在物联网新时代利用 Wi-Fi 6 的力量
随着物联网领域的技术进步，联网设备品类数量呈爆发式增长。当前，无线设备制造商需要应对市场需求增长，并制定技术应用适配标准。行业在电池续航、设备安全等领域的技术优化，将长期影响各类技术的市场普及进程。
Wi-Fi 作为物联网基础设施核心元素的声誉越来越高，最新标准 802.11ax（即更广为人知的 Wi-Fi 6）旨在为此提供支持。随着部分开发厂商已经获得 Wi-Fi 6 认证，大多数设备将在 2025 年或 2026 年支持 Wi-Fi 6。除了可穿戴设备和智能音箱外，越来越多的家庭选择安装智能门铃、恒温器、报警器等联网设备。尝试连接到任何给定接入点的设备数量只会不断增加，而消费者对网络性能的要求也不断提高。消费者希望设备实现“一次配置、长期免维护”，同时保障使用安全性。
在本白皮书中，我们将介绍过去二十年里 Wi-Fi 的快速发展，并深入探讨 Wi-Fi 6 对物联网设备的价值。
涵盖的主题包括：
- Wi-Fi 6 版本新增特性 — 最新版本完成多项技术更新，可提高吞吐量、优化网络运行效率、延长电池寿命，尤其适用于设备密集、网络拥堵场景。
- Wi-Fi 6 对物联网设备及设备开发的支撑价值 — Wi-Fi 6 具备助力物联网设备大规模普及的独特优势，Silicon Labs 已将该技术优势融入旗下超低功耗高性能芯片产品 SiWx917。
简介
普通家庭的物联网设备保有量达到历史新高，无线设备制造商需紧跟市场需求，并制定新兴技术的应用适配规范。厂商在设备电池续航、安全防护方面的技术研发，将持续影响现阶段及未来长期的技术普及情况。随着技术的快速进步，连接设备和应用环境的多样性在各个方面都呈爆炸式增长。
Wi-Fi 作为当今基础设施核心元素的声誉越来越高，最新标准 802.11ax（即更广为人知的 Wi-Fi 6）旨在为此提供支持。该标准新增多项技术特性，可提高吞吐量、优化网络效率、延长电池寿命，在网络高密度拥堵场景下优势尤为显著。在本白皮书中，我们将介绍过去二十年里 Wi-Fi 的快速发展，并深入探讨 Wi-Fi 6 对物联网设备的价值。
Wi-Fi 技术演进与部署现状
自初代标准 802.11b 问世以来，Wi-Fi 技术实现跨越式发展。802.11b 于 1999 年发布，是电气和电子工程师协会 (IEEE) 为统一无线局域网 (WLAN) 技术标准所制定的规范。802.11b 的最高数据传输速率为 11 Mbps，仅支持 2.4 GHz 单频段。现阶段最新标准的最高数据传输速率可达 9607 Mbps，同时支持 2.4 GHz、5 GHz、6 GHz 多频段。随着高速宽带进入家庭，Wi-Fi 开始快速发展并大规模普及，成为家喻户晓的无线技术。“Wi-Fi”一词更是于 2005 年被收录进韦氏英语词典。
Wi-Fi 的演进
| IEEE 协议 | 802.11b | 802.11a | 802.11g | 802.11n | 802.11ac | 802.11ax |
| WFA 命名 | 无 | 无 | 无 | Wi-Fi (Certified) 4 | Wi-Fi (Certified) 5 | Wi-Fi (Certified) 6、Wi-Fi 6E |
| 发布年份 | 1999 | 1999 | 2003 | 2009 | 2013 | 2019 年发布，2021 年推出 6E 版本 |
| 工作频段 (GHz) | 2.4 | 5 | 2.4 | 2.4、5（SB 或 DB） | 5 | 2.4、5、6（SB、DB、TB） |
| 信道带宽 (MHz) | 20 | 20 | 20 | 20、40 | 20、40、80、160 | 20、40、80、160 |
| 最大空间流数 | 1 | 1 | 1 | 4 | 8 条（仅实现了 4 条） | 8 |
| 最大数据传输速率 (Mbps) | 11 | 54 | 54 | 600（单流 150 Mbps） | 433（80 MHz，1 空间流）、866（160 MHz，1 空间流）、3467（160 MHz，4 空间流） | 143（20 MHz，1 空间流）、600（80 MHz，1 空间流）、9607（160 MHz，8 空间流） |
| MIMO | 无 | 无 | 无 | 单用户 (SU-MIMO) | 下行多用户 (DL MU-MIMO) | 多用户 (DL MU-MIMO) |
| 子载波间隔 (KHz) | 无 | 312.5 | 312.5 | 312.5 | 312.5 | 78.125 |
| 符号持续时间 (us) | 无 | 3.2 | 3.2 | 3.2 | 3.2 | 12.8 |
| 保护间隔 (us) | 无 | 0.8 | 0.8 | 0.4、0.8 | 0.4, 0.8 | 0.8、1.6、3.2 |
| 物理层调制方式 | DSSS | OFDM | DSSS、OFDM | DSS、OFDM、HT-OFDM | DSS、OFDM、HT-OFDM、VHT-OFDM | DSS、OFDM、HT-OFDM、VHT-OFDM、OFDMA |
| 多用户传输机制 | 否 | 否 | 否 | 否 | 是 (DL MU-MIMO) | 上行和下行 OFDMA 上行和下行 MU MIMO |
| 最高阶调制方式 | CCK | 64-QAM | 64-QAM | 256-QAM | 256-QAM | 1024-QAM |
| 节能机制 | PS-POLL | PS-POLL | PS-POLL | PS-POLL | PS-POLL | 目标唤醒时间 |
| 空间复用机制 | 否 | 否 | 否 | 否 | 否 | BSS 着色 |
如今，Wi-Fi 联盟协助扩展 Wi-Fi 的应用场景与覆盖范围；每一代新标准发布都会伴随全新技术挑战。例如当下，大多数智能手机用户均可随时随地观看高清视频内容。这仅是高带宽应用场景中的众多典型示例之一。带宽指互联网连接在单位时间内能够传输的最大数据量。高带宽业务数据传输量大，会给网络带来沉重负担；在城市等设备密集区域，大量设备会争抢有限的网络资源。这还不是唯一的挑战。当前接入 Wi-Fi 的设备数量庞大，会导致网络延迟升高、吞吐量下降，消费者易出现连接不稳定、网速缓慢等问题。
接入点设备用于搭建无线局域网 (WLAN)，使 Wi-Fi 设备能够接入有线网络。与此同时，消费者对于网络速度与电池寿命的要求持续提升。IEEE 与 Wi-Fi 联盟在最新一代 Wi-Fi 标准发布中，并未局限于单设备层面优化 Wi-Fi，而是聚焦于网络层面和接入点的整体性能升级。
随着不同提供商的智能家居物联网设备呈爆发式增长，CSA 联盟发布了 Matter 1.0，作为其首个迭代版本，旨在减少行业技术割裂问题、改善互操作性并提升终端用户体验。Wi-Fi 在智能家居领域普及度极高，因此实现 Matter 设备与 Wi-Fi 网络的桥接互通，对于设备制造商技术升级、消费者接入新技术均具有重要意义。
物联网设备采用 Wi-Fi 6 的理由
目前已有部分产品完成 Wi-Fi 6 认证，绝大多数设备将于 2025 年或 2026 年完成 Wi-Fi 6 适配。受物联网及各类新兴技术市场需求驱动，该技术预计将大规模普及。除可穿戴设备、智能音箱外，智能门铃、恒温器、报警器、咖啡机、智能灯泡等各类家用设备均已实现联网。接入同一无线接入点的设备数量将持续增长，同时用户对网络性能的要求始终居高不下。家庭用户希望智能家居安防系统等场景中的传感器，能够在无外接供电的情况下长期、甚至数年稳定运行。消费者希望设备实现“一次配置、长期免维护”，同时保障使用安全。
Wi-Fi 6 通过提升网络效率、拓展带宽等方式解决上述痛点，并凭借更稳定可靠的体验提升用户认可度，推动联网设备普及。再以智能门锁这类高安全性应用场景为例。Wi-Fi 智能门锁能够为用户提供便捷可靠的家居远程管控方案，但和所有电池供电设备一样，续航完全依赖于电池电量。若未能及时更换电池，用户可能会被锁在家门外。网络效率提升、带宽扩容不仅能够提高数据传输吞吐量，还能降低设备联网及维持连接所消耗的电池电量。
在制定 Wi-Fi 6 标准过程中，Wi-Fi 联盟评估了现有技术痛点，结合当下及未来新兴应用场景与部署环境，力求在任意数据传输速率下提升单设备数据吞吐量。
Wi-Fi 6 增强特性
Wi-Fi 联盟确立以下附加价值来指导 Wi-Fi 6 的设计：性能更优、电池寿命更长、室外/远距离传输、支持更高密度环境，以及一如既往的向后兼容性。
性能提升
根据 Wi-Fi 联盟规划，Wi-Fi 6 可将单客户端设备峰值传输速率提升 40%，网络综合效率提升四倍。
Wi-Fi 6 通过多项技术优化，改善传输低效问题并提升吞吐量。全双工 OFDMA 和多用户多输入多输出 (MIMO) 技术允许接入点同时与多台设备进行通信。在 Wi-Fi 4 中，接入点仅能与设备逐一单独通信。多个客户端设备同时向接入点回传数据是 Wi-Fi 6 的新增能力，为更多的信息交换创造了机会。借助 MU-MIMO，接入点可从多路天线接收数据，封装为单个高效数据包进行传输。为实现这一目标，数据包被细分为更小的子包，不同设备的数据被整合至同一次传输中。此外，波束成形技术可让接入点和客户端定向传输信号至指定设备，扩大传输距离，提升吞吐量与传输效率。
更长的电池寿命
针对低功耗应用的目标唤醒时间 (TWT) 允许客户端与接入点协商其可以睡眠的时间长度。这让客户端无需不断扫描信标帧来确定何时提取数据包。Wi-Fi 6 的核心优势之一，是可根据各客户端设备自身需求定制专属工作睡眠周期。当每个客户端都可以通过与接入点直接通信来协商专属睡眠周期时，它提高网络效率，并允许客户端设备睡眠更长时间，实现网络资源高效利用。
在设备密集场景下，网络拥堵会造成延迟升高、吞吐量下降；这些负面影响在电池供电设备上表现尤为明显，设备会因争抢网络资源、低速数据处理而额外耗电。在客户端睡眠时长延长后，平均功耗降低，电池寿命显著提升。Wi-Fi 6 凭借优化的网络效率、更高数据传输速率，搭配更长睡眠周期，大幅降低设备平均功耗，显著延长电池寿命。
室内外远距离传输能力
采用远距离数据包结构和更长的保护间隔有助于增加传输距离和覆盖范围，尤其适配智能门铃、监控摄像头这类室内外设备；此类设备距接入点较远，易出现断连问题。
高密度组网环境适配能力
Wi-Fi 6 的设计目标是将设备密集、网络拥堵环境下的每用户平均吞吐量至少提高 4 倍。实现该提升效果主要依靠两项核心技术：上下行正交频分多址 (OFDMA) 技术和空间复用协议。OFDMA 支持接入点将完整信道分配给单一用户，或拆分信道资源同时服务多位用户。Wi-Fi 发展史上首次实现：不同流量特征（即不同应用场景）的多用户，可在同一信道同时进行上下行数据传输。OFDMA 提升频谱复用率、降低传输延迟、优化传输效率，非常适配医疗、工业可穿戴设备等低带宽应用。
空间复用协议用于减少多设备信号传输冲突，以此提升整体吞吐量。这是通过过滤来自重叠基本服务集 (OBSS) 的无关信号，允许多路数据同时传输来实现的。
向后兼容性
IEEE 在开发每一个 Wi-Fi 迭代版本时都刻意保持其向后兼容性，使得使用旧版客户端和接入点并维护现有基础设施成为可能。这也是 Wi-Fi 普及度极高的原因之一：用户可按需升级设备，无需担忧新旧设备无法互通。Wi-Fi 6 可完美兼容 Wi-Fi 4 及所有中间版本 Wi-Fi 设备。尽管接入点会根据应用场景优先为 Wi-Fi 6 设备分配资源，但标准更新以兼容性为核心设计原则。当前家庭物联网设备保有量至少达到 20 台，涵盖手机、智能音箱等，且数量仍在持续增长。虽然 Wi-Fi 4 接入点仍可正常使用，但受内存等硬件条件限制，无法支撑海量设备同时接入。依托 OFDMA、MU-MIMO、BSS 着色等技术，Wi-Fi 6 家庭接入点可以更高效地管理更多物联网设备。Wi-Fi 6 具备向后兼容性，标准明确规定接入点可以同时支持面向 Wi-Fi 6 客户端的 OFDMA 和面向 Wi-Fi 4 客户端的 OFDM。
面向物联网的 Wi-Fi 6 + SiWx917
Wi-Fi 6 具备多项对物联网应用尤为实用的特性：
- 单设备和广播目标唤醒时间 (TWT) 可让设备按照特定的睡眠周期运行，实现更长时间睡眠。设备可与接入点协商睡眠周期，减少因设备睡眠引发的互操作性问题。在高密度组网场景下，该特性可降低 20% 的功耗。该特性对所有电池供电设备至关重要，包括资产追踪器、暖通空调、恒温器、摄像头、电动工具、可穿戴设备、医疗设备、开关、传感器、智能门锁、窗帘和遮阳帘。
- 单个接入点支持的终端设备数量更多，相较 Wi-Fi 4 仅支持 20 台，新标准可支持 50 台以上设备，整体可支撑更高密度的物联网设备组网。全双工多用户多输入多输出 (DL/UL MU-MIMO) 技术可显著提升单设备通信速率。此外，Wi-Fi 6 MU-MIMO 将路由器并发连接设备数从前代版本的 4 台提升至 8 台。
- 上下行 OFDMA、空间频率复用、上行 MU-MIMO 和波束成形技术提高吞吐量、传输效率，降低延迟，实现更优性能与能效。为不同用户分配带宽，并采用基于 OFDMA 的调度机制，可降低协议开销、提升整体传输效率并增大吞吐量。
- 长保护间隔、循环前缀、抗干扰增强以及远距离数据包结构有助于扩大室内外信号覆盖范围。此外，使用 BSS 着色码可以帮助识别来自另一个网络的信号传输，以此缓解同信道干扰。上述特性共同提升物联网设备的通信距离、连接稳定性以及单次部署的信号覆盖效果。
- 向后兼容 Wi-Fi 4 2.4 GHz，支持未来无缝升级。
- 支持基于 Wi-Fi 的 Matter 协议，Matter 协议可利用 Wi-Fi 的安全与性能特性，并采用蓝牙低功耗完成设备配网。
Silicon Labs 已将上述技术优势应用于 SiWx917，该产品为高性能超低功耗、集成 Wi-Fi 6 与蓝牙低功耗 (LE) 5.1 的 SoC 物联网解决方案。
综合功耗、成本及物联网场景优化需求，我们聚焦 2.4 GHz 频段，助力开发人员在各类设备（如电池供电、低功耗设备等）中应用 Wi-Fi 6 技术优势。同时，从能效角度来看，20 MHz 带宽可实现最优性能，同时保持较高最大数据传输速率 (86 Mbps)，满足智能门铃、智能摄像头等物联网设备的流媒体传输需求。
