WiFi 6技术介绍及在能源互联网中的应用

李项军，张水利，赵海波

(1.延安大学 物理与电子信息学院；2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西 延安 716000)

从办公室、家庭、商场、车站到停车场，几乎处处有WiFi，数以千万计的接入点(Access Point，AP)隐藏在人们视线之外，为手机、个人电脑、智能家居、家电等各类终端设备提供无线传输服务[1]。为满足越来越高的通信需求，IEEE标准化组织和WiFi联盟一直在不断提高WiFi产品的性能，由IEEE完成基础技术规范，WiFi联盟负责产品技术认证测试，共同推动WiFi产品的市场化。

IEEE 802.11ax通过一系列系统特性和多种机制来增加系统容量，减少空口拥塞来改善WiFi网络的工作方式，尤其是在密集用户环境中，以为更多数量的用户提供一致和可靠的数据吞吐量[2-7]。

1 WiFi技术的标准化过程

IEEE无线局域网的技术标准化过程开始于1997年的802.11，单个信道宽度为20 MHz,由于最高速率仅为2 Mbps，未被商用，但确定了802.11簇系列标准的半双工等基本传输特征。

1999年推出了分别工作于5 GHz和2.4 GHz频段的802.11a和802.11b。802.11a采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)调制技术，峰值传输速率达到54 Mbps，但5G频段传输损耗大、器件功耗大的相对缺点导致该标准没有推向市场；而802.11b 采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)和补码键控(Complementary Code Keying，CCK)调制方式，峰值传输速率达到11 Mbps，是第一个大规模商用的标准。

2003年推出的802.11g工作于2.4 GHz频段，支持CCK/DSSS/OFDM调制,峰值传输速率达到54 Mbps,且兼容802.11b；2009年推出的802.11n引入了多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)、波束成形等技术，单信道宽度扩展到40 MHz，规定了2.4 GHz和5 GHz两个可用频段，理论传输速率达到了600 Mbps。

2013年推出802.11ac把单信道的宽度进一步扩展到80 MHz和160 MHz，在5 GHz信道上工作且后向兼容802.11n，下行支持多用户多输入多输出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO),最多支持8个空间流，相应的理论传输速率达到6.9 Gbps。

2019年IEEE 802.11ax标准经过WiFi技术认证联盟后进行了重新命名，基于802.11n之前标准的产品为WiFi 4，基于802.11ac标准的产品为WiFi 5，基于802.11ax技术标准的产品为WiFi 6[2,4]。

WiFi技术标准的演进过程见图1。

图1 WiFi技术标准演进示意图

2 WiFi 6 技术特点

2IEEE 802.11ax设计初衷是为了适用于高密度无线接入和高容量无线业务，比如室外大型公共场所、室内高密无线办公、电子教室等场景，该标准有超过50多项的技术提升[2-4]，实现了更高的传输速率和更大的系统容量，极大改善了大连接场景下的性能，关键的技术点有以下几点。

2.1 正交频多址接入技术

有别于802.11a/g/n/ac所采用的OFDM，802.11ax在上行和下行都采用了与4G/5G一样的正交频多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)方式，增加了频域上的多用户复用。OFDMA具备多用户传输的优势，资源调度的粒度更小、更灵活，可以把各种大小的数据包通过编码调制组合在一起，系统开销通过共享而降低，提高了用户数据速率，减少了信道竞争的概率，从而降低了终端传输的响应时间，特别是对大量具有短帧或低数据速率要求的设备，比如物联网设备，传输体验改善显著[6]。

OFDM和OFDMA在信道使用方式的差异对比见图2。

图2 OFDM和OFDMA的信道使用方式对比

借鉴4G/5G中的资源划分，802.11ax将不同宽度的信道进行了资源块的进一步划分。以20 MHz信道为例，可被划分为1、2、4、9个资源块，以1个资源块为频域资源调度分配使用的单位，最小的资源块包含26个子载波，单个子载波宽度为78.125 KHz，即最小频域使用宽度为2 MHz，在20 MHz的带宽内最多同时容纳9名使用者，利用OFDMA可以将不同带宽需求的用户通过频域复用在同一符号周期内进行传输，而且将OFDM符号长度从以往的4 μs扩展至16 μs，以提升每次传输的数据量[4]。

20 MHz信道的OFDMA频域资源块划分如图3所示。

图3 OFDMA资源块划分的示意

OFDMA的实现要求所有用户数据的同时传输到达AP接收机，还要求AP能够根据用户对带宽的需求来动态地改变用户所占用频率资源的数量。这两种要求显著提高了WiFi频谱的复杂度，对物理层的频率对齐、时序同步以及功率控制等提出了更高的要求[7]。

2.2 MU-MIMO技术

802.11ax规定了下行和上行分别采用8×8的MU-MIMO，通过预编码技术，实现了不同数据流之间的无干扰传输，空间数据流个数最多为8个。采用MU-MIMO时，AP通过管理帧告知每个使用者空间流数量、OFDMA配置、功率控制等信息，这类似于4G基站在下行共享信道上下发的重配置信息，确保多用户、多流数据的有效共享传输。需要说明的是，采用MU-MIMO传输时，所有用户在整个信道上进行传输，不再通过频域资源块来区分用户。

2.3 高阶调制和灵活的频段支持

802.11ax的最高阶调制方式从802.11ac的最高256QAM扩展到1 024QAM，其峰值速率达到9.6 Gbps。

不同于802.11ac，802.11ax支持传统的2.4 GHz频段，尽管该频段拥挤，但有穿透力相对强的优势。在5 GHz频段定义有25个非重叠的20 MHz宽度信道，可以进一步组合成为40 MHz、80 MHz甚至160 MHz宽度的信道；而且，802.11ax规定了双频段信道并发传输的机制；此外，在6 GHz频段新增定义了14个80 MHz和7个160 MHz频宽的信道，支持该信道的产品被命名为WiFi 6E[4]。

2.4 休眠机制

为了适应电池供电的终端设备，802.11ax 定义了目标唤醒时间(Target Wake Time，TWT)机制，终端和AP基于业务类型协商休眠周期，在业务需要时自动唤醒，在无业务数据时进入休眠，减少了信道竞争和传输冲突，节省了电量[8]。TWT机制结合OFDMA的多用户传输，能够实现节奏相互一致的数据传输，减小用户传输的响应时间，对流媒体业务、话音、IoT的传输改善效果明显[2]。

2.5 空间复用机制

传统WiFi的载波侦听/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA) 接入控制机制依据测量到的能量值和信号值进行空闲信道评估，低的阈值可以有效防止同一信道上的传输冲突，但降低了网络的系统容量，仅适合连接密度不高的场合[9-15]。类似于移动通信网络小区色码，802.11ax在前导码上对AP进行了标记，按区域设置不同颜色，在同一个色码的AP采用较低的信号阈值来辨别信道空闲与否，对不同色码的AP采用较高的信号阈值来辨别信道空闲与否，本质上是利用了信号传播的空间衰减特性，容忍一定程度的共信道干扰[10]，实现间隔较远的两个AP在同一个信道上工作，同时实现了同一信道在空间上的区分和复用。

采用AP着色前后的信道复用对比如图4所示。

图4 采用AP着色前后的信道复用对比

同一区域的多个相邻AP被设置为同一颜色，对应的信号检测阈值设置较低，而终端应用于不同颜色AP信号检测阈值设置较高，在信道空闲检测时忽略相距远的AP造成的干扰，最终，通过信道的空间复用大大提高了系统容量，显著降低了传输响应时间。

AP着色降低响应时间的示意如图5所示。

图5 AP着色降低响应时间的示意

2.6 WPA 3安全协议

在第二版本的WiFi保护接入(WiFi Protected Access 2，WPA 2)的漏洞被发现、暴力密码破解的案例增多后，用户对WiFi网络安全的诉求更为强烈，促使了WPA 3安全协议的制定。WPA 3通过单一用户数据加密、防暴力破解的保护算法、192 bit密钥长度的高级加密算法等技术，实现了无输入界面的快速连接和公共WiFi网路的隐私保护，可为政府、国防和工业领域的应用提供给足够的安全性[5]。

3 WiFi 6 与5G的异同

WiFi 6与5G在空口传输技术上有很多的共同点，都实现了极高的峰值速率，但在技术标准组织、应用场景和运营模式是完全不相同[16-18]。WiFi联盟是传统的IT厂商组成的，而5G标准化组织3GPP由电信设备和运营商组成，两个组织之间虽然没有类似3GPP和3GPP2之间的正面技术竞争，但彼此确实存在市场竞争关系。WiFi解决的是短距离的最后一公里的无线接入，定位为室内有线连线的延伸，是轻量化的接入技术[16]；5G是一种蜂窝制的移动通信网络技术，包含接入网和核心网等复杂的网络架构，是针对商业运营的广域覆盖网络。因此，WiFi和5G将长期共存下去，而且已经形成了良性发展的市场竞争关系。5G在智能手机、车联网等领域得到广泛应用，WiFi凭借较低的设备成本在智能手机、室内无线接入、智能家居、物联网等领域占据优势[17]。

4 WiFi 6在电力行业的应用展望

4.1 WiFi技术的优势

WiFi已经不再是一个仅提供无线网络的设备，更多地被视为企业数字化转型的通信基础设施，例如，目前大部分的智慧零售、智慧办公、智慧工厂等的通信解决方案是基于WiFi网络实现的[17-18]。相较于其他通信手段，WiFi有以下几个优势:

(1)WiFi终端通信没有流量资费；

(2)WiFi的产业链开放、规模效应大，带来低廉价格的终端和较低的组网成本[1]；

(3)WiFi的技术标准开放，定制化应用开发的技术门槛低；

(4)WiFi组网简单，覆盖可控，适用于行业专用网络建设。

4.2 WiFi 6在国网中的应用

国家电网公司部署了除电信运营商以外最大规模的光纤传输网络，截至2020年末，沿各等级电压输电线路共敷设光纤复合架空地线、全介质自承式等各类骨干网光纤约150万km，部署各级传输网设备共10万余套，有线传输资源十分丰富[19]。而WiFi 6可提供大带宽、高用户密度的无线接入，两者结合，既可以实现量身定制的电力服务应用，还可提升既有有线传输资源的利用率，技术解决方案的效能费用比高，可以更好地支撑泛在电力物联网的通信网络建设。

以变电站的应用为例，图6给出了通过WiFi 6将智慧门禁系统、安防监控、机器人巡检、传感器、高压断路器状态监测、运维移动终端、应急指挥调度等多个子系统进行互联的方案，可实现变电站的可视化和智能化管理，为电网的安全运营保驾护航。

图6 WiFi 6在变电站的应用示意

在图6中，设备状态采集等低速率的终端设备工作在2.4 GHz频段，而视频监控之类的高速率、高服务质量要求的业务分配在5 GHz频段，完全并发的双频段传输则可用于电力抢修等特种作业，所有的业务通过台变电站的专用光纤骨干网络实现和泛在电力物联网的互联。在这样的网络中，WiFi 6利用2.4 GHz和5 GHz两个频段的传输能力，针对不同频段承载应用的传输特性要求来分配并预制信道的通信参数，实现变电站区域无线通信接入的统一。

5 结语

WiFi 6是无线解决方案的最新技术成果，不但实现了更高的传输速率，更提高了整体的传输容量，与5G技术相比较，它是一种非常经济的无线接入手段。国网公司拥有部署广泛的光纤传输网络资源，两者结合实现的通信解决方案在智能输配电、设备运维检修、站所安全防护等方面有着广阔的应用前景，而且在效益和成本方面具有很强的竞争力，可有力支撑具有中国特色的全球能源互联网企业建设需要。