Wi-Fi與5G網絡的融合及演進思路

◆胡赟 虞磊品 余小燕 汪峰

Wi-Fi與5G網絡的融合及演進思路

◆胡赟 虞磊品 余小燕 汪峰

（中國電信股份有限公司浙江分公司 浙江 310000）

隨著5G時代的到來，全球信息化變革步伐日益加快，各種無線通信技術逐步融合。本文對目前5G發展現狀和新一代Wi-Fi關鍵技術802.11ax標準進行了分析和研究，根據無線寬帶聯盟（WBA）2018年起至今的會議結論和觀點，構思了Wi-Fi網絡的發展演進思路，在未來較長一段時間內，5G與新一代Wi-Fi網絡會逐步融合，在不同領域中發揮各自優勢，給各行各業的發展提供優質的網絡服務。

5G；Wi-Fi；無線技術；網絡演進；802.11ax

5G網絡已經正式面世，5G時代移動數據資費將面臨驟降，各類終端設備通過5G網絡互聯的使用場景已成為現實。在此背景下，以Wi-Fi為紐帶的無線局域網是否會退出歷史舞臺，成了公眾討論的一大熱點。普遍觀點認為Wi-Fi的優勢在于無限使用的流量，一旦5G網絡數據進入大容量階段，Wi-Fi很可能被5G所取代。然而，5G作為第五代移動電話行動通信標準，主要特點是高寬帶、低時延和大連接，但缺點是穿透力較弱、衰減大、能耗大且成本高，低密度用戶環境下的全覆蓋難以短時間內實現。而Wi-Fi的2.4Ghz以及5Ghz的頻段相較于5G的毫米波有更強的穿透力，更適用于室內局域網的網絡布局需求。Wi-Fi網絡的私密性也更能滿足家庭、企業中智能產品的物聯網需求。因此，5G和Wi-Fi并非是互相競爭的替代關系，而是優勢互補的依存關系。在工業、航空等領域，高帶寬、高可靠性的5G移動網絡更具優勢，而對于中小企業和家庭用戶來說，Wi-Fi網絡的特性更能滿足使用需求。隨著開放漫游時代的到來，Wi-Fi將會被并入5G的架構之中，在4G、5G和Wi-Fi網絡中切換將不再有登錄和中斷，融合通信將會是最終目標。

1 5G發展簡述

2014年4G初始商用，短短4年后 5G就開始了試點，5G的網絡特點決定了要實現5G信號的全覆蓋必然需要巨量的基建投入，因此，5G技術不僅是上網速度的提升，更多的是著眼未來，關注人與人、人與物、物與物之間的互聯擴展，并為賦能車聯網、物聯網、工業互聯網、AI、AR/VR等行業應用奠定網絡基礎。2016年9月，5G新無線電（New Radio，NR）定義了以TR 23.799[1]報告作為下一代系統（Next Generation System，NGS）的架構規范，2017年1月，“NG CN”一詞被“5GC”（5G Core Network，5G核心網絡）取代。在Release 14版EPC中，網關（包括服務網關SGW、PDN網關PGW和TDF）被分為控制平面部件和用戶平面部件，這一原理稱之為控制和用戶平面分離（Control and User Plane Separation，CUPS），5G核心網絡繼承了Release 14版的CUPS體系結構，其中會話管理功能（Session Management Function，SMF）主要負責管理與控制用戶平面功能（User Plane Function，UPF）的會話環境（Session Context，SC），并負責與分離的數據面交互，創建、更新和刪除PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）會話。與4G網絡不同的是，5G核心網絡的一個PDU會話可以指定一個UPF或者多個UPF提供服務[2]。

2017年12月，3GPP發布了基于NSA（Non-Stand Alone，非獨立組網）架構的5G Release15早期版本。非獨立組網標準是基于NSA架構的5G網絡，由于其5G空口載波僅承載用戶數據，系統級的業務控制仍需依賴4G網絡，這種方式可被視為在現有4G網絡上增加新型載波進行擴容。由于依賴4G系統的核心網與控制面，NSA架構將無法充分發揮5G系統低時延的技術特點，也無法通過網絡切片、移動邊緣計算等特性實現對多樣化業務需求的靈活支持。

2018年6月13日，3GPP 5G NR標準SA（Stand Alone，獨立組網）方案在3GPP第80次TSG RAN全會正式完成并發布，這標志著首個真正完整意義的國際5G標準正式出爐。

標準制定后，全球5G商用網絡從2019年下半年便開始加速發展。目前，已經有超過7000萬的5G用戶遍布70多個國家和地區，其中中國、日本、德國等國家正在積極嘗試5G園區網建設Wi-Fi推進工業數字化轉型。

2 5G標準中的Wi-Fi支持度

在5G標準加速推進下，全球各大通信組織對Wi-Fi網絡的定位也開始進行一系列深入且廣泛的探討，部分組織通過對5G技術及商業模式的研究，分析其演進和場景用例，研究Wi-Fi及其他形式的無許可技術如何在5G框架中發揮關鍵作用，探索如何有效結合無許可技術和有許可技術，以滿足IMT-2020技術標準的相關需求。

在下一代移動通信網絡聯盟（Next Generation Mobile Network ，NGMN）白皮書中，Wi-Fi作為5G框架下無許可的首選技術，需要滿足屏蔽技術差異、連接透明，以及確保能夠在5G這個高度異構的網絡中，交付給用戶的服務具備完全一致性的體驗。NGMN預計未來5G網絡用戶可以連接多種類型RATs（Radio Access Technologies，無線電接入技術），包括3GPP、非3GPP和其他新RATs，如IEEE 802.11ax（Wi-Fi6）。從Wi-Fi的角度來看，Release 14版的TR 23.799解決了異構網絡訪問流量的轉向、分割和開關（Access Traffic Steering， Splitting and Switching，ATSSS）等架構問題，與ATSSS相關的功能性也能應用到受信和非受信WLAN網絡，以及有縫分流和無縫分流的WLAN中。

4G核心網EPC支持2G GERAN、3G UTRAN、4G E-UTRAN、受信和非受信的non-3GPP的網絡接入方式。后兩種接入方式允許基于Wi-Fi的接入網絡集成到3GPP核心網絡，如果是Trusted Wi-Fi信任的接入網，那么終端通過S2a接口（TWAN與PDN GW之間的接口）直接通過GTP隧道連接；如果是UnTrusted Wi-Fi非信任的接入網，終端與ePDG（evolved Packet Data Gateway，演進分組數據網關）之間建立IPsec（Internet?Protocol?Security，互聯網協議安全）隧道，ePDG與PDN GW通過S2b接口建立GTP隧道連接。但在R15標準中，只有5G （R）AN （支持eLTE和/或NR）和非受信的non-3GPP網絡可以連接到5GC，這需要Wi-Fi接入5GC時采用IPSec加密，UE（User Equipment，用戶設備）和N3IWF（Non-3GPP Interworking Function，非3GPP互通功能）之間將通過IPSec進行安全通信，這種方式可能會對Wi-Fi應用的性能產生負面影響，在R16中增強了N3IWF功能，以使可信WLAN集成到5GC中。

從目前ITU、3GPP、NGMN、5GPPP、IEEE、IETF、NGMN等論壇對5G研究來看，可以確定5G是許可技術和非許可技術的融合，而Wi-Fi是5G非許可框架中的首選技術，融合和共存是5G下的關鍵路線圖。基礎設施投資的規模和成本是運營商考量5G的關鍵因素，5G頻譜分配、使用、建設成本、監管方式是全球行業和監管機構關注的問題，共享頻譜的利用是全球運營商需要優先解決的問題，包括新的3.5GHz技術，如公民寬帶無線電服務（Citizens Broadband Radio Service，CBRS）和授權共享訪問（Authorized Shared Access，ASA）。5G時代運營商比拼的是技術共存、服務融合和鑒權認證的能力，Wi-Fi的非許可網絡可以提升5G效率水平。

總之，Wi-Fi網絡在5G標準支持度及投資規模、共享頻譜利用、服務融合等方面具有先天優勢。

3 IEEE802.11的發展方向

IEEE 802.11工作組在2016年11月與2017年9月提出了802.11ax第一版與第二版的標準草案，2018年7月1日該標準草案獲得最終批準。IEEE工作組從2015年末開始討論IEEE 802.11作為IMT-2020技術的一部分，并開始向國際電聯（ITU-R）提供相關優勢證明，包括：如何獲得分配給5G使用的額外頻譜；更好地洞悉5G可能對IEEE 802.11ax、IEEE 802.11ah以及其他標準化工作產生影響的需求；增強Wi-Fi工業的影響力，確保其各種用例的市場經驗在5G需求中得到體現。在2016年初，IEEE 802.11工作組對開發IEEE 5G規范的成本和優勢，以及對IMT-2020提出建議的成本和收益進行了分析，并確保IEEE 802技術是現有運營商5G體系的一部分，定義了IEEE 802接入網的參考模型和功能[2]，如圖1所示：

圖1 P802.1CF與5G網絡接口定義

此外，Wi-Fi網絡作為異構補充網絡，需具備不同接入的路由選擇、網絡切換、頻段切換能力，5G的關鍵技術毫米波和網絡切片技術的研究對Wi-Fi融入5G同樣關鍵，早在2012年，802.11社區就發布了IEEE 802.11ad ，其中涵蓋了通過在60 GHz頻段上運行802.11來提供超高吞吐量的增強功能，及以不同VLAN定義切片和QoS等技術為Wi-Fi融入5G提供技術便利。

4 Wi-Fi6 802.11ax的關鍵技術

802.11ax是802.11ac的繼續演進，早在2013年IEEE就開始了802.11ax的研究，并且在2014年正式成立了ax工作組，相比之前的協議，802.11ax通過提升頻譜效率、提供更好的抗干擾能力、優化信道訪問等措施來實現性能提升，其最大物理速率理論上能達到9.6 Gbps，在原來802.11ac的最大物理速率基礎上提升了37%[3]。

802.11ax支持兩項關鍵技術，即正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）接入和多用戶多輸入多輸出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output ，MU-MIMO）技術，其主要特點包括向后兼容802.11a/b/g/n/ac，在高密度情景下將用戶平均吞吐量提高4倍，通過MU-MIMO和OFDMA技術指定下行鏈路和上行鏈路多用戶操作，優化了流量和信道訪問機制等，其關鍵技術清單如表1所示：

表1 802.11ax關鍵技術清單表

4.1 新增關鍵技術之一：OFDMA多址方式

OFDM可以認為是整個802.11系列協議的物理實現基礎，802.11ax對802.11ac的OFDM進行了重大變更。802.11ax標準借鑒4G蜂窩技術采用了OFDMA，以確保相同信道帶寬中能服務更多用戶。基于802.11ac已經使用的現有正交頻分多路復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）數字調制方案，802.11ax標準進一步將特定的子載波集分配給個體用戶，它將現有的802.11信道（20、40、80和160MHz頻寬）分為帶有預定義數量的副載波的更小信道。在高密度接入環境中，以往單一信道在同一時間內只能由唯一的用戶使用，現在的OFDMA機制可以同時為多個使用者提供更小巧但更具專用性的子信道，可同時服務多個用戶，因此提升了每個用戶的平均數據吞吐量。

4.2 新增關鍵技術之二：上行MU-MIMO技術

802.11ac標準實現了下行MU-MIMO，而上行MU-MIMO是802.11ax的新特性。AP通過發送觸發幀的方式來啟動多個STA（Station，站點）的同步上行傳輸，上行MU-MIMO與MU-MIMO原理相似，唯一不同的是SU-MIMO（單用戶-多輸入多輸出）是由相同的STA發送空間流，上行MU-MIMO（多用戶-多輸入多輸出）的空間流來自不同STA，信號由正交矩陣進行分離。作為MU-MIMO上行方向的新增功能，AP將通過一個觸發幀從每個STA發起上行同步傳輸，當多個用戶及其數據包同時響應時，AP將信道矩陣應用于所接收的波束并將每個上行波束包含的信息分開，同時它還可能發起上行多用戶傳輸，從而接收來自所有參與STA的波束形成反饋信息，這就使得波束賦形條件下，上行嚴格的同時并發成為可能。

4.3 新增關鍵技術之三：功率控制和TWT（Target Wake Time，定時喚醒機制）節點管理

STA利用接收RSSI估計一個路徑損耗估計值，然后再加上AP的目標RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示），并以該值作為發送功率來進行信號的發送，這樣就能實現近距離用戶使用較低的發射功率，遠距離用戶使用較高發射功率，在AP處的RSSI 就能夠處于一個合理的范圍，以達到性能的最大化，如果近距離的發射功率太大，導致其他AP 接收干擾增加，反而會降低整體性能。

目標喚醒時間TWT是802.11ax支持的另一個重要的資源調度功能，它借鑒于802.11ah標準。TWT允許設備之間協商什么時候、多久會喚醒發送或接收數據，允許設備于信標傳輸周期的其他時間段喚醒[4]。此外，無線接入點可以將客戶端設備分組到不同的TWT周期，從而減少喚醒后同時競爭無線介質的設備數量。TWT還增加了設備睡眠時間，從而大大提高了電池壽命。

5 結語

從目前最新的市場反饋來看，支持Wi-Fi6的路由器和終端數量上升速度很快，Wi-Fi6標準已經成為市場主流的新一代Wi-Fi技術，下一步Wi-Fi7 的802.11be標準也在制定中了。國內的5G基站建設開展得如火如荼，一線城市的主干道已經完成初步覆蓋，全球支持5G的終端已超過250款。在未來很長一段時間內，Wi-Fi與5G還將相輔相成，發揮各自在不同領域和場景下的優勢，隨著融合通信開放漫游時代的到來，打破壁壘，從場所到場所、從熱點到熱點、從熱點到蜂窩網絡，將朝著沒有不必要的登錄步驟和無中斷的方向前行，進而實現Wi-Fi熱點網絡和移動設備間的無感知連接，為用戶提供更高質量的網絡服務。

[1]3GPP TSG SA2 TR 23.799. Study on Architecture for Next Generation System[S]. 2016.

[2]5G Workgroup.5G Networks-The Role of Wi-Fi and Unlicensed Technologies[R]. WBA.2017.

[3]成剛.Wi-Fi標準IEEE 802.11ax關鍵技術[J].電子技術與軟件工程，2019（14）：15-18.

[4]鄂磊，馬凡，劉加，劉慧敏，李光.下一代WLAN技術標準802.11ax關鍵技術解讀[J].信息通信技術與政策，2019（05）：71 -74.