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iPhone 11 系列首次用上WIFI 6,到底有多牛?

2019-09-20
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今年是公认的 5G 商用元年,工信部发放 5G 牌照,除了苹果外的主流手机厂商都抢着推出了 5G 手机。



尽管 5G 基站尚未普及,5G 套餐还是很贵,买 5G 手机的人也不多,但 5G 依然被认为未来重要的通信技术,很多人会因为 iPhone 11 系列没有 5G 暂缓换机计划。


相比起 5G , Wi-Fi 这个我们每天都在用的通信技术,关注的人反而没那么多,Wi-Fi 也在最近迎来了重要的里程碑。

9 月 17 日,Wi-Fi 联盟宣布推出 Wi-Fi 6 认证计划,这意味着新一代的 Wi-Fi 即将进入我们的生活,它带来的影响可能不亚于 5G。


Wi-Fi 6 到底有多 6?

1999 年 9 月,电气电子工程师学会(IEEE),成功创建了 802.11b 标准,将无线以太网的传输速率提高到了 11 Mbit/s,这也正式标志着 Wi-Fi 的诞生。

20 年后的今天,Wi-Fi 已经成为生活中像水电一样的必需品。Wi-Fi 信号的强度甚至决定着我们的情绪状态。


可跟移动网络从 2G 到 5G 不一样的是,尽管 Wi-Fi 已经发展到第六代,但我们似乎很少感受到像从 3G 迈向 4G 的显著变化,那 Wi-Fi 6 究竟和我们现在用的 Wi-Fi 有什么不同呢?


跟 5G 一样, Wi-Fi 6 带来最直观的变化就是网速的提升。最高的传输速率可以达到 9.6 Gbps ,相当于 1.2GB /s 的下载速度,这也比上一代 Wi-Fi 速度提高了 40%。


而 5G 的峰值速率为 10 Gbps ,这意味着 Wi-Fi 6 的网速和 5G 旗鼓相当。


图片来自:wired


不过更快的网速并不是 Wi-Fi 6 最大的亮点,在办公场所和一些公共场合,Wi-Fi 往往会因为太多人使用而变得非常慢,Wi-Fi 6 大大改善了这问题。


从具体效果来看,Wi-Fi 6 能够提升多台设备接入后每台设备的传输速率,这不只是因为提升了网速,总量多了所以平均到每台设备的网速多了,而是让接入几十台设备后和接入一台时保持则一样的速度。


图片来自:Giphy


这是怎么做到的?这里面涉及到 OFDMA(正交频分多址))、MU-MIMO、1024QAM 等多项技术,但你没必要记这些拗口的技术名词,只需要知道这些也是 5G 的关键技术。


OFDMA 是一种能提数据传输效率的技术,传输数据并不难,难的是当数据像广州地铁三号线早高峰一样拥挤时仍然保持高速运输。



如果把 Wi-Fi 的数据传输看作是地铁载人,过去如果有 3个团队要搭地铁,必须要用三列地铁分别把每个团队运走,即便这个团队只有一个人也需要独占一辆地铁,太浪费了。


而且还得按照先后顺序出发,也就是说一趟地铁走了之后必须等一下躺来,人越多等待时间也就越长,这也是多人同时使用 Wi-Fi 时网速变慢的重要原因。


而 Wi-Fi 6 优化地铁的运输效率,在地铁上设置了 9 行座位,让 3 个团队都可以有人先登上地铁,让每趟地铁坐满人后再出发,更快地将所有乘客送往目的地。


另一项提升多人上网的体验的技术则是 MU-MIMO,过去的 SU-MIMO 路由器是以自身为圆心 ,360 °向外发射信号,如果有 100 M 的带宽,3 个设备同时接入,每个设备只能分配到 33.3 M,因此设备越多网速就越慢。



而 MU-MIMO 能让 3 个设备都得到 100 M 的带宽,相当于在相同带宽的情况下,将传输速率提升了 3 倍,连入的设备越多,提升的效率也就越明显。

简单来说,宽带就像一条高速公路,而接入设备就是在上面行驶的汽车,过去所有的车都只能走一条车道,而 Wi-Fi 6 让每辆车都有一条专属车道,每辆车都能以最快的速度行驶。

图片来自:京东

从技术上讲,Wi-Fi 6的单用户数据速率比802.11ac快37%,但更重要的是,更新后的规范将为拥挤环境中的每个用户提供四倍的吞吐量,以及更高的能效,这将提高设备的电池寿命。



为了实现这些改进,802.11ax实现了多种变化,包括从蜂窝行业借鉴的几种多用户技术,即MU-MIMO和OFDMA,这些技术通过支持更多的同时连接和更彻底地使用频谱,极大地提高了容量和性能。


升级硬件的家庭用户可以期待从这些技术中得到一些改进,特别是随着时间的推移,每家设备数量的增加。一些估计表明,到2022年,每家将有多达50个节点。


然而,如前所述,Wi-Fi 6预计将在网络高度拥挤的地区产生更直接的影响,并最终有助于为即将到来的智能基础设施(如物联网设备)的节点数量打下基础。随着物联网的推出,设备和网络部署的数量不断增加,覆盖范围不断重叠,Wi-Fi 6也将配备起来,以满足对更快的多用户数据速率的日益增长的需求。



Wi-Fi 6想要实现的一些目标

  • 为超高清和虚拟现实流媒体提供更高的每用户总带宽


  • 支持更多的数据流同时增加吞吐量


  • 更多的总频谱(2.4GHz和5GHz,最终频段为1GHz和6GHz)


  • 所述频谱分成更多信道以实现更多的通信路由


  • 数据包包含更多的数据,网络可以同时处理不同的数据流


  • 在访问点的最大范围内改进性能(最多4倍)


  • 在室外和多路径(杂乱)环境中提供更好的性能/稳健性


  • 能够从接收较差的蜂窝网络offload 无线业务



2013年发布的802.11ac(现在也被称为Wi-Fi 5)在2013年实现了标准化,虽然该规范在很大程度上适用于今天的普通家庭使用,但它只使用5GHz频段,缺乏支持同时连接越来越多设备的多用户技术水平。


作为Wi-Fi 6中即将发生的变化的参考,以下是802.11ac(Wi-Fi 5)在802.11n(Wi-Fi 4)上的扩展:


  • 更宽的信道(80MHz或160MHz,而5GHz频段的最大值为40MHz)


  • 8个空间流而不是4个(空间流图示)


  • 256-QAM与64-QAM调制(每个QAM symbol传输更多的比特)


  • 802.11ac Wave 2上的多用户MIMO (MU-MIMO),可以同时实现四个下行连接,而不是单用户MIMO上只有一个(上行仍然是1x1)


当Wi-Fi 6全面启动时,该规范将向后兼容先前的标准,包括2.4GHz和5GHz,并最终将该频谱扩展到包括1GHz和6GHz的频段。


可能比包括这个附加频谱更值得注意的是将使用这个带宽的技术。随着可用频谱的增加,Wi-Fi 6可以将带宽分成更窄(更多)的子信道,为客户端和接入点提供更多的通信途径,同时支持任何给定网络上的其他设备。


尽管Wi-Fi 5可以通过MU- MIMO同时为下游的四个用户提供服务(这比Wi-Fi 4上的单用户MIMO有很大的改进),但今天的AC无线(Wi-Fi 5)仍然只能在上游一次处理一个用户。从理论上讲,802.11ax将在上行和下行两个方向上增加到8个用户,并有可能同时向一个客户端提供4个流。


然而,我们已经了解到,在第一轮802.11ax认证的硬件上可能不支持上行MU-MIMO,目前几乎没有任何设备能够从4个空间流中获益,更不用说支持Wi-Fi 6的8个了,因为大多数现有的MU-MIMO配备的智能手机和笔记本电脑只有2x2:2或3x3:3的MIMO无线电。


(说明一下,此数字格式(AxB:C)用于演示MIMO无线电支持的最大发射天线数量(A)、最大接收天线数量(B)和最大空间数据流数量(C)。虽然Wi-Fi设备必须支持MU-MIMO才能直接受益于该技术,但没有MU-MIMO芯片的硬件应该间接受益于启用了MU-MIMO的接入点的额外air time。)
Wi-Fi 6还引入了对上行和下行链路“正交频分多址”(OFDMA)技术的支持,OFDMA是一种调制方案,等同于多用户版本的OFDM(802.11ac / n规范),它将通过允许多达30个用户同时共享一个信道来减少延迟、提高容量和提高效率。


为了帮助您直观地看到这些技术,我们来举一个简单的类比:


MU- MIMO和OFDMA的结合可以等同于拥有多个职员和多条线路,而不是一个职员单独为一行客户提供服务,每个职员能够同时为多个客户提供服务。


此外,802.11ax可以更清楚地通知客户路由器什么时候可用,而不是让他们争用访问权,并通过1024-QAM编码提高每个有效负载中传输的数据量,而不是Wi-Fi 5上的256-QAM调制和Wi-Fi 4上的64-QAM调制。


尽管Wi-Fi 6的总体数据速率和信道宽度与Wi-Fi 5相似,但许多技术已实现到更新的规范中,这将显著提高未来Wi-Fi网络的效率和吞吐量,未来的Wi-Fi网络可能在一个通道上为数十台设备提供服务,速度可达每秒几次。


Wi-Fi 6改变的一些核心技术


MU- MIMO(多用户多输入多输出):


Wi-Fi 5 Wave 2引入了多用户MIMO,但仅支持下游的四个同时连接(上游一个),而Wi-Fi 6将能够处理上下行的八个数据流,同时支持更多用户,并提供比Wi-Fi 5理论上最大吞吐量的4倍。


与SU-MIMO APs相比,MU-MIMO接入点还可以处理更多的信号处理,从而减轻端点设备的负担,在开发出处理信号的工具之前,MU-MIMO业务被认为是安全的,因为只有预期的接收方可以读取数据。


OFDMA(正交频分多址):


不是Wi-Fi 5的一部分,它有常规的OFDM。借用4G LTE网络。允许在给定带宽内分配资源单元。与Wi-Fi 6连接,使更多的客户(多达30个)可以共享同一频道,而不是等待,同时还可以通过梳理不同的流量类型来提高效率。OFDMA被认作OFDM的多用户版本来进行比较。


1024-QAM(正交调幅):


比Wi-Fi 5上的256-QAM有所增加,尽管这一代路由器的一个实验特性是1024-QAM。这通过在每个数据包中塞入更多的数据来提高吞吐量。


1024-QAM每OFDM symbol 使用10 bits,而256 QAM使用8 bits,25%的容量提升导致使用80MHz信道的理论单流数据速率为600Mb/s(比Wi-Fi 5的理论上433Mb/s单流数据速率高39%)。



更长的OFDM Symbols :


增加OFDM Symbol从Wi-Fi 5上的3.2ms传输时间到Wi-Fi 6上的12.8ms的持续时间,并为每个符号支持更长的循环前缀。(Longer OFDM Symbols - Increases the duration that an OFDM symbol is transmitted from 3.2ms on Wi-Fi 5 to 12.8ms on Wi-Fi 6 and supports a longer cyclic prefix for each symbol.)


循环前缀(CP)将OFDM符号末尾的一部分添加到负载前端,以提供防止符号间干扰的保护间隔,并提高鲁棒性,因为如果需要,可以使用这部分。这个数字可以根据开销需求进行调整(较长的CP重复更多的数据,并在符号中占用更多的空间,从而导致较低的数据速率)。


动态分配 (Dynamic fragmentation ):


虽然Wi-Fi 5具有静态分配(static fragmentation),它要求数据包的所有片段具有相同的大小(最后一个片段除外),但动态分配允许这些片段具有不同的大小,以便更好地利用网络资源。


如果多个接入点在同一个信道上运行,它们可以使用一个独特的“颜色”标识符传输数据,使它们可以在无线介质上同时通信,而无需等待,因为颜色使它们能够区分彼此的数据。

Beamforming(波束成形):


存在于Wi-Fi 5上,虽然该标准支持四个天线,而Wi-Fi 6将此增加到八个。波束形成通过将信号定向到特定的客户端而不是同时指向各个方向来提高数据速率和扩展范围。这有助于MU-MIMO,它不适用于快速移动的设备。波束形成在Wi-Fi 4设备上是可选的,但随着Wi-Fi 5 Wave 2上的MU-MIMO的实现,波束形成成为必要。


TWT(目标唤醒时间):


唤醒时间调度,而不是基于竞争的访问。路由器可以告诉客户端何时休眠以及何时唤醒,这对电池的寿命有很大的影响,因为设备会知道什么时候在频道上监听。



上行资源调度程序:


类似地,Wi-Fi 6调度上行资源以最小化冲突,从而实现更好的资源管理,而不是像今天的无线网络那样,用户竞相上传数据。


基于触发器的随机访问:


通过指定上行窗口的长度和其他属性,还可以减少数据冲突/冲突,从而提高资源分配和效率。


两个NAV(网络分配矢量):


当一个无线站正在传输时,它会公布完成所需的时间,以便其他站可以设置其NAV,以避免在访问无线介质时发生冲突。Wi-Fi 6引入了两种NAV:一个用于站点所属的网络,另一个用于相邻网络。这还应通过最小化对载波传感的需求来降低能耗。


改进的户外操作:


其中一些功能将带来更好的户外性能,包括新的数据包格式,更长的保护间隔和模式,以改善冗余和错误恢复。

除了上网更快,Wi-Fi 6 还有什么用?

就像现阶段的 5G 一样,除了网速更快一般消费者很难说出有什么变化,但无论是 5G 还是 Wi-Fi 6 ,对于生活的改变远远不只是让我们上网更快。

图片来自:Perusmart

当智能手机增长停滞,各个厂商都在寻找下一个颠覆性的产品(Next Big Thing),事实上未来或许不会有手机这样单独的「Big Thing」,真正的 Next Big Thing 可能是以 IoT 为基础的万物互联。

这也是苹果、华为和小米等手机厂商都在重点布局的方向,随着智能家居等物联网终端设备的数量越来越多,稳定高速的无线网络就显得非常重要了。


比如 4K 网络视频要求单终端至少要有 50 M 的带宽,而 8K 视频的则需要 100 M,当有十几个这样的设备同时运行时,比如企业的视频会议,现有的 Wi-Fi 就难以支撑。

现在或许还难以体现,但随着 4K 和 8K 逐渐成为主流的视频分辨率,Wi-Fi 6 在不久的将来就会取代现在的 Wi-Fi。除了家庭,在体育赛事和演唱会等大型活动中,也不会再出现因为用户太多而连不上 Wi-Fi 的情况。


2019 年其实也是 Wi-Fi 6的商用元年。今年 7 月,全国首个 Wi-Fi 6 地铁深圳福田建成,使用的是华为的 Wi-Fi 6 技术,通过联通 5G网络接入,这两个新的通信技术终于产生了交集。

同时对于高宽带有强烈需求的 VR/AR 领域也会从中受益,Wi-Fi 6 高传输速率和低时延除了能降低视频画面不清晰带来的眩晕和不适,也能更好地把内容放在云端运行,减轻头显设备的重量。


虽然去年 VR/AR 发货量只有约 1000 万台,但根据行业分析机构 ABI Research 的预测,2025 年全球 VR/AR 出货量将增至 2.5 亿台,形成一个价值 2920 亿美元的市场。

事实上 Wi-Fi 本身就是一个商业价值极大的市场,根据 WiFi 联盟的一份研究报告,2018 年全球 WiFi 经济价值接近 2 万亿美元,远超过智能手机市场,报告预计 2023 年这一数字将达到 3.47 万亿美元。


未来几年内 Wi-Fi 的增量市场,很大一部分可能就是由 WiFi 6 拓展的更多场景带来的。此外据知名会计事务所毕马威测算,全球 5G 市场的潜在价值达 4.3 万亿美元。也就说 5G 和 WiFi 6 是可见的未来里商业价值最大的两项通信技术。这意味着很快各大厂商就会像抢发 5G 终端一样,将 WiFi 6 作为各项设备的标配。

什么时候能用上 WiFi 6 ?

虽然 Wi-Fi 6 已经开始商用,但大多数个人用户还难以体验到这项技术。目前除了 iPhone 11 系列和三星Galaxy S10 Plus,大多数智能手机都还不支持 Wi-Fi 6。

支持 Wi-Fi 6 的路由器已经有不少,但价格高达两三千,在支持 Wi-Fi 6 的智能设备还不多的情况下,这些 Wi-Fi 6 路由器就显得十分鸡肋了。

此外尽管 Wi-Fi 6 理论上能达到 9.6 Gbps 的峰值速率,但前提是需要 1000 M 的宽带,这样的家庭宽带套餐每个月价格基本在 1000 元以上,大部分家庭也不会为了体验 Wi-Fi 6 购买这样的套餐。

前面说到,在 Wi-Fi 6 的环境下,连接的设备越多,速率的提升就越明显,这有利也有弊。即便是家里有三四台设备同时播发 4K 网络视频,现在 200 M 的宽带已经能满足,只有这样的设备多达十几台甚至更多,Wi-Fi 6 的优势才会体现出来。


在智能家居还不普及的当下,大多数人家里其实并没有那么多需要高宽带的联网设备,这也让 Wi-Fi 6 没了用武之地。

跟 5G 一样,在相关成本降下来之前和支持的设备足够多的之前, Wi-Fi 6 还不会在消费级市场大范围普及,更多应用会先从企业级市场开始。

但我们可能不需要等待太久的时间,根据 IDC 的预测,Wi-Fi 6 的普及将在 2023 年前完成。

为了取代802.11n和802.11ac成为下一个WLAN标准,802.11ax或Wi-Fi 6正在开发中,以显著提高密集人口中心的网络效率和容量,并适度提高峰值数据速率,这将在更多设备上同时得到更好的支持。


或者像高通喜欢说的那样,“问题不在于Wi-Fi的速度有多快,而是Wi-Fi网络是否有足够的容量来满足对许多不同连接设备和服务日益增长的需求。”



由于Wi-Fi 6将对体育场馆或公寓楼等拥挤场所的网络性能产生直接影响,因此该标准预计将比以前的Wi-Fi迭代更快地采用,并且最终将成为家庭用户的必需品。100Mb / s到1Gb / s的宽带连接变得更加可用,并且随着物联网的推出导致“一切”在线。


从更广泛的角度考虑Wi-Fi 6,对多用户支持的提升,特别是上游同时连接的增加,将加速对用户数据的需求,这些数据将从物联网设备收集,用于机器学习、推动人工智能、整体技术的未来和不断增长的数字经济等目的。


本文在介绍中提到的,路由器已经可用基于802.11 ax规范草案,最终批准的标准和最终的认证,于2019年9月发行。此外,第一轮的官方设备可能不支持Wi-Fi 6的全部功能,而第二波硬件可能会进一步支持更高阶的MU-MIMO和6GHz频谱等功能。

来源:ifanr、半导体行业观察等内容综合。

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