM)再加上子載波的間隔也從原來的312.5Khz降到了78.125Khz,這意味著調制信號的星座點密度有了更高的要求。映射到我們的RF指標上,就是 EVM。與802.11ac中-32dB的EVM要求相比,該標準針對最高傳輸速率指定的EVM要求為-35dB。而對射頻前端PA的EVM要求更高,目標規范需達到-47dB的EVM, 為滿足這種新的、更為嚴格的EVM要求,測試儀器要求其EVM噪聲水平應遠低于DUT。據我所知,Litepiont 羅德等wlan儀器廠商的儀表EVM噪聲是做到了-51db的。


2. 絕對與相對頻率錯誤


802.11ax新引進的OFDMA技術,不僅要求所有用戶同時傳輸,而且還要求OFDMA AP可根據用戶對帶寬的需求來動態地改變用戶所占用頻譜的數量。這兩種要求顯著提高了WIFI頻譜的復雜度,時序同步,頻率對齊以及相應時間等特性就變得很重要。


? 絕對頻率錯誤參數:待測件會傳送802.11ax訊號框架,而測試儀器則會使用標準參考來測量頻率和頻率偏移。結果將與目前802.11ac規格的所述數據相似,限制約為±20ppm。


? 相對頻率錯誤:測試程序包含兩個步驟。首先,測試儀器會將觸發幀傳送給待測件。待測件將依照取自于觸發幀的頻率和頻率信息進行自適應。接著,待測件會使用已修正頻率的幀做出回應,而測試儀器則會測量這些框架的頻率錯誤。在載波頻率偏移和時序補償完成后,而我們需要確認的是:通信可以在400ns的短幀間間隔(SIFS)內傳輸,并在350Hz范圍內與AP時鐘同步。從而確認這個指標是ok的。


3.功率控制


上面我們也提到 OFDMA技術旨在多用戶共享頻譜,但是如果AP側 接到不同用戶功率差異過大,會導致載波間的干擾,功率泄露等一系列的問題,從而影響傳輸質量,所以功率控制是我們必須重視的一個指標。


在802.11ax中,AP是可以命令station根據AP側的目標RSSI(信號強度)來提高或降低功率的,從而使多個用戶到達AP側的功率等級一致。


控制發射功率的算法:


1. station估算路徑損耗。AP的發射功率-station處測得RSSI(信號強度)


2. station算自身的發射功率并發送信號:目標RSSI(信號強度)+第一步估算出來的路徑損耗


4.MU-MIMO功能測試


若在MIMO作業中使用多達8個天線測試802.11ax裝置,其結果可能會與個別及連續測試每個信號鏈路大不相同。舉例來說,來自各個天線的信號可能會對彼此造成負面干擾,并影響到功率和EVM性能,進而對傳輸率帶來負面且顯著的影響。


測試儀器需要支持每個信號鏈的局部振蕩器亞毫微秒同步化,以確保多個通道的相位微調和MIMO性能不會發生問題。


以上大概就是11ax RF 新的要求和測試。11ax還在繼續規范中。測試需求也會根據協議的規范來繼續改進。測試儀器廠商及芯片廠商也在不斷優化設備及測試方案。讓我們以一個最好的姿態來迎接wifi6時代的到來。


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