前言
Wi-Fi已成為當今世界無處不在的技術，為數十億設備提供無線連接，也是越來越多的用戶上網接入的首選方式，并且有逐步取代有線接入的趨勢。為適應新的業務應用和減小與有線網絡帶寬的差距，每一代802.11的標準都在大幅度的提升其速率。
隨著視頻會議、無線互動VR、移動教學等業務應用越來越豐富，Wi-Fi接入終端越來越多。IoT的發展更是讓越來越多的智能家居設備接入到Wi-Fi網絡。因此，Wi-Fi網絡仍需要不斷提升速率，同時還需要考慮是否能接入更多的終端，適應不斷擴大的客戶端設備數量以及不同應用的用戶體驗需求。
圖1-1 不同Wi-Fi標準下的接入量與人均帶寬關系
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下一代Wi-Fi需要解決更多終端的接入導致整個Wi-Fi網絡效率降低的問題，早在2014年IEEE 802.11工作組就已經開始著手應對這一挑戰，802.11ax標準將引入上行MU-MIMO、OFDMA正交頻分多址接入、1024-QAM高階調制等技術，將從頻譜資源利用、多用戶接入等方面解決網絡容量和傳輸效率問題。目標是在密集用戶環境中將用戶的平均吞吐量相比如今的Wi-Fi 5提高至少4倍，并發用戶數提升3倍以上，因此，Wi-Fi 6（802.11ax）也被稱為高效無線（HEW）。
01 什么是Wi-Fi 6？
Wi-Fi 6是下一代802.11ax標準的簡稱。隨著Wi-Fi標準的演進，WFA為了便于Wi-Fi用戶和設備廠商輕松了解其設備連接或支持的Wi-Fi標準，選擇使用數字序號來對Wi-Fi重新命名。另一方面，選擇新一代命名方法也是為了更好地突出Wi-Fi技術的重大進步，它提供了大量新功能，包括更大的吞吐量和更快的速度、支持更多的并發連接等。根據WFA的公告，現在的Wi-Fi命名和802.11技術標準的對應關系如表1-1所示。
和以往每次發布新的802.11標準一樣，802.11ax也將兼容之前的802.11ac/n/g/a/b標準，老的終端一樣可以無縫接入802.11ax網絡。
802.11標準的發布日期、支持的頻段以及新命名如表1-1所示。
表1-1 802.11標準與新命名
802.11ax設計之初就是為了適用于高密度無線接入和高容量無線業務，比如室外大型公共場所、高密場館、室內高密無線辦公、電子教室等場景。
圖1-2 高密高帶寬應用場
在這些場景中，接入Wi-Fi網絡的客戶端設備將呈現巨大增長，另外，還在不斷增加的語音及視頻流量也對Wi-Fi網絡帶來調整，根據預測，到2020年全球移動視頻流量將占移動數據流量的50%以上，其中有80%以上的移動流量將會通過Wi-Fi承載。我們都知道4K視頻流（帶寬要求50Mbps/人）、語音流（時延小于30ms）、VR流（帶寬要求75Mbps/人，時延小于15ms）對帶寬和時延是十分敏感的，如果網絡擁塞或重傳導致傳輸延時，將對用戶體驗帶來較大影響。而現有的Wi-Fi 5（802.11ac）網絡雖然也能提供大帶寬能力，但是隨著接入密度的不斷上升，吞吐量性能遇到瓶頸。而Wi-Fi 6（802.11ax）網絡通過OFDMA、UL MU-MIMO、1024-QAM等技術使這些服務比以前更可靠，不但支持接入更多的客戶端，同時還能均衡每用戶帶寬。比如說電子教室，以前如果是100多位學生的大課授課形式，傳輸視頻或是上下行的交互挑戰都比較大，而802.11ax網絡將輕松應對該場景。
02 Wi-Fi 6速度有多快？
5G是移動網絡高速率的代名詞，同樣，Wi-Fi 6是無線局域網高速率的代名詞。Wi-Fi 6的速率由以下幾個因素決定。
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計算公式：
- 空間流數量
- 空間流其實就是AP的天線，天線數越多，整機吞吐量也越大，就像高速公路的車道一樣，8車道一定會比4車道運輸量更大。
表1-2 不同802.11標準對應的單射頻最大空間流數量
- Symbol與GI
- Symbol就是時域上的傳輸信號，相鄰的兩個Symbol之間需要有一定的空隙（GI），以避免Symbol之間的干擾。就像中國的高鐵一樣，每列車相當于一個Symbol，同一個車站發出的兩列車之間一定要有一個時間間隙，否則兩列車就可能會發生碰撞。不同Wi-Fi標準下的間隙也有不同，一般來說傳輸速率較快時GI需要適當增大，就像同一車道上兩列350KM/h時速的高鐵發車時間間隙要比時速250KM/h時速的高鐵發車間隙要大一些。
表1-3 802.11標準對應的Symbol與GI數據
- 編碼方式
- 編碼方式就是調制技術，即1個Symbol里面能承載的bit數量。從Wi-Fi 1到Wi-Fi 6，每次調制技術的提升，都能至少給每條空間流速率帶來20%以上的提升。
表1-4 802.11標準對應的QAM
- 碼率
- 理論上應該是按照編碼方式無損傳輸，但現實沒有這么美好。傳輸時需要加入一些用于糾錯的信息碼，用冗余換取高可靠度。碼率就是排除糾錯碼之后實際真實傳輸的數據碼占理論值的比例。
表1-5 802.11標準對應的碼率
- 有效的載波數量
- 載波類似于頻域上的Symbol，一個子載波承載一個Symbol，不同調制方式及不同頻寬下的子載波數量不一樣。
表1-6 802.11標準對應的子載波數量
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至此，我們可以計算出802.11ac與802.11ax在HT80頻寬下的單條空間流最大速率：
03 Wi-Fi 6核心技術
Wi-Fi 6(802.11ax)繼承了Wi-Fi 5(802.11ac)的所有先進MIMO特性，并新增了許多針對高密部署場景的新特性。以下是Wi-Fi 6的核心新特性。
3.1 OFDMA頻分復用技術
802.11ax之前，數據傳輸采用的是OFDM模式，用戶是通過不同時間片段區分出來的。每一個時間片段，一個用戶完整占據所有的子載波，并且發送一個完整的數據包，如下圖所示。
圖1-3 OFDM工作模式
802.11ax中引入了一種更高效的數據傳輸模式，叫OFDMA（因為802.11ax支持上下行多用戶模式，因此也可稱為MU-OFDMA），它通過將子載波分配給不同用戶并在OFDM系統中添加多址的方法來實現多用戶復用信道資源。迄今為止，它已被許多無線技術采用，例如3GPP LTE。此外，802.11ax標準也仿效LTE，將最小的子信道稱為“資源單位（Resource Unit，簡稱RU）”，每個RU當中至少包含26個子載波，用戶是根據時頻資源塊RU區分出來的。我們首先將整個信道的資源分成一個個小的固定大小的時頻資源塊RU。在該模式下，用戶的數據是承載在每一個RU上的，故從總的時頻資源上來看，每一個時間片上，有可能有多個用戶同時發送，如下圖所示。
圖1-4 OFDMA工作模式
OFDMA相比OFDM一般有三點好處：
- 更細的信道資源分配。
- 特別是在部分節點信道狀態不太好的情況下，可以根據信道質量分配發送功率，來更細膩化的分配信道時頻資源。下圖呈現出了不同子載波頻域上的信道質量差異較大，802.11ax可根據信道質量選擇最優RU資源來進行數據傳輸。
圖1-5 不同子載波頻域上的信道質量
- 提供更好的QOS
- 因為802.11ac及之前的標準都是占據整個信道傳輸數據的，如果有一個QOS數據包需要發送，其一定要等之前的發送者釋放完整個信道才行，所以會存在較長的時延。在OFDMA模式下，由于一個發送者只占據整個信道的部分資源，一次可以發送多個用戶的數據，所以能夠減少QOS節點接入的時延。
- 更多的用戶并發及更高的用戶帶寬
- OFDMA是通過將整個信道資源劃分成多個子載波（也可稱為子信道），子載波又按不同RU類型被分成若干組，每個用戶可以占用一組或多組RU以滿足不同帶寬需求的業務。802.11ax中最小RU尺寸為2MHz，最小子載波帶寬是78.125KHz，因此最小RU類型為26子載波RU。以此類推，還有52子載波RU，106子載波RU，242子載波RU，484子載波RU和996子載波RU，下表顯示了不同信道帶寬下的最大RU數。
表1-7 不同頻寬下的RU數量
圖1-6 RU在20MHz中的位置示意圖
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RU數量越多，發送小包報文時多用戶處理效率越高，吞吐量也越高，下圖是仿真收益：
圖1-7 OFDMA與OFDM模式下多用戶吞吐量仿真
3.2 DL/UL MU-MIMO技術
MU-MIMO使用信道的空間分集來在相同帶寬上發送獨立的數據流，與OFDMA不同，所有用戶都使用全部帶寬，從而帶來多路復用增益。終端受天線數量受限于尺寸，一般來說只有1個或2個空間流（天線），比AP的空間流（天線）要少，因此，在AP中引入MU-MIMO技術，同一時刻就可以實現AP與多個終端之間同時傳輸數據，大大提升了吞吐量。
圖1-8 SU-MIMO與MU-MIMO吞吐量差異
- DL MU-MIMO技術
- MU-MIMO在802.11ac就已經引入，但只支持DL 4x4 MU-MIMO（下行）。在802.11ax中進一步增加了MU-MIMO數量，可支持DL 8x8 MU-MIMO，借助DL OFDMA技術（下行），可同時進行MU-MIMO傳輸和分配不同RU進行多用戶多址傳輸，既增加了系統并發接入量，又均衡了吞吐量。
圖1-9 8x8 MU-MIMO AP下行多用戶模式調度順序
- UL MU-MIMO技術
- UL MU-MIMO（上行）是802.11ax中引入的一個重要特性，UL MU-MIMO的概念和UL SU-MIMO的概念類似，都是通過發射機和接收機多天線技術使用相同的信道資源在多個空間流上同時傳輸數據，唯一的差別點在于UL MU-MIMO的多個數據流是來自多個用戶。802.11ac及之前的802.11標準都是UL SU-MIMO，即只能接受一個用戶發來的數據，多用戶并發場景效率較低，802.11ax支持UL MU-MIMO后，借助UL OFDMA技術（上行），可同時進行MU-MIMO傳輸和分配不同RU進行多用戶多址傳輸，提升多用戶并發場景效率，大大降低了應用時延。
圖1-10 多用戶模式上行調度順序
雖然802.11ax標準允許OFDMA與MU-MIMO同時使用，但不要將OFDMA與MU-MIMO混淆。OFDMA支持多用戶通過細分信道（子信道）來提高并發效率，MU-MIMO支持多用戶通過使用不同的空間流來提高吞吐量。下表是OFDMA與MU-MIMO的對比：
表1-8 OFDMA與MU-MIMO對比
3.3 更高階的調制技術（1024-QAM）
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802.11ax標準的主要目標是增加系統容量，降低時延，提高多用戶高密場景下的效率，但更好的效率與更快的速度并不互斥。802.11ac采用的256-QAM正交幅度調制，每個符號傳輸8bit數據（2^8=256），802.11ax將采用1024-QAM正交幅度調制，每個符號位傳輸10bit數據（2^10=1024），從8到10的提升是25%，也就是相對于802.11ac來說，802.11ax的單條空間流數據吞吐量又提高了25%。
圖1-11 256-QAM與1024-QAM的星座圖對比
需要注意的是802.11ax中成功使用1024-QAM調制取決于信道條件，更密的星座點距離需要更強大的EVM（誤差矢量幅度，用于量化無線電接收器或發射器在調制精度方面的性能）和接受靈敏度功能，并且信道質量要求高于其他調制類型。
3.4 空分復用技術（SR）和BSS Coloring著色機制
Wi-Fi射頻的傳輸原理是在任何指定時間內，一個信道上只允許一個用戶傳輸數據，如果Wi-Fi AP和客戶端在同一信道上偵聽到有其他802.11無線電傳輸，則會自動進行沖突避免，推遲傳輸，因此每個用戶都必須輪流使用。所以說信道是無線網絡中非常寶貴的資源，特別在高密場景下，信道的合理劃分和利用將對整個無線網絡的容量和穩定性帶來較大的影響。802.11ax可以在2.4GHz或5GHz頻段運行（與802.11ac不同，只能在5GHz頻段運行），高密部署時同樣可能會遇到可用信道太少的問題（特別是2.4GHz頻段），如果能夠提升信道的復用能力，將會對提升系統的吞吐容量。
802.11ac及之前的標準，通常采用動態調整CCA門限的機制來改善同頻信道間的干擾，通過識別同頻干擾強度，動態調整CCA門限，忽略同頻弱干擾信號實現同頻并發傳輸，提升系統吞吐容量。
圖1-12 802.11默認CCA門限
例如下圖，AP1上的STA1正在傳輸數據，此時，AP2也想向STA2發送數據，根據Wi-Fi射頻傳輸原理，需要先偵聽信道是否空閑，CCA門限值默認-82dBm，發現信道已被STA1占用，那么AP2由于無法并行傳輸而推遲發送。實際上，所有的與AP2相關聯的同信道客戶端都將推遲發送。引入動態CCA門限調整機制，但AP2偵聽到同頻信道被占用時，可根據干擾強度調整CCA門限偵聽范圍（比如說從-82dBm提升到-72dBm），規避干擾帶來的影響，即可實現同頻并發傳輸。
圖1-13 動態CCA門限調整
由于Wi-Fi客戶端設備的移動性，Wi-Fi網絡中偵聽到的同頻干擾不是靜態的，它會隨著客戶端設備的移動而改變，因此引入動態CCA機制是很有效的。
802.11ax中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BSS color字段對來自不同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。以這種方式設計的網絡，那些具有相同顏色的信道彼此相距很遠，此時我們再利用動態CCA機制將這種信號設置為不敏感，事實上它們之間也不太可能會相互干擾。
圖1-14 無BSS Color機制與有BSS Color機制對比
3.5 擴展覆蓋范圍（ER）
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由于802.11ax標準采用的是Long OFDM symbol發送機制，每次數據發送持續時間從原來的3.2us提升到12.8us，更長的發送時間可降低終端丟包率；另外802.11ax最小可僅使用2MHz頻寬進行窄帶傳輸，有效降低頻段噪聲干擾，提升了終端接受靈敏度，增加了覆蓋距離。
圖1-15 Long OFDM symbol與窄帶傳輸帶來覆蓋距離提升
04 其他Wi-Fi 6（802.11ax）新特性
前面的幾大核心技術已經足夠證明802.11ax帶來的高效傳輸和高密容量，但802.11ax也不是Wi-Fi的最終標準，這只是高效無線網絡的開始，新標準的802.11ax依然需要兼容老標準的設備，并考慮面向未來物聯網絡、綠色節能等方向的發展趨勢。以下是802.11ax標準的其他新特性。
4.1 支持2.4GHz頻段
我們都知道2.4GHz頻寬窄，且僅有3個20MHz的互不干擾信道（1，6和11），在802.11ac標準中已經被拋棄，但是有一點不可否認的是2.4GHz仍然是一個可用的Wi-Fi頻段，在很多場景下依然被廣泛使用，因此，802.11ax標準中選擇繼續支持2.4GHz，目的就是要充分利用這一頻段特有的優勢。
優勢一：覆蓋范圍
無線通信系統中，頻率較高的信號比頻率較低的信號更容易穿透障礙物，而頻率越低，波長越長，繞射能力越強，穿透能力越差，信號損失衰減越小，傳輸距離越遠。雖然5GHz頻段可帶來更高的傳播速度，但信號衰減也越大，所以傳輸距離比2.4GHz要短。因此，我們在部署高密無線網絡時，2.4GHz頻段除了用于兼容老舊設備，還有一個很大的作用就是邊緣區域覆蓋補盲。
優勢二：低成本
現階段仍有數以億計的2.4GHz設備在線使用，就算如今成為潮流的IoT網絡設備也使用的2.4GHz頻段，對有些流量不大的業務場景（如電子圍欄、資產管理等），終端設備非常多，使用成本更低的僅支持2.4GHz的終端是一個性價比非常高的選擇。
4.2 目標喚醒時間（TWT）
目標喚醒時間TWT（Target Wake Time）是802.11ax支持的另一個重要的資源調度功能，它借鑒于802.11ah標準。它允許設備協商什么時候和多久會被喚醒，然后發送或接收數據。此外，Wi-Fi AP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介質的設備數量。TWT還增加了設備睡眠時間，對采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協調目標喚醒時間功能的使用，AP和STA會互相交換信息，當中將包含預計的活動持續時間，以定義讓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，支持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。AP還可另外設定TWT編排計劃并將TWT值提供給STA，這樣雙方之間就不需要存在個別的TWT協議，此操作稱為“廣播TWT操作”。
圖1-16 廣播目標喚醒時間操作
