纯干货 | 5G和Wi-Fi，有什么本质区别？

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**  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。  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。**  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。  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:  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**。  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。  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。  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：  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**。  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**。  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。  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。  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。  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。  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。  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。  参考[http://ctw2018.ieee-ctw.org/files/2018/05/5G-NR-CTW-final.pdf](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），  • 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。  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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