这几天手机市场又开始热闹了起来,2 月 12 日,三星在美国发布多款新品包 括新款折叠屏手机 galaxy z flip、新一代旗舰 galaxy s20 系列、耳机 galaxy buds+等;2 月 13 日,小米于线上发布新一代旗舰小米 10 系列新机,小米 aiot 路由器 ax3600. 65w 氮化镓的充电器,随着2020年手机换机高峰期,今年各大手机厂商开始密集发布自己的全新系列。
今天我们再来看看wifi路由器是否又能掀起一番手机配件的小浪潮。
小米在线上发布的aiot 路由器 ax3600是 wifi 6 路由器,wifi 6是5g时代的最新wifi标准,速度可以提升一倍,不但拥有更快的网速,还优化了大量设备同时上网的性能体验,不管是家用还是办公,都能带来更快的网速。
01、wifi 6技术的革新
随着互联网发展,在线图片、视频、流媒体等服务对无线局域网技术提出了更高的带宽要求,为满足用户需求, 2009年,ieee宣布了新的802.11n标准, 802.11n协议凭借mimo、波束成形及40mhz绑定等技术使最高传输速率达到了600mbps。
2016年7月ieee推出了第5代wi-fi标准802.11ac , 11ac工作在5ghz的频段上,在提供良好的后向兼容性的同时,把每个通道的工作频宽由802.11n的40mhz,提升到80mhz甚至是160mhz,再加上大约10%的实际频率调制效率提升,最终理论传输速度由802.11n最高的600mbps跃升至1gbps。
2018年10月3日,wi-fi联盟(wi-fi alliance)将基于802.11ax标准的wifi协议正式纳入正规军,成为第六代wifi技术。借着这个机会,联盟又将wifi规格重新命名,之前标准802.11n改名wifi 4.标准802.11ac改名wifi 5.新标准802.11ax改名wifi 6.
802.11ax又被称为“高效率无线标准”(high-efficiency wireless,hew),将大幅度提升用户密集环境中的每位用户的平均传输率,有效减少网络拥塞、大幅提升无线速度与覆盖范围。其实,设计802.11ax的首要目的是解决网络容量问题,因为随着公共wi-fi的普及,网络容量问题已成为机场、体育赛事和校园等密集环境中的一个大问题。那么作为新一代wifi协议的11ax具体都有哪些技术上的突破呢?
01、wifi6支持2.4g与5g
802.11ax协议基于2.4ghz和5ghz两个频段,这种双频段,并非是ac双频路由器那样不同的频段对应不同的协议,ax协议本身就支持两个频段。这显然迎合了当下物联网、智能家居等发展潮流。对于一些对带宽需要不高的智能家居设备,可以使用2.4ghz频段去连接,保证足够的传输距离,而对于需要高速传输的设备,就使用5ghz频段。
02、支持1024-qam,数据容量更高
从调制上看wifi 5是256-qam,wifi-6是1024-qam,前者的数据流最大支持4个,后者则最大支持8个,因此wifi 5的理论吞吐量可以做到3.5gbps,而wifi 6则可以做到惊人的9.6gbps。
03、支持完整版的mu-mimo
mimo(multiple-input multiple-output)即为为多输入多输出技术,是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,实现以更小的代价达到更高的用户速率,从而改善通信质量。实际上 ieee在802.11n协议时代就引入了mimo技术,而mu-mimo技术可以理解为它的升级版或者是多用户版本。
通俗来说,以前在802.11n上面的mimo只能说是su-mimo即单用户mimo,传统的su-mimo路由器信号呈现一个圆环,依据远近亲疏,依次单独与上网设备进行通讯。当接入的设备过多时,就会出现设备等待通讯的情况;更为严重的是,这种依次单独的通讯,是基于设备对ap(路由器或热点等)总频宽的平均值。也就是说,如果拥有100mhz的频宽,按照“一次只能服务一个”的原理,在有3个设备同时接入网络的情况下,每个设备只能得到约33.3mhz频宽,另外的66.6mhz则处于闲置状态。即在同一个wi-fi区域内,连接设备越多宽频被平均得越小,浪费的资源越多,网速也就越慢。
mu-mimo路由器则不同,mu-mimo路由的信号在时域、频域、空域三个维度上分成三部分,就像是同时发出三个不同的信号,能够同时与三部设备协同工作;尤其值得一提的是,由于三个信号互不干扰,因此每台设备得到的频宽资源并没有打折扣,资源得到最大化的利用,从路由器角度衡量,数据传输速率提高了3倍,改善了网络资源利用率,从而确保wi-fi无间断连接。mu-mimo技术就是赋予了路由器并行处理的能力,让它能够同时为多台设备传输数据,极大地改善了网络拥堵的情况。在今天这种无线联网设备数量爆发式增长的时代,它是比单纯提高速率更有实际意义的。
值得一提是wifi5中也使用了mu-mimo功能,但它天生不足:设备需要连接在同一5g频段下,要全部支持mu-mimo功能。且设备数量要刚刚好才能触发这个功能。最重要的一点是wifi5下的mu-mimo功能只支持数据下行,上传数据时还是走得su-mimo。而wifi6给我们带来了完整版的mu-mimo功能——至少它支持数据上行和下行。相比于wifi中最大的4×4 mu-mimo规格,wifi6拥有了8×8 mu-mimo——最多可以同时支持向8个终端传输数据。如此一来适用的场景便多了许多,这时mu-mimo才到了真正能用的地步。
04、ofdma技术
长久以来,wifi一直采用ofdm作为核心传输方案。ofdm即正交频分复用技术,是由多载波调制发展而来的一种实现复杂度低、应用最广的一种多载波传输方案。ofdm主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(isi)。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可消除码间串扰,而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。用个简单的例子来说明:假设我们现在有很多车要从a地到b地,没有使用ofdm技术之前,路是一条路,所有的车四处乱开,横冲直撞,结果谁都快不了。现在使用了ofdm技术,将一条大路划分为很多个车道,大家都按照车道驾驶,这样既可以提高速度,又能减少车与车之间的干扰。同时这条道的车多了,就匀一点到那条车少的道上去,管理上也方便很多。
ofdma技术是在ofdm的基础上加入多址(即多用户)技术,演进而来的。ofdma将帧结构重新设计,细分成若干资源单元,为多个用户服务。以20mhz信道为例,在ofdm方案(即11n/ac)里每一帧由52个数据子载波组成,但由于这一帧只为一个终端服务。
传输的数据包过小时(像聊天记录),空载的子载波也无法分配给其他终端。而在ofdma方案(即11ax)里每一帧由234个数据子载波组成,每26个子载波定义为一个资源单元,每个资源单元可以为一个终端服务,这样每一帧就可以同时为9个用户服务。
用卡车拉货来解释这个技术最方便直观了。ofdm方案是为每一个客户发一次货车。不管货物多少,来一单发一趟,这样不免就有货车空载的现象。而ofdma方案会将多个订单合在一起发货,让卡车尽量满载上路,使得运输效率大大提升。
不但如此,wifi6下ofdma和mu-mimo的效果可以叠加。两者呈现出一种互补关系,ofdma适用于小数据包的并行传输提高信道利用率和传输效率。而mu-mimo则适用于大数据包的并行传输,提高单用户的有效带宽,同样能减少时延。
05、twt机制
twt机制是专门针对类似智能家居这样的低速设备而设置的。例如配置2.4ghz频段、20mhz频带的wifi设备。路由器会自动生成一个数据交换用的唤醒时间,在网络数据传输不高的时段去依次唤醒这些低速设备进行数据交换。(比如下载最新数据库,上传生成数据等操作)这样就可以有效避免网络拥堵。这也是一种优化网络带宽利用率的技术手段。
02、5g和wifi6的对比
01、应用场景:
5g是运营商部署的网络, 5g的应用是面向embb(大流量移动宽带业务)、mmtc(大连接物联网业务)和urllc(超高可靠超时延通信)场景的,以室外为主,5g在工业互联网,车联网 无人驾驶等领域有强烈的需求。而wifi6主要以室内短距离覆盖为主,wi-fi6的应用可以在embb和mmtc场景作为5g的补充。是企业办公的不二选择。为企业更加智能化提供更多选择。另外,从家庭用户的使用角度来看,只有wifi6才能发挥出5g的最大功效。
02、从技术层面
-理想速率,wifi6的高速是通过mu-mimo和ofdma实现的。采用1024qam,带宽最高160mhz,天线数量最多8t8r,理想速率为9.6gbps。5g的高速是通过大规模的mimo无线电技术实现,大规模的mimo无线电技术采用几十到几百个天线用于传播无线电信号,理想速率达到10gbps, 两者理想速率相差不大。
- 覆盖范围,覆盖范围是和发射强度有关的,wi-fi6 ap国家的认证要求发射功率不超过0.2w,,覆盖范围约五百到一千平米;一个室外5g基站发射功率可达60w,其覆盖是公里级的。就覆盖面积来说,5g优于wifi6.
- 室内单用户体验:wi-fi6 ap最高可以是8t8r,实际速率至少为3gbps-4gbps。典型的室内5g小基站天线一般是4t4r,实际速率是1.5gbps-2gbps。所以,单设备的性能wi-fi6会优于5g。
03、频谱资源:
wifi6支持的频段是2.4ghz和5.8ghz,这些频谱资源是免费的,成本相对较低。5g支持1ghz以下的低频段,1ghz到6ghz的中频段,24/30ghz到300ghz的高频多(也成为毫米波),虽然5g的频谱资源很宽,很广,但是 这些频段都是需要授权的,中国是发牌照,国外是以拍卖的形式为主,成本非常高。
04、建设成本:
5g网络因信号易衰减,需经过严密规划仿真验证,此外,5g频带和波长的特点需要5g基站更密集,导致投入基站成本高。之前运营商在4g的投资在8千亿,而5g的投资是4g的2-4倍。相比较而言,wifi6的升级仅需升级主芯片,且主芯片都是asic,成本本身就低于5g 所需的fpga芯片;光纤入户或者进入企业后,只需要购买整机wi-fi6 ap即可实现部署,成本相对基站而言非常低廉。再加上当前主流的电脑、手机、pad以及无线终端均支持wifi接入,wifi6的应用就更容易迭代出新了。
正是由于wifi 6具备的低功耗、低时延、高带宽、高连接数、组网方便等技术特征,wifi 6 技术将与5g形成场景互补,加速智慧家居、企业接入等室内物联网应用场景落地。
5g和wifi6各有各的长处和短板,5g是运营商网络,授权频段,而wifi是非授权频段,类似私人网络,就算5g拿到了非授权频段,由于组网不便、短期内接入点成本很难降下来,所以wifi 6就成了室内物联网这块很好的补充。
打个比方,如果把通信技术比作交通工具,5g就像飞机一样可以迅速将快件从一个城市运至另一个城市,但没法帮你取1公里内的外卖,而取外卖的话最好还是用最先进的电动车。
03、wifi 6的应用前景
目前不仅很多运营商都在招标wifi 6的元器件,像华为这样的大陆芯片企业也在加速研发wifi 6芯片,并且华为、苹果、三星、小米主流手机品牌都已经支持wiffi 6技术。
这些企业都在共同推动wifi 6技术的普及,将加速智慧家居、企业接入等室内物联网应用场景的落地。
其一,基于wifi 6技术的网络设备将迎来爆发式增长。
有专业机构预测,预计到2023年左右,几乎全部家庭wifi设备都将更换成wifi 6.企业网络接入中包括机场、酒店等等将有90%更换成wifi 6.
另外目前运营商可能会在小区内采用千兆光纤+wifi 6的组合,所以居民小区固网宽带也将迎来一次全面升级。
目前wifi 5正处于去库存阶段,预计今年下半年开始wifi 6将迎来爆发式增长。
其二,物联网相关元器件、设备行业将迎来一轮高景气周期。
以智慧家居为核心的物联网场景的加速落地,必然带来室内智能终端设备的放量。
其三,加速4k超高清、ar/vr、云经济等5g应用场景的落地普及。
此次wifi 6技术落地的意义不仅是无线局域网传输技术的一次全面升级,更关键的在于可以与5g互补,真正将室内物联网应用场景落地,可能是物联网时代的一个里程碑。
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