张 帆，岳超刚，任丽媛，张 笑

（杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100）

1 Wi-Fi技术发展简介

1997年6月，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）制定了无线局域网第一个标准——IEEE 802.11，工作频段是2.4 GHz，数据传输速率为2 Mbps[1]。

1999年9月，IEEE发布了802.11b、IEEE 802.11a两项标准，IEEE 802.11b的工作频段在2.4 GHz，最大数据传输速率为11 Mbps，IEEE 802.11a的工作频段是5 GHz，数据传输采用的是OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）模式，最大数据传输速率为54 Mbps。

2009年，IEEE发布了一个比较重要的标准，这个标准运行在2.4 GHz和5 GHz频段，命名为IEEE 802.11n（Wi-Fi 4），此标准还引入了其他的新特性，比如4×4 MIMO（Multiple Input Multiple Output）、空间复用、波速成型等，数据传输速率达到600 Mbps[2]。

IEEE 802.11工作组在2019年9月推出了IEEE 802.11ax标准（Wi-Fi 6）[3]，此标准引入了上行/下行多用户-多输入多输出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）、正交频分多址技术（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）、1024-QAM（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等多个新技术，理论最大数据传输速率可以达到9.6 Gbps[1-3]。

表1 IEEE 802.11系列标准信息简表

2 IEEE 802.11ax核心技术分析

2.1 正交频分多址技术

IEEE 802.11ax之前的Wi-Fi标准使用的是跳频扩频技术、直接序列扩频和正交频分复用这三种调制方式[1]，IEEE 802.11ax首次使用OFDMA调制技术，OFDMA是在OFDM的调制基础上进行了改进。OFDM调制模式是在频域内，将信道划分成很多子信道，这些子信道之间保证是正交的关系，在每一个时间段内，一个用户占据一个完整的子信道，并且完成发送数据包。

OFDMA调制形式，新增了多址技术，OFDMA将每一个子信道划分为大小固定的资源单元（Resource Unit，RU），在每一个时间段内，可以有多个用户传输数据，用户数据是承载在RU上[4]。这样，就能实现在同一时间段内，可有多个用户同时发送数据，OFDMA提高了数据传输速率。OFDM和OFDMA工作模式对比如图1所示。

图1 OFDM和OFDMA工作模式对比图

2.2 DL/UL MU-MIMO技术

IEEE 802.11ax标准采用上行/下行多用户-多输入多输出（DL/UL MU-MIMO）技术，MU-MIMO使用信道的空间分集来在相同信道上发送独立的数据流[4]，同一时间段内，接入点可以和多个终端设备交互，IEEE 802.11ax支持DL 8×8 MU-MIMO和UL 8×8 MU-MIMO，IEEE 802.11ac标准只支持DL 4×4 MU-MIMO。IEEE 802.11ax标准可以同时进行上行和下行传输数据，DL/UL MU-MIMO技术提高了多用户并发性能，减少了延迟。

2.3 1024-QAM

在QA M调制（正交幅度调制）中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。在IEEE 802.11ac标准中，采用256-QAM调制方式，每个符号传输8 bit（28=256）数据，在IEEE 802.11ax标准中，采用1024-QAM调制方式，每个符号传输10 bit（210=1 024）数据[4]，IEEE 802.11ax的传输速率比IEEE 802.11ac的传输速率提高了25%。1024-QAM技术的使用，提高了IEEE 802.11ax的传输速率[5]。1024-QAM和256-QAM的对比如图2所示[4]。

图2 1024-QAM和256-QAM的对比图[4]

2.4 双频设计

IEEE 802.11ax标准支持的2.4 GHz和5 GHz，2.4 GHz频段范围为2.412 GHz～2.484 GHz，共划分为1～14信道，如图3所示，我国使用的是1～13信道，从图3可以看出，相邻的信道之间频率重叠，干扰严重，其中1、6、11或者2、7、12或者3、8、13为相互独立的信道，互不干扰。5 GHz频段范围为5.150 GHz～5.850 GHz，5 GHz频段带宽较宽，信道较多，具有较高的传输速率且干扰较少，但是随着传输距离增加，信号衰减，穿透能力较弱，难以覆盖较远的范围。2.4 GHz频段带宽窄，波长较长，传输速率低但穿透能力强，可以辐射到边缘地区。在IEEE 802.11ax标准上使用2.4 GHz和5 GHz，完美覆盖高速和低速设备，让IEEE 802.11ax标准的使用场景更加广泛。

图3 2.4 GHz信道划分示意图

3 在IoT的使用场景

IEEE 802.11ax标准具有数据传输速率高，接入终端数量大，网络延时低等特点。在IoT中，IEEE 802.11ax标准可以应用于很多场景，比如，智能家居、智慧医疗、智慧城市和智慧农业。

（1）智慧城市：在智慧城市中，使用Wi-Fi网络连接交通信号灯、监控摄像头和智能路灯等，IEEE 802.11ax标准可以提高网络的吞吐量和效率，同时减少延迟和数据丢包的风险，从而提高智慧城市系统的效率和可靠性[6]。

（2）智慧农业：智慧农业实现了对农业农田的全流程智能化管理，智慧农场里布置了很多的无线设备和传感器，用来监测农田的土壤湿度、生长温度、二氧化碳含量等指标。智慧农场一般位置较为偏远，5G流量成本高，运营商的投资成本大，引入IEEE 802.11ax标准，将5G信号转化为Wi-Fi 6无线信号，智慧农业园区可以接入海量设备，并且解决5G信号穿透力弱的问题[7-8]。

（3）智能家居：智能家居中有很多的设备需要连接到家庭W i-Fi 网络中，如智能灯泡、智能插板、智能门锁、家用摄像头等，应用I E E E 802.11ax标准，降低了智能家居成本、对低频率的单品非常适用[9-10]。

4 结束语

IEEE 802.11ax技术是目前Wi-Fi应用中的主要技术标准。IEEE 802.11ax标准通过使用OFDMA、DL/UL MU-MIMO、1024-QAM调制、双频设计等技术，提高数据传输速率，增大用户接入量，扩展无线网络的使用场景。IEEE 802.11ax标准在智能家居、智慧城市、智慧农业、智慧医疗、智慧交通、智慧建筑、智能制造等领域有出色的表现，协助IoT领域高速发展。■