近半年來，5G網絡的消息層出不窮,5G商用牌照正式發放，三大運營商表示要在今年年底前至少覆蓋40個城市。在人們對5G展示最大熱情的時候，Wi-Fi6也悄然出世。本文首先簡要回顧Wi-Fi和蜂窩網絡的發展，然後簡要介紹了他們的技術特點，最後從技術的角度比較Wi-Fi6和5G，剖析其應用場景。
一
兩種無線通信
1.1 Wi-Fi與蜂窩網絡的發展
長期以來，Wi-Fi和蜂窩網絡就像移動設備上的兩大高手，彼此勢均力敵：一個主室內，一個主室外。多年來Wi-Fi以其流量便宜的特點，一直是蜂窩網絡的室內覆蓋補充，也承擔著大數據流量的場景，比如下載高清視頻。
1.2 移動通信
移動通信從90年代GSM開始，到2G、3G、4G 以及5G ，是三大運營商在城市中布了一個大家都可共享的無線網絡。到2018年，移動通信網已經有80億以上的用戶，而每年新增的終端數量高達15 億，到5G時代用戶數和新增終端數將更多。
1.3 Wi-Fi通信
無線局域網最成功的技術就是Wi-Fi。第一代的Wi-Fi1（11b）在1997年誕生，經歷11b、11a、11g、11n、11ac以及11ax，2018年，Wi-Fi聯盟統一用數字代號對Wi-Fi命名，也就是Wi-Fi1直到Wi-Fi6，其中Wi-Fi6在2018年正式開始商用。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、平板電腦和PC，以及其他的智能設備。每年新增的Wi-Fi終端的數量超過40億，是地球人類總數的2/3。
二
技術對比
2.1 5G技術特點
5G新空口將面向超大帶寬、超低時延、大規模物聯網連接三大應用場景，相比較於前幾代移動通信，融合了新的關鍵技術。
2.1.1 中高頻段通信
3GPP 規定，5G 新空口包括兩大頻譜範圍分別為FR1和FR2。FR1最大信道帶寬定義為100MHZ，FR2最大信道帶寬定義為400MHZ。中高頻段的寬闊頻譜範圍可定義更寬的信道帶寬，從而提升系統容量和通信速率。
2.1.2 載波技術
OFDM是目前主流通信標準都在使用的波形，包括3GPP LTE和IEEE 802.11（Wi-Fi）系列都在使用。5G將面向三大應用場景，目前呼聲最高是採用華為提出的F-OFDM技術。F-OFDM採用可配置的靈活的子載波帶寬、符號長度以及循環前綴長度，以滿足超大帶寬、超低時延和超大規模連接三大應用場景的需求。
2.1.3 多址技術
4G的多址接入方式為OFDMA，5G的eMBB場景的多址接入方式仍然基於OFDMA。但對於百萬個連接數每平方公里的mMTC大連接場景，改進的OFDMA可能無法滿足需求，因此3GPP RAN1在2016 年中的會議決定：eMBB場景的多址接入方式應基於正交的多址方式（OFDMA），非正交的多址技術將用於mMTC 的上行場景。這樣非正交頻分多址(NOMA)也成為了一個研究熱點，吸引了大量目光。華為的SCMA、中興MUSA 和大唐的PDMA等都在Release 16中競爭mMTC 的上行多址方案。
2.1.4 多天線技術
4G通信系統的天線是2天線、4天線或者8天線，5G將引入大規模MIMO天線，天線數量將達到64甚至更高。傳統信號覆蓋維度為2D MIMO，僅能在水平維度區分用戶，massive MIMO結合算法可細分垂直維度和水平維度，實現3D MIMO。
2.1.5 新型編碼技術
5G確定將LDPC碼作為eMBB數據信道的編碼方案，Polar碼作為eMBB控制信道的編碼方案。
2.2 Wi-Fi6技術特點
Wi-Fi6為最新協議版本，包含若干新技術和新規格，相較於WiFi5及以前的協議規範，其技術特點如下所示。
2.2.1 OFDMA
OFDMA（正交頻分多址），這是從4G技術引入Wi-Fi 的一個技術，解決了多用戶傳輸的均衡性問題，使得多用戶通信更有序，從而提升Wi-Fi 的體驗和效率。
2.2.2 1024QAM
1024QAM（更高速率的調製）的優點是進一步提升極限速率。上一代Wi-Fi5理論上能達到6.9Gbps 的連接速率，到Wi-Fi 6 之後，極限速率可以達到9.6Gbps。
2.2.3 MU-MIMO
8*8 的天線UL/DLMU-MIMO（多用戶多進多出）技術，使AP 同時可以與更多的終端用戶進行通信，極大地提升併發帶寬和系統容量。
2.2.4 BSS-Color（空間複用技術）
BSS-Color首先通過著色機制將區域內不同的AP—STA組合標記為BBS A、BSS B、BSS C等不同的網絡，使設備能夠區分自己網絡中的傳輸與鄰近網絡中的傳輸，然後自適應功率和靈敏度閾值允許動態調整發射功率和信號檢測閾值，使多個BSS網絡能同時傳輸而不相互影響，增加空間重用效率。
2.2.5 智能節電方案TWT
目標喚醒時間TWT（Target Wakeup Time）是11ax支持的一個重要的資源調度功能。它允許設備協商什麼時候喚醒發送或接收數據，其他時間休眠；無線接入點可以將客戶端設備分組到不同的TWT週期，從而減少喚醒後同時競爭無線介質的設備數量。TWT增加了設備睡眠時間，大大減小了功耗。
2.3 5G與Wi-Fi6對比
2.3.1 eMBB場景
1）理想速率
5G的eMBB場景，由於物理層採用256QAM調製方式，FR1頻段帶寬100MHZ，FR2頻段帶寬400MHZ，天線數量多達64T64R等，理想下行速率可達20Gbps，上行速率達到10Gbps；Wi-Fi6採用1024QAM，帶寬最高160MHZ，天線數量最多8T8R，理想上下行速率為9.6Gbps。
2）單設備覆蓋範圍
覆蓋範圍和發射功率強相關，一個室外5G基站發射功率可達60W，其覆蓋是公里級的；在室內一般會採用小基站，為了降低覆蓋成本其發射功率一般不超過10W，5G單個容量小區的覆蓋範圍在五千到一萬平米、一到兩層樓。Wi-Fi6 AP國家的認證要求發射功率不超過0.2W，可以覆蓋一個大會議室或者一個大辦公室的幾個房間，覆蓋範圍約五百到一千平米。在室內，5G小基站的覆蓋範圍差不多是Wi-Fi6 AP的十倍。
3）室內單用戶體驗
典型的室內小基站天線一般是4T4R，實際速率是1.5Gbps-2Gbps。Wi-Fi6 AP最高可以是8T8R，實際速率至少為3Gbps-4Gbps。所以，單設備的性能Wi-Fi6會優於5G。前面提到，室內Wi-Fi6比5G的單設備覆蓋範圍差不多相差十倍，這樣平均到每個平米、每個人，5G的性能可能不到Wi-Fi6性能的十分之一。國際電信聯盟認可的用戶體驗速率在0.1~1Gbps，而同樣常規的2T2R Wi-Fi6終端體驗速率可以達到1~1.5Gbps。所以，Wi-Fi6更適合室內高帶寬。
2.3.2 mMTC場景
1）理想速率
5G的mMTC場景，預期將使用NB-IOT和eMTC作為大連接的物理層空口技術，NB-IOT總共消耗帶寬180KHZ，調製方式為BPSK、QPSK及GMSK，採用劃分給GSM或LTE網絡的頻段部署，理想上下行速率為250kbps。eMTC載波帶寬為1.4MHZ，物理層技術與LTE網絡一致，部署於LTE網絡的頻段，理想上下行速率1Mbps。Wi-Fi6使用的OFDMA和TWT技術同樣具備物聯網場景的功能。在160MHZ帶寬條件下，理論上允許74個設備接入，而160M帶寬的速率為1200Mbps，平均分到每個設備的上下行速率可達16.2Mbps。
2）覆蓋範圍
NB-IOT的設計目標是在GSM基礎上覆蓋增強20dB，下行依靠增加重傳次數獲得覆蓋增加，上行通過增加功率譜密度和最大重傳次數來增強覆蓋；eMTC的設計目標是在LTE基礎上增加15dB，使用的覆蓋增強技術和NB-IOT相同；所以NB-IOT和eMTC的覆蓋範圍都強於現有的LTE網絡基站。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，通過提升上行功率頻譜密度來提升上行覆蓋，未來也利於其從室內走向室外，這是為未來部署智慧園區等鋪路。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，綜合來看，Wi-Fi6的覆蓋範圍不如NB-IOT及eMTC。
3）連接數量
NB-IOT和eMTC下行使用OFDMA多址技術，上行目前採用SC-FDMA，未來在R16版本中擬規定非正交多址的上行多址方式。NB-IOT的連接數量是每站點10萬個，eMTC也能達到每站點5萬個連接數。Wi-Fi6的OFDMA技術允許在頻域將載波劃分為多個RU單元，並規定至少26個子載波為一個RU。理論上160MHZ帶寬下可以劃分為74個RU，可實現74個用戶終端在同一個符號時間內接入Wi-Fi6 AP站點，在單站點連接數量上Wi-Fi6不如5G mMTC技術。如果按區域面積來計算，由於該區域內的WiFi6路由器數量無法統計，沒有辦法得出準確的連接數量對比結果。
4）功耗
在低功耗上，NB-IoT和eMTC採用相同的技術，包括：PSM（power savingmode，省電模式）、eDRX（DiscontinuousReception，擴展的不連續接收）和延長週期定時器，其使用電池供電可實現續航5~10年。Wi-Fi6主要通過TWT技術設備終端休眠，它可以準確地告訴設備何時將其Wi-Fi無線電設備置於睡眠狀態以及何時將其喚醒以接收下一次傳輸，減小終端功耗。但這種功耗減小隻是相對於Wi-Fi5而言有優勢，與5G的低功耗技術相比還是相距甚遠。
2.3.3 uRLLC場景
5G引入了靈活的幀結構設計，幀結構可以採用多址參數（上下行配比、子載波帶寬、系統帶寬等），靈活適配不同需求。4G採用的靜態幀結構，5G採用的是可配置的靜態或半靜態幀結構，實現上下行靈活子幀的配置，可提高頻譜效率降低時延。相比4G，5G引入了更短的子幀長度，最短可縮減到4G子幀長度的1/7， 結合邊緣計算技術和新型網絡架構，可有效滿足國際電信聯盟1ms的用戶面時延需求。Wi-Fi6目前還沒有針對降低時延引入改進的技術，但相比於Wi-Fi5，由於OFDMA以及TWT技術的存在，可以推測出其對用戶等待時間方面有改善。
2.3.4 調度協調
從接入網對接入終端的調度協調方式看，5G採用的是基站來總負責協調，劃分了專門的控制面功能，用核心網絡的控制面功能指揮協調大量終端。而Wi-Fi6則採用了“協調+競爭”的方式。Wi-Fi5以前完全是競爭即CSMA/CA（多路訪問/衝突避免），終端數量較多時，各個終端會競爭與AP通信；這就是大家經常在萬人大會上看到無線信號很強、但是無法通信的原因。因為Wi-Fi5是完全競爭機制，大量的設備競爭衝突使得傳輸效率急速降低。Wi-Fi 6則引入了OFDMA和TWT機制，無線AP可以協調終端的收發行為，讓整網的傳輸更有序，最大可能地減少衝突。
2.3.5 建站成本
5G基站包括CU、DU和AAU單元，目前CU正在推動採用通用服務器結合軟件定義的虛擬網元的方式來部署，DU單元仍然不可避免使用FPGA芯片，未來DU單元功能標準化後可採用ASIC芯片，AAU單元包括大規模有源天線和物理層功能，除了這三個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，成本低於FPGA芯片；光纖入戶或者進入企業後，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。
2.3.6 適用場景
從前面幾個小節的對比可以看出，5G的應用是面向eMBB、mMTC和uRLLC場景的，以室外為主；Wi-Fi6的應用可以在eMBB和mMTC場景作為5G的補充，主要以室內為主。
三、總結
基於Wi-Fi和蜂窩網絡這兩種技術的終端，其存量數量和新增數量基本上可達到每人一個，這個數量決定了在未來很長的一段時間內，這些終端仍然會廣泛存在於大眾的生活中。目前，二者都已經發展到五到六代，技術非常成熟。未來，兩種技術可能在特定場景會存在互補替代關係，但仍將長期共存。
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