关于IEEE802.11ax(Wi-Fi 6/6E)
撰写于2021年10月27日
作者：silex Wi-Fi专家
IEEE802.11ax是继IEEE802.11ac（2013）之后的下一代Wi-Fi标准。有时也被称为“Wi-Fi 6”或“Wi-Fi 6E”，关于专业用语、规格范围、与上一代（IEEE802.11ac/Wi-Fi 5）的具体变化，可能有点难以理解。本期将做简单的介绍。
IEEE802.11ax是继IEEE802.11ac（2013）之后的下一代Wi-Fi标准。IEEE除了“802.11”的称呼以外，还对各代的规格给予了简称，802.11ax被认为是“HE（High Efficiency）”。以前的简称如下：
802.11b (1999) HR:High Rate
802.11g (2003) ER: Extended Rate
802.11n (2009) HT:High Throughput
802.11ac (2013) VHT:Very High Throughput
802.11a（1999）没有简称，但在规格书中被称为“OFDM PHY”，是直接采用了调制方式作为名字。另外，ISM以外的Wi-Fi规格如下：
802.11ad (2012) DMG: Directional Multi Gigabit
802.11af (2013) VTHT: TV High Throughput
802.11ah (2016) S1G: Sub 1 GHz
802.11af的4个文字简称“VTHT”给人一种意犹未尽的感觉，至于802.11ah的“S1G”的名字比较简单。
IEEE802.11ax
在网上的IT新闻中，IEEE802.11ax经常被称为“更快的Wi-Fi”，但比起提高速度，更注重提高效率。具体来说，目标是数百台（※注1）的终端同时连接和同时通信时减少性能的下降。
（※注1）顺便说一下，IEEE802.11无线LAN的规格上，能够连接到1台接入点的终端的最大数量是2007台。这是因为标头中包含的元素是“以8 bit表示全长”的格式，在省电模式下表示有无向终端发送数据包的TIM元素是标头长4字节，位图最大长度是251字节=2008比特，其中bit0用于DTIM通知。另外，2007台始终是规格上的最大数量，实际上能连接几台终端取决于AP的安装规格。
无线LAN从802.11a/g升级到802.11n的时候实现了性能的大幅提高，不过，调制方式本身同样是64QAM（最大）。802.11n中提高速度的主要原因包括如下几点：
?复用空间传输路径的MIMO
?捆绑多个频道使用的频道接合
?帧聚合和块ACK，其中多个分组被集中发送
802.11ax的关键是缓解帧聚合带来的多台连接时的效率低下。为什么会发生，又为什么会缓解呢?这个话题有点长。
框架聚合及其功过
无线局域网在发送分组的前后(特别是前面)会有很多事情要做，在那里会产生时间的损失。在发送分组之前，有必要“确认一段时间内谁都没有发送”，并且在分组数据主体的前面有同步信号(前导码)和MAC报头。没有聚合的802.11g在分组数据大小为1500字节时，有效数据时间率不到50%，实测吞吐量连目录上最大比特率54Mbps的一半都不到。
帧间延迟的原理图。发送前的等待时间(IFS, Inter Frame Space)、冲突检测和重发(Backoff)、以及数据之前的前导码和报头都是损耗
聚合是指将多个数据包(子帧)集中在一次发送程序中，从而提高有效数据时间率。802.11n将聚合帧称为A-MPDU, A-MPDU的最大长度包含在接入点发送的信标的HT Capabilities元素中。长度只有3bit，解释为2^(13+A-MPDU Length)-1字节，也就是说聚合长度在8191,16383,32767,65535中四选一。现在的商业接入点大部分支持最大值3=65535。
聚合原理图。如果发送给一台STA的数据总量相同，则整合IFS和前导码的效率会更高。
聚合是提高1:1连接下最大吞吐量的有效技术，但在多台分机拥挤的环境下，会延长每台电波占用时间，恶化共享效率。总而言之，802.11n/ac的多连接带来的性能下降比802.11a/g更严重。802.11ax的主要目标是改善这个问题，为此引入的新技术就是OFDMA。
关于OFDMA
OFDM是调制(传送)方式的名称，而OFDMA是利用它的线路复用方式的名称。就像过去介绍过的那样，OFDM在调制上使用较长的符号时间，使载波(子载波)的占用带宽变窄，将数十个载波捆绑在一起同时发送，从而增加了传输信息量。OFDMA在“使用子载波增加传输信息量”这一点上也是一样的，但它不是为了提高1:1的速度，而是为了实现1:1的多路复用。
传统的Wi-Fi是时分方式(TDMA)，在某个瞬间，主机和子机是1:1的连接。向子机A的通信结束后，再向子机B进行通信，然后再向子机C进行发送。使用聚合使帧变长的话等待时间也变长，而且每次切换时帧间会产生延迟。
TDMA的原理图
OFDMA在AP→AP的下行链路和子机→AP的上行链路上的操作稍有不同。在下行链路的情况下，AP的发送顺序与没有复用的OFDM几乎没有区别。但是每个子载波不同的目的地的分组被编码一起分发。虽然分配给每台分机的带宽减少，峰值速度就会下降，但由于等待时间和切换时间减少，随着数量的增加，效率会比TDMA更高。
Downlink OFDMA的原理图
在上行链路的情况下，AP通知有数据要发送给AP的子机(多个)发送时间和子载波分配，每个子机在不同的子载波上同时发送数据。这动作听起来就像“圣德太子同时听到了7个人的控诉的传说”。
Uplink OFDMA的原理图
为了增加子载波的数量，802.11ax的符号调制时间从802.11ac之前的3.2μ秒延长到4倍12.8μ秒。与此相呼应，子载波频率间隔从312.5KHz缩小到78.125KHz，在20MHz频带中可以存储256个子载波。这被称为HE PPDU, MCS号也与802.11ac之前不同(注2)。
(注2) 例如HE-PPDU的MCS0和VHT-PPDU的MCS0都是“BPSK 1/ 2fec”，但是因为子载波间隔不同，所以不能直接兼容。
802.11ax的MU-OFDMA模式将多个子载波作为一个频道来处理，这被称为RU(Resource Unit)。RU可以从26,52,106,242,484,996中任意组合使用。一个信道20MHz，如果是26-tone RU的话，可以存储9条RU(即9台分机的同时发送)，如果是52-RU的话，可以存储4条RU，或者是26-tone RUx4+52-tone也可以以RUx2的组合方式使用。
分配给20mhz宽度的RU的示例。根据同时传送的子机的数量和各个子机所要求的数据带宽而改变组合。
802.11ax还与11ac之前的Wi-Fi兼容，在AP和旧规格的子机以1:1进行通信的情况下，11ac上位兼容的OFDM模式（码元间隔3.2μ秒的VHT-PPPDU）。U-OFDMA仅限于“与支持MU-OFDMA的多个子机同时通信时”以及“AP判断使用MU-OFDMA效率更好时”（※注4）。换言之，如果AP下属的子机连接了802.11ac以前的“不支持MU-OFDMA”设备，MU-OFDMA将很难启动。即使只将接入点和一部分子机替换为802.11ax对应，其他子机如果保持802.11ac以前的状态，也不能期待效率的提高。
(※注４) 具体来说，在什么条件下SU-OFDM和MU-OFDMA切换取决于实现。
OFDMA以外的改进
U-OFDMA是802.11ax最大的关键点，但如前所述，如果很多（理想的是所有）子机不支持MU-OFDMA，就无法发挥真正的价值。除了OFDMA之外，802.11ax还有几个新元素。
?SU-OFDM模式下的调制速率提高
在HE PPDU中追加了使用1024QAM的MCS 10、MCS 11，目录上的最大调制率最大提高了38%左右。
?延长保护间隔
SU-OFDM/MU-OFDMA都随着符号调制间隔的扩大，符号间隔（保护间隔）最大扩大了4倍（※注5），提高了在乱反射多的环境下的通信耐性。
?增加新的省电模式TWT(Target Wake Time)
这是在2台子机之间交换“下次通信的时间”的约定来调度通信，除此之外的时间可以切断通信节电的功能。原本是802.11ah导入的功能，但由于对智能家居这样的IOT设备也有效，所以802.11ax也被采用了该功能。
?改善多网络重叠环境下的有效时间率的Spacial Reuse
这个有点难说明，但是在多个接入点的覆盖范围重复的时候，由于追加了快速判断混入的电波是“自己所属的接入点还是其他网络的接入点”的标签改变对应的行为（退避判断），提高时间效率。
(※注５) 802.11ac的保护间隔为400(短)/800(长)纳秒，802.11ax有800、160、320纳秒可供选择。
其中经常被提及的是“通过1024QAM提高最大数据速率”。这也是802.11ax被理解为“更快的Wi-Fi”的原因之一，但最高数据速率提高38%是个很微妙的数字，而且1024QAM的高密度调制在实际通信环境中也能使用这还是个微妙的地方。在一般的住宅环境中，如果能在接入点周围5m以内的距离内达成目标，恐怕已经算是幸运了吧。
Wi-Fi6(E)和IEEE802.11ax
“Wi-Fi6”和“IEEE802.11 ax”基本相同，但其规定团体和定义范围不同。IEEE制定了“IEEE802”这一技术规范，而Wi-Fi联盟则制定了实现规范。两者的覆盖范围既有重叠的部分，也有不重叠的部分。例如IEEE802.11ax中定义的规范并非全部都必须在Wi-Fi6中实现，另外，对于Wi-Fi6中必须实现的WPA3安全规范，不在IEEE802.11ax的责任范围内。
2019年9月16日，Wi-Fi联盟发布了Wi-Fi 6 Certification Program，当时IEEE802.11ax规范还只是草案的第4版。因为Wi-Fi Certification Program会以兼容性测试的结果发行认证，所以即使IEEE规格制定还没有完全结束，如果现在的安装满足兼容性条件的话，就可以认可发放证书。
IEEE802.11ax规格和Wi-Fi6/6E规格的关系图
IEEE802.11ax的标准化作业完成于2021年2月9日，制式规格的公布于2021年5月19日。从作业开始到制式化之间采用了使用频带的扩大（草案4以后），规格书上的对应频率为1～7.125GHz。与此相呼应，Wi-Fi Alliance也以引进扩展规格的形式扩展了规格，并以“Wi-Fi 6E”名于2021年1月7日发表了Certification Program（又有飞行的感觉）。
Wi-Fi 6E的亮点是扩展到6GHz频带，根据地域不同，在欧洲可以使用约500MHz带宽（20MHz x24信道），在美国可以使用约1.2GHz带宽（20MHz x59信道）的连续频带。根据这个理论上3x3MIMO能达到3Gbit/sec以上的160MHz/频道更现实地能使用（※注6）以外，能达到更高的速度的320MHz/频道也作为IEEE802.11be标准被制定。
(※注６) 160MHz信道在5GHz频带也不是不能使用，不过，北美FCC也能确保的只有汇总了信道36～64及100～128的2个，而且信道52～64、100～112是雷达检测回避的DFS信道，实用有严格的要求。6GHz频带的EU规格可以确保3个，US规格可以确保7个。另外，在6GHz频带的室外使用时，根据地域·频带的不同，也有规定进行相当于DFS的AFC（Automated Frequency Coordination）的情况。
5GHz和6GHz的Wi-Fi带宽分配（美国FCC标准）。注意5GHz频带在UNII-1、UNII-2、UNII-3之间有间隙不连续，而6GHz频带是连续的。
另外，IEEE802.11be（Extremely High Throughput:EHT）不仅研究了320MHz信道，还研究了4096QAM调制，但密度为4倍（32x32→64x64），信息量仅1024QAM的10bit/符号增加到12bit（+20%），QAM矩阵密度从256开始先增加也不太适宜。
| 调制方式 | QAM矩阵 | 每符号信息量 |
|---|---|---|
| 16QAM | 4x4 | 4bit |
| 64QAM | 8x8 | 6bit |
| 256QAM | 16x16 | 8bit |
| 1024QAM | 32x32 | 10bit |
| 4096QAM | 64x64 | 12bit |
| 16384QAM | 128x128 | 14bit |
Wi-Fi6E的信道号码
在经典的Wi-Fi中，2.4GHz频带使用了1~13（仅日本14个），5GHz频带使用了36~165的信道号码。在IEEE802.11-2020规范中规定了信道编号与频率的关系（部分19.3.15），其定义为
2.4GHz: freq=2407 + 5*ch (MHz)5GHz: freq=ChannelStartFreq + 5*ch (MHz)
ChannelStartFreq进一步规定如下:
ChannelStartFreq=dot11ChannelStartingFactor * 500(KHz)
dot11ChannelStartingFactor是802.11系统的管理变量之一。此值默认为10000（即，基频为5000MHz），但其定义被称为Operating class，具体取决于系统所在的地区。Operating class的一览表显示在IEEE802.11-2020Annex E中，排列表格如下：
| 类别编号 | 基频 | 带宽 | 信道号码 |
|---|---|---|---|
| 115 | 5GHz | 20MHz | 36,40,44,48 |
| 118 | 5GHz | 20MHz | 52,56,60,64 |
| 121 | 5GHz | 20MHz | 100,104,108,112, 116,120,124,128 132,136,140,144 |
| 116 | 5GHz | 40MHz | 36,44 |
| 119 | 5GHz | 40MHz | 52,60 |
| 122 | 5GHz | 40MHz | 100,08,116, 124,132,140 |
| 126 | 5GHz | 40MHz | 149,157 |
在5GHz频带中，每一类的基频都是共通的，分配的信道号码也是从远离2.4GHz频带的36～36，所以结果仅信道号码就可以指定2.4/5GHz频带的所有频率。
那么关于Wi-Fi 6E的频道号码的定义，在IEEE802.11ax-2021规格的部分27.3.23.2中定义。freq=ChannelStartFreq+5*ch（MHz）的表达式与5GHz频带相同。但是添加到Annex E的class的定义如下：
| 类别编号 | 基频 | 带宽 | 信道号码 |
|---|---|---|---|
| 131 | 5.950GHz | 20MHz | 1,5,9,13, 17,21,25, 29,33,37... ...221,225, 229,233 |
| 132 | 5.950GHz | 40MHz | 3,11,19, 27,35,43... ...211,219 227 |
| 133 | 5.950GHz | 80MHz | 7,23,39, 55,71,87... ...167,183 199,215 |
| 134 | 5.950GHz | 160MHz | 15,47,79, 11,143, 175,207 |
基频从5GHz增加到5.95GHz，信道号码重置为使用1～。不知道为什么特意指定了与现有2.4/5GHz重复的信道号码。但是只要按照IEEE的规定，在安装和运用中需要注意在Wi-Fi 6E的6GHz频带中，“仅信道号码无法判断是2.4/5GHz频带还是6GHz频带”。
在作为接入点功能实现而广泛流行的hostapd中，hostapd.conf的hw_mode=(a/b/g)和channel=(136 ~ 165)来指定信道。对于支持6GHz的情况，在保持hw_mode=a的情况下增加op_class=设置，例如，当设置op_class=131时，信道=将解释为6GHz频带的20MHz/ch频带（1～233）。
总结
为了方便大家了解IEEE802.11ax(Wi-Fi 6/ 6e)的概况，与5G移动网相比，虽然共享“QAM调制x OFDM载波xOFDMA线路多路复用”这一基础技术，但“固定长度帧、集中的严密时间同步”的移动网和“可变长度帧、分散型同步”的Wi-Fi的基本方式截然不同。手机和无线LAN是在不同的基础技术中，互相吸收对方的优点进行改良的过程，如果能解说给大家就太好了。
采用与传统Wi-Fi不直接兼容的OFDMA是一个很大的决定，在一段时间内新旧混合的2.4/ 5GHz带宽能发挥多少效果还是个疑问。另一方面，在“新天地”6GHz频段的Wi-Fi 6E中，所有节点必然都支持OFDMA，真正发挥价值的应该是 6E以后了。在日本开放6GHz带宽的问题还在讨论中，预计将以美国FCC 1.2GHz带宽为基础，采用某种本地化的标准，标准制定预计要到2022年。
IEEE 802.11 be EHT被称为“Wi-Fi7”，预计将在2024年左右投产，但正如我在这篇博客中多次提到的，我个人认为“在无线通信中加入目录规格上的高速性能是不健康的”。无线通信不是目的而是手段，即使标榜30Gbps的速度性能，也不知道这样到底能带来什么便利。在手机的小屏幕上看120fps 8k的视频也没有实用意义吧。我期待能够活用剩余带宽的价值的创造和创新。
