导语近半年来，5g网络的的消息和应用 层出不穷，5g的商用牌照也已发布，三大运营商也迫不及待的发布对5g的部署及规划。在人们对5g展示最大热情的时候,作为一直以来和蜂窝网络势均力敌的wifi也不甘落后，wifi6悄然面世。润欣科技在无线通信行业有深厚的技术沉淀，积累了丰富的应用经验，所以想借此机会跟大家一起探讨交流wifi6的发展与应用。
本文主要分为4个部分：
1. wifi的发展历程及wifi6技术革新
2. wifi6和5g的对比，以及这两种技术互利共赢的方式
3. 高通新一代的wifi6芯片qca6391
4. wifi6芯片的新增rf性能以及测试挑战
一、wifi的发展历程及wifi6技术革新
wifi的发展历程
第一代无线局域网协议推出于1997年，其物理层工作在ism的2.4g频段，数据传输速率为2mbps。由于它在传输速度和传输距离上的表现都不太好，因此并未被大规模使用。
1999年，ieee制定了802.11a标准，直接将其频段定在了5ghz，使物理层的最高速率达到了54mbps，但是，802.11a产品中5ghz的组件研制成功太慢，再加上802.11a的一些弱点和一些地方的规定限制导致802.11a也没有被广泛的采用。
802.11b协议，几乎和11a同时制订。11b协议基于2.4ghz频率，最大的传输速度只有11mbps，相比于11a来说虽然速率低了很多，但凭借着在传输距离和穿墙能力上的优势及当时802.11a的核心芯片研发进度缓慢的原因，11b迅速占领了市场。
802.11g协议推出于2003年7月，是ieee制订的第三代wi-fi标准。它继承了802.11b的2.4ghz频段和802.11a的最高54mbps传输速率。同时，它还使用了cck技术后向兼容802.11b产品。
随着互联网发展，在线图片、视频、流媒体等服务对无线局域网技术提出了更高的带宽要求，为满足用户需求， 2009年，ieee宣布了新的802.11n标准， 802.11n协议凭借mimo、波束成形及40mhz绑定等技术使最高传输速率达到了600mbps。
2016年7月ieee推出了第5代wi-fi标准802.11ac  ， 11ac工作在5ghz的频段上，在提供良好的后向兼容性的同时，把每个通道的工作频宽由802.11n的40mhz，提升到80mhz甚至是160mhz，再加上大约10%的实际频率调制效率提升，最终理论传输速度由802.11n最高的600mbps跃升至1gbps。    
2018年10月3日，wi-fi联盟（wi-fi alliance）将基于802.11ax标准的wifi协议正式纳入正规军，成为第六代wifi技术。借着这个机会，联盟又将wifi规格重新命名，之前标准802.11n改名wifi 4，标准802.11ac改名wifi 5，新标准802.11ax改名wifi 6。
wifi6的技术革新
802.11ax又被称为“高效率无线标准”（high-efficiency wireless，hew），将大幅度提升用户密集环境中的每位用户的平均传输率，有效减少网络拥塞、大幅提升无线速度与覆盖范围。其实，设计802.11ax的首要目的是解决网络容量问题，因为随着公共wi-fi的普及，网络容量问题已成为机场、体育赛事和校园等密集环境中的一个大问题。那么作为新一代wifi协议的11ax具体都有哪些技术上的突破呢？
1、wifi6支持2.4g与5g
802.11ax协议基于2.4ghz和5ghz两个频段，这种双频段，并非是ac双频路由器那样不同的频段对应不同的协议，ax协议本身就支持两个频段。这显然迎合了当下物联网、智能家居等发展潮流。对于一些对带宽需要不高的智能家居设备，可以使用2.4ghz频段去连接，保证足够的传输距离，而对于需要高速传输的设备，就使用5ghz频段。
2、支持1024-qam，数据容量更高
从调制上看wifi 5是256-qam，wifi-6是1024-qam，前者的数据流最大支持4个，后者则最大支持8个，因此wifi 5的理论吞吐量可以做到3.5gbps，而wifi 6则可以做到惊人的9.6gbps。
3、支持完整版的mu-mimo
mimo（multiple-input multiple-output）即为为多输入多输出技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，实现以更小的代价达到更高的用户速率，从而改善通信质量。实际上 ieee在802.11n协议时代就引入了mimo技术，而mu-mimo技术可以理解为它的升级版或者是多用户版本。
通俗来说，以前在802.11n上面的mimo只能说是su-mimo即单用户mimo，传统的su-mimo路由器信号呈现一个圆环，依据远近亲疏，依次单独与上网设备进行通讯。当接入的设备过多时，就会出现设备等待通讯的情况；更为严重的是，这种依次单独的通讯，是基于设备对ap（路由器或热点等）总频宽的平均值。也就是说，如果拥有100mhz的频宽，按照“一次只能服务一个”的原理，在有3个设备同时接入网络的情况下，每个设备只能得到约33.3mhz频宽，另外的66.6mhz则处于闲置状态。即在同一个wi-fi区域内，连接设备越多宽频被平均得越小，浪费的资源越多，网速也就越慢。
mu-mimo路由器则不同，mu-mimo路由的信号在时域、频域、空域三个维度上分成三部分，就像是同时发出三个不同的信号，能够同时与三部设备协同工作；尤其值得一提的是，由于三个信号互不干扰，因此每台设备得到的频宽资源并没有打折扣，资源得到最大化的利用，从路由器角度衡量，数据传输速率提高了3倍，改善了网络资源利用率，从而确保wi-fi无间断连接。mu-mimo技术就是赋予了路由器并行处理的能力，让它能够同时为多台设备传输数据，极大地改善了网络拥堵的情况。在今天这种无线联网设备数量爆发式增长的时代，它是比单纯提高速率更有实际意义的。
值得一提是wifi5中也使用了mu-mimo功能，但它天生不足：设备需要连接在同一5g频段下，要全部支持mu-mimo功能。且设备数量要刚刚好才能触发这个功能。最重要的一点是wifi5下的mu-mimo功能只支持数据下行，上传数据时还是走得su-mimo。而wifi6给我们带来了完整版的mu-mimo功能——至少它支持数据上行和下行。相比于wifi中最大的4×4 mu-mimo规格，wifi6拥有了8×8 mu-mimo——最多可以同时支持向8个终端传输数据。如此一来适用的场景便多了许多，这时mu-mimo才到了真正能用的地步。
4、ofdma技术
长久以来，wifi一直采用ofdm作为核心传输方案。
ofdm（orthogonal frequency division multiplexing）即正交频分复用技术，是由多载波调制发展而来的一种实现复杂度低、应用最广的一种多载波传输方案。ofdm主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（isi）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。用一个简单的例子来说明：假设我们现在有很多车要从a地到b地，没有使用ofdm技术之前，路是一条路，所有的车四处乱开，横冲直撞，结果谁都快不了。现在使用了ofdm技术，将一条大路划分为很多个车道，大家都按照车道驾驶，这样既可以提高速度，又能减少车与车之间的干扰。同时这条道的车多了，就匀一点到那条车少的道上去，管理上也方便很多。
ofdma技术是在ofdm的基础上加入多址（即多用户）技术，演进而来的。ofdma将帧结构重新设计，细分成若干资源单元，为多个用户服务。以20mhz信道为例，在ofdm方案（即11n/ac）里每一帧由52个数据子载波组成，但由于这一帧只为一个终端服务。传输的数据包过小时（像聊天记录），空载的子载波也无法分配给其他终端。而在ofdma方案（即11ax）里每一帧由234个数据子载波组成，每26个子载波定义为一个资源单元，每个资源单元可以为一个终端服务，这样每一帧就可以同时为9个用户服务。用卡车拉货来解释这个技术最方便直观了。ofdm方案是为每一个客户发一次货车。不管货物多少，来一单发一趟，这样不免就有货车空载的现象。而ofdma方案会将多个订单合在一起发货，让卡车尽量满载上路，使得运输效率大大提升。
不但如此，wifi6下ofdma和mu-mimo的效果可以叠加。两者呈现出一种互补关系，ofdma适用于小数据包的并行传输提高信道利用率和传输效率。而mu-mimo则适用于大数据包的并行传输，提高单用户的有效带宽，同样能减少时延。
5、twt机制
twt机制是专门针对类似智能家居这样的低速设备而设置的。例如配置2.4ghz频段、20mhz频带的wifi设备。路由器会自动生成一个数据交换用的唤醒时间，在网络数据传输不高的时段去依次唤醒这些低速设备进行数据交换。（比如下载最新数据库，上传生成数据等操作）这样就可以有效避免网络拥堵。这也是一种优化网络带宽利用率的技术手段。
以上5项技术，他们每一项都有独当一面之处，再相互结合之后可以让wifi6迸发出更高的性能，未来2-3年 ，wifi6会逐渐普及，并取代wifi5。
二、5g和wifi6的对比及二者之间的共存
比起最近比较热门的5g， wifi6有哪些优缺点呢？那这两者之间会是怎样的存在关系呢，接下来，我会从以下4个方面来分享下5g和wifi6的优缺点；从而来和大家说明为什么共存是5g和wifi6最好的归宿。而不是5g取代wifi6。
5g和wifi6的对比
1. 应用场景:  5g是运营商部署的网络， 5g的应用是面向embb（大流量移动宽带业务）、mmtc（大连接物联网业务）和urllc（超高可靠超时延通信）场景的，以室外为主，5g在工业互联网，车联网 无人驾驶等领域有强烈的需求。而wifi6主要以室内短距离覆盖为主，wi-fi6的应用可以在embb和mmtc场景作为5g的补充。是企业办公的不二选择。为企业更加智能化提供更多选择。另外，从家庭用户的使用角度来看，只有wifi6才能发挥出5g的最大功效。
2. 从技术层面
• 理想速率，wifi6的高速是通过mu-mimo和ofdma实现的。采用1024qam，带宽最高160mhz，天线数量最多8t8r，理想速率为9.6gbps。5g的高速是通过大规模的mimo无线电技术实现，大规模的mimo无线电技术采用几十到几百个天线用于传播无线电信号，理想速率达到10gbps， 两者理想速率相差不大。
• 覆盖范围，覆盖范围是和发射强度有关的，wi-fi6 ap国家的认证要求发射功率不超过0.2w，，覆盖范围约五百到一千平米；一个室外5g基站发射功率可达60w，其覆盖是公里级的。就覆盖面积来说，5g优于wifi6。
• 室内单用户体验： wi-fi6 ap最高可以是8t8r，实际速率至少为3gbps-4gbps。典型的室内5g小基站天线一般是4t4r，实际速率是1.5gbps-2gbps。所以，单设备的性能wi-fi6会优于5g。
3. 频谱资源：wifi6支持的频段是2.4ghz和5.8ghz，这些频谱资源是免费的，成本相对较低。 5g支持1ghz以下的低频段，1ghz到6ghz的中频段，24/30ghz到300ghz的高频多（也成为毫米波）,虽然5g的频谱资源很宽，很广，但是 这些频段都是需要授权的，中国是发牌照，国外是以拍卖的形式为主。成本非常高。
4. 建设成本： 5g网络因信号易衰减，需经过严密规划仿真验证，此外，5g频带和波长的特点需要5g基站更密集，导致投入基站成本高。之前运营商在4g的投资在8千亿，而5g的投资是4g的2-4倍。相比较而言，wifi6的升级仅需升级主芯片，且主芯片都是asic，成本本身就低于5g 所需的fpga芯片；光纤入户或者进入企业后，只需要购买整机wi-fi6 ap即可实现部署，成本相对基站而言非常低廉。再加上当前主流的电脑、手机、pad以及无线终端均支持wifi接入，wifi6的应用就更容易迭代出新了。
5g和wifi6的共存
前段时间中国联通官方微博爆出：通过华为wi-fi 6技术进行网络拓展，采用联通5g网络接入，将深圳地铁福田枢纽建成全国首个应用wi-fi 6技术的地铁车站，实现5g与wi-fi6技术的完美融合，开启了wi-fi6轨道行业应用的元年。
在深圳地铁车站采用的华为wi-fi6技术和设备可以提供4倍于传统wi-fi的带宽，单个ap支持用户数提升4倍，平均时延降低50%，覆盖范围提升20%。
而对于消费者而言， 使用5g和wifi6 技术来实现随身wifi也可以实现高带宽，低时延便捷使用的特点。比如高通现有的方案sdx55平台搭载wifi6芯片 （通过pcie-g3进行通讯）
三、高通新一代wifi6芯片---qca6391
qca6391是一款高度集成的soc芯片，主要应用于iot，支持80211ax wi-fi
及蓝牙5.1，qca6391支持2.4g与5g实时双频工作，也就是常说的dbs功能。
特性：
• 支持11ax协议并向后兼容 802.11a/b/g/n/ac
• 支持2x2的mu-mimo
• 支持双mac的dbs功能，2x2的工作模式下，吞吐量最高可以达到1774.5 mbps
• 2.4g的信道带宽为20/40 mhz,5g的信道带宽为 20/40/80mhz
• 支持动态频率选择
• 芯片采用了单端射频输入输出口，
• lte与wifi共存
• wifi与蓝牙共存
• 需要晶体或者主平台产生48mhz参考时钟，
• 支持外接fem来实现高功率。
• 另外256脚的nsp封装
四、802.11ax的rf性能及测试
11ax技术引进了先进的ofdma和1024-qam调制技术，对芯片的rf也有了更高的要求，接下来，和大家分享一些rf的新要求及测试难点。
1. 严格的evm规定：我们都知道11ax采用了1024qam更高阶的调制编码技术，对应的，mcs相比802.11ac有提升，从原来的mcs9（256qam）提升到了mcs11（1024qam）再加上子载波的间隔也从原来的312.5khz降到了78.125khz，这意味着调制信号的星座点密度有了更高的要求。映射到我们的rf指标上，就是 evm。与802.11ac中-32db的evm要求相比，该标准针对最高传输速率指定的evm要求为-35db。而对射频前端pa的evm要求更高，目标规范需达到-47db的evm, 为满足这种新的、更为严格的evm要求，测试仪器要求其evm噪声水平应远低于dut。据我所知，litepiont 罗德等wlan仪器厂商的仪表evm噪声是做到了-51db的。
2. 绝对与相对频率错误
802.11ax新引进的ofdma技术，不仅要求所有用户同时传输，而且还要求ofdma ap可根据用户对带宽的需求来动态地改变用户所占用频谱的数量。这两种要求显著提高了wifi频谱的复杂度，时序同步，频率对齐以及相应时间等特性就变得很重要。
• 绝对频率错误参数：待测件会传送802.11ax讯号框架，而测试仪器则会使用标准参考来测量频率和频率偏移。结果将与目前802.11ac规格的所述数据相似，限制约为±20ppm。
• 相对频率错误：测试程序包含两个步骤。首先，测试仪器会将触发帧传送给待测件。待测件将依照取自于触发帧的频率和频率信息进行自适应。接着，待测件会使用已修正频率的帧做出回应，而测试仪器则会测量这些框架的频率错误。在载波频率偏移和时序补偿完成后，而我们需要确认的是：通信可以在400ns的短帧间间隔(sifs)内传输，并在350hz范围内与ap时钟同步。从而确认这个指标是ok的。
3.功率控制
上面我们也提到 ofdma技术旨在多用户共享频谱，但是如果ap侧 接到不同用户功率差异过大，会导致载波间的干扰，功率泄露等一系列的问题，从而影响传输质量，所以功率控制是我们必须重视的一个指标。
在802.11ax中，ap是可以命令station根据ap侧的目标rssi（信号强度）来提高或降低功率的，从而使多个用户到达ap侧的功率等级一致。
控制发射功率的算法：
1. station估算路径损耗。ap的发射功率－station处测得rssi（信号强度）
2. station算自身的发射功率并发送信号：目标rssi（信号强度）+第一步估算出来的路径损耗
4.mu-mimo功能测试
若在mimo作业中使用多达8个天线测试802.11ax装置，其结果可能会与个别及连续测试每个信号链路大不相同。举例来说，来自各个天线的信号可能会对彼此造成负面干扰，并影响到功率和evm性能，进而对传输率带来负面且显着的影响。
测试仪器需要支持每个信号链的局部振荡器亚毫微秒同步化，以确保多个通道的相位微调和mimo性能不会发生问题。
以上大概就是11ax rf 新的要求和测试。11ax还在继续规范中。测试需求也会根据协议的规范来继续改进。测试仪器厂商及芯片厂商也在不断优化设备及测试方案。让我们以一个最好的姿态来迎接wifi6时代的到来。
文章来源：润欣科技fortune微信公众号

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