Wi-Fi演进史及关键技术

注：本文是课程报告，想着既然我自己也好好看了看资料，那就也放到博客来好了。

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摘要

“Wi-Fi”技术的应用已经广泛渗透到现代社会的方方面面，成为了人们生活和工作中不可或缺的一部分。从家庭到商业场所，从学校到公共交通工具，几乎任何地方都可以找到Wi-Fi网络的存在。但作为通信专业的学生，我对于Wi-Fi的演进历史和所使用的关键技术却知之甚少，于是这驱动我开始探索。

本文第一章介绍了Wi-Fi技术的发展历程，从无线局域网技术的起源到IEEE 802.11工作组所制定的一系列Wi-Fi标准的里程碑事件。第二章深入介绍了Wi-Fi 6和Wi-Fi 7标准中的关键技术，包括吞吐量和时延的改进，让读者更好地理解每一代Wi-Fi技术是如何不断提升性能的。第三章比较了生活中最常见的“蜂窝网络”和“Wi-Fi”这两种上网方式，介绍了它们的应用场景和技术指标的不同。此外，还通过三个例子展示了未来5G和Wi-Fi 6融合使用的巨大前景。综合来看，本文介绍了Wi-Fi技术的演进历史和关键技术，为读者提供了对Wi-Fi技术发展趋势和应用前景的全面认识。

关键词：Wi-Fi；发展历史；Wi-Fi 6；蜂窝网络

第一章 Wi-Fi的发展历程

1.1 Wi-Fi发展历史

Wi-Fi是无线局域网（WLAN）技术的一种，时至今日，Wi-Fi已经成为现代社会中不可或缺的一部分，从家庭到商业场所，从学校到咖啡馆，Wi-Fi无线网络已经渗透到我们生活的方方面面。它为我们提供了便捷的互联网接入，使我们能够随时随地与他人进行通信、获取信息和共享资源。然而，要理解Wi-Fi技术的现状，我们需要回顾它的演进历史，了解它是如何从最初的概念逐步发展成今天无处不在的技术的。

1971年，Norman Manuel Abramson教授和他的团队在夏威夷大学构造出了ALOHAnet无线分组数据网络，后来 ALOHA协议成了Wi-Fi的理论基础。ALOHAnet是广为人知的ARPAnet的一个更小的无线版本，ARPAnet是互联网的前身，允许大学的研究人员共享网络并通过固定电话发送消息。

1985年，Michael Marcus向美国联邦通信委员会(FCC)提议开放部分频段民用，于是FCC公布无需授权使用的ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）用于工业、科学、医学领域，其中包括三个频段分别是902_{928MHz、2400}2483.5MHz、5725~5850MHz，后两个频段就是Wi-Fi中常用的2.4G和5G频段。这些频段构成了Wi-Fi通信的频段基础。

1990年，Victor Hayes找到美国电气与电子工程师协会（IEEE），成立了802.11工作组，以期望通过制定一系列标准，能让全世界免费使用Wi-Fi技术。这个工作组后来吸收了澳大利亚国家级科研机构澳大利亚科学与工业研究组织（CSIRO）的无线局域网专利技术（1996年），并在1997年发布了第一个IEEE 802.11-1997无线局域网标准。该工作组持续至今，定义了 IEEE 802.11 一系列无线网络标准集，也就是众所周知的Wi-Fi系列标准。可以说，IEEE 802.11 的建立开启了一个价值数十亿美元的全新无线、高数据传输率计算机通信产业，使全世界的人们能够随时随地使用笔记本电脑、PDA 或其他设备访问互联网无线设备。Victor Hayes本人也被誉为“Wi-Fi之父”。

1994年，在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，卡内基梅隆大学的Alex Hills博士率先在匹兹堡校区创建了世界上第一个大型Wi-Fi网络“Wireless Andrew”，实现了校园无线局域网全覆盖。这个网络是许多其他人用来构建Wi-Fi网络的原型，现在全世界都在使用它。

1996年，隶属于CSIRO的John O’Sullivan，带领其研究小组在美国申请到无线局域网专利（US-5487069-A），专利主要涉及三个关键技术：多载波调制、前向纠错、交叉存取。从专利角度来讲，通常认为Wi-Fi是John O’Sullivan带领的研究小组发明的。但其实无线局域网已经发展多年，CSIRO是在原来技术的基础上进行改良，然后申请了专利。但澳洲政府强烈反对IEEE 802.11工作组提议全世界免费使用Wi-Fi，而是要求对每一台使用Wi-Fi的设备收费,并和几乎所有的手机电脑公司打起了官司，拿到了巨额专利费，包括但不限于苹果、英特尔、微软、戴尔、华硕、宏基、东芝、索尼、联发科等等。直到2013年专利过期。

1999年，诺基亚、朗讯等6家公司成立了无线局域网兼容性联盟（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA），这个组织后来更名为Wi-Fi Alliance（Wi-Fi联盟，WFA），主要是为了让无线局域网有更好的兼容性，并把这项基于IEEE 802.11标准的无线局域网专利技术称作“Wi-Fi”，这也是最早出现的“Wi-Fi”名称。Wi-Fi通常被认为是“无线保真”（Wireless Fidelity），但事实上“Wi-Fi”一词并没有任何实际含义，只不过是当时音乐领域的高保真（High-Fidelity, Hi-Fi）比较出名，所以受雇于Wi-Fi 联盟，品牌咨询公司Interbrand创造并商业化使用了Wi-Fi这—词。^{1 2}

当Wi-Fi标准和商标名称一应俱全之后，Wi-Fi联盟便找到了当时的苹果公司推广Wi-Fi，苹果公司在其手提电脑产品线iBook（也就是后来的MacBook系列）首次搭载了Wi-Fi芯片。在1999年苹果公司产品发布会上，时任苹果公司首席执行官乔布斯拿呼啦圈穿过iBook以证明其没有连接线缆也能上网，这引起现场观众的一阵惊呼。自此Wi-Fi这项局域网技术便正式推广了起来。

1.2 802.11标准的演进

上面已经大致介绍了Wi-Fi技术演进历史上的里程碑节点，以及Wi-Fi技术从概念到普及的历程，现在让我们进一步探究一下802.11标准的演进，以更好地了解其性能和功能。

自1997年发表IEEE 802.11无线局域网标准以来，IEEE相继推出了十几个802.11系列标准。在2018年，Wi-Fi联盟认为802.11开头的叫法不能方便所有人理解，于是决定引入Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6等新命名，对日常生活中最常使用的IEEE标准进行了重新命名。

下面按照时间顺序，依次介绍几个常见的IEEE 802.11标准以及一些变体和扩展的例子，其中的扩展标准在特定的领域或功能方面提供了增强或改进，以满足不同的无线通信需求：

• （1）802.11-1997（也称为802.11 Legacy）:这是最早的无线局域网标准，于1997年推出。其支持最基本的无线数据传输，速率最高可达2Mbps。
• （2）802.11b（Wi-Fi 1）：于1999年推出，提供最高11Mbps的传输速率。其在2.4GHz频段运行，并获得了广泛的应用和普及。
• （3）802.11a（Wi-Fi 2）：也于1999年推出，提供最高54Mbps的传输速率。其在5GHz频段运行并引入正交分频复用（OFDM），但与802.11b不兼容。
• （4）802.11c：于1999年推出，也被称为桥接（Bridging）。其定义了无线网桥的操作和协议，允许连接不同的无线局域网。
• （5）802.11d：于2001年推出，也称为无线区域拓展（Wireless Regional Area Network，WRAN）或动态频谱访问系统（Dynamic Spectrum Access System，DSAS）。
  其允许无线设备在不同的国家和地区之间进行无缝漫游，并根据当地规定的频率和功率要求进行调整。
• （6）802.11f：于2003年推出，也称为无线分布式系统（Wireless Distribution System，WDS）。其定义了一种用于构建无线网桥和无线扩展器的协议，以实现无线网络的扩展和覆盖范围的增加。
• （7）802.11g（Wi-Fi 3）：于2003年推出，与802.11b（Wi-Fi 2）兼容。其在2.4GHz频段运行，将OFDM应用到2.4GHz频段上，于是2.4GHz频段也有了54Mbps的速率。
• （8）802.11h：于2004年推出，也被称为动态频谱选择（Dynamic Frequency Selection，DFS）。其为无线设备引入了一些频谱管理机制，以避免对无线电通信系统的干扰，并可以根据当地规定的频谱要求进行调整。
• （9）802.11i：于2004年推出，也被称为无线局域网安全增强（Wireless LAN Security Enhancements）。其引入了一系列安全机制，如高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），以提供更强的数据加密和认证保护。
• （10）802.11e：于2005年推出，也被称为无线多媒体扩展（Wireless Multimedia Extensions，WME）。其引入了一些QoS（Quality of Service）机制，以提供对不同类型流量（如音频、视频和数据）的优先级控制和资源分配。
• （11）802.11k：于2008年推出，也被称为无线局域网增强（Wireless LAN Radio Resource Management，RRM）。其提供了一些机制和接口，用于网络中的无线设备进行更有效的管理和资源分配。
• （12）802.11r：于2008年推出，也被称为快速漫游（Fast BSS Transition，FT）。其允许移动设备在不同的接入点之间进行快速和平滑的漫游，以实现无缝的无线连接。
• （13）802.11n（Wi-Fi 4）：于2009年推出，引入了MIMO技术，该技术允许更多的天线创建更多的数据流。这也是Wi-Fi天线越来越多的原因，因此最大传输速率可达600Mbps。并同时支持2.4G和5G两个频率，也就是后来所称的“双频Wi-Fi”。
• （14）802.11o：于2012年推出，也被称为无线局域网传输增强（Wireless LAN Media Streaming Enhancements）。导入多重输入输出(MIMO) 和40Mbit通道宽度(HT40) 技术，是802.11a/g的延伸版。其为音频和视频流传输提供了优化，以提供更好的媒体流畅性和质量。
• （15）802.11ac（Wi-Fi 5）：于2013年推出，只支持5GHz频段，但打破了千兆速率屏障，并且支持8x8 MIMO。2013年推出的第一版支持80MHz频宽，最高速率达到3466Mbps；2016年的第二版还支持160MHz频宽和多用户MIMO（MU-MIMO），最高速率达到6933Mbps，远远超出民用宽带的速率。Wi-Fi 5路由器所支持的2.4GHz频段是采用了Wi-Fi 4技术。
• （16）802.11ah：与2016年推出，也被称为Wi-Fi HaLow。其使用900 MHz频段，是一种专为低功耗、长距离和大规模连接的无线局域网（WLAN）应用而设计的标准，但与其他标准相比，802.11ah的数据传输速率较低。适用于许多物联网应用，如智能家居、农业监测、工业自动化和智慧城市等领域。
• （17）802.11ax（Wi-Fi 6 / Wi-Fi 6E）：第一版应用“Wi-Fi 6”于2019年推出，可以同时支持2.4G和5G频段，不仅提升了速度还降低了延迟，除了有160MHz频宽，8x8MIMO外，还同时支持更多新技术，如：MU-MIMO、OFDMA、TWT、WPA3等。在2021年又推出Wi-Fi 6的扩展（Extend）版本“Wi-Fi 6E”。Wi-Fi 6E在802.11ax基础上将可用的频谱扩展到干扰较少的6 GHz频段，以提供更大的容量和带宽。虽然Wi-Fi 6E也是基于IEEE 802.11ax标准的扩展，但不是所有支持Wi-Fi 6的设备都支持Wi-Fi 6E，设备需要支持6GHz频段的无线芯片和硬件才能使用到Wi-Fi 6E。
• （18）802.11be（Wi-Fi 7，待定）:该标准正在进行最后的讨论和修改，预计2024年将进入“Final WG Approval”（“WG”意为“Working Group”，工作组）阶段，得到IEEE 802.11工作组内部的最终批准。理论最大传输速率可达30Gbps。相比于Wi-Fi 6，Wi-Fi 7新增支持6GHz频段，并将信道最大带宽提升至320MHz，单符号传输12bit（4096QAM），并且将UL/DL MU-MIMO技术的最多可支持通道数量提升至16。是目前公认的最有可能成为“Wi-Fi 7”的候选标准。

以上就是802.11标准的大致的演化流程。总的来说，IEEE 802.11工作组的工作对于推动无线通信技术的发展和应用具有重要意义，为用户提供了可靠和高效的无线网络连接。在过去的几十年中，IEEE 802.11标准经历了多个版本的演进和改进，以适应不断变化的无线通信需求。每个版本都引入了新的技术和增强功能，提高了无线网络的性能和容量。最后通过一张表^{3 4}，简单总结一下Wi-Fi 4~Wi-Fi 7的指标提升差异：

第二章 近代Wi-Fi的核心技术

上一章详细介绍了Wi-Fi技术及其标准的演进历程，从早期的802.11标准到如今的Wi-Fi 6、Wi-Fi 6E甚至Wi-Fi 7标准，Wi-Fi技术的持续发展不仅改善了速度和覆盖范围，还引入了许多新的技术。下面将进一步介绍最近两代Wi-Fi协议的核心技术细节，以了解它们如何实现更高的速度、更稳定的连接、更高的容量和更好的性能。

2.1 Wi-Fi 6核心技术

Wi-Fi 6设计之初就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、高密场馆、室内高密无线办公、电子教室等场景以及未来4K/8K/VR等大带宽视频的承载。所以Wi-Fi 6继承了Wi-Fi 5的所有先进MIMO特性，并新增了许多针对高密部署场景的新特性。相比上一代Wi-Fi 5，Wi-Fi 6拥有“两高两低”四大优势⁴：

• （1）高带宽：同时支持2.4G和5G频段，而不是像Wi-Fi 5路由器的2.4G频段实际为Wi-Fi 4。另外采用1024-QAM高阶调制、最大支持160MHz频宽，速度快近3倍。
• （2）高并发：智能分频，多台设备并发连接，4倍容量提升。
• （3）低时延：支持多设备并发，大幅减少排队等待，时延降低2/3。
• （4）低功耗：引入目标唤醒时间（TWT）技术，终端设备按需唤醒功耗降低30%。
  下面来介绍一下其使用的几个关键技术。^{5 6}

2.1.1 OFDMA频分复用技术

Wi-Fi 6之前，数据传输采用的是OFDM模式，用户是通过不同时间片段区分出来的。每一个时间片段，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据包（如下图(a)⁵）。Wi-Fi 6则引入了更高效的数据传输模式OFDMA，它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。Wi-Fi 6标准仿效LTE（Long-Term Evolution），将最小的子信道称为“资源单位(Resource Unit，RU)”，每个RU当中至少包含26个子载波，用户是根据时频资源块RU区分出来的。故从总的时频资源上来看，每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送（如下图(b)⁵）。

OFDMA相比OFDM实现了更细的信道资源分配。这可以更好的贴合室内Wi-Fi数据传输的场景，一些小包报文在传输时无需等待当前时刻用户发送完数据，即可立即加入到当前信道来进行传输，这显然可以提高报文的传输效率。RU数量越多，发送小包报文时多用户处理效率越高，吞吐量也越高，下图展示了OFDMA在多用户场景下的仿真收益⁵：

2.1.2 DL/UL MU-MIMO技术

常规的MIMO可以称为SU-MIMO（Single-User MIMO），其虽然可以通过多链路同时传输的方式，提升路由器与客户端设备之间的通讯速率，但在同一时间和同一个频段内，路由器只能够与一个客户端设备通信。那么即使客户端设备无需完全占用所有的空间流，那路由器也无法将多余的空间流资源分配给其他用户（如下图⁶ (a)）。而MU-MIMO（Multi-User MIMO）则通过给不同用户分配不同的地址，允许路由器同时与多个设备通信，而不是依次进行通信，提升了整个系统容量。

注意到上图所示的都是下行链路（down-link），即DL MU-MIMO。实际上，DL MU-MIMO在Wi-Fi 5就已经引入，但只支持DL 4x4 MU-MIMO，而Wi-Fi 6不仅进一步增加了空间流数量，可支持DL 8x8 MU-MIMO（最多与8个用户同时传输），还新增了上行(up-link，UL)的UL 8x8 MU-MIMO（最多支持8个用户同时上行传输数据），提升多用户并发场景效率，大大降低了应用时延。如下图⁵ 给出了下行/上行多用户模式调度顺序图，不同的颜色块表示不同的空间流。

需要注意的是，不要将MU-MIMO和OFDMA混淆。OFDMA支持多用户通过细分信道（子信道）来提高并发效率，而MU-MIMO支持多用户通过使用不同的空间流来提高吞吐量。下表⁵ 是OFDMA与MU-MIMO的对比：

2.1.3 1024QAM

Wi-Fi 5采用的256-QAM正交幅度调制，每个符号可以传输8bit数据，而Wi-Fi 6则提升到1024-QAM，每个符号可传输10bit数据，于是单条空间流数据吞吐量可以提高25%。

2.1.4 空分复用技术（SR） & BSS Coloring 着色机制

这项技术主要是针对多个无线接入点（Access Point）之间的同频干扰问题。一直以来，Wi-Fi采用CSMA/CA（载波侦听多路访问／冲突避免）机制，即每次在传送数据之前，会监听无线信道上有无其他AP也在传送数据，如果有，先避让，等下个时间段再传送。这意味着多个AP工作于同一信道时，由于采用轮流单独通信的方式，会大幅降低网络容量。

而Wi-Fi 6中则引入了一种新的同频传输识别机制——BSS Coloring（Basic Service Set coloring）机制。为每个AP“着色”，即在PHY报文头增加6bit的标识符区分不同AP，这样一来，当路由器或设备在发送数据前侦听到信道已被占用时，会首先检查该“占用”的BSS Coloring，确定是否是同一AP的网络。如果颜色相同，则认为是同一BSS内的干扰信号，发送将推迟；如果不是，则不用避让，从而允许多个AP在同一信道上运行，从而有效缓解多路由场景下同信道干扰退避的问题，提升频谱资源利用率。⁵

2.1.5 扩展覆盖范围(ER)

Wi-Fi 6标准采用的是Long OFDM symbol发送机制，每次数据发送持续时间从原来的3.2us提升到12.8us，更长的发送时间可降低终端丢包率；另外Wi-Fi 6最小可仅使用2MHz频宽进行窄带传输，有效降低频段噪声干扰，提升了终端接受灵敏度，增加了覆盖距离。如下图⁵ （802.11ac为Wi-Fi 5，802.11ax为Wi-Fi 6）。

2.1.6 目标唤醒时间(TWT)

最后就是Wi-Fi 6针对功耗做出的优化。Wi-Fi 6采用一种叫TWT（Target Wakeup Time，目标唤醒时间）的功能，允许终端设备在不进行数据传输时进入休眠状态。此外，Wi-Fi 6的AP还可以设定TWT 编排计划，将STA（客户端设备）分组到不同的TWT周期，从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间，对采用电池供电的终端来说，可节省高达7倍的电池功耗⁴ 。这对于许多物联网应用，如智能家居、农业监测、工业自动化和智慧城市等领域意义非凡。

2.2 Wi-Fi 7核心技术

目前，2019年推出的Wi-Fi 6（802.11ax）已经稳步地运用到商业市场，不仅Wi-Fi 6路由器是目前各大路由器厂商的主力产品，绝大部分手机、平板、笔记本等消费终端也都已经支持Wi-Fi 6。Wi-Fi 5的路由器等消费级电子产品已经鲜有新品问世了。但是本着“通信技术发展总比产品落地领先十年”的理念，目前IEEE和Wi-Fi联盟，早在2018年7月就开始进行Wi-Fi 7标准（802.11be）的研究，预计发布时间2024年5月。

为了给XR、8K视频、社交游戏和元宇宙等带来新的活力，从Wi-Fi 7开始，Wi-Fi技术的发展方向和应用场景已逐渐从单AP转向多AP，并实现更高吞吐，更低时延的目标，下面简单介绍几项Wi-Fi 7主要技术特征⁷ ：

• （1）更大的信道带宽：Wi-Fi 7在Wi-Fi 6仅支持160MHz的基础上，将单个信道的最大波段频宽扩展到支持320MHz，以容纳更多的子载波数量，使吞吐量翻倍。
• （2）更多的空间流：相比于Wi-Fi 6最大支持8条空间流，Wi-Fi 7将最大支持16条空间流，最大吞吐量继续翻倍。
• （3）更高阶的调制方式：Wi-Fi 7的调制方式也从Wi-Fi 6的2048QAM升级到4096-QAM，单符号传输14bit，相比于Wi-Fi 6，吞吐量再提升16%。
• （4）支持Multi-RU：上一小节提到Wi-Fi 6中的OFDMA技术，可以为每个用户分配资源块（RU），来提升频谱效率。但这些RU的分配只能是连续的，也就是在同一时刻，每个用户只能够得到一个RU，这很不灵活。于是Wi-Fi 7中新增RU分配方案，将允许将多个连续和非连续的RU分配给单个用户，这样可以显著提高频谱效率和总体网络吞吐量。
• （5）多链路聚合：Wi-Fi 6协议虽然已经支持自动切换通信频段（比如路由器设置中的“多频合一”），但传输数据时还是在单个频段进行通信，并且实际使用“多频合一”时，有时还会因为过于频繁的自动切换频段而导致上网体验下降。于是Wi-Fi 7做出升级，支持用户同时并行使用多个频段，比如同时使用2.4GHz，5GHz，6GHz信道来传输数据。也就是说，Wi-Fi 7将支持不同的频带间进行链路层面上的聚合和协作，并降低流量切换时的开销，使同一时间片段上的队列数据可以同时在多条链路上并发传输，极大地提高网络吞吐量。

• （6）多AP协同工作：之前的Wi-Fi协议都规定了多AP场景下的切换协议，但对AP之间的协作关系却没有过多定义。所以若用户处于两个AP中间的范围，则会由于AP的切换而导致“一瞬间的卡顿”，甚至会由于反复切换严重影响上网体验。针对这种问题，Wi-Fi 7标准则定义了多AP协同的机制，对于单用户可以同步支持多个AP节点的信号输入。也就是说，一部手机所接受的Wi-Fi信号可以同时由多个信号源（如路由器）提供，这样就可以实现Wi-Fi信号的动态稳定，从而消除这“一瞬间的卡顿”。如下图所示⁸ ：

从目前最新的市场反馈来看，Wi-Fi 6标准在较短的时间内已经成为市场主流的Wi-Fi技术，但Wi-Fi 6的数据传输速率并没有比Wi-Fi5提升很多⁹ 。对于日益增长的AR/VR、8K高清视频直播等业务，Wi-Fi的性能需要有新的技术支撑推动标准的升级换代，相信Wi-Fi 7的时代会很快到来。

第三章 Wi-Fi 与5G的融合

目前，几乎每个人每天都会有在手机上来回切换“手机流量”以及“Wi-Fi”的经历，比如有时候刷短视频忘记打开“Wi-Fi”可真是让人痛心，可以说，“手机流量”和“Wi-Fi”已经成为我们目前上网的两大方式，那为什么这两种技术没有融合呢？其实早在在1999年~2000年间，就有人提出2G将替代Wi-Fi的观点；2008年~2009年也出现了4G将代替Wi-Fi的猜测；现在也有人讨论5G代替Wi-Fi的话题⁵ ，但实际上5G与Wi-Fi的应用场景模式是不相同的：Wi-Fi主要用于室内环境，而5G作为一种广域网技术主要应用在室外场景。Wi-Fi以其流量便宜的特点，一直是蜂窝网络室内覆盖的补充，所以Wi-Fi 6技术和5G技术是互补的，都能够提升我们的上网体验。这两种技术的区别与联系又是什么呢？本章将一一介绍。

3.1 5G和Wi-Fi 6的区别

移动通信早期2G主要承载语音业务，而早期Wi-Fi 1/2/3主要承载数据业务，所以在当时的应用场景下两者基本上是互补关系。但从3G时代大量承载数据业务开始，到4G时代移动互联网应用的蓬勃发展迎来移动数据量的爆发性增长。在人流密集的高铁站、体育场馆、商场、咖啡厅等场景，4G和Wi-Fi 4/5出现了一定程度的竞争。随着VoIP技术（一种用于在互联网上进行语音通信的技术）的成熟，许多场景下Wi-Fi也对语音业务进行了一定程度的渗透，逐渐形成了4G和Wi-Fi 5两种技术既竞争又互补的应用格局。

总体而言，4G偏重移动性应用和广域网场景，而Wi-Fi 5则偏重高带宽和局域应用场景。随着5G和Wi-Fi 6技术的互相学习和互相追赶，预计未来两种技术的主战场不会发生变化，但是可能产生细分差异：

• （1）5G除了适用于传统移动性要求高场景外，预计还会侧重于低干扰、高QoS、高安全、低延时、海量连接等场景。
• （2）Wi-Fi 6则更可能倾向于大带宽、低移动性以及对组网成本、业务资费比较敏感等应用场景。

总结为下表⁶ ：

而在技术层面，5G和Wi-Fi 6的主要技术都是OFDMA，甚至用户面编码上都采用了LDPC。可以说两种技术越来越趋同，频谱利用率也非常接近。但是由于偏重的应用场景差异，一些细微的技术差异仍然存在：

• （1）网络覆盖范围：5G网络技术室外覆盖范围大，但由于其采用超高频频谱（5G网络频段：24GHz~52GHz；4G网络频段：1.8GHz~2.6GHz，不包括2.4GHz），衰减严重，不能覆盖到所有场景（如大楼地下室）。而Wi-Fi的单个AP虽然覆盖范围小，但可以通过有线连接的方式将AP部署到任意位置。
• （2）网络容量：5G的优点在于它的载波聚合技术，提升了频谱利用率，大大提升了网络容量，但这并不意味着5G网络可以无限量接入。随着物联网时代的到来，入网设备的数量也在大幅提升，为了降低基站塔的负担，不可能让所有上网设备都直连区域内的基站，此时就必须依靠Wi-Fi来做分流。
• （3）Wi-Fi速率高于5G速率：移动设备厂商宣传的5G最重要的3个特征是高速度、大容量、低时延，但Wi-Fi 6速率比5G还要快：Wi-Fi 6单流峰值速率1.2Gbps，而5G网络峰值速率为1Gbps。并且平均来看，Wi-Fi每升级一代所用的时间大约只是移动网络的一半左右，所以从Wi-Fi 6开始，其速率会持续领先于移动网络。
• （4）终端类型：办公、物流、商业、智能家居等各行各业都在走向无线化，而要想接入互联网，就需要给所有的终端设备都配备一个“手机SIM卡”。这在未来海量机器类通信的场景下是不可能实现的，所以目前在室内场景下，5G是不可能取代Wi-Fi的。
• （5）移动端电池耗电：为保证服务质量，当信号变差时移动端会自动增加发射功率，这就会导致电池耗电量增加。由于Wi-Fi的信号源基本是在室内范围，而5G信号在室外几十公里外的基站，这样就导致移动端上传数据时，Wi-Fi的传送距离远远小于5G信号，耗电量也会相应减少。以4G为例，使用网络数据半小时，Wi-Fi会比移动网络节省5%的电量⁵ 。

最后，下表⁶ 从具体技术指标的角度，列出了5G和Wi-Fi 6的主要区别。

3.2 5G与Wi-Fi 6的融合应用场景

虽然上述介绍了5G与Wi-Fi 6的差异，但通过将这两种通讯技术紧密融合、取长补短后，其所具备的各种先进技术会优化整个网络通讯能力，更好地满足新型业务需求，进而为用户提供更好的体验感，为社会带来更大的经济收益。下面就来列举3个5G与Wi-Fi 6融合应用场景，来说明蜂窝网络与Wi-Fi技术相互融合的巨大前景。

3.2.1 节目录制专网¹⁰

目前，影视拍摄制作公司大多数采用传统生产方式，录制节目时使用有线网络回传信号，节目机位移动性受高清传输线距离限制，存在人力消耗大、资源消耗多、制作效率较低等问题，急需使用5G接入来优化回传路由，助力影视行业数字化转型，打造完善的产业链。

根据影视公司节目录制中的痛点，中国联通在长沙马栏山文创产业园二期采用超低延时视频采集终端及专用芯片，结合边缘云的技术，搭建5G+Wi-Fi 6融合试验专网。系统架构如下图所示：

图3-1 节目录制5G+Wi-Fi 6专网方案

低码流和高码流分别通过5G和Wi-Fi 接收和发送，并在5G核心网处聚合。导演、编剧等可随时随地利用边缘云上部署的云监看软件来监看和编排拍摄情况。后期制作人员在云上对高码流进行收录，存储，文档管理等一系列动作。现场测试效果反馈良好，视频画质稳定，时延可控。由于采用的是专网覆盖方案，网络的安全性和对存储的灵活性与可拓展性也能得到了最大限度的保障，同时边缘云在本地为用户提供有力的算力支撑。

该项目成功突破技术壁垒，在业内首次实现多路视频编码无线回传的需求，助力节目视频内容录制生产模式的数字化转型，提升企业经营效率和竞争力。

3.2.2 自动巡检专网¹⁰

5G+Wi-Fi融合网络能为自动巡检专网应用提供多层次性能需求和不同成本的业务覆盖选项。浪潮5G智能工厂位于山东省济南市浪潮孙村产业园，拥有服务器领域第一条信息化高端装备智能制造柔性生产线。工厂里的巡检机器人存在巡检机器人控制、巡检视频回传两类网络业务：

• （1）巡检机器人控制包括机器人自身环境视频回传、控制信号下发和反馈等业务环节，具有极低时延、极高可靠等特点。因此，5G是最适合的承载方式。
• （2）巡检视频回传是针对车间设备的实时高清巡检画面回传，未来将逐步从1080P到4K、8K等演进，从传统摄像头向全景摄像头升级，它需要尽可能高的上行带宽的能力，但时延和可靠性要求相对较低，因此，这类业务可以采用Wi-Fi 6承载。

中国联通联合浪潮建设的“5G+Wi-Fi 6”的新一代融合网络，为巡检机器人提供更大上行带宽的无线连接。如图所示：

图3-2 自动巡检5G+Wi-Fi 6专网方案

在车间现场边缘侧部署地图共享、路线规划、调度管理等应用，后台人员可通过5G网络对巡检机器人进行远程实时控制，针对熟化车间设备进行重点巡查。同时巡检机器人搭载高清摄像头，通过Wi-Fi 6接入无线网络回传实时高清巡检画面、设备信息等数据，系统通过对采集到的数据进行人工智能分析，判断熟化车间内设备是否存在异常。
浪潮5G智能工厂通过建设5G+Wi-Fi 6网络基础设施，个性化深度定制研发周期从18个月缩短至3-9个月。

3.2.3 家庭场景的融合应用¹¹

现在的家庭网络，已经不再像从前那样仅仅是几台手机和笔记本电脑的连接，随着智能家居设备的应用越来越丰富，家庭中需要连接无线网络的设备越来越多。目前新一代Wi-Fi 6技术的理论最高传输速率近10Gbps，而目前普及的宽带接入速率在100~200Mbps，即使是千兆光纤宽带也远远不及Wi-Fi 6的极限速度。于是，宽带接入便成为了家庭网络新的瓶颈。而5G蜂窝网的数据传输速率可达10Gbps、延时小于1ms，所以5G有望取代家庭里的有线宽带，成为家里Wi-Fi 6局域网的宽带接入来源。

而为了将5G作为接入源，一些主流路由器厂商已将Wi-Fi 6和5G两项技术进行了融合，生产出了新的CPE（Customer Premise Equipment）无线终端接入设备，用于接收无线路由器/无线AP/无线基站等无线信号。和过去的路由器需要接入光猫分出来的网线不同，CPE可以通过插入独立的SIM卡，把5G信号转换成Wi-Fi 6网络或有线网络，进而让其他上网终端或智能设备能够通过Wi-Fi或有线接入获得5G网络的服务。示意图如下：

图3-3 Wi-Fi 6+5G CPE组网示意图

第四章 总结

本文的工作可以归纳为以下几个方面：

• （1）第一章介绍了Wi-Fi技术从无线局域网技术开始逐步发展的里程碑事件，并简单介绍了IEEE 802.11工作组所制定的一系列Wi-Fi标准。
• （2）第二章则介绍了Wi-Fi 6、Wi-Fi 7两代标准中的关键技术，帮助大家理解了一代又一代Wi-Fi技术是如何不断地提升吞吐量、降低时延的。
• （3）第三章则介绍了生活中最常见的“蜂窝网络”、“Wi-Fi”这两种上网方式，首先介绍了其应用场景和技术指标的不同，然后通过3个例子介绍了未来5G和Wi-Fi 6融合使用的巨大前景。

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1. B站“假如科技”，“【Wi-Fi科普】wifi名字来源/发展历史/Wi-Fi6协议/2.4G与5G频段” ↩︎

2. CSDN博客，“【无线网络技术】WiFi演变史” ↩︎

3. 华为论坛，“Wi-Fi 6” ↩︎

4. B站“有木聊科技”，“WiFi6是什么？要换WiFi6路由器吗？【WiFi6上篇】”、“深入浅出WiFi6的核心技术【WiFi6下篇】” ↩︎ ↩︎ ↩︎

5. 华为Wi-Fi 6(802.11ax)技术白皮书 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎

6. 中国联通Wi-Fi6技术白皮书 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎

7. 华中科技大学硕士论文，周谋成，“基于下一代WIFI的VR业务传输优化研究” ↩︎

8. B站“差评君”，“连WiFi6我都还没用上，WiFi7就出来了？【差评君】” ↩︎

9. 期刊，“Wi-Fi6之后的Wi-Fi技术趋势” ↩︎

10. 中国联通5G+WiFi6融合技术白皮书（预览有点糊，下载很清晰） ↩︎ ↩︎

11. 期刊，“浅谈WiFi 6+5G技术在家庭组网中的应用” ↩︎