Wi-Fi 6无线网技术和网络业务场景带宽(9k字)

秦农序

电气和电子工程师协会(IEEE)在1997年为无线局域网制定了无线网络通信的第一个版本标准──IEEE 802.11，是现今无线局域网(WLAN)通用的标准。无线局域网技术经过23年的发展，衍生了几十种IEEE 802.11xxx无线局域网标准，Wi-Fi是其中之一的新名称。

1999年IEEE官方定义802.11标准时，认定CSIRO发明的无线网技术是世界上最好的无线网技术。因此CSIRO的无线网技术标准，就成为2010年Wi-Fi的核心技术标准。该无线网络技术由澳洲政府研究机构CSIRO在90年代发明，并于1996年在美国成功申请无线网技术专利(US Patent Number 5,487,069)。发明人是悉尼大学工程系毕业生约翰·奥沙利文博士(DrJohn O'Sullivan)领导的一群由悉尼大学工程系毕业生组成的研究小组。CSIRO发明的无线网技术被澳洲媒体誉为澳洲有史以来最重要的科技发明，发明人约翰·奥沙利文(John O'Sullivan)被澳洲媒体称为“Wi-Fi之父”并获得澳洲国家最高科学奖和全世界的众多赞誉，包括欧盟机构、欧洲专利局(European Patent Office, EPO)颁发的2012年欧洲发明家奖(European Inventor Award 2012)。

IEEE曾请求澳洲政府放弃其无线网络专利，让世界免费使用Wi-Fi技术，但遭到拒绝。澳洲政府随后在美国通过官司胜诉或庭外和解，收取了世界上几乎所有电器电信公司(包括苹果、英特尔、联想、戴尔、AT&T、索尼、东芝、微软、宏碁、华硕等)的专利使用费。2010年我们每购买一台含有Wi-Fi技术的电子设备的时候，我们所付的价钱就包含了交给澳洲政府的Wi-Fi专利使用费。2010年全球每天估计会有30亿台电子设备使用无线网络技术，到2013年底CSIRO的无线网专利过期后，这个数字会增加到50亿。2018年设备交付量为40亿部，目前有130亿部设备在使用中。到2023年，Wi-Fi的全球经济价值预计将达到近3.5万亿美元，每年将交付数10亿部设备。从1999年算起，21年来，Wi-Fi是技术时代最伟大的成功故事之一。

出于互联网安全考虑，我国2003年出台WAPI标准(无线局域网鉴别与保密基础结构)。WAPI与Wi-Fi安全加密技术不同，是不同的无线局域网协议。国内手机的Wi-Fi功能之所以被取消，正因为Wi-Fi协议并非中国大陆官方认可。后经过谈判，按照2010年工信部最新政策，凡是加装WAPI功能的手机可入网检测并获进网许可证，原则上这类手机在有WAPI网络时使用WAPI接入，而搜索不到WAPI时则通过Wi-Fi进行无线网络接入，但纯Wi-Fi手机仍不能上市。

本期“科学Sciences”是无线通信(Wireless Comunication)系列科普文章之七《Wi-Fi 6无线网技术和网络业务场景带宽》。公号对话框发送“wifi6”获取本文9k字18图11页PDF，欢迎大家阅读、关注、下载，赞赏支持社区。借助科学技术知识和相关人事物资分享，“科学Sciences”媒体旨在帮助科学爱好者和工作者从思维方法上接近科学技术殿堂。

Wi-Fi是现代人生活中必不可少的一个角色，现在去别人家做客人们一定会问“你们家Wi-Fi密码是多少？”20年来，Wi-Fi改变了世界的运作和交流方式。基于美国电气和电子工程师协会(IEEE)无线通信标准802.11的Wi-Fi技术不断改进，每一代都带来更快的速度、更低的延迟，以及在多种环境和各种设备类型中更好的用户体验。[1]

图1：Wi-Fi®服务的全球公司网络联盟

识别Wi-Fi设备技术

通过识别Wi-Fi设备技术，帮助用户识别提供最新Wi-Fi体验的设备，Wi-Fi联盟引入了可能出现在设备名称和产品描述中的简化代名词。基于802.11ax标准的最新一代Wi-Fi设备称为Wi-Fi 6设备。根据802.11ac标准，目前交付的大多数设备都被识别为Wi-Fi 5。2019年底，Wi-Fi联盟宣布改变Wi-Fi的命名方式，复杂的命名方式已经不复存在，Wi-Fi 6(也就是原来的802.11.ax)将是下一代Wi-Fi标准的名称，从1999年使用至今的802.11a命名格式正式退出历史舞台。除了新的名字之外，Wi-Fi 6还带来了许多好处，并且不仅仅是简单的速度提升。Wi-Fi 6今年就将进入到人们的生活中，你的下一部手机或笔记本电脑就可能支持Wi-Fi 6，不妨先提前了解一下它。

识别Wi-Fi网络连接

Wi-Fi设备还可以使用显示器上的用户界面(UI)图标来识别网络连接的生成。这些图标将显示Wi-Fi信号指示器和连接的数值表示。当用户在提供不同用户体验的Wi-Fi网络之间移动时，图标会进行调整。当用户设备显示带有数字6的信号指示符图标(表示Wi-Fi 6连接)时，该设备正在使用可用的最高版本的Wi-Fi。[2]

Wi-Fi 6无线网技术和网络业务场景带宽

秦陇纪，科学Sciences©20200606Sat

Wi-Fi 6(原称802.11.ax)是一种无线局域网通信技术，是Wi-Fi联盟正式发布的Wi-Fi标准的名称。Wi-Fi 6将允许与多达8个设备通信，最高速率可达9.6Gbps。[3] 2019年9月16日，Wi-Fi联盟宣布启动Wi-Fi 6认证计划，正式发布Wi-Fi 6标准。该计划旨在使采用下一代802.11ax Wi-Fi无线通信技术的设备达到既定标准。Wi-Fi 6有望在2019年秋季晚些时候获得电气和电子工程师协会(IEEE)的批准。[4]

图3：2019年9月16日正式发布的Wi-Fi6允许与多达8个设备通信，最高速率可达9.6Gbps

一、Wi-Fi 6的关键技术

Wi-Fi 6主要使用了OFDMA(正交频分多址)、MU-MIMO(多用户多入多出)、1024QAM(正交振幅调制)、BSS Coloring(重叠基本服务组着色)、TWT(目标唤醒时间)、WPA3(Wi-Fi保护访问3)等新技术。MU-MIMO技术允许路由器同时与多个设备通信，而不是依次进行通信。MU-MIMO允许路由器一次与四个设备通信，Wi-Fi 6将允许与多达8个设备通信。OFDMA(正交频分多址)和发射波束成形技术分别提高效率和网络容量，Wi-Fi 6最高速率可达9.6Gbps。TWT(目标唤醒时间)允许设备规划与路由器的通信，减少保持天线通电以传输和搜索信号所需的时间，减少电池消耗并改善电池续航表现。[3]

另外，Wi-Fi 6设备必须使用WPA3才能获得Wi-Fi联盟的认证，一旦认证计划启动，大多数Wi-Fi 6设备都会具有更强的安全性。支持Wi-Fi的专家指出，Wi-Fi 6标准的启用，也将给Wi-Fi技术带来一次“技术延寿”和竞争力的大幅提升，将带来“一个新的Wi-Fi时代”。[4]

1. OFDMA(正交频分多址)

Wi-Fi 5采用OFDM技术，而Wi-Fi 6采用OFDMA技术。两者有啥区别呢？

如果把数据传输比作货运，OFDM技术一次只对一个用户发车，即使是一件小货物，车厢里空荡荡的，也要发一趟。上一个用户的货物发完了，再接着发下一个用户的。显然效率非常低。

而OFDMA就像我们现实生活中的快递物流，快递员将多个用户的货物装满卡车，再拉到小区里分发。每次车辆都是满载的，当然就大大提升效率了。

具体的说，在OFDM(正交频分复用)技术下，每个用户(终端设备)在上传或下载数据时，在每个时间段内占用整个无线信道。终端设备按时分的方式轮流占用整个无线信道。

而OFDMA(正交频分多址)在频域上将无线信道划分为多个子信道(子载波)，形成一个个时频资源块，用户数据承载在每个资源块上，而不是占用整个信道，从而实现在每个时间段内多个用户同时传输，即一次可以和多个终端通信，不必排队等待，提升了效率，降低了排队等待时延。

2. MU-MIMO(多用户多入多出)

一条道路，车辆多，道路很拥堵。MU-MIMO技术相当于增加了多层(多条)道路，从而大大提高交通效率。

虽然早在Wi-Fi 4时代(802.11n)就开始使用MIMO技术，但直到上一代Wi-Fi 5(802.11ac)也只允许路由器一次与四个终端设备通信，且只支持下行MU-MIMO。而Wi-Fi 6支持多达与8个终端设备同时通信，这相当于将原来的4条单向道路扩展到8条双向道路，就成倍提升交通效率了。

Wi-Fi 6最重要的不仅是速度提升，更是减少拥塞并允许更多设备连接到网络。MU-MIMO(多用户多入多出)技术实现了这一点，该技术允许路由器同时与多个设备通信，而不是依次进行通信。

Wi-Fi 6允许路由器同时与更多的设备进行通信，还允许路由器将数据发送到同一广播中的多个设备。这些技术目的都是为了解决大量设备连接到网络导致的网络拥堵问题，解决这个问题对现代生活非常重要。有调查显示，当Wi-Fi 5刚问世时，美国家庭平均拥有大约五个Wi-Fi设备。现在，美国家庭平均拥有9个Wi-Fi设备，有公司预测这一数字将在几年内达到50个。另外，Wi-Fi 6还会在有大量人群的地方提供更好的体验，Wi-Fi联盟特别提到了零售商，公寓楼，交通枢纽和体育场馆。

3. 1024QAM(正交振幅调制)

QAM，正交振幅调制，就是把数据信号转换为无线电波传输的过程。QAM级别越高，每次发射的无线信号中包含的数据就越多。1024指采用10bits/符号的调制数据，高于上代8比特的调制带宽。

Wi-Fi 5支持256QAM(8bits/符号)，而Wi-Fi 6支持1024 QAM(10bits/符号)，增加了25％，好比每辆汽车能装载的货物更多，数据传输速率也就提升了25%。

4. BSS Coloring(重叠基本服务组着色)

过去，Wi-Fi为了避免在数据传输时发生冲突，每次传送数据前，会查看无线信道上是否有数据传送，如果有，先避让，等信道净空时再传送，这造成在忙碌时需不停地等待，耗费很多时间。

BSS Coloring就是为了解决这种情况而生，它通过在数据报头加入6bits的BSS Color，让数据可在同一信道传输而不会互相干扰。

5. TWT(目标唤醒时间)

Wi-Fi 6采用了TWT(Target Wake Time目标唤醒时间)技术，允许设备规划与路由器的通信。TWT技术可以定义每个终端的不同唤醒时间，也就是只有终端设备在收到自己的“唤醒”信息后才进入工作状态，其余时间均处于休眠状态，减少了保持天线通电以传输和搜索信号所需的时间，借此可节省功耗，减少电池消耗并改善电池续航表现，延长电池寿命。

TWT允许路由器安排与设备的通信时间。但该技术并不是对所有设备都有帮助，例如你的笔记本电脑需要持续的互联网访问，因此不太可能过多地受益于此功能(或许进入睡眠状态时影响更大)。该技术对偶尔需要更新其状态的小型、低功耗设备更有益处，例如放置在家中监控煤气泄漏的传感器或智能家居等。

6. WPA3(Wi-Fi保护访问3)

Wi-Fi 6有更好的安全性。2019年，Wi-Fi技术获得了十年来最大的一次安全更新，开始支持新的安全协议Wi-Fi Protected Access 3(Wi-Fi保护访问3)，WPA3使黑客更难以通过不断猜测的方式来破解密码，并且即使黑客设法获取密码，它也会使一些数据变得不那么有用。

目前的设备和路由器可以支持WPA3，但并非是强制性的。然而，Wi-Fi 6设备要想获得Wi-Fi联盟的认证，则必须使用WPA3，因此一旦认证计划启动，大多数Wi-Fi 6设备都会具有更强的安全性。

二、Wi-Fi 6的优势功能

从以上关键技术看，Wi-Fi 6主要具备以下优势：

1)得益于160MHz大带宽、1024QAM，OFDMA，MU-MIMO等关键技术，Wi-Fi 6速率大幅提升，理论最高速度接近10Gbps。

2)多个终端可同时并行传输，不必排队等待、相互竞争，从而提升效率，降低了时延，以及提升了连接密度。

Wi-Fi 6在带宽、时延、连接密度等方面性能提升后，就增强了其场景适应性，意味着其可应用于多种未来的业务场景。

1. 大容量、高效率和高性能支持高质量连接

Wi-Fi CERTIFIED 6™是基于IEEE 802.11ax标准的行业认证计划，支持如今要求最严格的Wi-Fi®环境中的用户所需的容量、效率、覆盖范围和性能。Wi-Fi CERTIFIED 6网络重视的是，在拥有数百或数千互联设备的体育场及其他公共场所以及运行时间敏感型大带宽应用的企业级网络中，提供高质量连接，这种网络可确保每一部连网设备都达到最佳性能。Wi-Fi CERTIFIED 6设备满足最高的安全性和互操作性标准，支持更低的电池电量消耗，因此成为包括物联网(IoT)在内的任何环境的可靠选择。[2]

Wi-Fi CERTIFIED 6技术的主要优势包括：

· 更高的数据速率；

· 更大的容量；

· 在拥有很多连网设备的环境中提供高性能；

· 更高的电源效率。

从流式超高清电影，需要大带宽和低延迟的关键任务型企业级应用，到穿过拥挤的机场、火车站等大型网络时保持连接和运行，Wi-Fi CERTIFIED 6为支持大量现有和即将出现的用例奠定了基础。

2. Wi-Fi 6E引领Wi-Fi CERTIFIED 6进入6 GHz频段

在6 GHz频段运行使Wi-Fi能够为带宽最为密集的应用提供积极的体验。作为Wi-Fi CERTIFIED 6的组成部分，Wi-Fi 6E认证将为扩展至6GHz频段的Wi-Fi 6功能提供认证。美国联邦通信委员会(The United States Federal Communications Commission，简称FCC)已面向非授权使用开放了6GHz频段上的全部1200MHz频率资源，Wi-Fi Alliance会员将在2021年初提供全球互操作性认证，因此Wi-Fi用户不久就会从这种快速行动中受益。[2]

Wi-Fi 6E可在6GHz频段中运用多达14个额外的80MHz频道或7个额外的超宽160MHz频道支持高清视频传送、虚拟现实等应用。运用这些更宽的频道和更大的容量，即使在非常密集和拥挤的环境中，Wi-Fi 6E设备也能够提供更高的网络性能，并能够同时支持更多的Wi-Fi用户。Wi-Fi 6E将为Wi-Fi领域带来更大的技术进步，将引入新的用例，并加速与5G网络的下一代连接。

3. 在富有挑战性的环境中支持创新和高性能

Wi-Fi无处不在，能够对其他无线技术起到补充作用，因此有助于使随时随地互联万事万物的理想更加接近现实。Wi-Fi 的普及导致了非常多样化和设备密集的Wi-Fi环境，因此需要技术进步以满足用户需求。Wi-Fi CERTIFIED 6支持众多改进和新功能，以使Wi-Fi设备能够在设备非常密集和动态变化的连接环境中高效率运行。[2]

主要功能：

· 正交频分多址(OFDMA)有效共享信道，以在要求很高的环境中提高网络效率并降低上行链路和下行链路的延迟。

· 多用户多输入多输出(多用户MIMO)允许一次传送更多的下行链路数据，从而使接入点(AP)能够同时应对更多设备。

· 能够使用160MHz信道，因此增大了带宽，从而能够以低延迟提供更高的性能。

· 目标唤醒时间(TWT)显著提高了网络效率和设备的电池寿命，其中包括IoT设备。

· 通过在同样数量的频谱中编码更多数据，1024正交幅度调制模式(1024-QAM)提高了新的带宽密集型用例的吞吐量。

· 发送波束成形在给定范围内支持更高的数据速率，提高了网络容量。

Wi-Fi CERTIFIED 6设备为e-Learning、遥现和医疗保健环境中的虚拟现实、增强现实等新兴应用提供了更高的性能。Wi-Fi CERTIFIED 6还为运营商和公共Wi-Fi运营商提供了更多功能，以在零售、体育场、交通枢纽等环境中支持高质量连接，其中包括支持日益增多的、基于位置的应用和服务的功能。

三、网络业务场景带宽

Wi-Fi 6需要千兆带宽，需要电信设备厂商、运营商和用户都做出升级，无线局域网通信模组、路由器、终端等通信设备。这将支持超高频、高清、高容量的网络业务场景。

1. Wi-Fi 6有多快？

简单的回答是：9.6 Gbps。作为对比，Wi-Fi 5的速度是3.5 Gbps，可见提升幅度还是不小的。

不过更现实的回答是：这个速度只是理论最大值，在现实生活中很难实现。即使可以实现，但估计你的网速也不达标。

但是，Wi-Fi 6的速度提升这一事实仍然很重要。因为9.6 Gbps的网速可能并非单一设备独享，可以分配给整个网络中的所有设备，这意味着每个设备的潜在速度会更快。

2. 怎样才能使用Wi-Fi 6？

要想使用Wi-Fi 6，必须购买新的设备。因为Wi-Fi技术更新依赖于新的硬件，而不仅仅是软件，因此你需要购买新手机、笔记本电脑等，当然还有支持Wi-Fi 6的路由器，才能使用新版本的Wi-Fi。

3. Wi-Fi 6何时到来？

支持Wi-Fi 6的设备目前还处于起步阶段，虽然现在已经可以购买支持Wi-Fi 6的路由器，但价格都十分昂贵。少数笔记本电脑也支持Wi-Fi 6，但显然还远没有达到普及的程度。

不过，今年高端旗舰智能手机将开始布局Wi-Fi 6。高通公司的旗舰处理器骁龙855已经支持Wi-Fi 6，不过搭载骁龙855并不保证手机就一定支持Wi-Fi 6，只是可能性会更大：例如三星的Galaxy S10就搭载了骁龙855，该机就支持Wi-Fi 6。

Wi-Fi联盟将于今年秋季推出其Wi-Fi 6认证计划，以保证Wi-Fi设备的兼容性。虽然设备并不是一定要通过该认证，但该认证的推出意味着行业已准备好迎接Wi-Fi 6的到来，估计明年会有更多的设备支持Wi-Fi 6。

4. 你需要Wi-Fi 6吗？

升级到新的Wi-Fi 6标准当然是一件好事，但显然并非所有人都需要。

如果你的网速还远没有达到千兆的话，那么Wi-Fi 6对你的意义可能不大。另外，即使在拥有大量联网设备的环境中，例如商场、办公室或公共建筑，要想充分利用Wi-Fi 6的优势，还必须保证网络上的所有设备都支持该标准。

如果你目前的路由器只支持Wi-Fi 4(802.11n)或更早的标准，不妨先将其升级到支持Wi-Fi 5，等Wi-Fi 6路由器降价时再做考虑可能是更好的选择。

5. 网络业务场景带宽

未来的信息社会，各种设备的数据量将进一步爆发式增长，超高频、高清、高容量的网络业务场景会越来越多。比如，VR/AR、园区办公、智能制造、智慧城市、智慧教育、AI辅助等各种应用业务场景，都需要Mbps为单位的大带宽，将给Wi-Fi 6和5G等无线网络带来技术需求。

其中，典型的VR/AR、园区办公、智能制造、智慧城市、智慧教育、AI辅助等应用，所需基本带宽，都在10Mbps-1Gbps之间。

信息社会的数据爆发式增长，将会是个极大的课题，如何做数据简化迫在眉睫。

-----------------------------

(注：素材[1-x]图文版权归原作者所有。)

素材(1k字)

1. Wi-Fi Alliance. [EB/OL], https://www.wi-fi.org/,https://www.wi-fi.org/zh-hans, visitdate: 2020-06-06-Sat

2. Wi-Fi CERTIFIED 6. [EB/OL], Wi-Fi Alliance, https://www.wi-fi.org/zh-hans/discover-wi-fi/wi-fi-certified-6,visit date: 2020-06-06-Sat

3. 来源：IT之家, 作者：远洋, 责编：远洋. 一文读懂Wi-Fi 6. [EB/OL], IT之家, https://www.ithome.com/0/418/065.htm, 2019/4/722:08:03, 引用日期2019-09-16, visit date: 2020-06-06-Sat

4. 来源：互联网, 腾讯科技, 下一代Wi-Fi 6标准正式启用速度提升四成. [EB/OL], 腾讯, https://tech.qq.com/a/20190917/000390.htm,2019-09-17 06:57, 引用日期2019-09-17, visit date: 2020-06-06-Sat

5. 词条统计：浏览221749次，编辑10次历史版本，最近更新：入的绝对我我(2020-05-13)，突出贡献榜：海的青天. Wi-Fi 6. [EB/OL], baike, https://baike.baidu.com/item/Wi-Fi%206,2020-05-13, visit date: 2020-06-06-Sat

6. 转载：创事记. Wi-Fi 6到底能做什么？. [EB/OL], sina, https://tech.sina.com.cn/csj/2020-06-05/doc-iircuyvi6778875.shtml, 2020-06-0423:42:57, visit date: 2020-06-06-Sat

x. 秦陇纪. 人工智能起源与发展正史; 西方哲学与人工智能、计算机; 数据科学与大数据技术专业概论; 人工智能研究现状及教育应用; 数据资源概论; 文本数据溯源与简化; 大数据简化技术体系; 数据简化社区概述. [EB/OL], 数据简化DataSimp(微信公众号),https://dsc.datasimp.org/, http://www.datasimp.org, 2017-06-06, visit date: 2020-04-10-Fri

—END—

秦农跋

科学传入中国一百多年并未普及，国人没有普遍接受。四百年前的人思考自然社会，是肤浅地盲信盲从一言蔽之的各种思辨道理，如神话传说、宗教信条、世俗权威、家庭说教等；而牛顿、马可尼、特里维西克、法拉第、居里夫妇、爱因斯坦之后，理性之人分析具体现象和数据，发掘其规律，直到用数学工具的理论证明。科学目标是找到自然社会规律，科学方法是观察、测量和实验，科学精神是假设、证明和质疑，科学理论的本质是科学家用数学工具对自然社会做出定性定量解释。科学实验和假说由针对性的观察、测量技术支撑，验证某种现象背后的确定规律，科学和技术是不可分割的。如果没有数学工具支撑，仅用语言来总结自然社会现象，拿书本文字代替实验设计工程实践，将止步于宽泛又肤浅的语言思维型道理。科学是璀璨的人类文明之一，但有其范围并非万能。科学Sciences公号不持有任何倾向性，只提供大家的学术观点。《科学Sciences》倡导"理性之思想，自主之精神"，专注于学者、学术、学界的发展进步，不定期向您推荐人类优秀学者及其文章，欢迎贡献和分享。

免责说明：公开媒体素材出处可溯源，自觉接受公众监督。本号不持有任何倾向性，亦不表示认可其观点或其所述。

Sciences286Wi-Fi6无线网技术和网络业务场景带宽SP20200606SatQinDragon.docx

简介：Wi-Fi 6无线网技术和网络业务场景带宽。作者：秦陇纪。