Wi-Fi聯盟Wi-Fi 6下的6GHz技術與認證解析

徐凱，徐穎，沈辰，劉志輝

（上海同耀通信技術有限公司，上海，201201）

0 引言

Wi-Fi的出現使每個人、每件事、每個地方都緊密連接在了一起。但是隨著通信技術行業日新月異的發展，電子設備使用無線網絡技術的要求也在不斷加強。

2019年8月Wi-Fi聯盟推出了Wi-Fi 6技術和認證，但是隨著產品出貨量的增長和現有技術、新應用的使用，如云通信、增強現實、虛擬現實、移動游戲等，給Wi-Fi網絡和可用的頻譜帶來了更大的壓力，Wi-Fi面臨著頻譜短缺，特別是160MHz帶寬通道。Wi-Fi聯盟及其成員已經要求世界各地的監管機構提供更多未授權的頻譜，以滿足消費者對現有Wi-Fi市場的需求。所以，Wi-Fi聯盟在2020年提出了Wi-Fi 6下的 6 GHz技術概念，使得高級應用程序遷移到這個新頻段，從而讓現有Wi-Fi網絡的性能將得到改善。

1 Wi-Fi 6E 技術

2018年Wi-Fi聯盟提出了802.11ax概念，并通過這次推廣802.11ax的機會，將Wi-Fi進行了重新命名，將之前的802.11b，802.11a,802.11g,802.11n，802.11ac分別改名為Wi-Fi1到 Wi-Fi5，同時將新標準802.11ax命名為Wi-Fi6。Wi-Fi 6是第六代無線網絡技術，支持了802.11AX的產品和連接。在技術上，Wi-Fi6可以同時支持2.4G和5G頻段，使用了OFDMA和上/下行的MU-MIMO技術，大幅提高了Wi-Fi的通信效率。圖1歷代Wi-Fi的比較差異。

圖1 Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6 的比較

2020年1月，Wi-Fi聯盟提出6GHz頻段，將使用6GHz頻段的802.11ax稱為Wi-Fi 6E。6GHz頻段具體是從5.925-7.125GHz，但目前，歐洲達成的協議是為Wi-Fi分配的頻段為5945-6425 MHz，而Wi-Fi也與歐洲監管機構合作，以開放 6425-7125 MHz 頻段。Wi-Fi 6E是在 Wi-Fi 6的基礎上引入了6GHz頻段的支持，使得Wi-Fi 6可以從原來使用的2.4GHz/5GHz頻段擴展為2.4GHz/5GHz/6GHz頻段，但是這一6GHz頻段的變化，使得總帶寬達到1200MH，UNII-5覆蓋500MHz至3160MHz通道，UNII-6覆蓋100MHz，UNII-7覆蓋350MHz，UNII-8覆蓋250MHz，這3個帶寬都覆蓋至4160MHz通道，6GHz是2.4和5GHz頻帶中可用頻譜的三倍，適配了載波聚合技術，提升的系統的容量，使得數據收發路徑的數量在當前基礎上實現雙倍以上增加，見下圖帶寬圖可詳細表明帶寬的增強。

圖2 2.4/5/6GHz 帶寬示意圖

由于Wi-Fi 6E是在Wi-Fi 6的基礎擴展而來，所以使用的技術大體上是不變的，例如1024-QAM、OFDMA、上/下行MU-MIMO、Target Wake Time 機制等。1024-QAM （1024 正交幅度調制模式）是指通過在相同數量的頻譜中編碼更多的數據，提高Wi-Fi 設備的吞吐量；OFDMA（正交頻分多址）指有效共享頻道，在要求嚴格的環境中提高網絡效率，降低上行鏈路和下行鏈路流量的延遲。MU-MIMO（多用戶多輸入多輸出）指允許同時傳送更多下行鏈路數據，并使接入點能夠同時向大量設備發送數據；TWT（目標喚醒時間）指允許設備協商什么時候和多久會被喚醒，然后發送或接收數據，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，對采用電池供電的終端來說，大大提高了電池壽命。

OFDMA是Wi-Fi 6引入的關鍵功能之一，上行OFDMA允許數據幀被同時傳輸到多個站點，這可以平攤開銷，導致高聚合網絡吞吐量。上行OFDMA允許每個客戶端設備的傳輸功率可以集中在更小的分配資源單元上。下行OFDMA允許多個數據幀在一個數據單元傳輸到多個站點，同樣平攤了開銷，導致更高的聚合網絡的吞吐量。下行OFDMA可以通過平衡鏈路來進一步優化總吞吐量，在高信噪比和低信噪比下進行用戶之間的功率分配。

由表1可知，

表1 2.4G/5G/6G頻段頻譜的比較

（1）工作在2.4GHz頻段的有B,G,N,AX這4種協議制式，工作在5GHz頻段的A,AN,AC,AX，而工作在6GHz的只有AX模式，所有這一新的頻譜利用，沒有了微波等干擾，大大減少擁塞的問題。但有一點需提及的是，2.4GHz的傳播距離是最遠的。

（2）6GHz相比于5GHz，支持的帶寬雖然是一樣的，但是6GHz增加了帶寬的通道數量，提供了14個額外80MHz通道和7個額外160MHz通道的連續頻譜塊，提供了更好的網絡性能，支持了更多的Wi-Fi用戶。帶寬的通道的數量與最高數據速率是對應起來的，最高理論速率可達9.6Gbps，所以數量的增加顯得尤為重要。

2 Wi-Fi 6E 認證功能解析

（1）帶內發現與關聯機制（In-Band Discovery and Association）

該特性指客戶端設備能夠在6GHz頻段內快速、低開銷的發現AP。在6GHz頻段內運行的AP發送一個FILS幀或主動廣播響應幀，客戶端設備在發現后將其無線電設置在20MHz，并發送一些探測請求，這一探測響時間應約為20毫秒，空中的探測請求和響應降低了其他用戶流量的吞吐量，增加了明確的規則，限制在6GHz頻段盲探，從而避免不斷去探測信號。AP在6GHz頻段下僅生成HE PPDU或者non-HT PPDUs，傳輸的幀中不包括VHT行為和HT的功能和行為。

（2）帶外發現—在發現6 GHz BSSs下減少相鄰report（Out of Band Discovery -Reduced Neighbor Report for discovering 6 GHz BSSs）

這個功能允許客戶端掃描6 GHz頻段來發現AP。由于大多數AP是多頻段的，即2.4/5/6GHz是共存的，AP遵循在2.4GHz和5GHz頻段發送Beacon和Probe Response幀下的RNR IE的規則。減少的相鄰report (RNR)是為了與FILS發現協議一起使用而開發的，當關聯到5GHz時，客戶端可以請求RNR，以發現6GHz相鄰AP在同一物理單元或不同物理單元中的傳輸信道，來允許他們直接移動到目標6 GHz的信道。一個工作在2.4GHz和5GHz頻段的BSS與一個或多個工作在6GHz頻段的BSS共同位于一起，在發送Beacon和Probe Response 幀時需要包括RNR元素。RNR元素包含的信息有：信道、TBTT偏移量、BSS參數等。

（3）BSS 操作—HE 信標（BSS Operation-HE Beaconing）

在2.4GHz和5GHz頻段，AP將以non-HT PPDU的格式去發送信標幀。在6GHz頻段，AP可以以HT SU PPDU的格式去發送信標幀。而在6GHz頻段運行的STA應能夠解碼以HT SU PPDU格式接收的信標幀。

（4）增強在6GHz頻段-20 TUs主動探針響應（Discovery Enhancement in 6 GHz band-20 TUs Unsolicited Probe Response Active）

每20 TUs廣播未經請求的探測響應幀，允許ap提供被動掃描的完整信息，通過進一步減少探測時間開銷來增強在6GHz頻段的搜索發現。2.4GHz和5GHz頻段共存的AP可以告知6GHz頻段下的AP 20 TU Probe Response Active信息，由于STA掃描發現AP，從而不需要發送6GHz頻段的Probe Request幀。

3 Wi-Fi 6E 認證介紹

Wi-Fi 6E認證作為Wi-Fi6認證的一部分，提供了Wi-Fi 6的功能和能力，擴展到6GHz頻段。Wi-Fi 6E認證的產品將使用 Wi-Fi CERTIFIED 6 商標。Wi-Fi 6E認證的 Wi-Fi 6設備可確保設備之間可以進行很好的互操作協同工作。由于全球只有幾個國家正在對為未經許可的6GHz頻段提供使用，所以Wi-Fi聯盟正尋求全球統一的6GHz頻段，使Wi-Fi設備可以在任何地方的6GHz頻段內運行。

Wi-Fi聯盟的WiFi 6E技術認證只針對于6E的功能，吞吐的性能，設備連接的互操作功能有要求，只需要滿足Wi-Fi聯盟提出的標準即可。而EMC，RF這些法規認證是需要滿足每個地區的認證要求，所以他們之間是完全獨立的。

3.1 測試產品類型

WI-FI 6E的互操作性認證范圍包括 AP, STA, Mobile AP和 20 MHz-only STA。在這些設備類別之間，優先啟動對AP和STA認證。Mobile AP和 20 MHz-only STA的認證將計劃推遲。經過6GHz認證的Wi-Fi 6設備將在2.4GHz和5GHz頻段中運行，并在6GHz頻段中運行。

3.2 測試產品認證前提

3.2.1 產品在認證Wl-Fl 6E前，需要完成以下其他幾個認證作為前提條件：

（1）Wi-Fi WPA3

（2）Wi-Fi Agile Multiband

（3）Wi-Fi n or ac

（4）Wi-Fi CERTIFIED 6

（5） Wi-Fi Enhanced Open （如果 APUT 在 2.4/5GHz 頻段下支持無加密方式）

產品在對WI-FI 6E進行認證之前，以上所提及到的認證前提條件的測試項也是必須進行認證的，涉及到的2.4G/5G/6G的測試只有在全部完成基礎上，才能對數據進行提交。

以上的測試認證，除（3）和（5）沒有對6GHz頻段進行測試，其余的測試項也需要增加6GHz的部分測試用例。

3.2.2 相關前提認證項概況描述

3.2.2.1 Wi-Fi WPA3

WPA3是Wi-Fi聯盟提出的一種新的Wi-Fi加密協議，是Wi-Fi身份驗證WPA2技術的的后續版本。WAP3不同于WPA采用TKIP，不同于WPA2采用AES的協議，而使用的是新的SAE的加密協議。在Wi-Fi基礎設施網絡中，SAE握手協議針對每個客戶端設備協商新的PMK，然后新的PMK用于傳統Wi-Fi四路握手協議，以產生會話密鑰。注意：以往都是直接用PMK進行四路握手協議，SAE會在PMK基礎上產生新的PMK。截止到目前為止，WPA3也經歷了不斷的升級完善，從R1版本已經升級到R3版本，每個認證版本都增加了新的WPA3技術，所有的認證版本目前都是可適用的。

3.2.2.2 Wi-Fi Agile Multiband

Agile Multiband為多頻段操作，是基于IEEE 802.11標準的互操作功能，使用了802.11k，802.11v，802.11r的協議，主要是指在多個頻段（主要是2.4GHz/5GHz/6GHz/60GHz和蜂窩數據）和不同應用場景中有效幫助AP和STA進行分析并智能做出最優決策。

3.2.2.3 Wi-Fi Enhanced Open

Enhanced Open又稱OWE，不同于之前的open加密方式，是在此基礎上的增強，它類似一個開放的網絡，在沒有用戶知識的情況下加密無線流量，需提供加密但不進行身份驗證，所以不需要特殊配置或用戶交互。

具有OWE功能的AP會在其Beacon和probe response中的RSN信息中標識出OWE AKM(00-0F-AC-18)的字段，當STA發現帶有OWE功能的AP,它會嘗試使用使用開放模式去進行認證連接，在STA進行連接過程中，STA所發的（Re）Association Request包文中會帶有DH(Diffie-Hellman) 元素，通過使用Diffie-Hellman算法，獲得一個帶有自己的密鑰和公密鑰的PMK，使用此PMK(與AP端成對）4次握手后生成 KEK,KCK 和MIC，結果就是完成帶有保護的非加密連接保護數據包

3.3 產品測試內容與測試目的

3.3.1 APUT（被測接入點）

如表2所示。

表2 AP產品認證目錄用例描述

3.3.2 STAUT(被測終端)

如表3所示。

表3 STA產品認證目錄用例描述

上述2個表中列舉出來的6E所以功能的測試項和測試該用例的目的。標準寫了必測的，在進行認證的時候則必須通過這幾個功能，而選測和有條件測試則是看認證產品是否支持這個功能后在進行測試。

3.4 測試平臺設備

所有的認證的陪測設備，均需要向Wi-Fi聯盟采購。設備購買后，實驗室要進行升級安裝搭建，并只有在全部認證用例完成調試后，才能獲取實驗室認證資質。測試設備完成后，按照下圖所示線路圖，用交換機將設備全部接入到同一局域網下。

6 5.5 7.4 必測 S T A U T M U B F R P f o r ≤ 4 S S s o u n d i n g d i m e n s i o n i n 6 G H z t e s t（6 G H z頻段下多用戶波束控制幀小于4流維度測試）目的 確保被測終端在接收到6 G H z頻段的波束控制幀后，正確地接收到空數據包/空數據包說明，并在一個高效基本物理層協議數據單元中發送完整的帶寬、多用戶反饋。7 5.5 8.2 必測 S T A U T D L M U-M I M O i n 6 G H z t e s t（6 G H z頻段下行多用戶多輸入多輸出）目的 通過檢測被測終端在響應包中發送C-B A 或者確認字符驗證了被測終端在6 G H z頻段正確發送反饋并接收下行多用戶、多輸入輸出的正交頻分多址數據單元。8 5.6 0.2 選測 S T A i n d i v i d u a l T W T i n 6 G H z b a n d t e s t（6 G H z頻段下單獨目標喚醒時間）目的 如果被測終端支持6 G H z頻段的單獨的目標喚醒時間功能，通過檢測被測終端連接請求包中信息以及速率達到最低限值，則確保該被測終端可以正確地與接入點協商單獨的目標喚醒時間設置9 5.6 2.2 必測 S T A U T U L M U s e n s i n g i n 6 G H z t e s t（6 G H z頻段下上行多用戶測試）目的 驗證被測終端可以在6 G H z頻段正確地遵循C S要求指示，能量檢測傳感和網絡分配向量1 0 5.7 5.1 必測 S T A U T I n-B a n d D i s c o v e r y & A s s o c i a t i o n t e s t（帶內發現和關聯測試）目的 驗證了被測終端對于帶內發現機制的正確探測行為。 它還驗證被測終端是否可以成功關聯并與試驗臺接入點設備p i n g通。1 1 5.7 6.1 必測 S T A U T 2 0 T U U n s o l i c i t e d P r o b e R e s p o n s e s t e s t（2 0 T U主動探針響應）目的 驗證了當接入點使用并發布2 0 T U主動探測響應時被測終端的正確探測行為1 2 5.7 7.1 必測 S T A U T R e c e i v e s B e a c o n i n H E S U P P D U t e s t（高效單用戶協議單元格式傳輸信標 ）目的 確保在6 G H z頻段工作的被測終端應能夠解碼以高效單用戶物理層協議數據單元格式接收信標幀。

表4 測試認證設備平臺描述

圖3 設備平臺連接示意圖

與其他Wi-Fi聯盟認證測試流程一樣，被測設備需要按照上述示意圖進行連接，并提供自動化測試軟件工具，都滿足后腳本即可以自動運行測試流程。

3.5 認證基本流程

Wi-Fi 6E認證流程與其他的認證流程基本相同，大致按照下面的幾個步驟：

（1）在聯盟官網申請認證號

（2）提交認證號到測試實驗室

（3）實驗室在接收認證號，根據認證號提交的測試功能，進行測試

（4）通過測試后，審核提交測試數據

（5）聯盟審核測試數據

（6）聯盟下發認證證書

3.6 測試認證問題與抓包解析

Wi-Fi 6E是聯盟一項最新的技術之一，市面上并沒有多少產品對其技術進行認證，所以在后續產品測試中會出現很多用例失敗的情況，下面例舉了部分在進行WiFi 6E認證時，對可能出現的問題進行分析和解決：

（1）樣機在進行最初測試過程中，可以優先考慮是否是由于沒有開啟WiFi6E功能，如果正常，下圖的beacon包的6GHz字段應為1，如果字段為0，則測試用例都無法通過。

（2）Transmit Power Envelope，發射功率包絡，只有在802.11ac以上才有。使AP能夠限制每個可用信道帶寬傳送發射功率。設置限制20或40或80MHz等帶寬的發射功率，這個功能的測試，需要抓包可以抓到Transmit Power Envelope的元素，才能進行此功能認證。

（3）H2E（Hash-to-Element）是一種新方法，在WPA3-R3的認證中提出的新技術，過這種方法，SAE中使用的密碼PWE（密碼元素）是從協議中生成的。H2E使用一種非迭代的代數算法 ，被認為是密碼最佳實踐的算法，計算效率明顯高于以前的“hunting-and-pecking”方法，對側信道攻擊提供有力的抵抗。在SAE中，PWE用于派生SAE提交交換中發送的值，而這些值又被對等方用于派生一個公共PMK。H2E方法還包含了對組降級中間人攻擊的保護。在H2E 下還支持extended supported rates的能力，所以當這個能力在測試中驗證失敗時，要注意下面2組圖片中的功能是否都已經開啟。

圖4 6 GHz -operation information

圖5 TPE -Transmit Power Envelope

4 注意事項

4.1 產品商標使用

供應商在完成Wi-Fi 6E的認證測試之后，該產品可以有6E認證的使用權，但是注意在產品使用Wi-Fi 6E技術的時候，可以將Wi-Fi 6E稱為Wi-Fi 6技術，Wi-Fi 6連接在6GHz 或者Wi-Fi 6設備支持Wi-Fi 6E ，但是不能使用Wi-Fi 6E兼容或者Wi-Fi 6E標準這些字眼，這是不符合規定的。

4.2 測試要求

由于聯盟最新更新了認證平臺，將之前部分平臺添加到最新的Indigo的平臺軟件工具中，其中包括了將之前對WPA2出現漏洞后進行的Krack的測試以及PMF測試都進行了更新，因此在產品進入實驗室進行認證的時候，必須先提交認證號，實驗室需要根據每家客戶提供的認證號去下載對應的Appliacntion，獲取這個Appliacntion后實驗室才能對上述提及到的進行認證測試，否則整個的測試時間將被延遲。

4.3 證書使用

供應商在進行認證之前必須是聯盟的會員，每年需要交納相應的會費。在測試項完成認證之后，聯盟會下發對應產品的證書，每個產品都有一個對應的證書，產品上也可以打上Wi-Fi的商標，但是這個證書的使用期限一旦在會員有效期結束后就失效了，所以如果需要長期使用，則必須一直確保是會員狀態。

5 結語

Wi-Fi 6E認證作為Wi-Fi聯盟最新的技術，發展前景與技術都是很廣闊的，實驗室通過對相關的標準進行的深入研讀后，對新技術的測試內容和功能進行了相應描述，希望能為廣大需要詳細了解6E技術和需要進行認證測試的用戶提供一個參考。