纯干货 | 5G和Wi-Fi,有什么本质区别?

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查看466 | 回复11 | 2024-2-29 10:07:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

注:本文转自知乎,作者是徐方鑫博士。

WiFi和5G如果展开来说的话,区别还是挺多的。不过要说到本质区别的话,笔者觉得是两点:

• 设计的目标不同(包含了性能指标和成本)

• 协议设计的起始点不同,具体体现为如何兼容先前协议

我们知道无线网络协议,实际上都是人来制定的。其与一般的自然科学不同,网络协议并不是单纯的追求性能的卓越,而更多的是需要关注到成本,前后兼容性,法律法规以及商业的博弈(比如说技术专利)等等。

所以,我们关注不同协议的时候,都最好从其最初的出发点来分析,这样会比较好一些。

从大体上而言,Wi-Fi和5G的技术特征有很大部分是近似的。说的不好听一些,实际上Wi-Fi在追着移动通信(4G/5G)的影子向前发展。比如说,Wi-Fi 6中的OFDMA技术,在4G LTE的时候就被移动通信采用了。

但是从技术细节上而言,Wi-Fi和4G/5G还是有很多的本质上的不同。

我们首先从设计目标上谈谈两者的区别:

** ****设计目标不同**

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我们知道目前无线网络传输中包含了很多的协议,比如说Wi-Fi,4G/5G,Bluetooth,Lora等等,不同的协议其实本身设计初衷就不同。

按照上图所示的划分,根据覆盖距离的不同,无线网络可以分成近场网络(Proximity),个域网 (WPAN),局域网(WLAN)以及广域网(WWAN)。

其中近场(Proximity)大概是10米左右的范围,包括了NFC,RFID之类的协议。

个域网(WPAN)为100米左右的场景,主要为Bluetooth之类的协议,初始是用于一些携带设备的连接。

无线局域网(WLAN)主要就是Wi-Fi了,那么目标是在于1000米以内的通信,实际距离还要比这个小,一般也就200米以内。

然后就是无线广域网(WWAN),覆盖距离要求比较高,要是公里级别的覆盖面。而且不同协议的设计初衷不同,其面对的成本要求也就不一样。

故在网络协议设计的初始的时候,具有不同的设计目标,导致其采用的技术手段不一样

不过,随着协议的不断发展,从设计目标而言,其差异就越来越小,而且很多协议会针对多个方向并行发展。

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如上图所示(参考:IHS Markit - Connectivity Technology Competition Drivers and

Influencers.pdf),我们在协议初始的时候,还算是泾渭分明的。

但是,到了近几年,不同的网络协议交叉越来越平凡。比如说,基于LTE核心网的NB-IOT技术从M2M/IOT Cellular跨度到LPWA里面,Bluetooth的最新版本也变成的mesh版本,从而其覆盖面积也增加了很多,不仅仅是原来的个域网的差别。

5G协议的目标,可以分成三个场景:eMBB、URLLC、mMTC。

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图参考华为《5G Network Architecture :A High-Level Perspective》

• eMBB(Enhanced Mobile Broadband):这一类比较贴近于终端用户侧,也就是大部分人能够感受到的。在5G时代,用户的理论峰值速率最高能够到10Gbps,一般情况下,用户实际使用速率在1Gbps左右。

• mMTC(Massive Machine Type Communications):此类是IoT场景,我们说IoT场景的主要对象是传感器,而这些传感器一般都是周期性的反馈信息的,而且周期一般可以比较长,但是传感器的基数是很大的。

• uRLLC(Ultra-realiable and Low-lantency Communications):这一类主要是对延迟非常敏感的业务,这里的对延迟敏感是相比传统的语音业务还要敏感,比如说无人车控制,无人机控制等,若出现大于1ms以上的延迟,导致控制信号没有传递到位,可能就会出现撞车之类的故障,所以这也是5G非常关键的场景之一。

Wi-Fi 6 协议的需求,还是主要关注到无线传输方面,而且更多的是技术类的需求。比如说,Wi-Fi 6(即802.11ax)最核心的关注,是密集模式下的吞吐量提升至少4倍,而且能耗上相比传统的802.11要好很多。

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参考Aruba - 802.11ax白皮书

从需求上而言,5G的需求要比Wi-Fi协议的需求多很多。

通过本节我们可以认知到,每一个无线协议初始时根据其不同的应用场景,进行了泾渭分明的设计。但是不同协议在往后发展中,相似点会越来越多。其设计出发点还是根据市场主流需求而言的,但是每个协议必然还会存在差异,这点是由协议的发展导致的兼容性问题所带来。

**█ **设计的起点不同 (即如何兼容先前协议)

我们前面讨论5G和Wi-Fi协议的设计需求,而且也说明了协议是不断演进的。但是不同协议间还是存在很多差异,其中最主要的就是兼容机制的设计。

5G协议族的兼容主要在终端和基站的关联层面。在无线接入过程中,由于5G有独立频段,所以无线接入层面可以避免不同协议版本间的冲突

5G采用自上而下的总体架构。所谓自上而下,主要是说其是一个系统级别的设计,首先分析设计目标,然后分模块实现功能,最后构造出一个完整的系统。

移动通信协议能够采用自上而下的总体架构,主要是源自于其频带划分,每一代移动通信协议实际上都有其授权的频段。通过这样的方法,可以有效减少协议不同协议族间的交互问题,比如说2G,3G,4G间的交互问题。在无线侧,也就是无线资源这一个平面,2G设备不需要跟3G和4G设备竞争。

所以,在移动通信协议中,讨论兼容性主要是骨干侧部分。

5G的兼容有两部分组成,一部分就是终端芯片,同时可以支持3G/4G/5G,这个芯片支持实际上是通过多个基带执行的,这个多基带技术直到现在在Wi-Fi中才被引入,即RSDB技术。另外一方面,其兼容可以体现在其NSA和SA的接入模式上,如下图所示:

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参考NI的《3GPP Release 15 概况》

Wi-Fi的兼容机制主要体现在无线接入过程

802.11采用自下而上的总体结构。在持续演进的协议版本中,每一个新的版本在无线侧都需要考虑到对之前版本的兼容性。

比如802.11g,802.11n,802.11ac 以及802.11ax的相关设计中,最主要的原因是802.11协议都是工作在相同的频段下。我们通常所用的Wi-Fi所包含为802.11a/b/g/n/ac协议(单个无线路由器),其中802.11b/g/n工作在2.4GHz频段上,802.11a/n/ac工作在5GHz频段上。

由于协议工作在相同频段上,每一次新版本的协议,就必然要考虑如何设计兼容之前版本,从而引入一些新的技术对之前的协议做改进。

那么Wi-Fi 6是怎么做到兼容的呢?

我们一般知道,802.11采用的是CSMA/CA的竞争机制,不过如果再往下考究,其实最底层的是类似于BTMA(busy tone )的接入机制,其中busy tone对应到802.11中,就是NAV机制。

NAV的基本思路是发送一个预约帧来预约之后的一段信道时间,此时间内,信道是被占据的,所有的节点都被置为虚拟载波监听的状态

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我们用上图解释NAV机制,节点STA2首先竞争胜利,此时其传输的是RTS帧。节点STA 1接收到CTS之后,该CTS不是我所请求所获得的,从而STA 1会将CTS数据帧的duration给提出,并设置在自己本地的NAV(Network Allocation Vector)上。若NAV没有倒数到0,那么其会主动悬挂其随机回退计数值,在NAV没有倒数到0之前,其随机回退计数值不再继续倒数。当STA 2接收到CTS后,其发现该其是之前发送RTS的反馈。故节点已知信道空闲,在等待SIFS后,STA 2发送数据。当数据传输完成之后,AP向STA 2反馈ACK,从而最终完成一次传输。

当节点被置为NAV之后,那么其后一段时间都是被保护的。这一个机制除了能被用在我们举的RTS/CTS例子,也可以被应用在兼容模式中,包含了802.11b/g的兼容机制,PCF和DCF的兼容,Phased coexistence operation (PCO)之类的技术都是,还有就是最典型的TXOP机制。

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我们用这个图简化说明下。我们可以看到,整个信道被分成两块,一块是contention period,一块是TXOP。这两块就是通过NAV机制进行分割的,节点通过发送特定的帧(比如Qos Null,QosData或者WiFi 6的TF帧)来开启一个TXOP时间,那么在这个TXOP时间内,可以运行不同的机制,比如说802.11ax中引入的OFDMA接入机制,如下图。

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所以,802.11协议设计之初,就设计了不同工作模式间,控制的机制,保证协议在升级或者更新的时候可以持续运行。

但是这一点却也导致,802.11协议始终要带着以前的很多机制,比如说关于QoS部分,相比802.11协议和5G协议,其QoS的性能也就差很多。

** 技术上的区别**

那么下一个部分,我们再谈谈Wi-Fi和5G上技术的差异(目前先挑几个典型来讨论):

1. “帧结构,最主要是无线信令和信元部分。(MAC和PHY层)

我们说信令主要是控制部分,信元主要是数据部分。Remark:4G/5G中也有帧和子帧的概念,不过和802.11里面的概念不一样,所以打引号强调下。

首先谈谈Wi-Fi的部分,Wi-Fi是采用帧结构的,所以信令和信元是连在一起的。我们可以认为信令主要是部分物理层头部和MAC层头部,信元主要是上层的Payload。一个无线帧是由以下几个部分组成,包含了物理层头部(PLCP Preamble),MAC层头部以及上层的Payload。如下图所示:

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在MAC header的FC位里面,存在一个type字段,这个type字段指明了这个帧具体是什么类型,而且由于包含了地址之类,所以接收方当接收到完整数据帧之后,根据其头部做解析,然后考虑这个帧下一步如何处理。

比如说,如果是管理帧(比如beacon),那么就是提取element的信息,然后做下时钟同步之类的。如果是数据帧,那么就要解析出来以后往上层丢。

我们这里之所以要强调type字段,主要是关于服务访问点 (SAP)这个的实现方法,其中一种实现方式就是通过type字段

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这一点设计也保证了802.11协议具有分布式特性,而且也是best-effort追求的一种简洁的特性,主要我竞争到信道,我就可以发送,不需要之前的一些协商工作。

那么关于5G部分,5G还是采用了通信网的架构,那么通信网中在无线这一侧并不是采用之前提到的这种“帧”结构,其控制层面是通过不同的信道来区分的,那么对应而言,其服务访问点(SAP)的实现方式就是通过这种信道映射来实现的。其中有的信道是用来做控制,有的信道是用来做数据

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如上图所示,其中上层(包含MAC和Transport)中的部分信道,实际上对应到的是逻辑信道,代表了具体的控制信息或者数据,然后物理信道部分则代表了特性的时频资源,比如说下图,其不同的颜色即代表对应的不同的信道,不同的信道功能都不一样,所实际在使用时,其不是通过type字段来判断功能的,而是通过对应的时频位置。

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节点通过在特定的时频资源上,采用不同的解调方式进行解调,获取信息,从而达到解调的目的。

2. 物理层的信道估计和同步机制,即pilot设计的不同(PHY层)

pilot的一个意思是飞行员,但是在无线通信中,我们一般认为其为导频,是一个向导,通常被用来做信道估计和同步。

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Wi-Fi的pliot其实分两个部分,部分1为LTF,这个是物理层头部的最后一个部分,采用2个OFDM内的全部子载波,用来做精确的频率同步和symbol同步,同时也测定了所有子载波的信道系数,用于做均衡。然后部分2为PSDU,也就是物理层对应数据部分,其每间隔一段取了一个子载波作为pilot,主要用于修正星座图,比如采用CPE之类的参数,然后一次性对星座图进行旋转然后修正。

4G/5G中的同步信号和Wi-Fi同步信号选取的不同,比如说下图是一个4G的同步信号。

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5G除了以上的同步信号以外,还有其他不同的同步信号,比如测定CSI的CSI-RS信号,从结构上而言,已经和Wi-Fi很近似了。

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在5G NR中还有一种preamble based的结构,这种结构已经更加和Wi-Fi类似了。

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那么我们谈谈为什么要有不同的pliot结构,主要要考虑到无线的传输工作环境了。

由于Wi-Fi的子载波比较宽,所以能够以带宽直接抵抗多普勒效应,而不用做太多补偿。但比如4G/5G,其预设场景容易出现多普勒效应,而且其子载波比较小(5G中有多种子载波带宽大小),因此需要用特殊的导频图案持续追踪做修正。

3. 无线侧的随机接入过程不同(PHY层)

5G NR的随机接入机制和4G差不多,不过总体流程上多了一个SS Block,也就是波束选择的过程。

不过我们这里主要讨论的随机接入过程,5G接入实际上还是基于码的一种随机接入方式。

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参考http://ctw2018.ieee-ctw.org/files/2018/05/5G-NR-CTW-final.pdf

整个过程是典型的4个msg。然后每一个终端都有一个预设的码本,里面有很多设计好的序列。通常msg1是节点告知基站,我需要传输,然后msg2反馈节点,得知该信息,并通知节点在特定的位置告知其待传输信息的多少(实际上就在做RRC协商),然后节点在特定位置上反馈msg3。

此时msg3是有可能发生冲突的,如果两个及两个以上节点在同一个时频位置上反馈msg3,那么就是冲突,如果没有冲突的话,那么基站反馈msg4,从而此次竞争完成。

这里的msg3和msg4的协商过程中,已经协商好了节点传输所需要的时频资源,实际上完成了OFDMA传输所需要的竞争。

Wi-Fi的OFDMA接入是采用CSMA/CA+NAV+UORA的竞争机制来完成OFDMA传输的

首先谈谈CSMA/CA,如下图所示(内容是之前写的文章里面的,直接搬运了),

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• 当STA 1与STA 2相继存在数据,需要在竞争信道进行发送时,其首先需要 "等待" DIFS时间,若DIFS时间内,信道保持空闲状态,那么就可以进行backoff过程。

• 若STA 1与STA 2进入backoff过程时,其首先需要从竞争窗口(Contention window)选择一个随机数,在802.11协议中,默认的初始竞争窗口为31,即随机回退计数值的范围即是[0,31]。在上图中,STA 1则是选择了8,而STA 2选择了2。

• 在backoff 过程中,每经过一个slot time,节点会 "监听" 一次信道,若信道空闲,则相应的随机回退计数器的值减1。如上图中,经过3个slot time后,STA 1的随机倒数计数器从8递减至5,而STA 2相应从2递减至0。

• 当节点的随机倒数计数器倒数至0时,节点竞争获得信道,从而可以发送数据。如上图,STA 2获得信道后,发送PACKET A给AP。在AP接收到数据后,会采用CRC机制对数据进行校验,若校验通过,AP会在SIFS后,反馈ACK确认帧。

• 当STA 2成功发送完数据, "等待" 了SIFS的时间之后,AP会向节点反馈ACK确认帧。当STA 2成功接收到ACK帧之后,这一次传输完成。

• 当这一次传输完成后,节点需要再次 "等待" DIFS的时间后,重新开始backoff过程。若节点刚刚发送完数据,那么在backoff过程开始时,需要重新从竞争窗口中选择一个随机数进行倒数。若节点没有发送数据,那么直接从上一次的倒数结果继续倒数。如上图中,STA 1没有竞争到信道,那么在Wi-Fi 6 当中,基于CSMA/CA的机制,AP首先发送一个TF帧(也就是代替上图中传输的data过程),开启了一个TXOP时间(从而开启一次UORA竞争),并且TF帧中会说明了哪些资源是可以被竞争的。

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在UORA中,会使用一种频域的back-off技术 (即OFDMA back-off,OBO)。在OBO中,一开始终端会选择一个随机数,然后AP会发送一个竞争类型的触发帧,其中还包含了本轮可用的RU数量。终端会将自己的随机数减去本轮的RU数量,直到减为0。如果终端利用随机数相减之后,本轮值为0的话,那么相当于竞争成功,终端将会随机选择一个RU进行占据。如果本轮相减后,没有为0,那么相当于本轮竞争失败,那么会保持这个数值,下一轮进行继续相减。

Remark: UORA的细节部分可以参考:802.11ax前瞻17:UORA上行随机接入机制(UL-OFDMARandom Access),我就不贴过来了。

同样的,最后我们还是要补充下,在5G中也存在LBT机制的传输了,这点也会近似于Wi-Fi,所以两者的设计还是慢慢接近的。

**** **结语**

以上我们讨论了一些关于5G和Wi-Fi区别比较大的地方,其中主要还是通信网络和Wi-Fi网络存在的区别。但是我们发现,在很多方面,两者已经逐渐近似了。

从大体上而言,Wi-Fi的技术是在向5G靠齐,或者说一直都是跟着移动通信技术来进化,比如OFDMA。

但是技术细节上,两个协议还是有差异,比如说Wi-Fi的OFDMA有256个子载波(20MHz信道),相同带宽情况下,4G/5G的子载波数更多。

这样的技术差异,最终会体现在价格因素上。所以即使大部分主体技术会趋近,但是每一项技术在具体实现的时候,根据不同协议的不同需求,还是会存在差别。

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1084504793 | 2024-2-29 10:34:38 | 显示全部楼层
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7788 | 2024-2-29 11:05:14 | 显示全部楼层
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bzhou830 | 2024-2-29 12:32:56 | 显示全部楼层
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sansui | 2024-2-29 13:33:36 | 显示全部楼层
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物联网 | 2024-2-29 14:05:13 | 显示全部楼层
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WT_0213 | 2024-2-29 14:42:47 | 显示全部楼层
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lovzx | 2024-2-29 14:44:56 | 显示全部楼层
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wurong | 2024-2-29 15:07:51 | 显示全部楼层
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hdydy | 2024-2-29 19:29:24 | 显示全部楼层
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