5G 与 WIFI6 的对比

Posted 2021-07-06 范桂飓

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文章目录

• 目录
• 前言
• 概览
• 5G 的优点
• Wi-Fi 6 的优点
• TCO 对比
• 应用场景对比
• • eMBB 场景
  • • 理想速率
    • 覆盖范围
    • 用户体验
  • uRLLC 场景
  • mMTC 场景
  • • 理想速率
    • 覆盖范围
    • 连接数量
    • 功耗
  • 调度协调
  • 建站成本

前言

一直以来，蜂窝网络与 Wi-Fi 之争没有停息，彼此势均力敌，一个主室内，一个主室外。

随着 5G 时代室内场景越来越重要，这场技术之争必将更加激烈。未来到底将如何发展，只能让市场和时间来给出答案了。

概览

5G 的优点

1. 工作于运营商授权频谱，可提供更出色的可靠性和更好的可预测性，能满足关键型任务的通信需求。
2. 5G 支持 eMBB、mMTC、Critical IoT（关键型任务物联网）和工业 TSN，支持的用例比 Wi-Fi 更广泛。
3. 5G 可基于单一网络支持端到端的 QoS 区分。
4. 5G 有着严格的设备互操作性测试和认证过程。
5. 5G 也可通过非授权频谱（NR-U）来卸载非关键型任务的流量。
6. 5G 支持完全的移动性，可提供广域覆盖和本地覆盖，而 Wi-Fi 6 仅限于本地局域覆盖，且只能支持有限的移动性。
7. 5G 具有涵盖完整系统架构的端到端规范，而 Wi-Fi 主要限于第 1 层和第 2 层。
8. 5G 支持低、中、高频段，可通过低频段和中频段来实现良好的覆盖，也可通过毫米波高频段来补充容量需求，以及实现更低的空口时延和更高精度的室内定位，但 Wi-Fi 6 仅限于支持中频段，且支持带宽受限。
9. 与 Wi-Fi 6 不同，5G 提供端到端的安全性和全局身份管理。

Wi-Fi 6 的优点

1. Wi-Fi6 的调制解调器比 5G 调制解调器更便宜。
2. 部署更容易。
3. 某些操作系统（e.g. ios 13）更喜欢 Wi-Fi，因为手机总是优先自动连接附近的 Wi-Fi 网络，而不是蜂窝网络。
4. Wi-Fi6（包括 NR-U）工作于非授权频谱，不受频谱授权限制，人人都可用。

TCO 对比

以一个仓库的无线网络部署为例，对比了 Wi-Fi 5 与 4G 网络的 TCO 成本。该仓库面积为 25 万平方英尺，共连接 1000 个设备（平均吞吐量为 80Mbps），主要用例为基于低时延、大带宽网络使能智能机器人自动拣货和搬运。

采用 Wi-Fi 5 技术，该仓库需部署 160 个 Wi-Fi AP、10 个 PoE 交换机；而采用 4G 技术，该仓库需部署 40 个 Small Cells 以及核心网相关设备，加上安装、布线，以及后期产品支持、服务和现场维护等，该报告指出，Wi-Fi 每平方英尺的总成本比蜂窝网络高 22%。

除了成本优势，考虑两种技术带来的附加值也很重要。由于 5G 网络比 Wi-Fi 6 具备更高的可靠性，更广的覆盖能力，更好的移动性，且支持更多用例，因此未来能给企业带来更多的价值。

应用场景对比

eMBB 场景

理想速率

5G 的 eMBB 场景，由于物理层采用 256QAM 调制方式，FR1 频段带宽 100MHZ，FR2 频段带宽 400MHZ，天线数量多达 64T-64R 等，理想下行速率可达 20Gbps，上行速率达到 10Gbps；
Wi-Fi6 采用 1024QAM，带宽最高 160MHZ，天线数量最多 8T-8R，理想上下行速率为 9.6Gbps。

覆盖范围

覆盖范围和发射功率强相关。

• 宏站：一个室外 5G 基站发射功率可达 60W，其覆盖是公里级的；
• 小站：在室内一般会采用小基站，为了降低覆盖成本其发射功率一般不超过 10W，5G 单个容量小区的覆盖范围在五千到一万平米、一到两层楼。
• AP：Wi-Fi6 AP 国家的认证要求发射功率不超过 0.2W，可以覆盖一个大会议室或者一个大办公室的几个房间，覆盖范围约五百到一千平米。在室内，5G 小基站的覆盖范围差不多是 Wi-Fi6 AP 的十倍。

用户体验

典型的室内小基站天线一般是 4T-4R，实际速率是 1.5Gbps-2Gbps；Wi-Fi6 AP 最高可以是 8T-8R，实际速率至少为 3Gbps-4Gbps。所以，单设备的性能 Wi-Fi6 会优于 5G。

前面提到，室内 Wi-Fi6 比 5G 的单设备覆盖范围差不多相差十倍，这样平均到每个平米、每个人，5G 的性能可能不到 Wi-Fi6 性能的十分之一。国际电信联盟认可的用户体验速率在 0.1-1Gbps，而同样常规的 2T-2R Wi-Fi6 终端体验速率可以达到 1~1.5Gbps。所以，Wi-Fi6 更适合室内高带宽。

uRLLC 场景

5G 引入了灵活的帧结构设计，帧结构可以采用多址参数（上下行配比、子载波带宽、系统带宽等），灵活适配不同需求。4G 采用的静态帧结构，5G 采用的是可配置的静态或半静态帧结构，实现上下行灵活子帧的配置，可提高频谱效率降低时延。相比 4G，5G 引入了更短的子帧长度，最短可缩减到 4G 子帧长度的 1/7， 结合边缘计算技术和新型网络架构，可有效满足国际电信联盟 1ms 的用户面时延需求。Wi-Fi6 目前还没有针对降低时延引入改进的技术，但相比于 Wi-Fi5，由于 OFDMA 以及 TWT 技术的存在，可以推测出其对用户等待时间方面有改善。

mMTC 场景

理想速率

5G 的 mMTC 场景，预期将使用 NB-IOT 和 eMTC 作为大连接的物理层空口技术。

• NB-IOT 总共消耗带宽 180KHZ，调制方式为 BPSK、QPSK 及 GMSK，采用划分给 GSM 或 LTE 网络的频段部署，理想上下行速率为 250kbps。
• eMTC 载波带宽为 1.4MHZ，物理层技术与 LTE网络一致，部署于 LTE 网络的频段，理想上下行速率 1Mbps。
• Wi-Fi6 使用的 OFDMA 和 TWT 技术同样具备物联网场景的功能。在 160MHZ 带宽条件下，理论上允许 74 个设备接入，而 160M 带宽的速率为 1200Mbps，平均分到每个设备的上下行速率可达 16.2Mbps。

覆盖范围

• NB-IOT 的设计目标是在 GSM 基础上覆盖增强 20dB，下行依靠增加重传次数获得覆盖增加，上行通过增加功率谱密度和最大重传次数来增强覆盖；

• eMTC 的设计目标是在 LTE 基础上增加 15dB，使用的覆盖增强技术和 NB-IOT 相同；所以 NB-IOT 和 eMTC 的覆盖范围都强于现有的 LTE 网络基站。

• Wi-Fi6 参照 NB-IOT，将其能量集中在信道中更窄的 2MHz 子信道 RU 中，通过提升上行功率频谱密度来提升上行覆盖，未来也利于其从室内走向室外，这是为未来部署智慧园区等铺路。Wi-Fi6 工作频率更高、空间衰减更快，工作带宽也更大，功率谱密度偏低，综合来看，Wi-Fi6 的覆盖范围不如 NB-IOT 及 eMTC。

连接数量

NB-IOT 和 eMTC 下行使用 OFDMA 多址技术，上行目前采用 SC-FDMA，未来在 R16 版本中拟规定非正交多址的上行多址方式。

• NB-IOT 的连接数量是每站点 10 万个。
• eMTC 也能达到每站点 5 万个连接数。
• Wi-Fi6 的 OFDMA 技术允许在频域将载波划分为多个 RU 单元，并规定至少 26 个子载波为一个 RU。理论上 160MHZ 带宽下可以划分为 74 个 RU，可实现 74 个用户终端在同一个符号时间内接入 Wi-Fi6 AP 站点，在单站点连接数量上 Wi-Fi6 不如 5G mMTC 技术。如果按区域面积来计算，由于该区域内的 WiFi6 路由器数量无法统计，没有办法得出准确的连接数量对比结果。

功耗

在低功耗上，NB-IoT 和 eMTC 采用相同的技术，包括：PSM（power savingmode，省电模式）、eDRX（DiscontinuousReception，扩展的不连续接收）和延长周期定时器，其使用电池供电可实现续航 5~10 年。

Wi-Fi6 主要通过 TWT 技术设备终端休眠，它可以准确地告诉设备何时将其 Wi-Fi 无线电设备置于睡眠状态以及何时将其唤醒以接收下一次传输，减小终端功耗。但这种功耗减小只是相对于 Wi-Fi5 而言有优势，与 5G 的低功耗技术相比还是相距甚远。

调度协调

从接入网对接入终端的调度协调方式看。

• 5G 采用的是基站来总负责协调，划分了专门的控制面功能，用核心网络的控制面功能指挥协调大量终端。
• Wi-Fi6 则采用了 “协调+竞争” 的方式。Wi-Fi5 以前完全是竞争即 CSMA/CA（多路访问/冲突避免），终端数量较多时，各个终端会竞争与 AP 通信；这就是大家经常在万人大会上看到无线信号很强、但是无法通信的原因。因为 Wi-Fi5 是完全竞争机制，大量的设备竞争冲突使得传输效率急速降低。Wi-Fi 6 则引入了 OFDMA 和 TWT 机制，无线 AP 可以协调终端的收发行为，让整网的传输更有序，最大可能地减少冲突。

建站成本

• 5G 基站包括 CU、DU 和 AAU单元，目前 CU 正在推动采用通用服务器结合软件定义的虚拟网元的方式来部署，DU 单元仍然不可避免使用 FPGA 芯片，未来 DU 单元功能标准化后可采用 ASIC 芯片，AAU 单元包括大规模有源天线和物理层功能，除了这三个单元之外还需要前传和中传连接的光纤资源，建站部署成本很高；
• 整套 Wi-Fi6 芯片都是 ASIC 芯片，成本低于 FPGA 芯片；光纤入户或者进入企业后，只需要购买整机 Wi-Fi6 AP 即可实现部署，成本相对基站而言非常低廉。