WiFi6与5G技术的性能对比与应用分析

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2019.16.144

WiFi6与5G技术的性能对比与应用分析

郑磊

(锐捷网络股份有限公司 福州福建 350002)

①

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，供各类相关人员决策参考。

（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2MHz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 GPP 5G

国际电信联盟(ITU)对5G的规划汇总需求，如图2所

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，不再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的主要差别如表1所示，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

①作者简介：郑磊(1977，6—)，男，汉族，福建南平人，本科，高级工程师，研究方向：无线通信，包含WLAN，物联

网，移动通信，交换网络等。

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表1 802.11ac与802.11ax区别

802.11ac

物理层改进

频带信道带宽OFDM调制OFDM符号长度OFDM子载波间隔OFDM符号保护间隔MIMO空间流最大链路速率

5GHz, 2.4GHz(802.11n)40MHz@2.4GHz,160MHz@5GHz最大256QAM3.2us312.5kHz0.4us，0.8us86.9Gbps

信道访问改进

基本信道访问随机信道访问无竞争访问MU技术MU传输模式分片聚合

高效率物理层公平性

CSMA/CADCF，EDCAPCFMU-MIMO仅下行MU静态

A-MSDU,A-MPDU，不可分片　

2019 NO.16Science and Technology Innovation Herald科技创新导报802.11ax

5Ghz & 2.4GHz

40MHz@2.4GHz,160MHz@5GHz最大1024QAM12.8us78.125kHz0.8us,1.6us,3.2us89.6Gbps

OFDMA与CSMA/CA混合UL OFDMA与CSMA/CA混合触发式UL OFMDAMU-MIMO，OFMDA支持上下行MU灵活调制

A-MSDU,A-MPDU，可分片2个EDCA设置参数

OBSS(重叠服务小区)管理

干扰管理多AP空间复用功率管理

NAV，RTS/CTS，TXOP调制无休眠节点等

两种NAV设置，静默期

可自适应功率、灵敏度门限，BSS ColorTWT(目标唤醒)，增强型微睡眠

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表2，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，

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表2 我国5G新增频段

运营商Sub-6GHz电信3400~3500MHz联通3500~3600MHz移动

2515~2675MHz 4800~4900MHz

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在移动性上明显优势，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

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Beyond-6GHz

24.75~27.5GHz 37~42.5GHz (实验中，未分配)

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地进行休眠，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，成为绝对大头。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

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2019 NO.16Science and Technology Innovation Herald科技创新导报表3 不同场景下的应用需求评估

场景/需求主要终端类型性能要求时延覆盖移动性建网/使用成本运营要求

室外

5G网络可以

移动终端，M2M

满足需求

5G网络可以 满足需求5G网络可以 满足需求

无明显要求

5G基本满足需

求；部分景区5G满足要求5G使用费可接受无明显要求无法满足

5G基本满足需

求，高铁预估5G满足要求5G使用费可接受无明显要求性能依然较低

5G基本满足需

5G满足要求5G使用费可接受无明显要求

求

交通移动终端无明显要求

商业移动终端，M2M无明显要求

高密会场移动终端

5G网络无法满部分视频，转播5G覆盖满足 足高峰需求等有时延要求需求

无明显要求5G使用费可接受无明显要求

医疗

5G网络可以 满足部分需

移动终端，M2M求，但大量时延要求较高

M2M设备需要额外建网5G网络可以

移动终端，M2M

满足需求

5G覆盖满足 需求

WiFi需要优部分网络使化才能满足5G使用费可接受用者需要有需求网络控制权WiFi需要优网络使用者

终端多，5G使用

化才能满足需要有网络

费较高

需求控制权部分网络使无明显要求5G使用费可接受用者需要有

网络控制权WiFi需要优网络使用者

接入终端过多，

化才能满足需要有网络

5G使用费用高

需求控制权部分网络使无明显要求5G使用费可接受用者需要有

网络控制权网络使用者

终端多，5G使用

无明显要求需要有网络

费较高

控制权

生产

部分业务

5G覆盖满足

时延、带宽要求

需求

较高

酒店

移动终端，PC，M2M

5G网络性能可以满足需求，

M2M有时延要求5G覆盖不足

但存在PC类业务需求接入

5G网络无法满

M2M有时延要求5G覆盖不足

足需求，

家居

移动终端，PC，M2M

宿舍

移动终端，PC，M2M存在较多PC需游戏业务延迟要

5G覆盖不足

要连入求高

教育PC，M2M

存在较多PC，

有一定时延

M2M设备需要

要求

采用WiFi连入

存在较多PC，业务量大，5G

难以满足需有一定时延 求，M2M设备要求需要采用WiFi连入

5G覆盖满足 需求

企业办公

移动终端，PC，M2M5G覆盖满足 需求

网络使用者

WiFi满足需终端多，5G使用

需要有网络

求费较高

控制权

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元之间，4G室内放装型微基站的最终价格在1500~3000元之间，整体运营商商网络的成本远大于WiFi网络成本。

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图1(a)传统802.11网络 图1(b)802.11ax网络

图1 802.11网络互扰示意

图2 5G工作目标

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。

对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

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2019 NO.16Science and Technology Innovation Herald科技创新导报图3 802.11ax与5G性能总体对比

图4 全球联网设备增长

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。

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

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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

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图5 全球IP流量增长趋势

图6 WiFi网络总体成本

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高效。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

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2019 NO.16Science and Technology Innovation Herald科技创新导报图7 运营商支出比例

图8 5G与WiFi的优势场景

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

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