李項軍，張水利，趙海波

(1.延安大學 物理與電子信息學院；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點實驗室，陜西 延安 716000)

從辦公室、家庭、商場、車站到停車場，幾乎處處有WiFi，數(shù)以千萬計的接入點(Access Point，AP)隱藏在人們視線之外，為手機、個人電腦、智能家居、家電等各類終端設備提供無線傳輸服務[1]。為滿足越來越高的通信需求，IEEE標準化組織和WiFi聯(lián)盟一直在不斷提高WiFi產(chǎn)品的性能，由IEEE完成基礎技術規(guī)范，WiFi聯(lián)盟負責產(chǎn)品技術認證測試，共同推動WiFi產(chǎn)品的市場化。

IEEE 802.11ax通過一系列系統(tǒng)特性和多種機制來增加系統(tǒng)容量，減少空口擁塞來改善WiFi網(wǎng)絡的工作方式，尤其是在密集用戶環(huán)境中，以為更多數(shù)量的用戶提供一致和可靠的數(shù)據(jù)吞吐量[2-7]。

1 WiFi技術的標準化過程

IEEE無線局域網(wǎng)的技術標準化過程開始于1997年的802.11，單個信道寬度為20 MHz,由于最高速率僅為2 Mbps，未被商用，但確定了802.11簇系列標準的半雙工等基本傳輸特征。

1999年推出了分別工作于5 GHz和2.4 GHz頻段的802.11a和802.11b。802.11a采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)調(diào)制技術，峰值傳輸速率達到54 Mbps，但5G頻段傳輸損耗大、器件功耗大的相對缺點導致該標準沒有推向市場；而802.11b 采用直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)和補碼鍵控(Complementary Code Keying，CCK)調(diào)制方式，峰值傳輸速率達到11 Mbps，是第一個大規(guī)模商用的標準。

2003年推出的802.11g工作于2.4 GHz頻段，支持CCK/DSSS/OFDM調(diào)制,峰值傳輸速率達到54 Mbps,且兼容802.11b；2009年推出的802.11n引入了多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)、波束成形等技術，單信道寬度擴展到40 MHz，規(guī)定了2.4 GHz和5 GHz兩個可用頻段，理論傳輸速率達到了600 Mbps。

2013年推出802.11ac把單信道的寬度進一步擴展到80 MHz和160 MHz，在5 GHz信道上工作且后向兼容802.11n，下行支持多用戶多輸入多輸出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO),最多支持8個空間流，相應的理論傳輸速率達到6.9 Gbps。

2019年IEEE 802.11ax標準經(jīng)過WiFi技術認證聯(lián)盟后進行了重新命名，基于802.11n之前標準的產(chǎn)品為WiFi 4，基于802.11ac標準的產(chǎn)品為WiFi 5，基于802.11ax技術標準的產(chǎn)品為WiFi 6[2,4]。

WiFi技術標準的演進過程見圖1。

圖1 WiFi技術標準演進示意圖

2 WiFi 6 技術特點

2IEEE 802.11ax設計初衷是為了適用于高密度無線接入和高容量無線業(yè)務，比如室外大型公共場所、室內(nèi)高密無線辦公、電子教室等場景，該標準有超過50多項的技術提升[2-4]，實現(xiàn)了更高的傳輸速率和更大的系統(tǒng)容量，極大改善了大連接場景下的性能，關鍵的技術點有以下幾點。

2.1 正交頻多址接入技術

有別于802.11a/g/n/ac所采用的OFDM，802.11ax在上行和下行都采用了與4G/5G一樣的正交頻多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)方式，增加了頻域上的多用戶復用。OFDMA具備多用戶傳輸?shù)膬?yōu)勢，資源調(diào)度的粒度更小、更靈活，可以把各種大小的數(shù)據(jù)包通過編碼調(diào)制組合在一起，系統(tǒng)開銷通過共享而降低，提高了用戶數(shù)據(jù)速率，減少了信道競爭的概率，從而降低了終端傳輸?shù)捻憫獣r間，特別是對大量具有短幀或低數(shù)據(jù)速率要求的設備，比如物聯(lián)網(wǎng)設備，傳輸體驗改善顯著[6]。

OFDM和OFDMA在信道使用方式的差異對比見圖2。

圖2 OFDM和OFDMA的信道使用方式對比

借鑒4G/5G中的資源劃分，802.11ax將不同寬度的信道進行了資源塊的進一步劃分。以20 MHz信道為例，可被劃分為1、2、4、9個資源塊，以1個資源塊為頻域資源調(diào)度分配使用的單位，最小的資源塊包含26個子載波，單個子載波寬度為78.125 KHz，即最小頻域使用寬度為2 MHz，在20 MHz的帶寬內(nèi)最多同時容納9名使用者，利用OFDMA可以將不同帶寬需求的用戶通過頻域復用在同一符號周期內(nèi)進行傳輸，而且將OFDM符號長度從以往的4 μs擴展至16 μs，以提升每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[4]。

20 MHz信道的OFDMA頻域資源塊劃分如圖3所示。

圖3 OFDMA資源塊劃分的示意

OFDMA的實現(xiàn)要求所有用戶數(shù)據(jù)的同時傳輸?shù)竭_AP接收機，還要求AP能夠根據(jù)用戶對帶寬的需求來動態(tài)地改變用戶所占用頻率資源的數(shù)量。這兩種要求顯著提高了WiFi頻譜的復雜度，對物理層的頻率對齊、時序同步以及功率控制等提出了更高的要求[7]。

2.2 MU-MIMO技術

802.11ax規(guī)定了下行和上行分別采用8×8的MU-MIMO，通過預編碼技術，實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)流之間的無干擾傳輸，空間數(shù)據(jù)流個數(shù)最多為8個。采用MU-MIMO時，AP通過管理幀告知每個使用者空間流數(shù)量、OFDMA配置、功率控制等信息，這類似于4G基站在下行共享信道上下發(fā)的重配置信息，確保多用戶、多流數(shù)據(jù)的有效共享傳輸。需要說明的是，采用MU-MIMO傳輸時，所有用戶在整個信道上進行傳輸，不再通過頻域資源塊來區(qū)分用戶。

2.3 高階調(diào)制和靈活的頻段支持

802.11ax的最高階調(diào)制方式從802.11ac的最高256QAM擴展到1 024QAM，其峰值速率達到9.6 Gbps。

不同于802.11ac，802.11ax支持傳統(tǒng)的2.4 GHz頻段，盡管該頻段擁擠，但有穿透力相對強的優(yōu)勢。在5 GHz頻段定義有25個非重疊的20 MHz寬度信道，可以進一步組合成為40 MHz、80 MHz甚至160 MHz寬度的信道；而且，802.11ax規(guī)定了雙頻段信道并發(fā)傳輸?shù)臋C制；此外，在6 GHz頻段新增定義了14個80 MHz和7個160 MHz頻寬的信道，支持該信道的產(chǎn)品被命名為WiFi 6E[4]。

2.4 休眠機制

為了適應電池供電的終端設備，802.11ax 定義了目標喚醒時間(Target Wake Time，TWT)機制，終端和AP基于業(yè)務類型協(xié)商休眠周期，在業(yè)務需要時自動喚醒，在無業(yè)務數(shù)據(jù)時進入休眠，減少了信道競爭和傳輸沖突，節(jié)省了電量[8]。TWT機制結合OFDMA的多用戶傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)奏相互一致的數(shù)據(jù)傳輸，減小用戶傳輸?shù)捻憫獣r間，對流媒體業(yè)務、話音、IoT的傳輸改善效果明顯[2]。

2.5 空間復用機制

傳統(tǒng)WiFi的載波偵聽/沖突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA) 接入控制機制依據(jù)測量到的能量值和信號值進行空閑信道評估，低的閾值可以有效防止同一信道上的傳輸沖突，但降低了網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量，僅適合連接密度不高的場合[9-15]。類似于移動通信網(wǎng)絡小區(qū)色碼，802.11ax在前導碼上對AP進行了標記，按區(qū)域設置不同顏色，在同一個色碼的AP采用較低的信號閾值來辨別信道空閑與否，對不同色碼的AP采用較高的信號閾值來辨別信道空閑與否，本質(zhì)上是利用了信號傳播的空間衰減特性，容忍一定程度的共信道干擾[10]，實現(xiàn)間隔較遠的兩個AP在同一個信道上工作，同時實現(xiàn)了同一信道在空間上的區(qū)分和復用。

采用AP著色前后的信道復用對比如圖4所示。

圖4 采用AP著色前后的信道復用對比

同一區(qū)域的多個相鄰AP被設置為同一顏色，對應的信號檢測閾值設置較低，而終端應用于不同顏色AP信號檢測閾值設置較高，在信道空閑檢測時忽略相距遠的AP造成的干擾，最終，通過信道的空間復用大大提高了系統(tǒng)容量，顯著降低了傳輸響應時間。

AP著色降低響應時間的示意如圖5所示。

圖5 AP著色降低響應時間的示意

2.6 WPA 3安全協(xié)議

在第二版本的WiFi保護接入(WiFi Protected Access 2，WPA 2)的漏洞被發(fā)現(xiàn)、暴力密碼破解的案例增多后，用戶對WiFi網(wǎng)絡安全的訴求更為強烈，促使了WPA 3安全協(xié)議的制定。WPA 3通過單一用戶數(shù)據(jù)加密、防暴力破解的保護算法、192 bit密鑰長度的高級加密算法等技術，實現(xiàn)了無輸入界面的快速連接和公共WiFi網(wǎng)路的隱私保護，可為政府、國防和工業(yè)領域的應用提供給足夠的安全性[5]。

3 WiFi 6 與5G的異同

WiFi 6與5G在空口傳輸技術上有很多的共同點，都實現(xiàn)了極高的峰值速率，但在技術標準組織、應用場景和運營模式是完全不相同[16-18]。WiFi聯(lián)盟是傳統(tǒng)的IT廠商組成的，而5G標準化組織3GPP由電信設備和運營商組成，兩個組織之間雖然沒有類似3GPP和3GPP2之間的正面技術競爭，但彼此確實存在市場競爭關系。WiFi解決的是短距離的最后一公里的無線接入，定位為室內(nèi)有線連線的延伸，是輕量化的接入技術[16]；5G是一種蜂窩制的移動通信網(wǎng)絡技術，包含接入網(wǎng)和核心網(wǎng)等復雜的網(wǎng)絡架構，是針對商業(yè)運營的廣域覆蓋網(wǎng)絡。因此，WiFi和5G將長期共存下去，而且已經(jīng)形成了良性發(fā)展的市場競爭關系。5G在智能手機、車聯(lián)網(wǎng)等領域得到廣泛應用，WiFi憑借較低的設備成本在智能手機、室內(nèi)無線接入、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等領域占據(jù)優(yōu)勢[17]。

4 WiFi 6在電力行業(yè)的應用展望

4.1 WiFi技術的優(yōu)勢

WiFi已經(jīng)不再是一個僅提供無線網(wǎng)絡的設備，更多地被視為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的通信基礎設施，例如，目前大部分的智慧零售、智慧辦公、智慧工廠等的通信解決方案是基于WiFi網(wǎng)絡實現(xiàn)的[17-18]。相較于其他通信手段，WiFi有以下幾個優(yōu)勢:

(1)WiFi終端通信沒有流量資費；

(2)WiFi的產(chǎn)業(yè)鏈開放、規(guī)模效應大，帶來低廉價格的終端和較低的組網(wǎng)成本[1]；

(3)WiFi的技術標準開放，定制化應用開發(fā)的技術門檻低；

(4)WiFi組網(wǎng)簡單，覆蓋可控，適用于行業(yè)專用網(wǎng)絡建設。

4.2 WiFi 6在國網(wǎng)中的應用

國家電網(wǎng)公司部署了除電信運營商以外最大規(guī)模的光纖傳輸網(wǎng)絡，截至2020年末，沿各等級電壓輸電線路共敷設光纖復合架空地線、全介質(zhì)自承式等各類骨干網(wǎng)光纖約150萬km，部署各級傳輸網(wǎng)設備共10萬余套，有線傳輸資源十分豐富[19]。而WiFi 6可提供大帶寬、高用戶密度的無線接入，兩者結合，既可以實現(xiàn)量身定制的電力服務應用，還可提升既有有線傳輸資源的利用率，技術解決方案的效能費用比高，可以更好地支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡建設。

以變電站的應用為例，圖6給出了通過WiFi 6將智慧門禁系統(tǒng)、安防監(jiān)控、機器人巡檢、傳感器、高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測、運維移動終端、應急指揮調(diào)度等多個子系統(tǒng)進行互聯(lián)的方案，可實現(xiàn)變電站的可視化和智能化管理，為電網(wǎng)的安全運營保駕護航。

圖6 WiFi 6在變電站的應用示意

在圖6中，設備狀態(tài)采集等低速率的終端設備工作在2.4 GHz頻段，而視頻監(jiān)控之類的高速率、高服務質(zhì)量要求的業(yè)務分配在5 GHz頻段，完全并發(fā)的雙頻段傳輸則可用于電力搶修等特種作業(yè)，所有的業(yè)務通過臺變電站的專用光纖骨干網(wǎng)絡實現(xiàn)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)。在這樣的網(wǎng)絡中，WiFi 6利用2.4 GHz和5 GHz兩個頻段的傳輸能力，針對不同頻段承載應用的傳輸特性要求來分配并預制信道的通信參數(shù)，實現(xiàn)變電站區(qū)域無線通信接入的統(tǒng)一。

5 結語

WiFi 6是無線解決方案的最新技術成果，不但實現(xiàn)了更高的傳輸速率，更提高了整體的傳輸容量，與5G技術相比較，它是一種非常經(jīng)濟的無線接入手段。國網(wǎng)公司擁有部署廣泛的光纖傳輸網(wǎng)絡資源，兩者結合實現(xiàn)的通信解決方案在智能輸配電、設備運維檢修、站所安全防護等方面有著廣闊的應用前景，而且在效益和成本方面具有很強的競爭力，可有力支撐具有中國特色的全球能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設需要。