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企业(Wi-Fi) 无线网络的发展

近两年被炒的热火朝天的万物互联,也让短距离传输的新旧协议标准跟着风光。目前业 内除了 Wi-Fi 外,还有以下常用协议标准:

蓝牙技术,始于 1994,由瑞典爱立信研发。是一种支持设备短距离通信(一般 10m 内) 的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进 行无线信息交换。目前的蓝牙标准是 Bluetooth 5.0,在传输距离、传输速率上及功耗 上都比以前有明显提升。众多厂家的无线 AP 里内置蓝牙模块,一方面可以用在基于 蓝牙的定位及电子围栏,另一方面是基于物联网传输的考虑。Zigbee,是一种短距离,低功耗,低速率,低成本的一种无线自组网通信技术,它的 出现是为了弥补蓝牙协议的高复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等缺陷。ZigBee 网络被广泛应用于家庭自动化、家庭安全、工业现场控制、环境控制、医疗护理、 交通运输等各个领域。例如在智能家居里作为物联网设备的网关。RFID,是一种无线通信技术,可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而 无需读卡识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。RFID 接收解读器凭借感 应电流识别并发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签或被动标签),或者由标签 主动发送某一频率的信号(有源标签或主动标签),解读器读取信息并解码后,送至 中央信息系统进行有关数据处理。RFID 已广泛应用于资产管理、门禁、停车场等物 联网场景,其应用市场必将随着物联网的发展而扩大。

NFC,近场通信,由 RFID 及互连技术整合演变而来。NFC 是一种短距高频的无线 电技术,工作频率在 13.56MHz,20cm 距离内。卡与读卡器间非接触式进行点对点 数据读取与交换。NFC 与蓝牙技术功能类似,但传输速率和传输距离没有蓝牙快和远, 同时功耗和成本都较低,保密性好,这些优点让它成为移动支付和消费类电子的宠儿。

LiFi,光保真技术,是一种利用可见光波谱 ( 如灯泡发出的光 ) 进行数据传输的全新无 线传输技术。LiFi 能利用发光二极管 (LED) 灯泡的光波传输数据,可同时提供照明与 无线联网,且不会产生电磁干扰,而且数据在光里传输,安全性高。其局限性主要是 终端到光源的反向通信及环境干扰问题。目前 LiFi 的商用产品还很少。

WiFiHaLow,基于联盟最新公布的 802.11ah WiFi 标准,用于低功耗、长距离传输。HaLow 采用 900MHz 频段,低于当前 Wi-Fi 的 2.4GHz 和 5GHz 频段。更低功耗, 同时 HaLow 的覆盖范围可以达到 1 公里,信号更强,且不容易被干扰。

几种技术的对比如下:

短距离传输技术对比

Wi-Fi 发展历程

无线 Wi-Fi 20 年的发展历程,其实就是人们对高带宽不断追求的过程。从图 2-2 可以 看出,Wi-Fi 几乎每经过 4-5 年左右就会出现一次技术变革,变革的主要目的是提高带宽。

11a/g,理论带宽 54Mbps,并规定了 2.4G 与 5GHz 的 Wi-Fi 可用信道。11n,第一次在 Wi-Fi 技术里使用了 MIMO,在 2.4G 与 5GHz 下支持最多 4 根天线4 空间流,同时支持 40MHz 的信道捆绑技术,以提高带宽。802.11n 40MHz 频宽 下单空间流理论最大带宽为 150Mbps,因此 4 空间流最大带宽为 600Mbps。11ac,主要在 5GHz 的信道上做了优化,支持 80MHz 的频宽(wave2 阶段开始支 持 160MHz),单条空间流在 80MHz 的频宽下最大带宽达到 433Mbps,虽然 11ac设计可以支持8 空间流,但实际产品中最多只用到4 条流,4 空间流时可达1.733Gbps; 在 11acwave2 阶段开始支持下行 MU-MIMO( 多用户的 MIMO),将 AP 由每时刻 只能有一个终端通信的 Hub 模式变成了可以多用户同时通信的交换模式,有效改善了 网络资源利用率,让无线 AP 的通信能力大幅提升。

Wi-Fi 发展历程

1ax,2018.10 月,Wi-Fi 联盟为更好的推广 Wi-Fi 技术,参考通讯技术命名方式, 重新命名 Wi-Fi 标准,其中 802.11ax 被命名为 Wi-Fi 6,11ac 被命名为 Wi-Fi 5,以此 类推。Wi-Fi 联盟计划在 2019 年对 Wi-Fi 6 产品进行认证,因此 2019 年被看作 是 Wi-Fi 6 元年。Wi-Fi 6 单空间流在 80MHz 的频宽下最大速率达到 600Mbps。 同时 Wi-Fi 6 更注重用户体验的提升。

802.11ax(Wi-Fi 6) 新技术带来的影响Wi-Fi 6 将在接下来的 5 年成为 Wi-Fi 市场的主力技术,会带来以下改变以提高接入用 户的体验:理论带宽 9.6Gbps 的超高带宽AP 接入容量是 11ac 的 4 倍,支持更多的终端并发接入 终端功耗节约 30% 以上,满足物联网终端对低功耗的要求根据 WFA 的 Wi-Fi6 白皮书,OFDMA、MU-MIMO、TWT、BSS Coloring 等feature 及优势重点被提及,下面简单介绍一下这几个技术。

OFDMA 是从 OFDM 演进过来的,最早应用于通信技术。Wi-Fi 6 标准里也采纳了这 种技术来提高频谱的利用效率。在传统方式中,每个用户要发送数据(无论数据包的大小) 都会占用整个信道,由于无线网络中传输大量的管理帧与控制帧,这些帧虽然数据包小但还 是要占有整个信道,就像一辆大公共汽车只拉了一个乘客;如下图:使用 OFDMA 在频域上将无线信道划分为多个子信道(子载波),形成一个个频率资源块,用户数据承载在每个资 源块上,而不是占用整个信道,从而实现在每个时间段内多个用户同时并行传输,不必排队 等待、相互竞争,提升了效率,降低了排队等待时延。

Wi-Fi 6 OFDMA(Source:Wi-Fi Alliance

OFDMA 将一辆公共汽车(20MHz)的频宽划分成256 个小座位(子载波),每个座位(频 宽)固定大小为 78.125KHz,但是一个小座位(子载波)太窄了,都坐不下最小的孩子(传 输不了基本的报文),因此将 26 个小座位(子载波)捆绑在一起称为一个最小的 RU(资源 单元 Resource Unit),一个 RU 为 2MHz 的频宽(又称为 26-toneRU),一辆公共汽车(20MHz)最多可以同时运输 9 个乘客(9 个并发用户),剩余的空间用作座位间的隔离, 如下图 20MHz 频宽的 RU 划分情况:

20MHz OFDMA RU 划分

最多可以有 9 个相同大小的 RU,即可以并发 9 个用户。但如果用户输出的内容大小不同, 或优先级不同,就可以有其他的组合或占用更多的RU,例如4 个52-RU 与1 个26-RU 并发。 在 20M/40M/80M/160MHz 频宽下一共有 7 种大小的 RU,26-RU,52-RU,106-RU, 242-RU,484-RU,996-RU 及 2x996-RU。

Wi-Fi 6 既支持 Downlink-OFDMA,又支持 Uplink-OFDMA。在 Downlink 里, AP 根据用户下行的报文及优先级来决定分配 RU 的情况;但在 Uplink-OFDMA 里,执行起来 要困难的多,AP 通过触发帧告知终端可以分配的资源,终端与 AP 协商分配 RU 及终端前 导帧(preamble)的同步。

MU-MIMO

11ac wave2 的最大亮点就是 Downlink MU-MIMO,其 AP 节点可以同时向多个支持 MU-MIMO 的客户端发送数据包,解决了无线 AP 之前一次只能和一个终端通信的问题。

Wi-Fi 6 保持了这一技术,并发扬光大,可以同时支持向 8 个终端发送数据。而且在 Wi-Fi 6 里将支持 Uplink MU-MIMO,最多支持 8 个 1x1 用户的并发上行。

Uplink MU-MIMO

OFDMA 与 MU-MIMO 都是 Wi-Fi 6 的关键技术,分别在频率空间和物理空间上提供 多路并发技术,带来了网络整体性能与速度的极大提升,全面优化用户体验。

Target wake time(TWT)

目标唤醒时间 TWT(Target Wake Time)是 Wi-Fi 6 支持的另一个重要的资源调度功 能,它允许设备协商什么时候和多久会唤醒发送或接收数据,无线接入点可以将客户端设备 分组到不同的 TWT 周期,从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT 还增加了设 备睡眠时间,从而大大提高了电池寿命。比如,你家里有多台智能家居设备接入Wi-Fi,AP 可以与每台设备单独建立“唤醒协议”, 终端设备仅在收到自己的“唤醒”消息之后才进入工作状态,而其余时间均处于休眠状态。

TWT 示意图

此外,TWT 可配合 OFDMA 技术,采用一种称为“广播 TWT”操作,AP 可以设定编 排议程并将TWT 值提供给多个STA,这样一来,双方之间就不需要存在个别的 TWT 协议, 同时唤醒多个设备实现传输视频、语音和数据等不同业务的多设备并行连接,并根据不同业 务调整流量比例和优先级,从而提升用户体验。

广播 TWT 示意图

TWT 功能充分体现了 Wi-Fi 6 拥抱物联网的决心,是对“使用 Wi-Fi 耗电快”最有力 的回应。TWT 可以为电池供电的 IOT 设备节约 30% 以上的电量,使 Wi-Fi 真正成为 IOT 传输标准中的重要一员。

Spatial reuse(BSS Coloring)频率资源的匮乏是 Wi-Fi 心中的痛,尤其是在封闭的高密度场馆里,部署多个 AP 时,AP 可以听到其他所有同信道 AP 的帧,即使是最强大的调频算法也难以解决同频干扰问题。为了提升密集部署环境中系统整体性能和频谱资源的有效利用,Wi-Fi 6 提出了一种信 道空间复用技术(Spatial reuse technique)-BSS Color,在帧中增加了 6 个 bit 的标识符, 可以区分不同 AP 相同信道的 BSS。如下图:AP-1,AP-2 与 AP-3 都工作在 36 信道,发射相同的 BSS,通过 BSSColor,连接到 AP-3 的终端不会受到 AP-1 与 AP-2 的干扰, 可以与 AP-1 或 AP-2 同时使用相同信道收发数据。AP-1 发现 AP-2 的 BSSColor 与自己 相同,可以协商修改 Color 以避免冲突。

BSS Coloring

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