5G和Wi-Fi6在数据应用场景的对比研究

admin 2022年5月24日01:04:09安全闲碎评论4 views4385字阅读14分37秒阅读模式

摘 要:

5G和Wi-Fi6技术作为新一代无线技术的典型代表,能够为用户提供高速的无线带宽接入。由于二者采用的协议及服务目标不同,其网络覆盖也存在着较大的差异性。通过对5G和Wi-Fi6的技术特点进行对比,分析5G和Wi-Fi6在不同数据下载应用场景下的效能对比。

内容目录
1 5G和Wi-Fi6的技术特征
1.1 5G的技术特征
1.2 Wi-Fi6的技术特征
1.3 5G与Wi-Fi6共用技术
1.3.1 提高信道利用效率的OFDMA技术
1.3.2 MU-MIMO 和 Massive MIMO
2 典型数据应用场景对比分析
2.1 室外覆盖
2.2 室内高密覆盖
2.2.1 VR/AR等高带宽需求场景
2.2.2 工业生产制造
2.2.3 室内物联网场景
2.3 性能对比
3 结 语

近年来,随着移动App及数据流量爆发式地增长,人们对“低时延、高带宽、泛联接”的无线网络需求特别巨大。5G和Wi-Fi6技术凭借各自的优势和技术性能,成为当前无线网络接入的关键技术。5G和Wi-Fi6技术代表当前无线网络发展的主要方向,满足用户在摆脱有线束缚的同时,接入高带宽、高并发、低时延的网络。

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5G和Wi-Fi6的技术特征

1.1 5G的技术特征

5G是继4G之后的新一代移动通信技术,其功能与性能都得到了明显的增强,5G系统定义了灵活的物理层资源配置,引入了大规模MIMO、毫米波、上下行解耦、LTE-NR双链接等技术,具有更高容量、更强的业务能力,服务范围从4G时代面向个人进一步扩展到万物互联。

5G和Wi-Fi6在数据应用场景的对比研究
图1 5G系统性能指标
如图1所示,5G移动通信系统的空口能力设计目标是支持更高的吞吐率增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,eMBB),峰值数据速率可达10 Gb/s,用户体验带宽可达100 Mb/s;密度更大的连接数大规模机器类型通信(Massive MachineType Communication,mMTC),提升10~100倍,达到每平方公里百万个;以及更低的时延和更高的可靠度超高可靠低时延通信(Ultra Reliable Low Latency Communication,uRLLC),降低5~10倍,达到毫秒级量。
当前5G系统采用的频段主要分为两个区域:一个是6 GHz以下的(sub-6GHz),这部分是5G当前的主流应用范围;一个是6 GHz以上及更高频率的毫米波频段。现有的234G移动网络基本采用低于3 GHz的频段,因此,目前3.5 GHz是各国5G网络应用的主流频段。
1.2 Wi-Fi6的技术特征
Wi-Fi6作为最新的Wi-Fi标准,相比Wi-Fi5(802.11ac)在多项技术指标上有着根本的提升,减少拥塞的同时允许更多设备连接到网络,除了具有更快的传输速率和频谱效率,还提供更高的并发能力、更低的业务时延、更大的覆盖范围、更节能的终端功耗,能较大幅度扩展Wi-Fi网络的应用范围和使用场景。
表1 Wi-Fi6理论带宽

5G和Wi-Fi6在数据应用场景的对比研究


如表1所示,与Wi-Fi5标准相比,Wi-Fi6技术可达9.6 Gb/s的超高理论带宽(采用160MHz 频宽,8条流情况下),AP设备的接入容量是Wi-Fi5的4倍,支持更多的终端并发接入,终端功耗节约30%以上。
Wi-Fi6使用的频段是免费频段,无需报备。Wi-Fi频段主要采用2.4 GHz和5 GHz两个频段,其中2.4 GHz频段是通用的公开使用无线频段,可用于短距离无线传输,有83.5 MHz(2 400~2 483.5 MHz)的频宽可以使用,除Wi-Fi外,蓝牙、Zigbee、无线 USB、微波炉等也使用2.4 GHz频段。
1.3 5G与Wi-Fi6共用技术
Wi-Fi与移动通信一直是无线连接的两大关键技术,最大限度地提升连接速度及用户的满意度是这两个技术标准的一个共同的目标。因此,两者在技术的演进过程中不断互相借鉴。
1.3.1 提高信道利用效率的OFDMA技术
正交频分多址技术(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)由OFDM改进而来,首先应用于4G移动网络,后被引用到Wi-Fi6标准中。Wi-Fi6标准采纳了这种技术来提高频谱的利用效率,在多个用户之间共享WiFi信道。以80 MHz的频宽为例,最多可以分成37个RU(Resource Unit)资源单元,同时供37个用户并发。5G标准的空口技术也源于OFDM,在子载波及频宽设计上与OFDMA有类似的地方,如图2所示
1.3.2 MU-MIMO 和 Massive MIMO
多用户多入多出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)技术最早用于Wi-Fi5 wave2阶段,但只支持 AP到终端的下行传输过程,其AP节点可以同时向多个支持MU-MIMO的客户端发送数据包,有效解决了之前无线AP一次只能和一个终端通信的问题。Wi-Fi6除了沿用MU-MIMO技术外,还新增了支持上行的MU-MIMO,最多支持8×8的天线。
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图2 MIMO技术
大规模天线(Massive MIMO)技术作为5G系统的关键技术,信号可以通过发射端与接收端的多个天线发送和接收,在不增加系统频谱资源和发送功率的情况下,能有效提升5G系统信道容量和信号覆盖范围。其中,室外宏站为了满足更大范围及用户覆盖,天线的数量可采用64T64R,且支持水平方向+垂直方向的波束成型;5G室内有源分布系统的有源天线单元因考虑空间限制和覆盖范围,一般采用4×4 MIMO的天线。

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典型数据应用场景对比分析

2.1 室外覆盖
Wi-Fi6室外设备的发射功率一般不超过30 dBm,覆盖范围为500 m以内,所以室外Wi-Fi主要用于一定范围内的用户接入,尤其是室外高密场景,例如学校操场、步行街等,如图3所示。
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图3 室外Wi-Fi6覆盖
对于大面积的室外覆盖,例如景区、城市等,使用5G更合适,室外宏基站在覆盖范围及漫游效果都具有明显优势。因此,对于无人驾驶、无人机、智慧城市的IoT(如智慧路灯)等都是5G的主要应用,如图4所示。
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图4 5G室外基站覆盖
2.2 室内高密覆盖
5G系统理论的高密覆盖是每平方公里100万接入终端,换算成每平方米是1个终端接入。但部分室内人员高密度场景,如学校宿舍(每人至少2个移动终端)、体育场馆看台(每个座位约0.5 m2),该类场景中单平方米终端数量可能5G系统难以满足承载要求。Wi-Fi6网络由于其灵活性,可以选择定向天线覆盖特定区域,也可以根据连接用户数来选择高性能AP、三射频AP,通过控制AP的发射功率缩小覆盖范围,可以实现每平方米2~3个并发终端的连接。
2.2.1 VR/AR等高带宽需求场景
当前VR/AR/4K/8K 等新应用对带宽都具有非常高的需求;VR/AR的带宽要求在100 Mb/s以上,4K的带宽要求在50 Mb/s以上;5G采用了高频宽的方式提升用户带宽,在Sub-6G下最大支持100 MHz的频宽,在mmWave下最大支持400 MHz的频宽。5G室内有源分布系统采用的4T4R天线单元,边缘速率要达到100 Mb/s,通常要配置100 MHz的频宽(如图5所示的仿真),而且需要部署跟AP数量相当的小基站,从而大大增加室内5G覆盖的成本。


5G和Wi-Fi6在数据应用场景的对比研究


图5 5G室内分布系统边缘速率仿真
而Wi-Fi6高性能AP设备,在80 MHz频宽下有 3个不重叠的信道,在终端支持2×2 MIMO的情况下其理论带宽最高可达到1.2 Gbps,能有效满足现有VR/AR/4K等各类应用对高带宽的需求。对于VR教育或沉浸式体验,可以通过Wi-Fi6满足接入的需求;但对于时延敏感的远程协助类VR,由于通常只有单用户使用,通过5G的方式连接方式效果更佳。
2.2.2 工业生产制造
随着传感器/AGV/工业AR/机器视觉规模应用兴起,车间级宽带物联无线成为刚需,设备时延敏感网络正在起步。Wi-Fi6网络低时延、大带宽的特点,将其应用场景从室内办公延伸到与工业生产的相关场景。
5G和Wi-Fi6在数据应用场景的对比研究
图6 Wi-Fi6在智能工业生产制造中的应用
Wi-Fi6网络以其灵活性及高带宽特性能解决智能生产制造中部分无线接入场景。在工业生产制造中,还有一些对时延要求非常敏感的应用,例如同步实时协作机器人对时延要求小于5 ms,这类对于时延要求敏感(如时延小于20 ms)的应用,不适合使用Wi-Fi6传输,采用5G网络接入方式更具有优势。
2.2.3 室内物联网场景
5G网络mMTC场景能有效满足海量物联网设备连接,支持如智慧城市的IoT连接。但在室内场景中,无论是工厂的资产管理、商场电子价签还是工业制造的机器人,都会使用不同的IoT传输协议,难以直接通过5G网络传输。目前大部分厂家的Wi-Fi AP里已经集成了RFID、Zigbee、Bluetooth等功能模块,而且可以通过外置的插卡方式支持更多的物联网协议连接,实现Wi-Fi网络和物联网合二为一,从而节约建设成本。例如,零售行业的电子价签业务,利用AP集成电子价签的基站,电子价签基站管理电子价签ESL,AP提供Wi-Fi与ESL统一的上行连接,实现Wi-Fi网络与ESL网络的合一。
2.3 性能对比
从技术及网络性能、建网部署及施工、用户使用等多个角度,分析5G和Wi-Fi6的场景差异性对比如表2所示。
表2 5G和Wi-Fi6场景差异性对比


5G和Wi-Fi6在数据应用场景的对比研究


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结 语

2G时代,移动网络主要承载语音业务,Wi-Fi主要承载数据业务,二者基本上为互补关系;在4G时代,随着移动互联网的快速发展和VoIP技术的成熟,移动网络和Wi-Fi出现了一定程度的竞争;当前5G和Wi-Fi6技术的主战场不断变化,但不同应用场景下二者存在细分差异。未来,5G新技术的演进会导致Wi-Fi受到一定影响,但Wi-Fi在高私密性(比如家庭室内、商场、办公区域)的应用场景依然有很大的市场。
引用本文:刘洋,龚戈勇,丁远. 5G和Wi-Fi6在数据应用场景的对比研究[J].通信技术,2021,54(3):1009-1014.


作者简介 >>>

刘 洋,硕士,高级工程师,主要研究方向为信息化网络规划和设计;

龚戈勇,硕士,高级工程师,主要研究方向为无线网络规划和设计;

选自《通信技术》2021年第4期(为便于排版,已省去原文参考文献)

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