方 浩，徐天保，楊雯霞，稅國梅

（1.四川九州電子科技有限公司，四川 綿陽 621000；2.四川九洲防控科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

Wi-Fi 6技術(shù)是Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ax的代稱，自2019年發(fā)布Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)以來[1]，Wi-Fi 6路由設(shè)備、終端設(shè)備已經(jīng)得到了很大的普及。近年來，家用多媒體終端設(shè)備（如電視機(jī)、機(jī)頂盒、家用電器的顯示終端）傳輸?shù)囊曨l業(yè)務(wù)清晰度從標(biāo)清、高清逐漸提升到超高清，對無線通信的帶寬和穩(wěn)定性的要求明顯提高。隨著Wi-Fi 6芯片價格的不斷走低，Wi-Fi 6技術(shù)進(jìn)一步普及并應(yīng)用于家用多媒體終端設(shè)備的條件已經(jīng)成熟。本文從Wi-Fi 6技術(shù)的特性、Wi-Fi 6技術(shù)在家用環(huán)境下提升分析以及測試情況等幾個方面，對Wi-Fi 6技術(shù)特性對家用多媒體終端設(shè)備性能的提升進(jìn)行淺要分析。

1 Wi-Fi 6技術(shù)特性

Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）是作為2019年發(fā)布的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，相對于Wi-Fi 5（IEEE 802.11ac）而言，其主要的性能提升在于具備更快的傳輸速率，更高的并發(fā)能力，更低的延時。理論最大帶寬在8×8收發(fā)、160 MHz頻寬情況下數(shù)率可以達(dá)到9.6 Gbps。此外，Wi-Fi 6還引入了OFDMA（正交頻分多址技術(shù)）、MU-MIMO（多用戶多入多出技術(shù)）、BSS Coloring等技術(shù)，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量，降低時延，提升用戶體驗。

1.1 OFDMA技術(shù)介紹

在Wi-Fi 5時代，通信都是基于單用戶的，即每個發(fā)送數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，單個用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)量即使非常小，都會完整地占用一個信道。而在OFMDA技術(shù)中，在每個發(fā)送數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，單個信道會被分為多個資源單元（Resource Unit，RU）[2]，每個用戶只會占用一個RU而并非整個信道。在單個信道內(nèi)可以通過不同的RU與不同的用戶進(jìn)行通信，盡可能多地傳輸數(shù)據(jù)，因而提升了頻譜利用率。同時，對每個用戶而言，由于在每個發(fā)送數(shù)據(jù)周期內(nèi)通過自己的RU都可以收到自己的數(shù)據(jù)，而不需要等待其他的用戶使用完信道后再請求通信，等待的時延會明顯降低。

1.2 MU-MIMO

OFDMA技術(shù)提升的是頻域空間的利用效率，而MU-MIMO技術(shù)提升的是物理空間中的利用效率。MU-MIMO技術(shù)利用物理意義上的多路并發(fā)，提升了大數(shù)據(jù)包（如下載、視頻等應(yīng)用）的并行傳輸效率。在Wi-Fi 5中，IEEE 802.11工作組已經(jīng)引入了DL MU-MIMO。在Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)中，工作組進(jìn)一步引入了UL MU-MIMO[3]。IEEE 802.11ac及之前的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)都采用UL SU-MIMO方式，即只能接收一個用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)，多用戶并發(fā)場景效率較低。IEEE 802.11ax支持UL MU-MIMO，借助UL OFDMA技術(shù)（上行），可同時進(jìn)行MU-MIMO傳輸和分配不同RU進(jìn)行多用戶多址傳輸，提升了多用戶并發(fā)場景效率，大大降低了應(yīng)用時延，并且和OFDMA技術(shù)聯(lián)合調(diào)度的情況下，可以針對業(yè)務(wù)進(jìn)行資源分配（如網(wǎng)頁瀏覽、視頻觀看、下載、即時通信），可以有效降低多用戶場景中的沖突，改善Wi-Fi高密度場景中的使用體驗。

1.3 BSS Coloring和同頻干擾

Wi-Fi 6對于無線通信的同頻干擾問題也給出了解決方案，即BSS Coloring。在早期的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)中，是依靠CSMA/CA（載波偵聽多址訪問/沖突避免）來解決無線通信系統(tǒng)中的干擾檢測問題，CSMA/CA要求在同一信道中的所有站點(diǎn)在遇到有站點(diǎn)發(fā)送信息時其他站點(diǎn)必須保持退避，直到?jīng)]有站點(diǎn)發(fā)送信息時其他站點(diǎn)才能工作，這就導(dǎo)致了空口時間的巨大開銷。在Wi-Fi 5中采用動態(tài)調(diào)整CCA門限解決此類問題，即設(shè)置了能量門限和協(xié)議門限來判斷信道的干擾狀態(tài)。例如，當(dāng)AP1與終端1進(jìn)行通信時，AP2也想與終端2在同一信道進(jìn)行通信，根據(jù)Wi-Fi的工作機(jī)制，AP2會檢測該信道內(nèi)是否有大于協(xié)議門限（-82 dBm）的信號存在。若AP2檢測到區(qū)域內(nèi)干擾信號強(qiáng)度大于協(xié)議門限（-82 dBm）但小于能量門限（-62 dBm）時，AP2會適當(dāng)調(diào)整協(xié)議門限，如調(diào)整到（-70 dBm）；若干擾信號強(qiáng)度小于此時的協(xié)議門限，則AP2可發(fā)起通信。動態(tài)調(diào)整CCA門限的問題是，當(dāng)信道內(nèi)同時存在多個較強(qiáng)的干擾信號時，AP2只能等到信道資源釋放后才能發(fā)起通信。

在Wi-Fi 6中，無線接入控制器統(tǒng)一給AP分配顏色標(biāo)記，AP在報文頭打上6 bit的顏色標(biāo)記位[4]。接收端收到報文后，就可以通過報文頭判斷顏色是否和關(guān)聯(lián)AP一樣。如果顏色和當(dāng)前關(guān)聯(lián)AP一樣，就判定報文屬于MYBSS；如果報文頭顏色和關(guān)聯(lián)AP不一樣，就判定報文屬于OBSS（重疊基本服務(wù)集），接收端會視該報文與自己無關(guān)，不會再對報文進(jìn)行解析。在Wi-Fi 6中設(shè)置了兩個協(xié)議門限，即MYBSS協(xié)議門限和OBSS協(xié)議門限。對MYBSS協(xié)議門限要盡可能降低，以避免漏掉來自MYBSS的報文；對OBSS協(xié)議門限要進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并且盡可能調(diào)高，只要干擾信號能達(dá)到OBSS協(xié)議門限，接收端就認(rèn)為不存在同頻干擾。在這種情況下，接收端不會因無關(guān)的報文信息而退避，可以繼續(xù)通信。

2 Wi-Fi 6技術(shù)特性對家用多媒體終端設(shè)備性能的提升

2.1 當(dāng)前家居環(huán)境中Wi-Fi業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)

隨著家庭寬帶和5G網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，當(dāng)前家庭無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日益復(fù)雜。以常見的三口之家為例，家庭涉及多媒體應(yīng)用的Wi-Fi設(shè)備至少包含了兩臺手機(jī)、一臺電視機(jī)或機(jī)頂盒、一臺平板電腦，可能存在的多媒體信息傳輸?shù)脑O(shè)備包括家用智能冰箱、掃地機(jī)器人、家用監(jiān)控攝像頭等。

在以上的家庭環(huán)境中，手機(jī)、平板電腦、電視機(jī)、機(jī)頂盒、視頻監(jiān)控等需要支持流媒體業(yè)務(wù)的多媒體終端設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延時要求最高。同時，在家庭環(huán)境中，一般使用放置于客廳的單臺路由器提供Wi-Fi服務(wù)，而終端設(shè)備的位置則不固定，會分布在室內(nèi)的其他房間內(nèi)。極限場景中，Wi-Fi信號需要穿過兩堵到三堵墻體向終端設(shè)備提供Wi-Fi服務(wù)。Wi-Fi信號所在的2.4 GHz頻段穿墻能力較強(qiáng)，但在Wi-Fi 6之前僅支持IEEE 802.11n協(xié)議，能提供的吞吐量有限。同時，由于藍(lán)牙、ZigBee等協(xié)議也工作在2.4 GHz頻段，因而常用的2.4 GHz和5G信道會存在多個來自鄰居或附近商鋪的AP設(shè)備的干擾信號。

2.2 Wi-Fi 6特性對多媒體終端設(shè)備的提升

以極限場景來進(jìn)行分析，在室內(nèi)環(huán)境中穿兩堵或三堵墻的場景中，5G信號由于頻率較高，穿墻能力相對較弱，難以提供穩(wěn)定可靠的Wi-Fi服務(wù)。2.4 GHz信號穿墻能力強(qiáng)，但由于頻率較低，且在IEEE 802.11ac協(xié)議不支持2.4 GHz，導(dǎo)致在這種場景中也很難支撐對帶寬和穩(wěn)定性有一定要求的視頻播放業(yè)務(wù)。

而在Wi-Fi 6協(xié)議中，2.4 GHz頻段支持M UMIMO、OFDMA、BSS Coloring和空間復(fù)用等技術(shù)，其吞吐量、抗干擾能力和多用戶響應(yīng)能力有了質(zhì)的提升。在5G頻段，由于Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)采用Long OFDM Symbol傳輸機(jī)制，其傳輸周期從3.2 μs提高到12.8 μs，Wi-Fi 6還規(guī)定了0.8 μs、1.6 μs和3.2 μs的保護(hù)間隔（Guard Interval，GI）。在戶外或多徑效應(yīng)較大的情況下，較長的GI可以有效地避免多徑干擾。此外，窄帶傳輸能有效地減少頻段的干擾，Wi-Fi 6在窄波段上的傳輸最少可以采用2 MHz的帶寬[5]，這就提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，在穿墻場景中也具有了更好的性能。

在抗干擾能力方面，相對于Wi-Fi 5而言，Wi-Fi 6引入的BSS Coloring染色機(jī)制和區(qū)分MYBSS及OBSS協(xié)議門限機(jī)制，實現(xiàn)了AP高密度環(huán)境中的空間復(fù)用。尤其是對于終端設(shè)備而言，通過識別報文的包頭即可判斷信號是否需要進(jìn)行下一步識別，在干擾環(huán)境中傳輸能力和穩(wěn)定性得到有效提升。另外，Wi-Fi 6引入的多用戶傳輸技術(shù)OFDMA，使多用戶可共享單個信道資源。對于終端設(shè)備而言，等待信號的延時更低，多媒體設(shè)備出現(xiàn)卡頓的概率更小。

3 Wi-Fi 5終端設(shè)備與Wi-Fi 6終端設(shè)備的測試對比

3.1 無干擾環(huán)境中的測試情況對比

某IPTV機(jī)頂盒產(chǎn)品可以通過更換不同的Wi-Fi模塊切換Wi-Fi 6和Wi-Fi 5兩種模式，以該類型IPTV產(chǎn)品為例，在無干擾信號的屏蔽室內(nèi)進(jìn)行極限吞吐量測試。該IPTV產(chǎn)品使用2×2測試數(shù)據(jù)。如圖1所示，從圖中可以看出，在信道和帶寬相同的情況下，Wi-Fi 6 IPTV產(chǎn)品極限環(huán)境吞吐量對比Wi-Fi 5 IPTV產(chǎn)品明顯提升。

圖1 無干擾環(huán)境Wi-Fi 5與Wi-Fi 6 IPTV產(chǎn)品極限吞吐量對比

3.2 實際家居環(huán)境測試情況

在實際測試情況中，Wi-Fi 6產(chǎn)品也以大幅度的優(yōu)勢領(lǐng)先Wi-Fi 5產(chǎn)品。以某型IPTV產(chǎn)品為例，使用了家用多媒體終端設(shè)備中常使用的2T2R天線，以同種硬件狀態(tài)進(jìn)行干擾環(huán)境中Wi-Fi 5、Wi-Fi 6終端吞吐量性能測試。選擇了和家庭環(huán)境接近的實驗場地進(jìn)行測試，在距離測試中，分別在AP無墻間隔2米、一堵墻、兩堵墻、三堵墻處設(shè)置測試點(diǎn)，測試AP采用了國內(nèi)某AP品牌旗艦Wi-Fi 6產(chǎn)品，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 干擾環(huán)境中Wi-Fi 5終端和Wi-Fi 6終端穿墻能力對比

測試結(jié)果顯示：Wi-Fi 6多媒體終端設(shè)備在近距離或只穿一堵墻的情況下，其吞吐量是性能在Wi-Fi 5多媒體終端設(shè)備吞吐量的1.5～2倍；在穿兩堵墻或三堵墻情況下，Wi-Fi 6設(shè)備在2.4 GHz的吞吐量仍可達(dá)到Wi-Fi 5設(shè)備吞吐量的1.5倍以上；只有5 GHz頻段，在兩到三堵墻的情況下，兩者的吞吐量指標(biāo)接近一致。

4 結(jié)束語

Wi-Fi 6的OFDMA、MU-MIMO、BSS Coloring等技術(shù)有效地提升了Wi-Fi通信效率、降低了Wi-Fi通信的延時，同時對日益嚴(yán)重的無線通信干擾問題給出了優(yōu)化方案。對家用多媒體終端主要的視頻播放業(yè)務(wù)的體驗有明顯提升，卡頓和等待的情況進(jìn)一步減少。隨著Wi-Fi 6 AP的不斷普及，Wi-Fi 6終端芯片價格的整體下降，在家用多媒體終端設(shè)備中推廣Wi-Fi 6的時機(jī)已經(jīng)成熟。本文從技術(shù)角度，通過部分實驗論證了Wi-Fi 6的技術(shù)優(yōu)勢，希望能給相關(guān)從業(yè)者提供一定的參考?！?/p>