破解5G WiFi，傳統(tǒng)技術(shù)+1960年代早期發(fā)明

具備Wi-Fi功能的設(shè)備無處不在。愛立信最新移動(dòng)報(bào)告預(yù)測，截至2020年，全球無線互聯(lián)設(shè)備數(shù)量將升至500億臺(tái)。因此，消費(fèi)者不僅希望能在計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能手機(jī)、電視和游戲機(jī)等不同設(shè)備上欣賞到豐富的多媒體內(nèi)容，還希望能夠提高設(shè)備的運(yùn)行速度、可靠性以及電源效率。幸運(yùn)的是，802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，或第五代Wi-Fi（5G WiFi）技術(shù)已應(yīng)運(yùn)而生，作為下一步發(fā)展的關(guān)鍵，其能夠幫助無線通信行業(yè)滿足上述需求。

 

與之前的Wi-Fi技術(shù)相比，5G WiFi在傳輸千兆吞吐量方面，運(yùn)行速度更快、效率更高。同時(shí)，其在5 GHz帶寬上運(yùn)行時(shí)，與相同帶寬上的其他802.11技術(shù)一樣支持向后兼容。此外，通過諸如傳輸（Tx）波束成形和低密度奇偶校驗(yàn)檢查（LDPC）等技術(shù)組合，它還有望解決“有限的覆蓋范圍和連接速度（例如：速率）”等越來越困擾Wi-Fi的難題。

 

為了更好地理解這一難題，我們以家庭環(huán)境中典型的WLAN設(shè)置為例，其通過無線路由器連接不同的設(shè)備（如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、打印機(jī)和電視等）。由于家中的樓層和墻壁也可能構(gòu)成連接場景里的一部分，不是家庭中的所有位置都能實(shí)現(xiàn)最佳的連接效果。大多數(shù)消費(fèi)者憑直覺采取行動(dòng)去改善連接狀況，例如，將房門打開以提高安裝在家庭活動(dòng)室中WLAN 接入點(diǎn)（AP）的信號(hào)效果。由于頻繁地改變家中的AP位置并不現(xiàn)實(shí)，我們需要采取其他方法來改善連接效果。

 

5G WiFi采用了兩種可選技術(shù)，通過提高限定范圍內(nèi)的速率或吞吐能力來加速連接性能。其中，最有效的方法就是波束成形技術(shù)，這是一種非專利技術(shù)，能夠應(yīng)用于多種設(shè)備，并可將無線連接性能提升2-3倍。波束成形技術(shù)能控制射頻能量的方向，將其引向打算要接收信號(hào)的接收器，從而提高無線連接性能（圖1）。這種技術(shù)甚至還能讓無線信號(hào)繞過墻角或穿過墻壁，從而消除Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的盲點(diǎn) 。

 

 

圖1. 借助 802.11ac（和802.11n）波束成形技術(shù)，無論周邊有多少設(shè)備，集線器或AP都能讓無線信號(hào)直接傳向需要信號(hào)的設(shè)備。與此形成對(duì)比的是，傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)只能在設(shè)定區(qū)域輻射無線信號(hào)，而該區(qū)域內(nèi)的任何設(shè)備都能接收該信號(hào)。

 

LDPC是一種正向糾錯(cuò)編碼體系，常用于確保編碼可靠性并提高編碼增益。該方法于1960年代早期發(fā)明問世，能在背景噪聲較大、數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)損壞的頻率中傳輸信息。利用該方法，我們能大幅減少噪聲通道中信息傳輸丟失的幾率，從而確保傳輸高效可靠的信息，同時(shí)也能漸進(jìn)地提高更大范圍內(nèi)的傳輸速率。

 

當(dāng)波束成形和LDPC技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，相對(duì)于802.11ac的256 QAM標(biāo)準(zhǔn)而言，其能夠提高整體的無線覆蓋范圍和速率并擴(kuò)大其連接范圍。事實(shí)上，增益提升能達(dá)6到8 dBm，帶寬提升擴(kuò)展范圍高達(dá)3倍（圖2）。此外，除了可選用連續(xù)的160 MHz通道或非連續(xù)的80+80 MHz通道之外，5G WiFi還支持80-MHz通道，這就意味著將有更多的高速線路來支持增加的流量。換言之，5G WiFi只需在80-MHz通道上使用160-MHz頻率，就能將帶寬提高高達(dá)4倍。這些做法確實(shí)能大幅提高性能，那么這對(duì)終端用戶有什么實(shí)際價(jià)值呢？

 

 

圖2. LDPC和波束成形技術(shù)相互配合，能大幅提高接收器的吞吐能力和靈敏度。

 

為了回答這個(gè)問題，我們不妨設(shè)想這樣一個(gè)典型的企業(yè)場景。例如，辦公空間位于不同樓層，且有辦公室和小隔間等不同的辦公空間（圖3）。辦公設(shè)施周邊設(shè)置一個(gè)5G WiFi 3x3 WLAN AP和幾個(gè)5G WiFi站點(diǎn)，為員工提供無線連接服務(wù)。我們利用與AP的不同距離來檢測是否使用波束成形技術(shù)時(shí)的吞吐量。距離為10米和20米時(shí)，無論是否使用波束成形技術(shù)，吞吐能力均保持不變；距離為30米和40米時(shí)，我們明顯能看到使用波束成形技術(shù)提高了吞吐量；不過，波束成形技術(shù)最大的效果是當(dāng)距離達(dá)到50米時(shí)，這時(shí)使用波束成形技術(shù)能將吞吐能力提高到157 Mbps，而不使用波束成形技術(shù)就只有87 Mbps，也就是說吞吐能力由此提升高達(dá)80%。如果再配合使用LDPC技術(shù)，那么還能進(jìn)一步提高吞吐量。

 

 

圖3. 5G WiFi波束成形技術(shù)能針對(duì)指定客戶端或設(shè)備提高連接范圍和數(shù)據(jù)速率。在本例中，該技術(shù)能將吞吐量提升高達(dá)80%。

 

消費(fèi)者對(duì)更多連接設(shè)備和數(shù)據(jù)的需求無窮無盡，而企業(yè)網(wǎng)絡(luò)則必須努力滿足更大密度的用戶需求，同時(shí)改進(jìn)用戶體驗(yàn)，因此波束成形和LDPC等高級(jí)技術(shù)如今變得更加至關(guān)重要。通過大幅提高無線連接性能，我們能為傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)向5G WiFi技術(shù)轉(zhuǎn)型鋪平道路，并為滿足未來不斷增長的需求做好準(zhǔn)備。