[导读] Wi-Fi作为一种近距离传输标准,一方面可以降低通信运营商基站的负担,另一方面,作为智能家居无线连接中心,在可见的未来里不会被取代。

Wi-Fi作为一种近距离传输标准,一方面可以降低通信运营商基站的负担,另一方面,作为智能家居无线连接中心,在可见的未来里不会被取代。

2020年,Wi-Fi 6逐渐成为手机和家庭Wi-Fi路由器的标配技术,同时越来越多的设备被互联网赋予全新的生命,泛智能终端设备也将海量接入Wi-Fi 6网络。

Wi-Fi 6沉寂多时,又被抛向公众视野,本文将站在智能家居角度,详细梳理分析Wi-Fi 6的重磅应用。

Wi-Fi的前世今生

Wi-Fi标准起始于1999年,是一种无线局域网技术,在允许的范围、权限内将电子设备通过AP(Access Point)连接至互联网。

Wi-Fi网络作为高效率的移动接入,可替代传统网线接入。Wi-Fi是物联网天然的传输网络,具有稳定、快速、低时延的特点。

历史时间轴

802.11b 标示为 Wi-Fi 1(1999年)

802.11a 标示为 Wi-Fi 2

802.11g 标示为 Wi-Fi 3(2003年)

802.11n 标示为 Wi-Fi 4(2009年)

802.11ac 标示为 Wi-Fi 5(2014年)

802.11ax 标示为 Wi-Fi 6(2019年)

2012年,Wi-Fi 5协议的第一台设备诞生,是一台双频千兆无线路由。Wi-Fi技术每4-5年一次迭代,前五代的变革主要面向带宽提升。Wi-Fi 6标准的启用,给Wi-Fi技术带来一次“技术延寿”和竞争力的大幅提升,带来“一个新的Wi-Fi时代”。

数 据

根据Wi-Fi联盟报告,2018年全球Wi-Fi贡献的经济价值为19.6万亿美元。预计到2023年,全球Wi-Fi的产业经济价值将达到34.7万亿美元。

据Intel预测,到2022年,市面上将有56%的产品支持Wi-Fi 6,预计到2023年,企业网络互联标准会从Wi-Fi 5前进至Wi-Fi 6。Wi-Fi设备年发货量达到50亿部,Wi-Fi 6的普及率继续提高。

根据全球调研机构Gartner预测,目前生产Wi-Fi 6企业的产值,将从2019年的2.5亿美元增长到2023年的52.2 亿美元,年复合增长率达114%。

针对C端消费领域,IDC预计,2020 年全球 Wi-Fi 6 市场空间超过100亿元,Wi-Fi 6销售占比将超过20%。

Wi-Fi 6的诞生

Wi-Fi 6标准技术代号是802.11ax,是IEEE 802.11无线局域网标准的最新标准。2019年9月16日,Wi-Fi联盟宣布启动Wi-Fi 6认证计划,并兼容之前的网络标准。Wi-Fi 6假设上行、下行速率对称,大幅提高传输容量和速率,专为万物互联的IoT世界而设计。

前代的Wi-Fi 4和Wi-Fi 5就是目前主流的802.11n/ac,分别是我们常用的2.4G频段(150Mbps)和5G频段(867Mbps),新宠儿Wi-Fi 6将同时支持2.4G和5G频段。

Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6

Wi-Fi Alliance为了方便普通用户理解,提出全新命名规则,从之前采用 802.11 a/b/g/n/ac 命名方式,转为使用更单纯的数字表示法。把802.11ax称作Wi-Fi 6,也是Wi-Fi第一次用数字开始作为版本的标签。

认识Wi-Fi 6

Wi-Fi 6引入了多个新技术,让无线网络的通信质量、传输效率、能耗表现、延时性能和物联网优化都有提升,是一次质的飞跃。

技术应用

OFDMA正交频多分址

OFDMA正交频多分址,来自于“竞争对手”蜂窝网络,实现多个终端同时并行传输,不必排队等待、相互竞争,从而提升效率和降低时延,实现了对网络更高效的利用。

TWT优化设备功耗

TWT (Target Wakeup Time) 是目标定时唤醒时间的功能,可以理解成手机的“自动熄屏”功能,允许终端在不进行数据传输时进入休眠状态,减少持续传输以及搜索信号所需要的时间,让联入Wi-Fi 6网络中的任何终端设备更加省电。

对于使用电池供电的智能家居设备终端来说,终端功耗节约30%以上将更加友好,无论是智能锁、智能猫眼还是智能传感等,持续更长时间的系统当然是一大优势。

MU-MIMO更先进上下行

MU-MIMO是多用户多入多出技术,允许路由器同时与多个设备通信,而不是以前依次进行通信的方式。MU-MIMO允许路由器一次与四个设备通信,Wi-Fi 6将允许与多达8个设备通信。

特 性

速率数倍提升

Wi-Fi 6采用是更高阶的调制编码方案1024-QAM,可以让数据的收发更加紧密,相比Wi-Fi 5的6.9Gpbs传输速率,有接近39%的提升,使其最大连接速率提升至9.6Gbps。

不过Wi-Fi 6需要8根天线并行,才能达到9.6Gbps的带宽,我们目前使用的终端设备一般却只有2根天线,此时峰值带宽最高只能达到2.4Gbps。

在近距离相比支持Wi-Fi5标准的路由器无线峰值速率最高可提升67.3%,AP接入容量是11ac的4倍。

在数字通信领域,频宽被用来描述网络或线路理论上传输数据的最高速率,可以理解为公路的路面宽度,常见的频宽有20MHz、40MHz、80Mhz和160Mhz。

根据802.11物理层标准的数据,Wi-Fi 5(802.11ac)在160Mhz下每条数据流的最大速率为866.7Mbps。Wi-Fi 6在160MHz上每条流的最大速率为1201Mbps,在80MHz频宽下每条流的最大速率为600.5Mbps。

大部分用户会使用穿透性更好、传输距离更远的80/40/20MHz以保证网络链接的稳定,而非传输速率更强的160MHz。假设使用160MHz的频宽,居家Wi-Fi网络是很难实现普通家庭的完美覆盖的。

高密度接入

Wi-Fi之父Cees Links也认为,多用户容量是目前Wi-Fi最大的挑战。他举例道,如果用户的儿子在玩在线视频游戏,女儿在看YouTube,妻子在开视频会议,用户仍然希望点播电影没有延迟,从“能用”到“大量用户”到“大量用户+高速”,是Wi-Fi场景最大的挑战。

虽然可以使用中继扩展Wi-Fi信号,但并不能解决问题,当带宽被更多设备的共享时,因为中继器连接到路由器,路由器和中继器在同一通道上通信,会使同一通道上的流量加倍。

Wi-Fi 5的OFDM方案是按订单发车,不管“货物”大小,来一单发一趟,即便是一“小件货物”,也发一辆车,导致了效率低下,浪费资源。

而Wi-Fi 6的OFDMA新方案,将允许与多达8个设备通信,会将多个订单聚合起来,尽量让卡车满载上路,使得运输效率大大提升。

具体来说,OFDMA在频域上将无线信道划分为多个子信道,形成一个个射频资源单元,用户数据承载在每个资源单元上,而不需要占用整个信道,从而实现在每个时间段内多个用户同时并行传输数据,提升了效率并降低了排队等待的延时。

可见,Wi-Fi 6新技术的核心并不单纯是提升了单个设备的峰值速率,还更关注密集用户使用场景下,多用户高速率并发传输和平均吞吐率,是为了服务整个无线生态,这一特性与5G技术高度一致。

抗干扰能力强

Wi-Fi 6提出了一种信道空间复用技术(Spatial Reuse Technique),大大解决了此前由于信号的交叉覆盖而引起的干扰,理论上能彻底解决普通家庭的信号覆盖问题。在家居智能化联网设备较多的情况下,占用的信号干扰问题将会大大降低,用户体验会变得更好。

5G VS Wi-Fi 6:不会相爱相杀,只会和平共处,各挥所长

从4G时代便早已流传,认为5G会淘汰Wi-Fi。

目前已经正式进入5G商用时代,当下最前沿的两大通信技术是5G和Wi-Fi 6,很多人将5G和Wi-Fi 6树立成竞争对手,是否真的是既生瑜何生亮呢?

从某种意义上来说,5G与Wi-Fi 6更像是互补的伙伴,两者的应用场景不同,一个是家庭等室内环境,另一个则是户外环境,Wi-Fi是移动网络的室内覆盖补充,也承担着大流量的下载。

Wi-Fi 6无法覆盖5G的使用场景,大部分5G的应用场景在移动终端上,Wi-Fi 6需要的宽带和路由器需要相对固定的使用环境。

5G也无法完全覆盖Wi-Fi 6的使用场景,不太可能把家里的所有物联网设备,都装上基带以支持5G网络,这样成本太高,并不现实。

Wi-Fi 6和5G共同发展,将催生多元化的应用场景,互补共存,互为驱动。在外靠5G,在家靠Wi-Fi 6,5G主外Wi-Fi 6主内,肯定是今后的趋势。

Wi-Fi之父Cees Links也谈到:“我们每个人都意识到5G很重要,但是Wi-Fi在生活中的应用占总体的70%,这个数据和规模是5G的两倍。如果需要通过5G实现这些连接,运营商需要建设更多基站,投入更多成本,因此未来Wi-Fi还会存在很久,不会被5G取代。”

原因剖析

用户成本

如果5G完全取代Wi-Fi,那么运营商就必须推出真正的无限流量套餐来弥补家庭、工作场景下电脑、平板、智能家居等各种硬件的网络流量需求,否则费用会远远超出现在宽带的费用。目前看,5G上网的资费难以达到目前较低价格的光纤宽带。

运营商成本

所谓Wi-Fi就是将有线信号转化为无线信号,通过无线电波连接网络,它离不开稳定的带宽或光纤。光纤入网是国家长期投入巨资与正在规划扩展的网络基础设施,不会短时间内被放弃。

Wi-Fi之父Cees Links指出,Wi-Fi在生活中的应用占总体的70%,这个数据和规模是5G的两倍,如果需要通过5G实现这些连接,运营商需要建设很大基站,投入巨大成本,Wi-Fi不会被5G取代。

网速

网速快是5G给消费者的第一印象,但其实Wi-Fi 6更快。Wi-Fi 6的单流峰值速率可达1.2Gbps,而5G网络峰值速率仅为1Gbps。所以在整个5G时代,Wi-Fi 6的网速可能会持续稍高于5G网络,但是,Wi-Fi 6的峰值速度需要基于用户的当前宽带的带宽。

所以从技术上来看,5G比4G快是因为用到了更高的频段,Wi-Fi 6并不逊色。Wi-Fi 6变得与5G越来越像,两者在速度层面并驾齐驱,平分秋色。

组网与网络覆盖

灵活组网和网络覆盖对于5G也是挑战。5G网络的特点在于采用超高频频谱,为24Ghz到52Ghz,但频率越高,穿越障碍的能力也越弱,所以5G信号在某种程度上很容易衰弱,很难保证家庭里无死角覆盖。

Wi-Fi 6可以通过路由器和有线网络,将网络带入地下室以及建筑物中的各个角落。相比5G网络,Wi-Fi 6的网络覆盖更强,抗干扰能力也越强。

应用场景

Wi-Fi 6的应用场景与5G类似,适用于对高速率、大容量、低时延要求高的场景,包括消费级场景,如智能手机、平板电脑、智能家居、穿戴设备等新型智能终端、超高清应用、VR/AR等;服务场景如远程3D医疗;高密度场景,如机场 、酒店、大型场馆等;企业级WLAN;工业级场景如智慧工厂、无人仓储等。

Wi-Fi 6路由器

随着相应终端的规模出货,芯片、模组、千兆路由器将进一步降价,未来2-3年,Wi-Fi 6有望迅速普及,成为主流。

为了让5G和Wi-Fi 6领域双管齐下,华为重磅发布了华为新一代5G+Wi-Fi 6路由,相比于上一代产品体积缩小了将近三分之一,在保证强劲性能的同时体积和家用路由器差不多大小。

再以小米的Wi-Fi 6路由器为例,无线速率高达2976Mbps,支持最多248台设备同时连接,并且延迟和覆盖都要强于Wi-Fi5的设备。

在Wi-Fi 6的规格下,不仅满足了家庭日常物联网设备的需求,还能有多余的待机量,来应对家庭轰趴场景中,设备多且复杂的环境。

Wi-Fi 6路由器终于能说出一句:你们一起上吧!我能扛得住200个设备的同时蹂躏。

Wi-Fi 6产业链

Wi-Fi 6产业链主要分为三部分:网络整体解决方案、终端和模组厂商、芯片厂商。产业链主要价值在于设备和芯片两端。

博通(Broadcom)、Celeno、英特尔、Marvell、高通(Qualcomm)、联发科和Quantenna等都在制造预标准的Wi-Fi 6芯片组。

几家Wi-Fi厂商在资本方面也有着强烈的整合动作,2019年全球半导体的多起并购案均与Wi-Fi 6相关。

2019年3月28日ON Semi 宣布以每股 24.50 美金全现金交易收购Quantenna,以获得Quantenna 的Wi-Fi 技术和软件专利。两个月后,NXP恩智浦宣布以 17.6 亿美元的现金资产交易方式收购Marvell 无线连接业务,其中包括 Wi-Fi 业务。在2019年6月3日 ,英飞凌更是以101 亿美元的“大价钱”收购了半导体厂商赛普拉斯,前者称这项收购将使公司加速进入工业和消费市场的全新物联网应用领域。

Wi-Fi 6对智能家居的冲击

当下的通讯世界其实很拥挤,电视信号、手机信号、平板电脑、笔记本电脑等一系列数字设备,原本占用了大量空气中看不见的通讯资源。又加上任何智能家居产品,都会直接或者间接的接入Wi-Fi网络,让有限的网络资源更无法得到合理的分配。

如果你是重度智能家居用户的话,肯定拥有音箱、空调、洗衣机、电饭煲、窗帘、摄像头、智能锁、门铃、灯泡、开关等各种智能设备,应该对“该设备已离线”、“正在连接10%”、“请重试入网”等,这几句话并不陌生。

如影音娱乐的高清直播、短视频上传、在线游戏等;智慧办公的视频会议等;智慧健康的远程医疗等;家庭安防的智能门铃、智能猫眼等,都高度依赖流畅的网络,Wi-Fi 6可以更好的处理网络上的大量设备。

Wi-Fi 6+Mesh

说得通俗点,用户在使用单个路由器的情况下,网络往往无法覆盖整个房间,但也不能通过单纯增加路由器来解决这个问题,假设用户从楼上走到楼下,Wi-Fi信号无法自动切换到楼下的路由器。

Mesh网络解决了这个问题,通过多个路由器节点实现区域内的无缝漫游,可以使用单一的网络名称和密码,上网设备可以在多个节点网络之间自由切换。

Mesh路由器部署简单、灵活,拥有优秀的网络漫游体验,但仍然存在比较致命的问题:节点间组网的通讯质量及速率。简单地说,传统的Wi-Fi 5协议在Mesh组网中还是拖了后腿。

Mesh和Wi-Fi 6的强强联合发生了1+1>2的效果:Mesh提升了Wi-Fi 6路由器覆盖范围和组网体验;而Wi-Fi 6协议为Mesh网络提供了更强大的节点通讯质量。Wi-Fi 6标准的Mesh产品会成为民用路由器领域的主流解决方案,也将成为智能家居中流砥柱的产品之一。

Pod in Every Room

智能家居是依赖于Wi-Fi和物联网实现连接和通信。为实现真正互联的智能家居,Wi-Fi 6可以让所有设备可以在多个通道中与无线路由器通信。分布式Wi-Fi室内基础设施,可能会改变我们对智能家居及其与物联网IoT之间联系的看法。

Pod in Every Room也是为解决随着智能家居设备的不断接入,而造成的滞后和拥挤的网络问题。大覆盖、零布线、高速度、高性能,还拥有强大硬件作为基础,专有三频连接通道,轻松解决大户型覆盖的无线分布式路由系统。

利用Pod in Every Room架构,就无需再仅仅依靠 Zigbee 、BLE Mesh和Z-Wave,从而延长电池寿命,简化设置和故障排查流程,并降低用户成本。

采用分布式 Wi-Fi 或布置 Pod in Every Room能够更好地实现整个住宅的网络覆盖。简而言之,就是在住宅的每个房间配备一个Pod作为无线接入点。

这里的Pod可以是网关,也有可能是路由器、机顶盒、智能音箱或者传感器等。每一个Pod都连接至路由器,而路由器则连接互联网。

Wi-Fi Mesh还将以积极的方式影响物联网技术,并将成为智能家居基础设施的一部分,想象一下,每个房间都有一个独立的“Pod”或设备,比如Alexa或另一个语音助手设备。

由于这种新的架构,这些Pod还可以用作其他物联网技术的中继系统,如Zigbee、Thread或Bluetooth等协议,智能家居系统将会非常容易创建。

Wi-Fi 7标准已经上路:未来一切可能

电气和电子工程师协会IEEE正在探索Wi-Fi的新功能,帮助形成新的Wi-Fi标准802.11be,包括车辆间的连接和房屋内的移动检测,但下一个Wi-Fi标准发布至少还需要四年时间。

IEEE主席保罗·尼古利奇Paul Nikolich表示:“希望在没有任何传感器的情况下,检测人们在不同房间移动的情况。因为当用户呼吸时,会改变射频特性和信道特性,Wi-Fi甚至可以检测到用户的呼吸频率。”

总 结

每种智能家居互联技术,都有自己的目的:擅长室内内容(互联网、电子邮件、视频)的Wi-Fi,室内感知和控制网络(能源管理、安全)的Zigbee,以及连接设备和个人设备(如智能手表)的蓝牙,所有这些都由一个基础网络支持。

用户最终将不知道他们正在使用什么技术,只会感受到互联网带来的体验!如何更加高效、便捷与稳定的智能化,才是用户最关心的。此时此刻,Wi-Fi 6给智能家居带来了更多的机会。

到2022年,每户家庭的连接设备数量将增长到37台,未来伴随着AI应用的普及,视频流数据的传输,Wi-Fi 6在手机端和物联网IoT端均会成为刚需,尤其是智能家居的刚需。

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