近半年來(lái)，5G網(wǎng)絡(luò)的消息層出不窮,5G商用牌照正式發(fā)放，三大運(yùn)營(yíng)商表示要在今年年底前至少覆蓋40個(gè)城市。在人們對(duì)5G展示最大熱情的時(shí)候，Wi-Fi6也悄然出世。本文首先簡(jiǎn)要回顧Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，然后簡(jiǎn)要介紹了他們的技術(shù)特點(diǎn)，最后從技術(shù)的角度比較Wi-Fi6和5G，剖析其應(yīng)用場(chǎng)景。
一、兩種無(wú)線通信
1.1 Wi-Fi與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
長(zhǎng)期以來(lái)，Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)就像移動(dòng)設(shè)備上的兩大高手，彼此勢(shì)均力敵：一個(gè)主室內(nèi)，一個(gè)主室外。多年來(lái)Wi-Fi以其流量便宜的特點(diǎn)，一直是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)覆蓋補(bǔ)充，也承擔(dān)著大數(shù)據(jù)流量的場(chǎng)景，比如下載高清視頻。
1.2移動(dòng)通信
移動(dòng)通信從90年代GSM開(kāi)始，到2G、3G、4G以及5G，是三大運(yùn)營(yíng)商在城市中布了一個(gè)大家都可共享的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。到2018年，移動(dòng)通信網(wǎng)已經(jīng)有80億以上的用戶，而每年新增的終端數(shù)量高達(dá)15億，到5G時(shí)代用戶數(shù)和新增終端數(shù)將更多。
1.3 Wi-Fi通信
無(wú)線局域網(wǎng)最成功的技術(shù)就是Wi-Fi。第一代的Wi-Fi1（11b）在1997年誕生，經(jīng)歷11b、11a、11g、11n、11ac以及11ax，2018年，Wi-Fi聯(lián)盟統(tǒng)一用數(shù)字代號(hào)對(duì)Wi-Fi命名，也就是Wi-Fi1直到Wi-Fi6，其中Wi-Fi6在2018年正式開(kāi)始商用。截止到2018年，Wi-Fi類的終端存量有130億以上，包括大家使用的手機(jī)、平板電腦和PC，以及其他的智能設(shè)備。每年新增的Wi-Fi終端的數(shù)量超過(guò)40億，是地球人類總數(shù)的2/3。
二、技術(shù)對(duì)比
2.1 5G技術(shù)特點(diǎn)
5G新空口將面向超大帶寬、超低時(shí)延、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接三大應(yīng)用場(chǎng)景，相比較于前幾代移動(dòng)通信，融合了新的關(guān)鍵技術(shù)。
2.1.1中高頻段通信
3GPP規(guī)定，5G新空口包括兩大頻譜范圍分別為FR1和FR2。FR1最大信道帶寬定義為100MHZ，F(xiàn)R2最大信道帶寬定義為400MHZ。中高頻段的寬闊頻譜范圍可定義更寬的信道帶寬，從而提升系統(tǒng)容量和通信速率。
2.1.2載波技術(shù)
OFDM是目前主流通信標(biāo)準(zhǔn)都在使用的波形，包括3GPP LTE和IEEE 802.11（Wi-Fi）系列都在使用。5G將面向三大應(yīng)用場(chǎng)景，目前呼聲最高是采用華為提出的F-OFDM技術(shù)。F-OFDM采用可配置的靈活的子載波帶寬、符號(hào)長(zhǎng)度以及循環(huán)前綴長(zhǎng)度，以滿足超大帶寬、超低時(shí)延和超大規(guī)模連接三大應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
2.1.3多址技術(shù)
4G的多址接入方式為OFDMA，5G的eMBB場(chǎng)景的多址接入方式仍然基于OFDMA。但對(duì)于百萬(wàn)個(gè)連接數(shù)每平方公里的mMTC大連接場(chǎng)景，改進(jìn)的OFDMA可能無(wú)法滿足需求，因此3GPP RAN1在2016年中的會(huì)議決定：eMBB場(chǎng)景的多址接入方式應(yīng)基于正交的多址方式（OFDMA），非正交的多址技術(shù)將用于mMTC的上行場(chǎng)景。這樣非正交頻分多址(NOMA)也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)，吸引了大量目光。華為的SCMA、中興MUSA和大唐的PDMA等都在Release 16中競(jìng)爭(zhēng)mMTC的上行多址方案。
2.1.4多天線技術(shù)
4G通信系統(tǒng)的天線是2天線、4天線或者8天線，5G將引入大規(guī)模MIMO天線，天線數(shù)量將達(dá)到64甚至更高。傳統(tǒng)信號(hào)覆蓋維度為2D MIMO，僅能在水平維度區(qū)分用戶，massive MIMO結(jié)合算法可細(xì)分垂直維度和水平維度，實(shí)現(xiàn)3D MIMO。
2.1.5新型編碼技術(shù)
5G確定將LDPC碼作為eMBB數(shù)據(jù)信道的編碼方案，Polar碼作為eMBB控制信道的編碼方案。
2.2 Wi-Fi6技術(shù)特點(diǎn)
Wi-Fi6為最新協(xié)議版本，包含若干新技術(shù)和新規(guī)格，相較于WiFi5及以前的協(xié)議規(guī)范，其技術(shù)特點(diǎn)如下所示。
2.2.1 OFDMA
OFDMA（正交頻分多址），這是從4G技術(shù)引入Wi-Fi的一個(gè)技術(shù)，解決了多用戶傳輸?shù)木庑詥?wèn)題，使得多用戶通信更有序，從而提升Wi-Fi的體驗(yàn)和效率。
2.2.2 1024QAM
1024QAM（更高速率的調(diào)制）的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)一步提升極限速率。上一代Wi-Fi5理論上能達(dá)到6.9Gbps的連接速率，到Wi-Fi 6之后，極限速率可以達(dá)到9.6Gbps。
2.2.3 MU-MIMO
8*8的天線UL/DLMU-MIMO（多用戶多進(jìn)多出）技術(shù)，使AP同時(shí)可以與更多的終端用戶進(jìn)行通信，極大地提升并發(fā)帶寬和系統(tǒng)容量。
2.2.4 BSS-Color（空間復(fù)用技術(shù)）
BSS-Color首先通過(guò)著色機(jī)制將區(qū)域內(nèi)不同的AP—STA組合標(biāo)記為BBS A、BSS B、BSS C等不同的網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備能夠區(qū)分自己網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與鄰近網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，然后自適應(yīng)功率和靈敏度閾值允許動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率和信號(hào)檢測(cè)閾值，使多個(gè)BSS網(wǎng)絡(luò)能同時(shí)傳輸而不相互影響，增加空間重用效率。
2.2.5智能節(jié)電方案TWT
目標(biāo)喚醒時(shí)間TWT（Target Wakeup Time）是11ax支持的一個(gè)重要的資源調(diào)度功能。它允許設(shè)備協(xié)商什么時(shí)候喚醒發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，其他時(shí)間休眠；無(wú)線接入點(diǎn)可以將客戶端設(shè)備分組到不同的TWT周期，從而減少喚醒后同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線介質(zhì)的設(shè)備數(shù)量。TWT增加了設(shè)備睡眠時(shí)間，大大減小了功耗。
2.3 5G與Wi-Fi6對(duì)比
2.3.1 eMBB場(chǎng)景
1）理想速率
5G的eMBB場(chǎng)景，由于物理層采用256QAM調(diào)制方式，F(xiàn)R1頻段帶寬100MHZ，F(xiàn)R2頻段帶寬400MHZ，天線數(shù)量多達(dá)64T64R等，理想下行速率可達(dá)20Gbps，上行速率達(dá)到10Gbps；Wi-Fi6采用1024QAM，帶寬最高160MHZ，天線數(shù)量最多8T8R，理想上下行速率為9.6Gbps。
2）單設(shè)備覆蓋范圍
覆蓋范圍和發(fā)射功率強(qiáng)相關(guān)，一個(gè)室外5G基站發(fā)射功率可達(dá)60W，其覆蓋是公里級(jí)的；在室內(nèi)一般會(huì)采用小基站，為了降低覆蓋成本其發(fā)射功率一般不超過(guò)10W，5G單個(gè)容量小區(qū)的覆蓋范圍在五千到一萬(wàn)平米、一到兩層樓。Wi-Fi6 AP國(guó)家的認(rèn)證要求發(fā)射功率不超過(guò)0.2W，可以覆蓋一個(gè)大會(huì)議室或者一個(gè)大辦公室的幾個(gè)房間，覆蓋范圍約五百到一千平米。在室內(nèi)，5G小基站的覆蓋范圍差不多是Wi-Fi6 AP的十倍。
3）室內(nèi)單用戶體驗(yàn)
典型的室內(nèi)小基站天線一般是4T4R，實(shí)際速率是1.5Gbps-2Gbps。Wi-Fi6 AP最高可以是8T8R，實(shí)際速率至少為3Gbps-4Gbps。所以，單設(shè)備的性能Wi-Fi6會(huì)優(yōu)于5G。前面提到，室內(nèi)Wi-Fi6比5G的單設(shè)備覆蓋范圍差不多相差十倍，這樣平均到每個(gè)平米、每個(gè)人，5G的性能可能不到Wi-Fi6性能的十分之一。國(guó)際電信聯(lián)盟認(rèn)可的用戶體驗(yàn)速率在0.1~1Gbps，而同樣常規(guī)的2T2R Wi-Fi6終端體驗(yàn)速率可以達(dá)到1~1.5Gbps。所以，Wi-Fi6更適合室內(nèi)高帶寬。
2.3.2 mMTC場(chǎng)景
1）理想速率
5G的mMTC場(chǎng)景，預(yù)期將使用NB-IOT和eMTC作為大連接的物理層空口技術(shù)，NB-IOT總共消耗帶寬180KHZ，調(diào)制方式為BPSK、QPSK及GMSK，采用劃分給GSM或LTE網(wǎng)絡(luò)的頻段部署，理想上下行速率為250kbps。eMTC載波帶寬為1.4MHZ，物理層技術(shù)與LTE網(wǎng)絡(luò)一致，部署于LTE網(wǎng)絡(luò)的頻段，理想上下行速率1Mbps。Wi-Fi6使用的OFDMA和TWT技術(shù)同樣具備物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的功能。在160MHZ帶寬條件下，理論上允許74個(gè)設(shè)備接入，而160M帶寬的速率為1200Mbps，平均分到每個(gè)設(shè)備的上下行速率可達(dá)16.2Mbps。
2）覆蓋范圍
NB-IOT的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在GSM基礎(chǔ)上覆蓋增強(qiáng)20dB，下行依靠增加重傳次數(shù)獲得覆蓋增加，上行通過(guò)增加功率譜密度和最大重傳次數(shù)來(lái)增強(qiáng)覆蓋；eMTC的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在LTE基礎(chǔ)上增加15dB，使用的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)和NB-IOT相同；所以NB-IOT和eMTC的覆蓋范圍都強(qiáng)于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)基站。Wi-Fi6參照NB-IOT，將其能量集中在信道中更窄的2MHz子信道RU中，通過(guò)提升上行功率頻譜密度來(lái)提升上行覆蓋，未來(lái)也利于其從室內(nèi)走向室外，這是為未來(lái)部署智慧園區(qū)等鋪路。Wi-Fi6工作頻率更高、空間衰減更快，工作帶寬也更大，功率譜密度偏低，綜合來(lái)看，Wi-Fi6的覆蓋范圍不如NB-IOT及eMTC。
3）連接數(shù)量
NB-IOT和eMTC下行使用OFDMA多址技術(shù)，上行目前采用SC-FDMA，未來(lái)在R16版本中擬規(guī)定非正交多址的上行多址方式。NB-IOT的連接數(shù)量是每站點(diǎn)10萬(wàn)個(gè)，eMTC也能達(dá)到每站點(diǎn)5萬(wàn)個(gè)連接數(shù)。Wi-Fi6的OFDMA技術(shù)允許在頻域?qū)⑤d波劃分為多個(gè)RU單元，并規(guī)定至少26個(gè)子載波為一個(gè)RU。理論上160MHZ帶寬下可以劃分為74個(gè)RU，可實(shí)現(xiàn)74個(gè)用戶終端在同一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)接入Wi-Fi6 AP站點(diǎn)，在單站點(diǎn)連接數(shù)量上Wi-Fi6不如5G mMTC技術(shù)。如果按區(qū)域面積來(lái)計(jì)算，由于該區(qū)域內(nèi)的WiFi6路由器數(shù)量無(wú)法統(tǒng)計(jì)，沒(méi)有辦法得出準(zhǔn)確的連接數(shù)量對(duì)比結(jié)果。
4）功耗
在低功耗上，NB-IoT和eMTC采用相同的技術(shù)，包括：PSM（power savingmode，省電模式）、eDRX（DiscontinuousReception，擴(kuò)展的不連續(xù)接收）和延長(zhǎng)周期定時(shí)器，其使用電池供電可實(shí)現(xiàn)續(xù)航5~10年。Wi-Fi6主要通過(guò)TWT技術(shù)設(shè)備終端休眠，它可以準(zhǔn)確地告訴設(shè)備何時(shí)將其Wi-Fi無(wú)線電設(shè)備置于睡眠狀態(tài)以及何時(shí)將其喚醒以接收下一次傳輸，減小終端功耗。但這種功耗減小只是相對(duì)于Wi-Fi5而言有優(yōu)勢(shì)，與5G的低功耗技術(shù)相比還是相距甚遠(yuǎn)。
2.3.3 uRLLC場(chǎng)景
5G引入了靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，幀結(jié)構(gòu)可以采用多址參數(shù)（上下行配比、子載波帶寬、系統(tǒng)帶寬等），靈活適配不同需求。4G采用的靜態(tài)幀結(jié)構(gòu)，5G采用的是可配置的靜態(tài)或半靜態(tài)幀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上下行靈活子幀的配置，可提高頻譜效率降低時(shí)延。相比4G，5G引入了更短的子幀長(zhǎng)度，最短可縮減到4G子幀長(zhǎng)度的1/7，結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可有效滿足國(guó)際電信聯(lián)盟1ms的用戶面時(shí)延需求。Wi-Fi6目前還沒(méi)有針對(duì)降低時(shí)延引入改進(jìn)的技術(shù)，但相比于Wi-Fi5，由于OFDMA以及TWT技術(shù)的存在，可以推測(cè)出其對(duì)用戶等待時(shí)間方面有改善。
2.3.4調(diào)度協(xié)調(diào)
從接入網(wǎng)對(duì)接入終端的調(diào)度協(xié)調(diào)方式看，5G采用的是基站來(lái)總負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，劃分了專門(mén)的控制面功能，用核心網(wǎng)絡(luò)的控制面功能指揮協(xié)調(diào)大量終端。而Wi-Fi6則采用了“協(xié)調(diào)+競(jìng)爭(zhēng)”的方式。Wi-Fi5以前完全是競(jìng)爭(zhēng)即CSMA/CA（多路訪問(wèn)/沖突避免），終端數(shù)量較多時(shí)，各個(gè)終端會(huì)競(jìng)爭(zhēng)與AP通信；這就是大家經(jīng)常在萬(wàn)人大會(huì)上看到無(wú)線信號(hào)很強(qiáng)、但是無(wú)法通信的原因。因?yàn)閃i-Fi5是完全競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，大量的設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)沖突使得傳輸效率急速降低。Wi-Fi 6則引入了OFDMA和TWT機(jī)制，無(wú)線AP可以協(xié)調(diào)終端的收發(fā)行為，讓整網(wǎng)的傳輸更有序，最大可能地減少?zèng)_突。
2.3.5建站成本
5G基站包括CU、DU和AAU單元，目前CU正在推動(dòng)采用通用服務(wù)器結(jié)合軟件定義的虛擬網(wǎng)元的方式來(lái)部署，DU單元仍然不可避免使用FPGA芯片，未來(lái)DU單元功能標(biāo)準(zhǔn)化后可采用ASIC芯片，AAU單元包括大規(guī)模有源天線和物理層功能，除了這三個(gè)單元之外還需要前傳和中傳連接的光纖資源，建站部署成本很高；相比較而言，整套Wi-Fi6芯片都是ASIC芯片，成本低于FPGA芯片；光纖入戶或者進(jìn)入企業(yè)后，只需要購(gòu)買(mǎi)整機(jī)Wi-Fi6 AP即可實(shí)現(xiàn)部署，成本相對(duì)基站而言非常低廉。
2.3.6適用場(chǎng)景
從前面幾個(gè)小節(jié)的對(duì)比可以看出，5G的應(yīng)用是面向eMBB、mMTC和uRLLC場(chǎng)景的，以室外為主；Wi-Fi6的應(yīng)用可以在eMBB和mMTC場(chǎng)景作為5G的補(bǔ)充，主要以室內(nèi)為主。
三、總結(jié)
基于Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)這兩種技術(shù)的終端，其存量數(shù)量和新增數(shù)量基本上可達(dá)到每人一個(gè)，這個(gè)數(shù)量決定了在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，這些終端仍然會(huì)廣泛存在于大眾的生活中。目前，二者都已經(jīng)發(fā)展到五到六代，技術(shù)非常成熟。未來(lái)，兩種技術(shù)可能在特定場(chǎng)景會(huì)存在互補(bǔ)替代關(guān)系，但仍將長(zhǎng)期共存。
