WiFi6與5G技術的性能對比與應用分析

鄭磊

摘? ?要：WiFi6與5G通信技術已經到來，在未來幾年內，逐漸開始普及，因此有必要理清兩種技術的相對優點與不足，從而指導不同場景下的網絡建設。本文從兩種技術的原理出發，對網絡性能進行分析，通過實測與仿真，歸納兩種網絡的性能特性。此外，通過對終端普及度預測，以及網絡運營要求進行調研，得出不同場景下，兩種技術的應用趨勢，并給出優化建議。

關鍵詞：5G NR? 802.11ax，? WiFi 6? OFDMA

中圖分類號：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0144-08

運營商網絡與WiFi網絡之爭，由來已久，在每一次新技術出現并應用時，總會聽到各種宣傳，并將兩者進行對比，但目前大部分的論述都較為片面，對理論以及應用分析不足，導致對網絡建設運營的決策產生不當影響。本文期望能夠通過從詳細論述WiFi6與5G的技術性能對比出發，綜合各類場景所需要關注的接入終端，使用性能，以及建設運營成本等，得到未來幾年的網絡發展預期，供各類相關人員決策參考。

1? 協議解析

1.1 IEEE 802.11ax

IEEE 802.11ax 標準的主要工作目標是解決在實際密集覆蓋應用場景下，提升用戶的真實體驗，期望在至少一種模式下，能夠將平均終端吞吐性能，提升4倍，并保持能量消耗不變。因此，與之前幾代協議不同，不在片面關注協議的極限聚合吞吐性能，將著重提升能夠反饋真實用戶提升的性能參數，例如平均用戶性能，整網性能，服務質量（QOs）等。

802.11ax協議的主要改進可以歸納為3點：通過改進物理層，提升頻譜利用效率，如采用1024QAM，OFDMA，以及支持更多的空間流等;在密度覆蓋下，通過增加更多通信互操作性，提升頻率復用率（SR），如采用重疊小區的退避差異設置，BSS區分等;改進物理層，提升弱信號、長距離下的傳輸健壯性，如采用更長的符號周期與保護間隔，更低的傳輸通帶等。

802.11ax與上一代802.11ac的主要差別如圖1，OFDMA與SR技術是802.11ax的最主要改善，著重進行介紹。

1.1.1 OFDMA改進

802.11ax在wifi協議中首次引入OFDMA，整個子載波被分成若干組，每組表示為具有最小尺寸為26個子載波（2MHz寬）和最大尺寸為996個子載波（77.8MHz寬）的資源單元（RU）。在用于802.11ax 的OFDMA中，使用的子載波可以分配為小到2 MHz的塊或最大帶寬的傳輸。因此，可以針對不同終端Qos要求，來調制子載波的分配，從而改進帶寬與延時。

OFMDA的引入對性能的改善主要體現在三點：降低多用戶之間的競爭;頻譜利用效率更高;遠距離終端傳輸性能改善。

1.1.2 AP空分復用（SR）改進

802.11ax的另一個重大改進，是引入了多AP空分復用（Spatial Reuse，SR）技術，從而使密集覆蓋場景下整體網絡的性能得到較大巨大提升。如圖3所示，為一個典型的AP網絡覆蓋，采用1，6，11三個信道進行覆蓋，在通常情況下，相同信道AP之間的隔離度不能滿足完全阻隔的條件，如6A，6B，6C三天AP的覆蓋，會產生相互影響。傳統wifi采用CSMA/CA的訪問技術，需要無線信道能量水平低于一定值時，才能進行空口無線傳輸，并且會根據無線傳輸報文中Duaration字段設置NAV（Network Allocation Vector，網絡占用指示），從而讓空口傳輸有序進行。這種機制在單AP覆蓋下，可以很完美的工作，但對于組網而言，或者在存在干擾AP時，會極大影響網絡的吞吐性能，例如，在6B AP工作時，6A AP監聽到6B AP在進行傳輸，因此6A AP無法進行傳輸，需要得到6B AP傳輸結束后才能進行，極大降低了整體網絡性能。

802.11ax的SR技術，引入了BSS Color，OBSS CCA/ED，兩套NAV機制等，使多AP網絡之間的干擾降低，如圖1所示，6B AP在發送時，可以通過相關設置，使6A AP可以進行無線傳輸，從而大幅度提升網絡整體容量，因此獲得空間復用增益。

1.2.3 GPP 5G

國際電信聯盟（ITU）對5G的規劃匯總需求，如圖2所示，相比4G技術，在峰值速率，用戶體驗速率，頻譜效率，移動性，時延，連接密度，網絡能效，區域業務密度等8大方面，5G提出了改進目標。可以看到相比4G，在不同場景下，各個性能均有明顯提升。

5G技術主要從無線空口，網絡架構，運營管理以及端到端四個方面進行改進設計，來達到設計指標。對于無線空口，主要通過更有效的頻率利用技術，更具效益的密集網絡部署，干擾消除與協調，動態射頻拓撲優化等技術來提升無線空口性能。在網絡側采用更通用的組件式設計，如采用CU/DU/AAU三層分離架構，控制與轉發分離設計等方案，并通過諸如云架構、自動/自愈化，協作管理等方式來簡化5G網絡的運營與管理。在端到端服務上，采用更靈活的功能架構，如網絡切片、NFV/SDN等，支持大數據、AI等增值服務，并采用更強的安全與隱私策略，如控制面安全技術、非法定位/識別保護等。

5G核心技術主要包括新空口（New Radio，NR）改進，大規模天線（Massive MIMO），核心網架構分離，以及網絡切片技術，下面對新空口與核心網架構分離進行介紹。

1.2.1 新空口改進

5GNR的空口改進，主要體現在對基于LTE的空口協議進行了增強與優化，以及采用新的無線頻率。目前我國運營商規劃采用的頻率如圖4，在低于6GHz頻率上，都獲得了100MHz以上帶寬，相比3/4G，可用帶寬獲得極大提升。此外，未來5G還將采用毫米波頻段，我國已經拿出8GHz以上的毫米波頻帶，用于5G實驗。因此，由于5G的可用帶寬大幅度增加，熱點密集區域的傳輸性能，將得到極大改善。

1.2.2 核心網架構分離

核心網架構分離，主要指CU/DU/AAU三層架構設計，控制面與轉發分離，以及業務邊緣計算三大方向。5G 新型核心網架構支持控制與轉發分離、網絡功能模塊化設計、接口服務化和 IT 化、增強的能力開放等新特性，以滿足 5G 網絡靈活、高效、開放的發展趨勢。

5G網絡通過將計算存儲能力與業務服務能力向網絡邊緣遷移，使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署，從而一定程度解決了 5G eMBB、URLLC、以及 mMTC 等技術場景的業務需求。同時 MEC 通過充分挖掘網絡數據和信息，實現網絡上下文信息的感知和分析，并開放給第三方業務應用，有效提升了網絡的智能化水平，促進網絡和業務的深度融合。

2? 性能對比

2.1 總體性能對比

匯總ITU給出的5G需求規格，以及802.11ax的性能參數，得到圖3。可以看到WiFi再部分特性規格上已經達到5G的規劃需求，特別是在高密度場景的區域業務性能密度上，遠遠超出ITU對5G的要求。相比WiFi，5G在移動性上明顯優勢，在室外高速場景下有突出優勢。

2.2 WiFi6 特性

從上述技術分析與WiFi6的規劃特性看，WiFi6特別適合三類應用場景：有大量并發流量的場景，特別是有大量上行流量需求的應用;有低時延傳輸要求的場景;低功耗低成本M2M的局域應用。

大流量應用場景，例如智慧教學的大量視頻點播，無線辦公的文件傳輸業務，家庭內多終端視頻播放。在這類場景下，WiFi6能夠提供高達6Gbps的實際吞吐性能，按照UHD視頻接近20Mbps的傳輸要求，多用戶50%的吞吐降額計算，也可以支持高達150個用戶的UHD視頻并發傳輸需求。

低時延應用，例如生產現場的機器控制，AR/VR的傳輸等。如上述計算，wifi6提供低于1ms的雙向傳輸延遲，此外，在保證較低時延下，還能夠提供高帶寬的傳輸，并滿足AR/VR數據流的傳輸要求。

低功耗低成本M2M局域應用，主要是智能家居，智能建筑場景內的控制、監控需求。Wifi6相比傳統wifi提供高達15dB以上的鏈路附加余量，相當于在室內擴大1倍以上的傳輸距離。從功耗角度看，相當于終端可以采用更低的功率進行傳輸，而保證傳輸距離不變，在這種應用模式下，wifi的峰值耗電能夠從100mA降低到10mA級別，接近藍牙的峰值功耗。此外，TWT技術的采用，讓終端能夠更有效率的進行休眠，這兩種改善意味著極低的終端成本與續航能力。

3? 接入終端分析

參考CISCO VNI（Visual Network Index）分析報告，如圖4，未來幾年M2M（機器聯網）終端數量將持續快速增長，智能手機、智能TV保持一定增長，非智能手機、PC數量開始萎縮。在M2M應用中，家庭與工作場所的聯網設備占據70%以上份額，并保持快速增長;在醫療、市政、車聯網等領域，M2M應用增長也較快。

考慮到PC，IOT等終端的成本要求，目前只有少部分的PC，M2M設備是通過4G網絡進行聯網，參考2G模組到4G模組的價格變化，可以預測，未來幾年5G模組的初始價格將接近500人民幣，過2年回落到200人民幣，而這個價格對于PC與IOT終端而言，依然過于昂貴。可以預測，未來筆記本無線接入依然以WiFi為主，而除開有NB覆蓋需求以及移動性需求的廣域M2M終端外，絕大部分M2M以局域無線方式接入互聯網，如WiFi，藍牙以及Zigbee等。

4? 未來業務流量預期

按照流量統計，如圖5，未來智能電話的流量將取代目前的PC，占據40%以上的流量，成為絕大大頭。視頻流量急速增長，占據70%以上的流量，在視頻流量增長中，長視頻點播流量占據60%以上。游戲流量增長也相當迅速，考慮到游戲單設備流量較少，總體而言，整體游戲終端數量大幅上升。此外，AR/VR應用也開始逐漸興起，在未來占據1-2%的整體流量。

從上述統計分析，可以看出，未來幾年網絡面臨的最大趨勢是M2M終端的大量增長，以及視頻、游戲業務的急速增加。新的網絡需要著重考慮如何滿足M2M的連入需求，以及保證網絡視頻、游戲業務的順暢。

5? 運營對比

5.1 成本預期

常規中大型放裝型WiFi網絡的整體建設成本構成，按照網絡可以使用5年計算，一般如圖6，設備、建設實施費用，以及能耗占用較大份額，運營維護支出較少。

運營商無線網絡整體支出成本，參考圖7，可以看到在總體支出中，CAPEX（資本性支出）占據20%，OPEX（運營性支出）占據80%。考慮目前企業級AP的單臺最終價格通常在500-1000之間，4G室內放裝型微基站的最終價格在1500-3000之間，整體運營商商網絡的成本遠大于WiFi網絡成本。

5.2 網絡運營建設方式

目前4G公共網絡建設歸屬方大都為運營商所有，4G專網主要應用在公共事業，以及大型區域的網絡覆蓋，大中型企業4G專網極少。國內除開部分wifi網絡為運營商建設，絕大多數為場地業主自建。

未來5G規模應用時，5G公共網絡的建設歸屬方，依然為運營商，此外，由于5G網絡微基站覆蓋模式會更加流行，成本與運營難度也會下降，可能會出現部分中大型企業采用5G專網，來滿足生產場所的無線連接需求。對于WiFi網絡而言，由于5G協議框架已經將異構網絡的接入作為設計要點，WiFI與5G網絡之間的負載遷移將會更順暢，并且考慮到多家運營商網絡重復建設成本較高，部分區域可能會出現采用運營商建設wifi網絡來進行流量承載。

對于大多數企事業應用而言，通常需要掌控數據網絡的控制權與運營權，而5G公網一般不提供此類服務，這種情況下，只能采用WiFi專網或5G專網。

6? 各類場景應用預測

從前文分析可以看到，未來5G與WiFi網絡的性能都得到極大提升，但兩種網絡在不同場景下，根據用戶應用需求、建設成本，以及終端的不同，將會采用不同的建設方案。

根據不同場景下的主要終端類型，接入性能要求，時延，覆蓋，移動性，以及建網使用成本與運營要求，對5G與WiFi網絡的滿足度進行了評估，如表3所示。

歸納上述分析結果，根據不同場景的需求，預測不同場景下的主要無線流量通路如圖8所示。室外、交通，商業中心，WiFi熱點數不再有旺盛需求;酒店、宿舍，教學，企業辦公以及家居，依然依靠WiFi提供主要無線通路;生產、高密會場，以及醫療，5G和WiFi將相互配合，提供更可靠的性能。

7? 未來優化方向

7.1 WiFi6

WiFi6雖然在傳統WiFi基礎上，做了很大改善，但由于未來無線化趨勢，要求無線網絡能夠盡可能的替代有線網絡，并且性能不發生明顯惡化，M2M類的應用也要求無線能夠盡量滿足低功耗、長距離高冗余的接入方式。此外，無線網絡還能夠提供更多的增值業務，如定位、AI智能交互，甚至具備無線充電能力。

目前wifi6網絡性能，與有線網絡相比，還不能提供足夠可靠的Qos保證，主要體現在，wifi的時延不夠可靠，以及容易受到干擾。下一代wifi7需要考慮如何解決此類問題，如何能夠提供可靠Qos的無線網絡接入。可以研究的方向包括，采用更短的報文形態，支持100us級別的交互;定義多AP之間的協商交互決策行為，多個產家AP能夠進行基于無線空口，或者IP報文的信道協商、功率控制等。

在M2M應用上，WiFi6通過OFDMA 2MHz傳輸頻寬以及DCM（Dual Sub-carrier Modulation）技術，提升了最大傳輸范圍，通過TWT技術來降低終端的功耗。未來WiFi7，可以考慮采用更窄的傳輸頻寬調制傳輸，如200kHz，進一步擴大傳輸范圍;在天線上引入Massive mimo有源天線陣列技術，提升上下行信號強度。對于設備的節電，可以引入無線空口喚醒技術，利用特殊的前導碼對終端進行喚醒，終端進行周期性短時接收，即可滿足時延與節電的雙重要求。

對于定位，wifi網絡主要是受到Probe探測報文發送較少，以及關聯到網絡后，在其他頻點發送較少的報文，導致定位刷新率較低，并且20MHz帶寬的報文測時效果較差，導致定位精度較低。可選方案為可以采用終端直接發送80MHz以上的多信道聚合Probe，AP可以接收大帶寬的全信道Probe，從而改善刷新率與距離。

對于AI類應用，可以考慮AP搭載AI引擎，移動類終端，可以將一部分計算遷移到AP上進行計算，AP網絡能夠代理一部分數據基礎處理業務，從而讓移動終端更加省電，以及數據處理更及時高校。無線充電，可以考慮利用Massive MIMO天線高指向性進行定向無線能量傳輸。

7.2 5G

對于5G網絡而言，目前最主要的制約問題在于網絡的部署成本更高，企業級的網絡過于復雜化。此外，5G網絡對于M2M設備而言，還存在終端成本高，功耗大的問題。對于網絡的部署成本，可以考慮到通過考慮采用類似WiFi的微微基站架構，在部分區域，如室內，允許多基站之間存在一定的干擾，從而采用極為廉價的前端，通過常規往下進行接入，多基站間通過空口進行同步優化。同時，優化核心網架構，允許部分場景如盲點區，通過業主自建5G低成本基站進行覆蓋，以及可以允許多個流量出口，部分應用可以配置為通過業主網絡，提供企業內部的業務接入，以及針對企業內部辦公員工提供此類特定地點的免費網絡流量服務。

對于M2M設備，5G后續模組理論上僅需網絡滿足5G單獨組網覆蓋要求，5G模組僅需支持5G網絡，而不僅需向下兼容，那么成本可以大幅度降低。由于基站的大范圍覆蓋，導致終端的上行功耗較大，很難采用低成本電池系統來滿足，此時可以考慮通過終端代理模式，即通過能夠代理其他低功耗低成本終端的高性能代理終端，來提供5G接入業務，在這種情況下，終端可以采用極低的發送功率，并且能夠與代理終端通過局域喚醒來進行更進一步的節電。

8? 結語

通過對WiFi6與5G技術的對比分析，可以看出兩種網絡在不同性能參數上各有優劣，WiFi依然能夠在較低成本下，提供最高密度/容量接入，此外大幅度改善了大規模組網、M2M接入等性能;5G引入了大量的頻帶，有效解決了公共區域的熱點覆蓋問題，并繼續加強了移動性，且在一定程度上降低了室內建網成本。由于視頻、游戲，以及M2M業務的迅速增加，以及潛在AI，AR/VR應用的興起，并綜合考慮終端類型與運營建設成本，未來WiFi6與5G仍將相互配合，在不同場景下，發揮各自優勢，滿足最終用戶的需求。對于WiFi與5G產商而言，都需要不斷加強各自產品的吞吐、時延以及M2M接入能力，并解決在實際場景應用中遇到各類的問題，最終為用戶提供最優質的互聯網接入。

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