5G和WiFi6的故事

待我秋来九月八,我花开后百花杀
5G移动通信网络 generation mobile networksIMT-2020信道编码高通和华为NSA标准和SA标准
WiFiWiFi的历史WiFi的连接WiFi的含义WiFi6传输技术多天线上下行技术

5G和WiFi

5G

随着不断的信息、新闻的短讯息轰炸,我们身边无论是人还是物,都在无时无刻宣告着5G时代的到来
5th generation mobile networks 第五代移动网络

移动通信网络 generation mobile networks

1G时代,手机只能用来打电话,典型代表大哥大
2G时代,手机便可以开始上网,这时我们可以接收短信、彩铃,可以玩玩简单的文字游戏

在这时,90年代,不同的国家和地区,移动通讯的标准并不统一,甚至差异很大。
美国IS-95CDMA系统、欧盟使用GSM系统,日本使用JDC系统、我国使用GSM系统
这样就导致各国制造的终端设备难以通用,国际漫游也异常困难、价格高昂。

于是1998年ITU国际电信联盟(International Telelcommunication Union)牵头成立了3GPP(第三代合作伙伴计划 3rd Gemeration Partnership Project)

在2000年这一计划完成实现了3G的标准制定,从此移动通信网络真正意义上走向标准化道路。
3G时代,也就可以勉强的实现了视频通话

到了2009年3GPP又制定了4G标准,现代移动通信走向
4G时代,拥有更快的网速,让你可以边看直播还能一边与主播进行互动。

2015年10月26日至30日,在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上,国际电联无线电通信部门(ITU-R)正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议,并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”
从此我们走入了5G时代的发展道路

IMT-2020

IMT-2020框架具体包含了8项内容:

    峰值速率达到10Gbps(常规要求10Gbps,特定场景要求20Gbps)用户体验速率达到100Mbps(部分场景1Gbps)频谱效率(相对IMT-A(4G移动通信标准bai规范)的提升)3倍(基本要求3倍,本分场景可高于3倍)移动性500公里/时时延1毫秒(空中接口)连接数密度10^6个/平方公里网络能量效率(相对IMT-A提升)100倍流量密度10Mbps/平方米

框架提的第二年,3GPP正式开始了对5G的标准研究与制定。

标准主要依靠3GPP的数百个成员,例如华为、高通、中兴等等,还有各种运营商和设备商,任何成员只要获得了4位成员的支持就可以发起一项标准的提案,在会议中讨论该提案是否能通过,此时就需要各巨头厂商之间的对抗和斡旋了。

信道编码

2016年,3GPP内就出现了两大信道编码提案的交锋,这就是高通主导的LDPC编码和华为主导的POLAR编码。

那么什么是信道编码呢?

5G和WiFi6的故事

一个典型的通信系统包含了三个主要部分,信源、信宿、信道,而我们从发射端发射的信号要在信道上传播就需要进行信道编码,同时在接收端就需要信道译码。

信道编码:在发射端对原数据添加冗余信息,这些冗余信息是和原数据相关的,在接收端根据这种相关性来检测和纠正传输过长中产生的差错。

手机的无线信号传播,就是一个典型的通信系统,当它在信道中传播时,就会受到外部环境、电磁杂波、地理因素等产生的噪声源干扰和丢失数据。
例如:
传输一个图片,这个图片就会缺少或出错某些像素,为了保护数据,就得事先对信息编码,可以把这个图片每个像素重复两次,再通过交织,把竖向像素排成横向,这样在传输时,即便连续几个像素都出错,但我们可以在信道译码时,通过去交织和解码,还是能够得到相对完整的数据图片。
当然实际的方法要复杂的多。

高通和华为

在当时的5G标准制定时,关于信道编码,高通主导LDPC编码,华为主导POLAR编码,最终谁的方案获得为标准,就能得到巨大的先发优势和不菲的专利授权费
5G和WiFi6的故事
POLAR码在理论上更具有优势,LDPC码却应用时间长更加成熟。
3GPP通过前后3次会议,最终决定:
在用于传输电话、图片的数据信道使用LDPC码(数据信道编码)
在传输中找谁打电话这类指针的控制信道上使用POLAR码(控制信道编码)

这样的博弈不断讨论和上演,在2017年12月最终3GPP敲定了第一版的5G标准——NSA标准,2018年6月公布了SA标准

NSA标准和SA标准

SA指的是独立组网(Standalone),也就是指,在5G网络架设连接时,要用专门的手机,连接专门的5G基站,基站连接专门的5G核心网,这样组成一个完整的5G网络。
而独立组网就要意味着,必须购买安装全套的5G设备,不论从财力、物力、人力方面来说对任何一个国家和地区都是一笔不小的花费,所以大多数商家更加愿意使用NSA标准。

NSA指的是非独立组网(Non-Standalone),最简单的就是直接在4G基站外再架设一个5G基站,通过中继的方式让你用上5G,但这种情况的核心网还是4G,没有提供足够带宽、无法实现最低时延、无法连接大量设备,还未达到IMT-2020框架要求,没有实现真正的5G,但是NSA作为过渡方案,先改基站、再改核心网逐渐改善,在初期会更加普遍和适合现实。

所以NSA其实就是SA的中间形态,而SA才是5G的成熟形态。

当然上面这些标准,又将会对手机终端设备厂商带来新一轮挑战。


不知不觉中,却悄悄的出现了一个与5G完全不相干的家伙,争夺了移动通信的一半天地。

WIFI的出现,使用户完全可以实现家庭宽带的无线上网需求,从此,移动数据流量减小了一大半,甚至有人直接放弃了使用流量。我们最近被5G的消息轰炸的已经了解的差不多了,但这位“程咬金”的故事又是如何呢?

WiFi
WiFi的历史

在5G爆红网络之时,我们都忘记了,曾经和移动数据平起平坐的WIFI也发展出了第六代技术,并且这次变革在WIFI历史上也可以说是里程碑的一步。

早在上个世纪八十年代,美国的收银计算机系统遇到了一个很大的问题。
他们的百货商店或是超市,在客户每次改变商品布局的时候,都要重新布线(因为那时候的收银机还是有线的),于是美国联邦通信委员会当时做出了一项裁决开放了部分频段可以自由使用,没错这就是微波频段中的ISM波段。这个波段被充分应用于科学、工业、医学、商用等领域,让无线不再仅仅适用于通信和军用。

通过在这一频段使用的无线连接电子收音机和POS机,商家们终于不再担心重新布线的问题。这一波段开发,引起了一大部分工程师的兴趣,接到这项任务的工程师们成功开发出了Wavelan,这被认为是WIFI的先祖。

然而这仅仅就是我们想要的WIFI了吗?

在早期的IEEE802.11标准下的前4代WIFI,工作的数据流量速度仅为2MB/S ,加载一个图片都要一个小时以上,这显然不能使我们快乐的吃鸡了!

WiFi的连接

一个基础的家用WIFI由一个调制调解器一边跟着光纤连接着互联网,一边连接着无线路由器
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无线路由器通过ISM波段,在手机、电脑等各种终端设备之间传输数据,实现用户的广域网连接使用。

至今,WiFi是绝大多数人在室内使用的大数据、高速传输的上网手段。

而WiFi的含义是什么呢?

WiFi的含义

1997年电气电子工程师协会开始发布了关于无线局域网的IEEE802.11系列标准
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基于这些标准开发的技术就是WiFi,而这个叫法,只是因为一个厂商联盟为了方便记忆起的一个商标名称,并没有任何实际意义。
5G和WiFi6的故事

IEEE发布的802.11系列标准具体可以分为六代
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最新的第六代标准相比于最初的第一代,不仅传输速率节节攀升,更加普天同庆的是2018年WiFi商标持有方WiFi联盟终于决定把802.11ax这种反人类的命名方式,简称为WiFi6
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那么WiFi6到底比前几代跨越出了多少呢?

WiFi6
传输技术

大多数室内使用的都是WiFi4或者WiFi5乃至于今日
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你可能遇到过这种情况:
同样连着一个WiFi,别人刷着视频,玩游戏玩到嗨,而你可能打开个网页都慢的要死,好像这个世界都对你充满恶意。

这是因为前5代WiFi一直沿用的是
OFDM正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
正如字面意思,在频谱上每个频段分多次使用,这也就限制了OFDM技术一次只能跟一台设备通讯,于是当其他人正在看直播时一直占用某个频段,而你要缓冲一个图片就要好久,反之,哪怕加载一网页的一段文字也要占用一整个通讯周期,浪费了单个通讯周期的数据传输总量,其他设备要乖乖等待,造成效率低下。

而WiFi6使用的是
OFDMA正交频分多址技术(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
可以让无线路由器在一个通讯周期内,同时和不同的设备通讯,尽可能压榨每一次通讯周期的数据传输量,让一个通讯周期的效率大大提高。

总的来说就是
OFDM的数据传输方式就像是货拉拉的货车,每次只能装载一个客户的货物,装好之后,无论多少都要发车出行。
OFDMA虽然也是固定发车时间段,但它就像是快递公司的总装货车,每次发车装载了不同客户的货物,尽量压榨了货箱的空间,再发车,不需要一个客户一个客户等待。

多天线上下行技术

不同于前几代的WiFi,WiFi6使用了
MU-MIMO上下行多用户多输入多输出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)

前代版本使用的则是
SU-MIMO 单用户多输入多输出(Single-User Multiple-Input Multiple-Output)
会根据距离无线路由器的远近关系依次单独与设备通信,浪费了路由器的实际通讯能力
例如:
一个第五代WiFi的2*2路由器,在5GHz的最大空口速率为867Mbps,也就是说它连接一台终端设备的最大有效吞吐量为650Mbps,如果此时我们连接了5个终端设备,那么每台的平均吞吐量将不会超过130Mbps,设备越多吞吐量越小,每台设备等待时间越长。

对于WiFi6的MU-MIMO技术在一个通讯周期内最多可以同时完成8台终端的数据上行和下行传输,不但显著提升了每台设备的网速,也节省了设备的等待时间(尽管第五代最后也使用了MU-MIMO技术,但仅仅支持下行传输)


WiFi6使用了
Adaptive CCA 自适应的空闲信道评估、同时支持2.4GHz、5GHz传输、8*8 MU-MIMO、1024QAM正交幅度调制、Hewhigh-Efficiency Wireless 高频率无线标准,向下兼容802.11其他标准、160MHz信道、OFDMA等技术
在这些新技术加持下,WiFi6不仅速度快、延时低、覆盖广,能稳定连接的设备量也远超前5代WiFi。

WiFi6可不是什么未来科技,而是实实在在发生在我们身边的变化,随着越来越多设备的WiFi6支持认证,再加上百兆光纤提升到千兆光纤,网络的通信通道越来越宽,身边需要连接的智能设备也越来越多,手机、电视、电脑、平板、智能家电都将通过WiFi6这一样一个改革性的平台连接到更加广袤的互联网上,只有这个桥梁越来越稳,越来越宽,才能使我们更加接近未来。

5G和WiFi

有人说5G和WiFi6是既生瑜何生亮的棋逢对手,但对我们用户来说,他们实际上是一对相互影响、相互补充的好基友。

在未来,5G将会应用到的自动驾驶、军事制导和定位、医学手术和寻找配型建立医疗数据库、或者移动网络。
而WiFi6更广泛用于要求高速的家庭上网娱乐、公司集体办公、学校学习交流等的稳定、广覆盖使用。

在外靠5G,在家靠WiFi6,这才是未来信息大革命的大势所趋!

原创:https://www.panoramacn.com
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