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5G与WiFi6空口技术对比
作者: 发布时间: 2021-6-16 22:32:39
5G与WiFi6空口技术对比
一、两种无线通信
1、移动通信
移动通信从90年代GSM开始，到2G、3G、4G以及5G，是三大运营商在城市中布了一个大家都可以共享的无线网络。
到2018年，移动通信网已经有80亿以上用户，而每年新增的终端数量高达15亿，到5G时代用户数和新增终端数将更多。
2、WiFi通信
无线局域网最成功的技术就是WiFi，第一代的WiFi（11b）在1997年诞生，经历11b、11a、11g、11ac以及11ax。
2018年，WiFi联盟统一用数字代号对WiFi命名，也就是WiFi1直到WiFi6，其中WiFi6在2018年正式商用。
截至到2018年，WiFi类的终端存量有130亿以上，包括大家使用的手机、平板电脑和PC，以及其他的智能设备。每年新增的WiFi终端的数量超过40亿，是地球人数总数的2/3。
二、技术对比
1、5G技术特点
5G新空口将面向超大带宽、超低时延、大规模物联网连接，三大应用场景。
1.1）中高频段通信
3GPP规定，5G新空口包括两大频谱范围分别是FR1和FR2
FR1最大信道带宽定义为100MHz，FR2最大信道带宽定义为400MHz
| 频段定义 | 频率范围 | 最大工作带宽 |
| FR1 | 410~7125MHz | 100MHz |
| FR2 | 24250~52600MHz | 400MHz |
1.2）载波技术
OFDM是目前主流通信标准都在使用的波形，包括3GPP LTE和IEEE 802.11系列都在使用。
F-OFDM采用可配置的灵活的子载波带宽、符号长度以及循环前缀长度，以满足超大带宽、超低时延和超大规模连接三大应用场景的需求。
| OFDM（LTE） | 固定的子载波带宽（15KHz） |
| F-OFDM（5G NR） | 可调整的子载波带宽（15、30、60、120、240、480KHz） |
1.3）多址技术
4G的多址方式为OFDMA，5G的eMBB场景的多址接入方式仍然基于OFDMA
| eMBB | 基于正交的多址方式（OFDMA） |
| mMTC | 基于非正交的多址方式（NOMA） |
1.4）多天线技术
| 4G | 2天线、4天线或者8天线 | 2D MIMO，仅能在水平维度区分用户 |
| 5G | 大规模MIMO天线，天线数量达到64甚至更高 | 3D MIMO，可细分水平维度和垂直维度 |
1.5）新型编码技术
a）LDPC码作为eMBB数据信道的编码方案
b）Polar码作为eMBB控制信道的编码方案
| Turbo | LDPC | |
| 解码能力 | 30% | 90% |
| 解码延迟 | 1X | 1/3 |
| 芯片尺寸 | 1X | 1/3 |
| 功耗 | 1X | 1/3 |
Polar码比Turbo码更加接近香农极限曲线。
2、WiFi6技术特点
2.1）OFDMA
OFDMA（正交频分多址），这是从4G引入WiFi的一个技术，解决了多用户传输的均衡性问题，使得多用户通信更有序，从而提升WiFi的体验和效率。
| FDMA | 单一信道在同一符合时间内只能由唯一的用户使用 |
| OFDMA | 单一信道在同一符合时间内多个RU分别由不同用户使用 |
2.2）1024QAM
更高速率的调制的优点是进一步提升极限速率
2.3）MU-MIMO
8*8的天线UL / DL MU-MIMO（多用户多进多出），使AP同时可以与更多的终端用户进行通信，极大地提升并发带宽和系统容量
a）波束成形技术促成了下行MU-MIMO
b）利用不同位置的正交性，由AP的HE LTF的正交矩阵实现上行MU-MIMO
2.4）BSS-Color（空间复用技术）
首先通过着色机制将区域内不同的AP-STA组合标记为BSSA、BSSB、BSSC等不同的网络，使设备能够区分自己网络中的传输与邻近网络中的传输，然后自适应功率和灵敏度阈值允许动态调度发射功率和信号检测阈值，使多个BSS网络能够同时传输而不相互影响，增加空间重用效率。
a）传统网络，固定区域中只能由一个BSS网络传输
b）WiFi6网络，动态CCA使固定区域中多个不同颜色BSS网络同时传输
2.5）智能节点方案TWT
目标唤醒时间TWT（Target Wakeup Time）是11ax支持的一个重要的资源调度功能。它允许设备协商什么时候唤醒发送或接收数据，其他时间休眠。
无线接入点可以将客户端设备分组到不同的TWT周期，从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT增加了设备睡眠时间，大大减少了功耗。
3、5G与WiFi6对比
3.1）eMBB场景
3.1.1）理想速率
5G的eMBB场景，由于物理层采用256QAM调制方式，FR1频段带宽100MHz，FR2频段带宽400MHz，天线数量多达64TR，理想下行速率可达20Gbps，上行速率达到10Gbps。
WiFi6采用1024QAM，带宽最高160MHz，天线数量最多8TR，理想上下行速率为9.6Gbps
3.1.2）单设备覆盖范围
3.1.3）室内单用户体验
典型的室内小基站天线一般是4TR，实际速率1.5Gbps~2Gbps。WiFi6 AP最高可以是8TR，实际速率至少为3~4Gbps。
3.2、mMTC场景
3.2.1）理想速率
5G的mMTC场景，预期将使用NB-IOT和eMTC作为大连接的物理层空口技术，NB-IOT总共消耗带宽180KHz，调制方式为BPSK、QPSK及GMSK，采用划分给GSM或TLE网络的频段部署，理想上下行速率为250kbps
eMTC载波带宽为1.4MHz，物理层技术与LTE网络一致，部署于LTE网络的频段，理想上下行速率1Mbps
WiFi6使用OFDMA和TWT技术，同样具备物联网场景的功能。在160MHz带宽条件下，理论上允许74个设备接入，而160M带宽的速率为1200Mbps，平均分配到每个设备的上下行速率可达16.2Mbps
3.2.2）覆盖范围
NB-IOT的设计目标是在GSM基础上覆盖增强20dB，下行依靠增加重传次数获得覆盖增加，上行通过增加功率谱密度和最大重传次数来增加覆盖。
eMTC的设计目标是在LTE基础上覆盖增强15dB，使用的覆盖增强技术和NB-IOT相同；所以NB-IOT和eMTC的覆盖范围都是强于现有的LTE网络基站。
WiFi6参照NB-IOT，将其能量集中在信道中更窄的2MHz子信道RU中，通过提升上行功率频谱密度来提升上行覆盖，未来也利于从室内走向室外，这是为未来部署智慧园区等铺路。
3.2.3）连接数量
NB-IOT和eMTC下行使用OFDMA多址技术，上行目前采用SC-FDMA，未来在R16版本中拟规定非正交多址的上行多址方式
NB-IOT的连接数量是每站点10万个，eMTC也能达到每站点5万个连接数
WiFi6的OFDMA技术允许在频域将载波划分为多个RU单元，并规定至少26个子载波为一个RU。理论上160MHz带宽下可划分74个RU，可实现74个用户终端在同一个符合时间内接入WiFi6 AP站点，在单站连接数量上WiFi6补入5G mMTC技术。
3.2.4）功耗
在低功耗上，NB-IOT和eMTC采用相同的技术，包括：PSM（power saving mode，省点模式）、eDRX（Discontinuous Reception，扩展的不连续接收）和延长周期定时器，其使用电池供电可实现续航5~10年
WiFi6主要通过TWT技术设备终端休眠，它可以准确地告诉设备何时将其WiFi无线电设备置于睡眠状态以及何时将其唤醒以接收下一次传输，减少终端功耗。与5G的低功耗技术相比还是相距甚远。
3.3、uRLLC场景
5G引入了灵活的帧结构设计，帧结构可以采用多址参数（上下行配比、子载波带宽、系统带宽等），灵活配置不同需求。4G采用的静态帧结构，5G采用的是可配置的静态或半静态帧结构，实现上下行灵活子帧的配置，可提高频谱效率、降低时延。
相比4G，5G引入了更短的子帧长度，最短可缩减至4G子帧长度的1/7，结合边缘技术和新型网络架构，可有效满足国际电信联盟1ms的用户名时延需求。
WiFi6目前还没有针对降低时延引入改进的技术。
3.4、调度协调
从接入网对接入终端的调度协调方式看，5G采用的是基站来总负责协调，划分了专门的控制面功能，用核心网络的控制面功能指挥协调大量终端。
而WiFi6则采用了“协调+竞争”的方式，WiFi5以前完全是竞争，即CSMA/CA（多路访问/冲突避免），终端数量较多时，多个终端会竞争与AP通信。
因为WiFi5是完全竞争机制，大量的设备竞争冲突是使得传输效率急速降低。WiFi6则引入了OFDMA和TWT机制，无线AP可以协调终端的收发行为，让整网的传输更有序，最大可能地减少冲突。
