方 浩，徐天保，杨雯霞，税国梅
（1.四川九州电子科技有限公司，四川 绵阳 621000；
2.四川九洲防控科技有限责任公司，四川 绵阳 621000）
Wi-Fi 6技术是Wi-Fi标准IEEE 802.11ax的代称，自2019年发布Wi-Fi 6标准以来[1]，Wi-Fi 6路由设备、终端设备已经得到了很大的普及。近年来，家用多媒体终端设备（如电视机、机顶盒、家用电器的显示终端）传输的视频业务清晰度从标清、高清逐渐提升到超高清，对无线通信的带宽和稳定性的要求明显提高。随着Wi-Fi 6芯片价格的不断走低，Wi-Fi 6技术进一步普及并应用于家用多媒体终端设备的条件已经成熟。本文从Wi-Fi 6技术的特性、Wi-Fi 6技术在家用环境下提升分析以及测试情况等几个方面，对Wi-Fi 6技术特性对家用多媒体终端设备性能的提升进行浅要分析。
Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）是作为2019年发布的Wi-Fi标准，相对于Wi-Fi 5（IEEE 802.11ac）而言，其主要的性能提升在于具备更快的传输速率，更高的并发能力，更低的延时。理论最大带宽在8×8收发、160 MHz频宽情况下数率可以达到9.6 Gbps。此外，Wi-Fi 6还引入了OFDMA（正交频分多址技术）、MU-MIMO（多用户多入多出技术）、BSS Coloring等技术，进一步提升网络容量，降低时延，提升用户体验。
1.1 OFDMA技术介绍
在Wi-Fi 5时代，通信都是基于单用户的，即每个发送数据的周期内，单个用户发送的数据量即使非常小，都会完整地占用一个信道。而在OFMDA技术中，在每个发送数据的周期内，单个信道会被分为多个资源单元（Resource Unit，RU）[2]，每个用户只会占用一个RU而并非整个信道。在单个信道内可以通过不同的RU与不同的用户进行通信，尽可能多地传输数据，因而提升了频谱利用率。同时，对每个用户而言，由于在每个发送数据周期内通过自己的RU都可以收到自己的数据，而不需要等待其他的用户使用完信道后再请求通信，等待的时延会明显降低。
1.2 MU-MIMO
OFDMA技术提升的是频域空间的利用效率，而MU-MIMO技术提升的是物理空间中的利用效率。MU-MIMO技术利用物理意义上的多路并发，提升了大数据包（如下载、视频等应用）的并行传输效率。在Wi-Fi 5中，IEEE 802.11工作组已经引入了DL MU-MIMO。在Wi-Fi 6标准中，工作组进一步引入了UL MU-MIMO[3]。IEEE 802.11ac及之前的IEEE 802.11标准都采用UL SU-MIMO方式，即只能接收一个用户发来的数据，多用户并发场景效率较低。IEEE 802.11ax支持UL MU-MIMO，借助UL OFDMA技术（上行），可同时进行MU-MIMO传输和分配不同RU进行多用户多址传输，提升了多用户并发场景效率，大大降低了应用时延，并且和OFDMA技术联合调度的情况下，可以针对业务进行资源分配（如网页浏览、视频观看、下载、即时通信），可以有效降低多用户场景中的冲突，改善Wi-Fi高密度场景中的使用体验。
1.3 BSS Coloring和同频干扰
Wi-Fi 6对于无线通信的同频干扰问题也给出了解决方案，即BSS Coloring。在早期的Wi-Fi标准中，是依靠CSMA/CA（载波侦听多址访问/冲突避免）来解决无线通信系统中的干扰检测问题，CSMA/CA要求在同一信道中的所有站点在遇到有站点发送信息时其他站点必须保持退避，直到没有站点发送信息时其他站点才能工作，这就导致了空口时间的巨大开销。在Wi-Fi 5中采用动态调整CCA门限解决此类问题，即设置了能量门限和协议门限来判断信道的干扰状态。例如，当AP1与终端1进行通信时，AP2也想与终端2在同一信道进行通信，根据Wi-Fi的工作机制，AP2会检测该信道内是否有大于协议门限（-82 dBm）的信号存在。若AP2检测到区域内干扰信号强度大于协议门限（-82 dBm）但小于能量门限（-62 dBm）时，AP2会适当调整协议门限，如调整到（-70 dBm）；
若干扰信号强度小于此时的协议门限，则AP2可发起通信。动态调整CCA门限的问题是，当信道内同时存在多个较强的干扰信号时，AP2只能等到信道资源释放后才能发起通信。
在Wi-Fi 6中，无线接入控制器统一给AP分配颜色标记，AP在报文头打上6 bit的颜色标记位[4]。接收端收到报文后，就可以通过报文头判断颜色是否和关联AP一样。如果颜色和当前关联AP一样，就判定报文属于MYBSS；
如果报文头颜色和关联AP不一样，就判定报文属于OBSS（重叠基本服务集），接收端会视该报文与自己无关，不会再对报文进行解析。在Wi-Fi 6中设置了两个协议门限，即MYBSS协议门限和OBSS协议门限。对MYBSS协议门限要尽可能降低，以避免漏掉来自MYBSS的报文；
对OBSS协议门限要进行动态调整，并且尽可能调高，只要干扰信号能达到OBSS协议门限，接收端就认为不存在同频干扰。在这种情况下，接收端不会因无关的报文信息而退避，可以继续通信。
2.1 当前家居环境中Wi-Fi业务的挑战
随着家庭宽带和5G网络的不断普及，当前家庭无线网络环境日益复杂。以常见的三口之家为例，家庭涉及多媒体应用的Wi-Fi设备至少包含了两台手机、一台电视机或机顶盒、一台平板电脑，可能存在的多媒体信息传输的设备包括家用智能冰箱、扫地机器人、家用监控摄像头等。
在以上的家庭环境中，手机、平板电脑、电视机、机顶盒、视频监控等需要支持流媒体业务的多媒体终端设备，对网络吞吐量和延时要求最高。同时，在家庭环境中，一般使用放置于客厅的单台路由器提供Wi-Fi服务，而终端设备的位置则不固定，会分布在室内的其他房间内。极限场景中，Wi-Fi信号需要穿过两堵到三堵墙体向终端设备提供Wi-Fi服务。Wi-Fi信号所在的2.4 GHz频段穿墙能力较强，但在Wi-Fi 6之前仅支持IEEE 802.11n协议，能提供的吞吐量有限。同时，由于蓝牙、ZigBee等协议也工作在2.4 GHz频段，因而常用的2.4 GHz和5G信道会存在多个来自邻居或附近商铺的AP设备的干扰信号。
2.2 Wi-Fi 6特性对多媒体终端设备的提升
以极限场景来进行分析，在室内环境中穿两堵或三堵墙的场景中，5G信号由于频率较高，穿墙能力相对较弱，难以提供稳定可靠的Wi-Fi服务。2.4 GHz信号穿墙能力强，但由于频率较低，且在IEEE 802.11ac协议不支持2.4 GHz，导致在这种场景中也很难支撑对带宽和稳定性有一定要求的视频播放业务。
而在Wi-Fi 6协议中，2.4 GHz频段支持M UMIMO、OFDMA、BSS Coloring和空间复用等技术，其吞吐量、抗干扰能力和多用户响应能力有了质的提升。在5G频段，由于Wi-Fi 6标准采用Long OFDM Symbol传输机制，其传输周期从3.2 μs提高到12.8 μs，Wi-Fi 6还规定了0.8 μs、1.6 μs和3.2 μs的保护间隔（Guard Interval，GI）。在户外或多径效应较大的情况下，较长的GI可以有效地避免多径干扰。此外，窄带传输能有效地减少频段的干扰，Wi-Fi 6在窄波段上的传输最少可以采用2 MHz的带宽[5]，这就提高了网络的覆盖范围，在穿墙场景中也具有了更好的性能。
在抗干扰能力方面，相对于Wi-Fi 5而言，Wi-Fi 6引入的BSS Coloring染色机制和区分MYBSS及OBSS协议门限机制，实现了AP高密度环境中的空间复用。尤其是对于终端设备而言，通过识别报文的包头即可判断信号是否需要进行下一步识别，在干扰环境中传输能力和稳定性得到有效提升。另外，Wi-Fi 6引入的多用户传输技术OFDMA，使多用户可共享单个信道资源。对于终端设备而言，等待信号的延时更低，多媒体设备出现卡顿的概率更小。
3.1 无干扰环境中的测试情况对比
某IPTV机顶盒产品可以通过更换不同的Wi-Fi模块切换Wi-Fi 6和Wi-Fi 5两种模式，以该类型IPTV产品为例，在无干扰信号的屏蔽室内进行极限吞吐量测试。该IPTV产品使用2×2测试数据。如图1所示，从图中可以看出，在信道和带宽相同的情况下，Wi-Fi 6 IPTV产品极限环境吞吐量对比Wi-Fi 5 IPTV产品明显提升。
图1 无干扰环境Wi-Fi 5与Wi-Fi 6 IPTV产品极限吞吐量对比
3.2 实际家居环境测试情况
在实际测试情况中，Wi-Fi 6产品也以大幅度的优势领先Wi-Fi 5产品。以某型IPTV产品为例，使用了家用多媒体终端设备中常使用的2T2R天线，以同种硬件状态进行干扰环境中Wi-Fi 5、Wi-Fi 6终端吞吐量性能测试。选择了和家庭环境接近的实验场地进行测试，在距离测试中，分别在AP无墙间隔2米、一堵墙、两堵墙、三堵墙处设置测试点，测试AP采用了国内某AP品牌旗舰Wi-Fi 6产品，测试结果如图2所示。
图2 干扰环境中Wi-Fi 5终端和Wi-Fi 6终端穿墙能力对比
测试结果显示：Wi-Fi 6多媒体终端设备在近距离或只穿一堵墙的情况下，其吞吐量是性能在Wi-Fi 5多媒体终端设备吞吐量的1.5～2倍；
在穿两堵墙或三堵墙情况下，Wi-Fi 6设备在2.4 GHz的吞吐量仍可达到Wi-Fi 5设备吞吐量的1.5倍以上；
只有5 GHz频段，在两到三堵墙的情况下，两者的吞吐量指标接近一致。
Wi-Fi 6的OFDMA、MU-MIMO、BSS Coloring等技术有效地提升了Wi-Fi通信效率、降低了Wi-Fi通信的延时，同时对日益严重的无线通信干扰问题给出了优化方案。对家用多媒体终端主要的视频播放业务的体验有明显提升，卡顿和等待的情况进一步减少。随着Wi-Fi 6 AP的不断普及，Wi-Fi 6终端芯片价格的整体下降，在家用多媒体终端设备中推广Wi-Fi 6的时机已经成熟。本文从技术角度，通过部分实验论证了Wi-Fi 6的技术优势，希望能给相关从业者提供一定的参考。■
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