5G与Wi-Fi6融合组网典型应用探讨

李可才

【摘要】5G与Wi-Fi6是当前两大无线网络热门技术，有其各自的技术优势，谁也不能取代对方，两者将相互共存，并有进一步融合的趋势。在部分应用场景，采用5G与Wi-Fi6融合组网可以取得良好的效益，本文以高铁场景和家庭场景应用为例，探讨了5G与Wi-Fi6融合组网应用。

【关键词】5G;Wi-Fi6;融合组网;家庭应用;高铁场景

中图分类号：G241                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.09..076

随着5G（5th-Generation）网络的建成和商用成熟，5G正在逐步影响着人们的生活方式。与此同时，Wi-Fi6的出现，也对智能家庭等物联网产业发展有着积极的促进作用。这两种无线通信技术，各有其技术优势，将其进行融合，实现优劣势互补，将有利于进一步丰富应用场景，是一个值得探究的方向。

1. 5G技术及应用场景

5G是指第五代移动通信网络技术，其在网络接入容量、数据速率、时延等多个方面的性能均有了显著提升，小区峰值速率高达20Gbps，连接数密度支持1百万连接每平方公里，传输时延低至毫秒级。5G网络的高性能主要是基于以下关键技术来实现：大规模多输入多输出（Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO）;超密集组网（Ultra Dense Network，UDN）;设备到设备通信（Device to Device，D2D）;多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）。

5G的總体愿景是要实现“信息随心至、万物触手及”的目标。为了体现差异化的场景需求，5G又分为三类子场景，分别为增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量机器类通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）和超高可靠低时延通信（Ultra Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）。5G技术理论上几乎适用于各种应用子场景，但是在实际实施中，尚需兼顾考虑投资成本以及与其他通信技术分工协调等因素。

2. Wi-Fi6技术特点及应用场景

2.1. Wi-Fi6概念及关键技术

Wi-Fi6也即是802.11ax，它们实质上是指同一种技术，差别只是在于给其下定义的组织不同而已。802.11ax是标准制定组织电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）为其定义的名称，而Wi-Fi6是产业联盟WFA（Wi-Fi Alliance）给其定义的通俗易懂的名称。Wi-Fi6也被称作高效无线（High Efficiency Wireless，HEW），支持最高达9.6Gbps的传输速率。与之前的Wi-Fi技术相比，新一代Wi-Fi6技术在容量、速率、覆盖距离、功耗、接入用户数等方面的性能都有了显著提升，主要是基于以下技术来实现：

正交频分多址技术（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）：它是Wi-Fi6技术在底层物理层实现的基础，借鉴了LTE移动网络中的OFDMA技术，将可用带宽划分为相互正交的子载波集合，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址接入，这样可以同时支持多个终端接入，多用户的通信更加有序，提升了多用户并发场景的通信效率。

下行/上行多用户多输入多输出技术（Downlink/Uplink Multi-User Multiple Input Multiple Output，DL/UL MU-MIMO）：Wi-Fi6在下行链路支持8个用户的MU-MIMO，同时在上行链路支持8×8的MU-MIMO，允许多达8个终端（Station，STA）通过同一频率资源同时传输到同一AP。而Wi-Fi5仅支持下行链路4×4的MU-MIMO，因此Wi-Fi6相比Wi-Fi5，下行链路容量增加了2倍，上行链路容量增加了8倍。

空分复用技术（Spatial Reuse，SR）与基本服务集着色技术（Basic Service Set Coloring，BSS Coloring）：SR通过AP的设置，在相邻AP使用两种网络分配矢量（Network Allocation Vector，NAV），使得相邻的两台AP均能正常传输数据，从而获得空间复用增益，大大提升Wi-Fi网络的整体容量。BSS着色机制的作用是使设备能够区分本AP的信号与相邻AP的信号，从而减少同频干扰的影响。

更高阶的调制技术：Wi-Fi6采用1024正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），每个符号（子载波）能够携带10bit数据。而Wi-Fi5采用256QAM，每个符号（子载波）携带8bit数据，即Wi-Fi6的数据携带能力相比Wi-Fi5提高了25%

目标唤醒时间技术（Target Wake up Time，TWT）：该技术允许设备之间协商休眠时间与唤醒时间，减少无效的并行发射冲突，降低终端功耗，从而延长终端电池的待机时间，待机时间对于物联网终端来说尤为重要，物联网终端通常较少维护，也不可能进行频繁的充电。

2.2. Wi-Fi6适合的应用场景

总体来看，Wi-Fi是一种短距离的无线接入技术，随着WiFi6技术的出现，在用户速率、可接入终端数量等方面的性能也有了显著提升。WiFi6特别适合于以下几类场景：电子教室：该场景接入用户数较多且比较集中，有视频点播需求，对数据速率需求较高，用户基本处在静止状态，所有这些业务特点都特别契合Wi-Fi6技术的优点。家庭场景：家庭场景有手机、计算机等宽带接入需求，用户处于静止状态或在小范围内慢速移动。另外在家庭场景还有智能家居等机器类通信（Machine to Machine，M2M）的物联网通信需求。这些通信需求均可以通过Wi-Fi6技术低成本、高效率地满足。机场车站候车室等高流量公共场所：该场景接入用户数密度大，容量需求较高，Wi-Fi6网络可以起到很好的分流效果。总之，Wi-Fi6的应用场景非常广泛，较适合于移动不太频换的室内应用场景，可接入用户数多、速率快，并且具有低成本高效率的显著特点，更为用户所接受和欢迎。

3. 5G与Wi-Fi6技术优劣势对比

对5G技术与Wi-Fi6技术的优劣势进行总结对比，如表1所示：

4. 5G与Wi-Fi6融合应用需求

4.1. 5G与Wi-Fi6共存互补需求

5G与Wi-Fi6技术各有其适用的应用场景，5G技术不能取代Wi-Fi6技术，与此同时，Wi-Fi6技术也无法替代5G技术，它们二者是优劣势互补的关系，将长期共存下去，主要体现在以下几个方面。

网络覆盖方面：5G技术为电信运营商所主导，其覆盖方式主要是通过宏蜂窝基站实现广域覆盖，在局部容量需求大的地方补充建设容量型基站，对于具有一定规模的建筑物，若室内覆盖不足，通常建设室内分布系统来补充。但是对于小片区域的信号覆盖弱区、盲区来说，5G网络建设成本就显得过高，性价比较差，例如小型地下停车场，建筑物的小部分信号弱区，这种小区域场景就有Wi-Fi6的用武之地，可采用有线接入方式布置Wi-Fi6覆盖，或者视AP安装位置的5G网络信号情况，采用集成5G接收模块与Wi-Fi功能的CPE，低成本实现数据业务覆盖。

网络容量及数据速率方面：5G网络容量及速率与4G时代相比，有了显著提升，但是随着高清视频、AR/VR等高带宽业务以及物联网时代海量接入终端的出现，若业务都聚集在5G这条高速公路上，也会造成堵塞。因此有必要将适合Wi-Fi6场景的部分业务分流出去，例如移动性较低的家庭场景中的视频监控、视频下载业务。5G宏基站常用于广域覆盖，其覆盖范围较大，而Wi-Fi6常用于家庭、办公室的小片区域覆盖，使得Wi-Fi的频率复用次数更多，能提供更高的容量密度。5G网络的上下行时隙配比根据数据业务历史统计情况设置，通常上行速率不足下行速率的一半，而Wi-Fi在上行速率方面更具优势。另外，Wi-Fi相比蜂窝网技术在技术更新换代方面更为迅速，Wi-Fi的容量、速率技术性革新时间更短。

投资与费用方面：5G网络由运营商建设，覆盖需求面广投资巨大，基于投资的因素也难以实现无缝覆盖，这就需要在用户侧用Wi-Fi来弥补，这样相当于用户侧也分摊了一些投资和成本，缓解了运营商的投资压力。在流量资费方面，若不限流量将可能造成部分区域网络拥塞，另外从节能方面考虑也不可能不限流量，目前5G的资费大约在3-4元/GB，其使用成本要远高于Wi-Fi，因此从流量费用方面看5G也不可能完全取代Wi-Fi，Wi-Fi也必将有其用武之地。

節能与电磁辐射方面：用户终端和5G基站的距离通常在百米数量级别，为了达到基站接收机的灵敏度要求，距离越远，用户终端需要发射的功率越高。而对于Wi-Fi场景，用户终端与AP的距离通常在20m以内，因此Wi-Fi场景下的用户终端功耗较低。低功耗对于如智能家居等物联网业务来说尤为重要，因为物联网终端通常维护频次低，无法频繁地对电池进行充电，对电池耗电的限制更为苛刻。新一代的Wi-Fi6采用TWT技术，进一步降低了Wi-Fi终端的功耗。虽然目前终端的电磁辐射被证明是安全可控的，但是部分用户对此仍存有疑虑，更小的发射功率也更易被其接受。因此从节能与电池辐射方面来看，5G技术也不可能完全取代Wi-Fi技术，它们将长期共存。

4.2. 5G与Wi-Fi6融合应用场景

由上节分析可知5G与Wi-Fi6无法相互彻底取代，将会深度融合，充分发挥各自优势和规避自身劣势。在以下应用场景方面，可充分实现优势互补，有着广泛的应用前景：

家庭应用场景：有移动终端、平板电脑以及智能家居等多种应用类型，结合各种业务特点分别采用5G和Wi-Fi技术，进行合理分流。对于接入侧，若光纤有线接入方式难以实施时也可采用5G网络的CPE进行宽带接入。

高铁场景：采用CPE接入沿线5G基站提供信号回传通道，列车上设置5G分布信号并与列车原有Wi-Fi系统融合，体现业务运营深度合作，价值分享。

企业应用场景：企业与通信运营商紧密合作，灵活运用5G与Wi-Fi技术，进行办公方式的革新，制定适合企业业务特点和建筑物结构的针对性网络解决方案，并科学制定企业与通信运营商的分工界面。

5. 5G与Wi-Fi6融合组网典型实施方案

5.1. 高铁场景

乘坐高铁是时间相对较长的旅行，通常人们在列车上会有浏览新闻、观看视频、收听在线音乐以及移动办公等通信行为，数据流量需求巨大。高铁场景具有列车信号穿透损耗大、高速移动而又无法进行固定有线接入等特点和局限性，另外列车目前已建设有基于Wi-Fi技术的、具有乘客信息系统和高铁影院等功能的服务平台，因此采用5G与Wi-Fi融合的组网方式尤其适合于高铁场景的应用。

组网方式主要由列车车载子系统与铁路沿线运营商5G网络子系统两大部分组成。如图1所示：

列车车载子系统：在列车首尾两端的车顶位置设置MIMO天线，接收运营商5G基站信号作为CPE（Customer Premise Equipment，客户前置设备）的信号输入，作为列车内小基站的回传信号。在列车车厢内设置小基站，小基站由集中单元（Centralized Unit，CU）和分布式单元（Distributed Unit，DU）和远端射频单元（Remote Radio Unit，RRU）组成，CU和DU可在CPE接入处设置，RRU可在每个车厢设置一个。与此同时，利用CPE接入列车Wi-Fi6系统。形成5G信号和Wi-Fi6信号双重覆盖。 同时，在列车上设置边缘计算服务器（Mobile Edge Computing，MEC），与原有的列车应用平台对接，使得列车相关应用下沉到移动网络边缘，实现实时快速处理。 运营商5G网络子系统：由铁路沿线5G基站构成，还包括与之相关的传输系统、核心网系统以及配套设施。这一部分由电信业务经营者建设实现。

采用此种融合组网模式应用具有以下优势：利用位于列车外顶部的MIMO天线接收5G信号，与在车厢内用手机直接接收5G基站信号相比，避免了较大的列车车厢穿透衰耗，此差异在10-25db间，利用此覆盖优势，运营商可增加铁路沿线基站间距，大大节省5G基站投资。用户会优先通过列车小基站进行网络接入，但对于列车本地应用服务也可采用Wi-Fi接入方式，这样Wi-Fi6起到了很好的分流效果。部署MEC服务器使得部分本地应用终结于本列车内，提高网络效率，减少网络时延。该组网模式体现了5G网络运营商与铁路服务商的深度融合，开创了终端用户共享、流量合作经营的新模式。

5.2. 家庭场景

家庭场景在多个方面有着5G和Wi-Fi6融合组网的需求。首先住宅环境的5G网络主要是基于宏基站广域覆盖，距离宏基站较近处通常能得到高质量的全屋覆盖，但在宏基站小区的边缘、住宅环境结构又比较封闭复杂的情况下，很难实现无缝覆盖，这时家庭Wi-Fi6就派上了用场，能轻松简便地实现全屋数据业务覆盖。其次对于乡镇或农村部分区域，用户分散，光纤到户的实施成本太高，这时就可以采用5G网络的CPE进行数据接入，然后通过Wi-Fi6来实现整个家庭的数据业务使用需求。再次家庭环境内终端类型众多，且随着业务类型的丰富，数据流量越来越巨大，Wi-Fi可以与5G进行流量分担，不同类型终端和业务对网络侧的两种接入技术5G和Wi-Fi6有着不同的适应性。智能家居以及物联网技术的发展，使得家庭内需要数据连接的终端数量显著增多，若所有终端均采用5G模组通信成本太高，使用传感器+Wi-Fi模组的方式进行通信，进而汇集上传是一种低成本高效率的方案，对于视频传输等大流量且时延要求不苛刻的业务，从成本上来看也更适合于Wi-Fi方式。但是对于AR/VR等时延要求敏感的業务、以及对移动性管理有较高要求的业务采用5G技术接入更为合适（如图2）。

考虑到成本以及实施难度等因素，若要在家庭场景实现5G和Wi-Fi融合组网，必须成本低廉、简便易行才具有可实施性。目前主流路由器厂家均已发布支持5G和Wi-Fi6两种技术的移动路由器，通过插入5G网的SIM卡接入5G无线网络，可以代替传统的有线光猫+路由器的信号源接入方式，将5G信号转换为Wi-Fi方式发射出去，实现类似手机热点的功能，也可采用网线以有线的方式连接其他设备。采用Wi-Fi6最大可满足接入128台终端设备，足以满足智能家居以及其它家庭终端接入需求，支持并行传输，不再像以前Wi-Fi那样多台设备需要排队抢网。容量和覆盖距离方面相比Wi-Fi5也有较大提高。采用此种方式组网简便、安装位置灵活，可将5G+WiFi6移动路由器放置在5G网络信号质量良好、且能够兼顾路由器均衡覆盖全屋的位置。

6. 结束语

Wi-Fi6与5G技术的融合目前尚处于初级发展阶段，已经有集成5G模块和Wi-Fi6的移动路由器出现，在部分厂商的5G微基站产品中也同时集成了支持Wi-Fi6技术的AP。相信随着产业链的进一步成熟和发展，5G与Wi-Fi6技术的融合会越来越深入，应用场景越来越丰富，并进一步“改变生活、改变社会”。

参考文献：

[1]阮航，董文佳，等.5G终端若干关键技术研究及探讨.移动通信，2017年第18期：60-66

[2]凌毓.WIFI6技术解读及其对5G发展的影响分析.信息通信，2020年第02期：P269

[3]张朔.WiFi6与5G技术的性能对比与应用探析.电子世界，2021年第1期：P77-P78