郑磊
摘 要：WiFi6与5G通信技术已经到来，在未来几年内，逐渐开始普及，因此有必要理清两种技术的相对优点与不足，从而指导不同场景下的网络建设。本文从两种技术的原理出发，对网络性能进行分析，通过实测与仿真，归纳两种网络的性能特性。此外，通过对终端普及度预测，以及网络运营要求进行调研，得出不同场景下，两种技术的应用趋势，并给出优化建议。
关键词：5G NR 802.11ax， WiFi 6 OFDMA
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0144-08
运营商网络与WiFi网络之争，由来已久，在每一次新技术出现并应用时，总会听到各种宣传，并将两者进行对比，但目前大部分的论述都较为片面，对理论以及应用分析不足，导致对网络建设运营的决策产生不当影响。本文期望能够通过从详细论述WiFi6与5G的技术性能对比出发，综合各类场景所需要关注的接入终端，使用性能，以及建设运营成本等，得到未来几年的网络发展预期，供各類相关人员决策参考。
1 协议解析
1.1 IEEE 802.11ax
IEEE 802.11ax 标准的主要工作目标是解决在实际密集覆盖应用场景下，提升用户的真实体验，期望在至少一种模式下，能够将平均终端吞吐性能，提升4倍，并保持能量消耗不变。因此，与之前几代协议不同，不在片面关注协议的极限聚合吞吐性能，将着重提升能够反馈真实用户提升的性能参数，例如平均用户性能，整网性能，服务质量（QOs）等。
802.11ax协议的主要改进可以归纳为3点：通过改进物理层，提升频谱利用效率，如采用1024QAM，OFDMA，以及支持更多的空间流等;在密度覆盖下，通过增加更多通信互操作性，提升频率复用率（SR），如采用重叠小区的退避差异设置，BSS区分等;改进物理层，提升弱信号、长距离下的传输健壮性，如采用更长的符号周期与保护间隔，更低的传输通带等。
802.11ax与上一代802.11ac的主要差别如图1，OFDMA与SR技术是802.11ax的最主要改善，着重进行介绍。
1.1.1 OFDMA改进
802.11ax在wifi协议中首次引入OFDMA，整个子载波被分成若干组，每组表示为具有最小尺寸为26个子载波（2MHz宽）和最大尺寸为996个子载波（77.8MHz宽）的资源单元（RU）。在用于802.11ax 的OFDMA中，使用的子载波可以分配为小到2 MHz的块或最大带宽的传输。因此，可以针对不同终端Qos要求，来调制子载波的分配，从而改进带宽与延时。
OFMDA的引入对性能的改善主要体现在三点：降低多用户之间的竞争;频谱利用效率更高;远距离终端传输性能改善。
1.1.2 AP空分复用（SR）改进
802.11ax的另一个重大改进，是引入了多AP空分复用（Spatial Reuse，SR）技术，从而使密集覆盖场景下整体网络的性能得到较大巨大提升。如图3所示，为一个典型的AP网络覆盖，采用1，6，11三个信道进行覆盖，在通常情况下，相同信道AP之间的隔离度不能满足完全阻隔的条件，如6A，6B，6C三天AP的覆盖，会产生相互影响。传统wifi采用CSMA/CA的访问技术，需要无线信道能量水平低于一定值时，才能进行空口无线传输，并且会根据无线传输报文中Duaration字段设置NAV（Network Allocation Vector，网络占用指示），从而让空口传输有序进行。这种机制在单AP覆盖下，可以很完美的工作，但对于组网而言，或者在存在干扰AP时，会极大影响网络的吞吐性能，例如，在6B AP工作时，6A AP监听到6B AP在进行传输，因此6A AP无法进行传输，需要得到6B AP传输结束后才能进行，极大降低了整体网络性能。
802.11ax的SR技术，引入了BSS Color，OBSS CCA/ED，两套NAV机制等，使多AP网络之间的干扰降低，如图1所示，6B AP在发送时，可以通过相关设置，使6A AP可以进行无线传输，从而大幅度提升网络整体容量，因此获得空间复用增益。
1.2.3 GPP 5G
国际电信联盟（ITU）对5G的规划汇总需求，如图2所示，相比4G技术，在峰值速率，用户体验速率，频谱效率，移动性，时延，连接密度，网络能效，区域业务密度等8大方面，5G提出了改进目标。可以看到相比4G，在不同场景下，各个性能均有明显提升。
5G技术主要从无线空口，网络架构，运营管理以及端到端四个方面进行改进设计，来达到设计指标。对于无线空口，主要通过更有效的频率利用技术，更具效益的密集网络部署，干扰消除与协调，动态射频拓扑优化等技术来提升无线空口性能。在网络侧采用更通用的组件式设计，如采用CU/DU/AAU三层分离架构，控制与转发分离设计等方案，并通过诸如云架构、自动/自愈化，协作管理等方式来简化5G网络的运营与管理。在端到端服务上，采用更灵活的功能架构，如网络切片、NFV/SDN等，支持大数据、AI等增值服务，并采用更强的安全与隐私策略，如控制面安全技术、非法定位/识别保护等。
5G核心技术主要包括新空口（New Radio，NR）改进，大规模天线（Massive MIMO），核心网架构分离，以及网络切片技术，下面对新空口与核心网架构分离进行介绍。
1.2.1 新空口改进
5GNR的空口改进，主要体现在对基于LTE的空口协议进行了增强与优化，以及采用新的无线频率。目前我国运营商规划采用的频率如图4，在低于6GHz频率上，都获得了100MHz以上带宽，相比3/4G，可用带宽获得极大提升。此外，未来5G还将采用毫米波频段，我国已经拿出8GHz以上的毫米波频带，用于5G实验。因此，由于5G的可用带宽大幅度增加，热点密集区域的传输性能，将得到极大改善。
1.2.2 核心网架构分离
核心网架构分离，主要指CU/DU/AAU三层架构设计，控制面与转发分离，以及业务边缘计算三大方向。5G 新型核心网架构支持控制与转发分离、网络功能模块化设计、接口服务化和 IT 化、增强的能力开放等新特性，以满足 5G 网络灵活、高效、开放的发展趋势。
5G网络通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移，使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署，从而一定程度解决了 5G eMBB、URLLC、以及 mMTC 等技术场景的业务需求。同时 MEC 通过充分挖掘网络数据和信息，实现网络上下文信息的感知和分析，并开放给第三方业务应用，有效提升了网络的智能化水平，促进网络和业务的深度融合。
2 性能对比
2.1 总体性能对比
汇总ITU给出的5G需求规格，以及802.11ax的性能参数，得到图3。可以看到WiFi再部分特性规格上已经达到5G的规划需求，特别是在高密度场景的区域业务性能密度上，远远超出ITU对5G的要求。相比WiFi，5G在移动性上明顯优势，在室外高速场景下有突出优势。
2.2 WiFi6 特性
从上述技术分析与WiFi6的规划特性看，WiFi6特别适合三类应用场景：有大量并发流量的场景，特别是有大量上行流量需求的应用;有低时延传输要求的场景;低功耗低成本M2M的局域应用。
大流量应用场景，例如智慧教学的大量视频点播，无线办公的文件传输业务，家庭内多终端视频播放。在这类场景下，WiFi6能够提供高达6Gbps的实际吞吐性能，按照UHD视频接近20Mbps的传输要求，多用户50%的吞吐降额计算，也可以支持高达150个用户的UHD视频并发传输需求。
低时延应用，例如生产现场的机器控制，AR/VR的传输等。如上述计算，wifi6提供低于1ms的双向传输延迟，此外，在保证较低时延下，还能够提供高带宽的传输，并满足AR/VR数据流的传输要求。
低功耗低成本M2M局域应用，主要是智能家居，智能建筑场景内的控制、监控需求。Wifi6相比传统wifi提供高达15dB以上的链路附加余量，相当于在室内扩大1倍以上的传输距离。从功耗角度看，相当于终端可以采用更低的功率进行传输，而保证传输距离不变，在这种应用模式下，wifi的峰值耗电能够从100mA降低到10mA级别，接近蓝牙的峰值功耗。此外，TWT技术的采用，让终端能够更有效率的进行休眠，这两种改善意味着极低的终端成本与续航能力。
3 接入终端分析
参考CISCO VNI（Visual Network Index）分析报告，如图4，未来几年M2M（机器联网）终端数量将持续快速增长，智能手机、智能TV保持一定增长，非智能手机、PC数量开始萎缩。在M2M应用中，家庭与工作场所的联网设备占据70%以上份额，并保持快速增长;在医疗、市政、车联网等领域，M2M应用增长也较快。
考虑到PC，IOT等终端的成本要求，目前只有少部分的PC，M2M设备是通过4G网络进行联网，参考2G模组到4G模组的价格变化，可以预测，未来几年5G模组的初始价格将接近500人民币，过2年回落到200人民币，而这个价格对于PC与IOT终端而言，依然过于昂贵。可以预测，未来笔记本无线接入依然以WiFi为主，而除开有NB覆盖需求以及移动性需求的广域M2M终端外，绝大部分M2M以局域无线方式接入互联网，如WiFi，蓝牙以及Zigbee等。
4 未来业务流量预期
按照流量统计，如图5，未来智能电话的流量将取代目前的PC，占据40%以上的流量，成为绝大大头。视频流量急速增长，占据70%以上的流量，在视频流量增长中，长视频点播流量占据60%以上。游戏流量增长也相当迅速，考虑到游戏单设备流量较少，总体而言，整体游戏终端数量大幅上升。此外，AR/VR应用也开始逐渐兴起，在未来占据1-2%的整体流量。
从上述统计分析，可以看出，未来几年网络面临的最大趋势是M2M终端的大量增长，以及视频、游戏业务的急速增加。新的网络需要着重考虑如何满足M2M的连入需求，以及保证网络视频、游戏业务的顺畅。
5 运营对比
5.1 成本预期
常规中大型放装型WiFi网络的整体建设成本构成，按照网络可以使用5年计算，一般如图6，设备、建设实施费用，以及能耗占用较大份额，运营维护支出较少。
运营商无线网络整体支出成本，参考图7，可以看到在总体支出中，CAPEX（资本性支出）占据20%，OPEX（运营性支出）占据80%。考虑目前企业级AP的单台最终价格通常在500-1000之间，4G室内放装型微基站的最终价格在1500-3000之间，整体运营商商网络的成本远大于WiFi网络成本。
5.2 网络运营建设方式
目前4G公共网络建设归属方大都为运营商所有，4G专网主要应用在公共事业，以及大型区域的网络覆盖，大中型企业4G专网极少。国内除开部分wifi网络为运营商建设，绝大多数为场地业主自建。
未来5G规模应用时，5G公共网络的建设归属方，依然为运营商，此外，由于5G网络微基站覆盖模式会更加流行，成本与运营难度也会下降，可能会出现部分中大型企业采用5G专网，来满足生产场所的无线连接需求。对于WiFi网络而言，由于5G协议框架已经将异构网络的接入作为设计要点，WiFI与5G网络之间的负载迁移将会更顺畅，并且考虑到多家运营商网络重复建设成本较高，部分区域可能会出现采用运营商建设wifi网络来进行流量承载。
對于大多数企事业应用而言，通常需要掌控数据网络的控制权与运营权，而5G公网一般不提供此类服务，这种情况下，只能采用WiFi专网或5G专网。
6 各类场景应用预测
从前文分析可以看到，未来5G与WiFi网络的性能都得到极大提升，但两种网络在不同场景下，根据用户应用需求、建设成本，以及终端的不同，将会采用不同的建设方案。
根据不同场景下的主要终端类型，接入性能要求，时延，覆盖，移动性，以及建网使用成本与运营要求，对5G与WiFi网络的满足度进行了评估，如表3所示。
归纳上述分析结果，根据不同场景的需求，预测不同场景下的主要无线流量通路如图8所示。室外、交通，商业中心，WiFi热点数不再有旺盛需求;酒店、宿舍，教学，企业办公以及家居，依然依靠WiFi提供主要无线通路;生产、高密会场，以及医疗，5G和WiFi将相互配合，提供更可靠的性能。
7 未来优化方向
7.1 WiFi6
WiFi6虽然在传统WiFi基础上，做了很大改善，但由于未来无线化趋势，要求无线网络能够尽可能的替代有线网络，并且性能不发生明显恶化，M2M类的应用也要求无线能够尽量满足低功耗、长距离高冗余的接入方式。此外，无线网络还能够提供更多的增值业务，如定位、AI智能交互，甚至具备无线充电能力。
目前wifi6网络性能，与有线网络相比，还不能提供足够可靠的Qos保证，主要体现在，wifi的时延不够可靠，以及容易受到干扰。下一代wifi7需要考虑如何解决此类问题，如何能够提供可靠Qos的无线网络接入。可以研究的方向包括，采用更短的报文形态，支持100us级别的交互;定义多AP之间的协商交互决策行为，多个产家AP能够进行基于无线空口，或者IP报文的信道协商、功率控制等。
在M2M应用上，WiFi6通过OFDMA 2MHz传输频宽以及DCM（Dual Sub-carrier Modulation）技术，提升了最大传输范围，通过TWT技术来降低终端的功耗。未来WiFi7，可以考虑采用更窄的传输频宽调制传输，如200kHz，进一步扩大传输范围;在天线上引入Massive mimo有源天线阵列技术，提升上下行信号强度。对于设备的节电，可以引入无线空口唤醒技术，利用特殊的前导码对终端进行唤醒，终端进行周期性短时接收，即可满足时延与节电的双重要求。
对于定位，wifi网络主要是受到Probe探测报文发送较少，以及关联到网络后，在其他频点发送较少的报文，导致定位刷新率较低，并且20MHz带宽的报文测时效果较差，导致定位精度较低。可选方案为可以采用终端直接发送80MHz以上的多信道聚合Probe，AP可以接收大带宽的全信道Probe，从而改善刷新率与距离。
对于AI类应用，可以考虑AP搭载AI引擎，移动类终端，可以将一部分计算迁移到AP上进行计算，AP网络能够代理一部分数据基础处理业务，从而让移动终端更加省电，以及数据处理更及时高校。无线充电，可以考虑利用Massive MIMO天线高指向性进行定向无线能量传输。
7.2 5G
对于5G网络而言，目前最主要的制约问题在于网络的部署成本更高，企业级的网络过于复杂化。此外，5G网络对于M2M设备而言，还存在终端成本高，功耗大的问题。对于网络的部署成本，可以考虑到通过考虑采用类似WiFi的微微基站架构，在部分区域，如室内，允许多基站之间存在一定的干扰，从而采用极为廉价的前端，通过常规往下进行接入，多基站间通过空口进行同步优化。同时，优化核心网架构，允许部分场景如盲点区，通过业主自建5G低成本基站进行覆盖，以及可以允许多个流量出口，部分应用可以配置为通过业主网络，提供企业内部的业务接入，以及针对企业内部办公员工提供此类特定地点的免费网络流量服务。
对于M2M设备，5G后续模组理论上仅需网络满足5G单独组网覆盖要求，5G模组仅需支持5G网络，而不仅需向下兼容，那么成本可以大幅度降低。由于基站的大范围覆盖，导致终端的上行功耗较大，很难采用低成本电池系统来满足，此时可以考虑通过终端代理模式，即通过能够代理其他低功耗低成本终端的高性能代理终端，来提供5G接入业务，在这种情况下，终端可以采用极低的发送功率，并且能够与代理终端通过局域唤醒来进行更进一步的节电。
8 结语
通过对WiFi6与5G技术的对比分析，可以看出两种网络在不同性能参数上各有优劣，WiFi依然能够在较低成本下，提供最高密度/容量接入，此外大幅度改善了大规模组网、M2M接入等性能;5G引入了大量的频带，有效解决了公共区域的热点覆盖问题，并继续加强了移动性，且在一定程度上降低了室内建网成本。由于视频、游戏，以及M2M业务的迅速增加，以及潜在AI，AR/VR应用的兴起，并综合考虑终端类型与运营建设成本，未来WiFi6与5G仍将相互配合，在不同场景下，发挥各自优势，满足最终用户的需求。对于WiFi与5G产商而言，都需要不断加强各自产品的吞吐、时延以及M2M接入能力，并解决在实际场景应用中遇到各类的问题，最终为用户提供最优质的互联网接入。
参考文献
[1] IEEE， P802.11ax/Draft3.0 - IEEE Draft Standard for Information Technology -- Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks -- Specific Requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications Amendment Enhancements for High Efficiency WLAN，2018，9.
[2] ITU-R， IMT Vision – framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond，2015，9.
[3] NGMN，NGMN 5G White Paper v1.0，2015，2.
[4] Erik Dahlman Stefan Parkvall Johan Skold，5G NR： The Next Generation Wireless Access Technology，2018.3GPP，Release R15 TS23/38.
[5] Laurent Cariou，Usage models for IEEE 802.11 High Efficiency WLAN study group （HEW SG） –Liaison with WFA，2013，6.
[6] Jianhan Liu，Thomas Pare，James Wang，ChaoChun Wang，James Yee，On Definition of Dense Networks and Performance Metric，2013，7.
[7] Cisco，Cisco Visual Networking Index （VNI） Complete Forecast Update 2017–2022，2018.11
[8] Cisco， Cisco Visual Networking Index： Global Mobile Data Traffic Forecast Update 2017，2022，2019-2.
