5G 技术和 WiFi 有什么本质上的区别？

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本文为相关“ 5G 技术和 WiFi 有什么本质上的区别？”的精华问答分享。

一、5G 技术和 WiFi 有什么本质上的区别？

在许多宣传渠道的科普中可以了解到5G的技术实现是通过许许多多像路由器一样的“小盒子”密集覆盖来达到的，一个小基站只能覆盖至多500m的范围，这样的东西本质上不就和路由器一样了吗？在千兆入户的今天，至少从家用宽带角度，电脑用户一般不难发现带宽早就不是决定使用感受的瓶颈了，云端服务器上行小，用户的下行带宽再大也没用，所以实际上该卡的还是会卡，本来就流畅的也已经不会更流畅了。

所以5G的很多运用前景是否被夸大了？实际上光纤宽带的超低延迟超大带宽早就可以做到了？5G技术能够超过物理接入的极限速度吗？wifi有个问题就是离路由器远了速度会变慢，5G技术如何解决这一问题呢？而且从原理上来说小基站的覆盖范围肯定不如大基站，人口密度低下的地方基站的覆盖度或许会非常堪忧？

徐方鑫：之前已经有一个提问讨论关于5G和WiFi的区别是什么，5G 和我们现在用的 WiFi 有什么区别？

然后现在这个问题主体是在问“5G 技术和 WiFi 有什么本质上的区别？”，关注点更集中于“本质”，笔者按照自己的角度谈一下。

Remark：其实5G协议和WiFi协议相比，体量就不是一个级别的，5G要比WiFi包含的范围要广很多。目前写的感觉有点乱，部分内容如果有错误的地方，还请见谅。

A. 前言

WiFi和5G如果展开来说的话，那么区别还是挺多的。不过要说到本质区别的话，笔者觉得是两点：

• 设计的目标不同（包含了性能指标和成本）
• 协议设计的起始点不同，具体体现为如何兼容先前协议

我们知道无线网络协议，实际上都是人来制定的，其与一般的自然科学不同，网络协议并不是单纯的追求性能的卓越，而更多的是需要关注到成本，前后兼容性，法律法规以及商业的博弈（比如说技术专利）等等。所以我们关注不同协议的时候，都最好从其最初的出发点来分析，这样会比较好一些。

从大体上而言，Wi-Fi和5G的技术特征有很大部分是近似的，说的不好听一些，实际上WiFi在追着移动通信（4G/5G）的影子向前发展，比如说WiFi 6中的OFDMA技术在4G LTE的时候就被移动通信采用了。但是从技术细节上而言，WiFi和4G/5G还是有很多的本质上的不同，我们首先从设计目标上谈谈两者的区别：

B. 设计目标不同

参考《altice Labs - IoT Cellular Networks 》（https://www.alticelabs.com/content/WP-IoT-Cellular-Networks.pdf）

我们知道目前无线网络传输中包含了很多的协议，比如说WiFi，4G/5G，Bluetooth，Lora等等，不同的协议其实本身设计初衷就不同。按照上图所示的划分，根据覆盖距离的不同，无线网络可以分成近场网络（Proximity），个域网（WPAN），局域网（WLAN）以及广域网（WWAN），其中近场大概是10米左右的范围，包括了NFC，RFID之类的协议，个域网为100米左右的场景，主要为Bluetooth之类的协议，初始是用于一些携带设备的连接，无线局域网主要就是Wi-Fi了，那么目标是在于1000米以内的通信，实际距离还要比这个小，一般也就200米以内，然后就是无线广域网那么覆盖距离要求比较高，要是公里级别的覆盖面。而且不同协议的设计初衷不同，其面对的成本要求也就不一样。

故在网络协议设计的初始的时候，具有不同的设计目标，导致其采用的技术手段不一样。不过随着协议的不断发展，从设计目标而言，其差异就越来越小，而且很多协议会针对多个方向并行发展。

如上图所示（参考：IHS Markit - Connectivity Technology Competition Drivers and Influencers.pdf），我们可以在协议初始的时候，还算是泾渭分明的，但是到了近几年，不同的网络协议交叉是越来越平凡，比如说基于LTE核心网的NB-IOT技术从M2M/IOT Cellular跨度到LPWA里面，Bluetooth的最新版本也变成的mesh版本，从而其覆盖面积也增加了很多，不仅仅是原来的个域网的差别。

那么5G协议的目标可以分成三个场景：eMBB、URLLC、mMTC。

图参考华为《5G Network Architecture ：A High-Level Perspective》

• eMBB（Enhanced Mobile Broadband）：这一类比较贴近于终端用户侧，也就是大部分人能够感受到的。在5G时代，用户的理论峰值速率最高能够到10Gbps，一般情况下，用户实际使用速率在1Gbps左右。
• mMTC（Massive Machine Type Communications）：此类是IoT场景，我们说IoT场景的主要对象是传感器，而这些传感器一般都是周期性的反馈信息的，而且周期一般可以比较长，但是传感器的基数是很大的。
• uRLLC（Ultra-realiable and Low-lantency Communications）：这一类主要是对延迟非常敏感的业务，这里的对延迟敏感是相比传统的语音业务还要敏感，比如说无人车控制，无人机控制等，若出现大于1ms以上的延迟，导致控制信号没有传递到位，可能就会出现撞车之类的故障，所以这也是5G非常关键的场景之一。

最新的WiFi 6协议的需求还是主要关注到无线传输方面，而且更多的是技术类的需求，比如说WiFi 6(即802.11ax)最核心的关注还是密集模式下的吞吐量提升至少4倍，而且能耗上相比传统的802.11要好很多。

参考Aruba - 802.11ax白皮书

从需求上而言，5G的需求要比WiFi协议的需求多很多。

通过本节我们可以认知到，每一个无线协议初始时根据其不同的应用场景，进行了泾渭分明的设计。但是不同协议在往后发展中，相似点会越来越多，其设计出发点还是根据市场主流需求而言的，但是每个协议必然还会存在差异，这点是由协议的发展导致的兼容性问题所带来。

C. 设计的起点不同 (即如何兼容先前协议)

我们前面讨论5G和WiFi协议的设计需求，而且也说明了协议是不断演进的。但是不同协议间还是存在很多差异，其中最主要的就是兼容机制的设计。

5G协议族的兼容主要在终端和基站的关联层面，在无线接入过程中，由于5G有独立频段，所以无线接入层面可以避免不同协议版本间的冲突。5G采用自上而下的总体架构。所谓自上而下主要是说其是一个系统级别的设计，首先分析设计目标，然后分模块实现功能，最后构造出一个完整的系统。我们说移动通信协议能够采用自上而下的总体架构主要是源自于其频带划分，每一代移动通信协议实际上都有其授权的频段，通过这样的方法，可以有效减少协议不同协议族间的交互问题，比如说2G，3G，4G间的交互问题，也就是说在无线侧，也就是无线资源这一个平面，2G设备不需要跟3G和4G设备竞争。所以在移动通信协议中，所讨论兼容性主要是骨干侧部分。

5G的兼容有两部分组成，一部分就是终端芯片，同时可以支持3G/4G/5G，这个芯片支持实际上是通过多个基带执行的，这个多基带技术直到现在在WiFi中才被引入，即RSDB技术。另外一方面，其兼容可以体现在其NSA和SA的接入模式上，如下图所示:

参考NI的《3GPP Release 15 概况》

WiFi的兼容机制主要体现在无线接入过程：802.11采用自下而上的总体结构。在持续演进的协议版本中，每一个新的版本在无线侧都需要考虑到对之前版本的兼容性，比如802.11g，802.11n，802.11ac以及802.11ax的相关设计中，最主要的原因是802.11协议都是工作在相同的频段下。我们通常所用的WiFi所包含为802.11a/b/g/n/ac协议（单个无线路由器），其中802.11b/g/n工作在2.4GHz频段上，802.11a/n/ac工作在5GHz频段上。所以由于协议工作在相同频段上，每一次新版本的协议就必然要考虑如何设计兼容之前版本，从而引入一些新的技术对之前的协议做改进.

那么WiFi 6是怎么做到兼容的呢？我们一般知道802.11采用的是CSMA/CA的竞争机制，不过如果在往下考究，其实最底层的是类似于BTMA（busy tone）的接入机制，其中busy tone对应到802.11中，就是NAV机制。NAV的基本思路是发送一个预约帧来预约之后的一段信道时间，此时间内，信道是被占据的，所有的节点都被置为虚拟载波监听的状态。

我们用上图解释NAV机制，节点STA2首先竞争胜利，此时其传输的是RTS帧。节点STA 1接收到CTS之后，该CTS不是我所请求所获得的，从而STA 1会将CTS数据帧的duration给提出，并设置在自己本地的NAV（Network Allocation Vector）上。若NAV没有倒数到0，那么其会主动悬挂其随机回退计数值，在NAV没有倒数到0之前，其随机回退计数值不再继续倒数。当STA 2接收到CTS后，其发现该其是之前发送RTS的反馈。故节点已知信道空闲，在等待SIFS后，STA 2发送数据。当数据传输完成之后，AP向STA 2反馈ACK，从而最终完成一次传输。

当节点被置为NAV之后，那么其后一段时间都是被保护的，这一个机制除了能被用在我们举的RTS/CTS例子，也可以被应用在兼容模式中，包含了802.11b/g的兼容机制，PCF和DCF的兼容，Phased coexistence operation (PCO)之类的技术都是，还有就是最典型的TXOP机制。

我们用这个图简化说明下，我们可以看到整个信道被分成两块，一块是contention period，一块是TXOP，这两块就是通过NAV机制进行分割的，节点通过发送特定的帧（比如Qos Null，Qos Data或者WiFi 6的TF帧）来开启一个TXOP时间，那么在这个TXOP时间内，可以运行不同的机制，比如说802.11ax中引入的OFDMA接入机制，如下图。

所以802.11协议设计之初就设计了不同工作模式间，控制的机制，保证协议在升级或者更新的时候可以持续运行。但是这一点却也导致，802.11协议始终要带着以前的很多机制，比如说关于QoS部分，相比802.11协议和5G协议，其QoS的性能也就差很多。

D. 技术上的区别

那么下一个部分，我们再谈谈WiFi和5G上技术的差异(目前先挑几个典型来讨论)：

1. ”帧结构“，最主要是无线信令和信元部分。（MAC和PHY层）

我们说信令主要是控制部分，信元主要是数据部分。Remark：4G/5G中也有帧和子帧的概念，不过和802.11里面的概念不一样，所以我们打引号强调下。

我们首先谈谈WiFi的部分，WiFi是采用帧结构的，所以信令和信元是连在一起的。我们可以认为信令主要是部分物理层头部和MAC层头部，信元主要是上层的Payload。我们知道一个无线帧是由以下几个部分组成，包含了物理层头部（PLCP Preamble），MAC层头部以及上层的Payload。如下图所示：

在MAC header的FC位里面，存在一个type字段，这个type字段指明了这个帧具体是什么类型，而且由于包含了地址之类，所以接收方当接收到完整数据帧之后，根据其头部做解析，然后考虑这个帧下一步如何处理。比如说，如果是管理帧（比如beacon），那么就是提取element的信息，然后做下时钟同步之类的，如果是数据帧，那么就要解析出来以后往上层丢。我们这里之所以要强调type字段，主要是关于服务访问点（SAP)这个的实现方法，其中一种实现方式就是通过type字段。

这一点设计也是保证了802.11协议具有分布式特性，而且也是best-effort追求的一种简洁的特性，主要我竞争到信道，我就可以发送，不需要之前的一些协商工作。

那么关于5G部分，5G还是采用了通信网的架构，那么通信网中在无线这一侧并不是采用之前提到的这种“帧”结构，其控制层面是通过不同的信道来区分的，那么对应而言，其服务访问点（SAP)的实现方式就是通过这种信道映射来实现的。其中有的信道是用来做控制，有的信道是用来做数据。

如上图所示，其中上层（包含MAC和Transport）中的部分信道，实际上对应到的是逻辑信道，代表了具体的控制信息或者数据，然后物理信道部分则代表了特性的时频资源，比如说下图，其不同 的颜色即代表对应的不同的信道，不同的信道功能都不一样，所以实际在使用时，其不是通过type字段来判断功能的，而是通过对应的时频位置。

节点通过在特定的时频资源上，采用不同的解调方式进行解调，获取信息，从而达到解调的目的。

2. 物理层的信道估计和同步机制，即pilot设计的不同（PHY层）

pilot的一个意思是飞行员，但是在无线通信中，我们一般认为其为导频，是一个向导，通常被用来做信道估计和同步。

WiFi的pliot其实分两个部分，部分1为LTF，这个是物理层头部的最后一个部分，采用2个OFDM内的全部子载波，用来做精确的频率同步和symbol同步，同时也测定了所有子载波的信道系数，用于做均衡。然后部分2为PSDU，也就是物理层对应数据部分，其每间隔一段取了一个子载波作为pilot，主要用于修正星座图，比如采用CPE之类的参数，然后一次性对星座图进行旋转然后修正。

4G/5G中的同步信号和WiFi同步信号选取的不同，比如说下图是一个4G的同步信号。

5G除了以上的同步信号以外，还有其他不同的同步信号，比如测定CSI的CSI-RS信号，从结构上而言，已经和WiFi很近似了。

在5G NR中还有一种preamble based的结构，这种结构已经更加和WiFi类似的了。

那么我们谈谈为什么要有不同的Pilot结构，主要要考虑到无线的传输工作环境了。由于WiFi的子载波比较宽，所以能够以带宽直接抵抗多普勒效应，而不用做太多补偿。但是比如4G/5G，其预设场景容易出现多普勒效应，而且其子载波比较小（5G中有多种子载波带宽大小），因此需要用特殊的导频图案持续追踪做修正。

3. 无线侧的随机接入过程不同（PHY层）

5G NR的随机接入机制和4G差不多，不过总体流程上多了一个SS Block，也就是波束选择的过程。不过我们这里主要讨论的随机接入过程，5G接入实际上还是基于码的一种随机接入方式。

参考http://ctw2018.ieee-ctw.org/files/2018/05/5G-NR-CTW-final.pdf

整个过程是典型的4个msg。然后每一个终端都有一个预设的码本，里面有很多设计好的序列。通常msg1是节点告知基站，我需要传输，然后msg2反馈节点，得知该信息，并通知节点在特定的位置告知其待传输信息的多少（实际上就在做RRC协商），然后节点在特定位置上反馈msg3。此时meg3是有可能发生冲突的，如果两个及两个以上节点在同一个时频位置上反馈msg3，那么就是冲突，如果没有冲突的话，那么基站反馈msg4，从而此次竞争完成。这里的msg3和msg4的协商过程中，已经协商好了节点传输所需要的时频资源，实际上完成了OFDMA传输所需要的竞争。

WiFi的OFDMA接入是采用CSMA/CA+NAV+UORA的竞争机制来完成OFDMA传输的：

首先谈谈CSMA/CA，如下图所示（内容是之前写的文章里面的，直接搬运了），

• 当STA 1与STA 2相继存在数据，需要在竞争信道进行发送时，其首先需要 "等待" DIFS时间，若DIFS时间内，信道保持空闲状态，那么就可以进行backoff过程。
• 若STA 1与STA 2进入backoff过程时，其首先需要从竞争窗口（Contention window）选择一个随机数，在802.11协议中，默认的初始竞争窗口为31，即随机回退计数值的范围即是[0,31]。在上图中，STA 1则是选择了8，而STA 2选择了2。
• 在backoff过程中，每经过一个slot time，节点会 "监听" 一次信道，若信道空闲，则相应的随机回退计数器的值减1。如上图中，经过3个slot time后，STA 1的随机倒数计数器从8递减至5，而STA 2相应从2递减至0。
• 当节点的随机倒数计数器倒数至0时，节点竞争获得信道，从而可以发送数据。如上图，STA 2获得信道后，发送PACKET A给AP。在AP接收到数据后，会采用CRC机制对数据进行校验，若校验通过，AP会在SIFS后，反馈ACK确认帧。
• 当STA 2成功发送完数据， "等待" 了SIFS的时间之后，AP会向节点反馈ACK确认帧。当STA 2成功接收到ACK帧之后，这一次传输完成。
• 当这一次传输完成后，节点需要再次 "等待" DIFS的时间后，重新开始backoff过程。若节点刚刚发送完数据，那么在backoff过程开始时，需要重新从竞争窗口中选择一个随机数进行倒数。若节点没有发送数据，那么直接从上一次的倒数结果继续倒数。如上图中，STA 1没有竞争到信道，那么其在第二次的backoff过程中，直接基于上次的5直接进行倒数至4。这样的设计目的是为了保证网络传输的公平性。

那么在Wi-Fi 6当中，基于CSMA/CA的机制，AP首先发送一个TF帧（也就是代替上图中传输的data过程），开启了一个TXOP时间（从而开启一次UORA竞争），并且TF帧中会说明了哪些资源是可以被竞争的。

在UORA中，会使用一种频域的back-off技术（即OFDMA back-off，OBO）。在OBO中，一开始终端会选择一个随机数，然后AP会发送一个竞争类型的触发帧，其中还包含了本轮可用的RU数量。终端会将自己的随机数减去本轮的RU数量，直到减为0。如果终端利用随机数相减之后，本轮值为0的话，那么相当于竞争成功，终端将会随机选择一个RU进行占据。如果本轮相减后，没有为0，那么相当于本轮竞争失败，那么会保持这个数值，下一轮进行继续相减。

Remark: UORA的细节部分可以参考：802.11ax前瞻17：UORA上行随机接入机制（UL-OFDMA Random Access），我就不贴过来了。

同样的，最后我们还是要补充下，在5G中也存在LBT机制的传输了，这点也会近似于WiFi，所以两者的设计还是慢慢接近的。

结语

以上我们简单讨论了一些关于5G和WiFi区别比较大的地方，其中主要还是通信网络和WiFi网络存在的区别，但是我们发现，在很多方面，两者已经逐渐近似了。

从大体上而言，WiFi的技术是在向5G靠齐，或者说一直都是跟着移动通信技术来进化，比如OFDMA，但是技术细节上，两个协议还是有差异，比如说WiFi的OFDMA有256个子载波（20MHz信道），相同带宽情况下，4G/5G的子载波数更多。这样的技术差异，最终会体现在价格因素上。所以即使大部分主体技术会趋近，但是每一项技术在具体实现的时候，根据不同协议的不同需求，还是会存在差别的。

作者：徐方鑫

链接：https://www.zhihu.com/question/323928430/answer/896498021

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