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5G 和我們現在用的 WiFi 有什么區別?

2019-06-04


其實用5G和WiFi做對比不是很恰當,因為5G是“第五代”移動通信系統,而WiFi其中包含802.11/a/b/g/n/ac/ad/ax等等很多“代”版本,這樣對比有點像在問特斯拉和火車有什么區別。



WiFi協議版本及參數 (表格來自Wiki)



那么,更廣泛來講,從同一維度來做對比,移動通信系統(xG,x = 1,2,3,4,5)我們現在日常使用WiFi 有什么區別?

Note:本回答主要針對的是私人家庭WiFi。


xG與WiFi的區別

當然,作為用戶來講,我自己最直觀的體驗是WiFi比xG要便宜很多,如果我們忽略有線寬帶和路由器費用,甚至可以認為用WiFi連接互聯網是免費的。然而大部分情況下,價格只能反應一部分技術因素。如果把一個小小的家庭網絡,擴展到全國和世界范圍就是xG。不過這個大范圍和小范圍之間,還有很大的區別。


為了簡單描述這兩者的不同,我們需要先從需求說起。

需求區別

競爭性

就WiFi和xG來說,技術上,他們的區別有點類似區域自治中央集權,這種思路導致了大部分WiFi節點都是私人(或者公司,或者城市)建設,而xG基站是運營商在全國建設。

換句話說,就是在無線信號傳輸過程中,因為各個私人路由器之間沒有交流且共享相同頻譜,所以WiFi的數據傳輸是競爭性的,而xG的數據傳輸是非競爭的,有中心化資源調度的

這大概就像公路和鐵路,開車出門上路,我們不知道下一個路口會不會突然出現一長串閃著紅色尾燈的各種汽車堵在前面;而鐵路就不會有這種困擾,前方多遠有車,最高可以跑多快都有中心調度系統告訴司機。


私密性

同時,一般意義上,WiFi連接的是私人有線寬帶,而xG的基站連接的是運營商的骨干網,因此,WiFi普遍會有私密性要求,不能未經許可隨意接入。

(不能白看,也不能白... (:


移動性

因為WiFi連接的是私人有線寬帶,私人寬帶接入點固定,同時寬帶是有線的,它不會到處亂跑。這意味著WiFi對移動性需求很低,覆蓋范圍小,一般只用考慮步行速度對信號傳輸的影響,不考慮小區切換,而xG的基站存在很高的移動性和小區切換需求(基站覆蓋范圍稱為小區),需要考慮比如汽車,火車等高速物體。

除非汽車本身有個WiFi,不然應該是沒有人在汽車上一直連著WiFi的吧?目前WiFi有WDS模式,但是還是不如運營商的小區切換成熟。

這樣的競爭/非競爭,私密性和移動性要求會帶來一系列從功能,技術到覆蓋,接入,頻譜,速度等等的不同。


技術區別

1.頻譜/接入

頻譜或許是競爭性最直接的導火索。

WiFi使用的頻譜(2.4GHz/5GHz) 是非授權頻譜,就是說這段頻譜并未分配/拍賣給個人或公司,任何人/企業都可以用自己的WiFi設備隨意接入。xG使用的頻譜是授權頻譜,除了獲得該頻譜的運營商,其他人都無權使用此頻譜。

所以,現在大家一打開手機WiFi,就會立即看到很長很長的無線列表,大部分都是2.4GHz路由器。這意味著此頻段非常擁堵,可能存在非常多的noise-like interference 。

這段的意思是,如果其他技術相同,此頻段的手機,WiFi信噪比會比較低,這會導致WiFi信號覆蓋范圍縮小,傳輸速率較慢。因此,目前WiFi協議都在擴展5GHz,60GHz等等干擾較低的頻段。

有辣么長的列表,而WiFi的頻段是有限的,一定會產生信道資源競爭。所以,WiFi最核心的空口協議是CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)。它的具體做法是發送前對信道做檢測,如果信道忙碌,那么等一個隨機時間再發送。但是檢測不是實時的,所以依然有可能存在兩個路由一起檢測到空閑頻譜,同時發送數據,這時候就產生了碰撞問題,會采取重傳的方式再次傳輸。



CSMA/CA



而xG中,因為接入信道是由基站分配的,而且在分配算法中會考慮干擾因素,所以相比較之下,技術相同的基站覆蓋范圍會大。同時,xG在信號傳輸之前,已經被基站分配了專屬“線路”,所以不需要發送前信道檢測,對碰撞重傳的要求也很低。

另外一個有關接入的顯著不同是,因為運營商需要全地點接入,所以xG是不存在密碼的,它們采用SIM卡中的身份識別,通過收費網關收費。而私人WiFi通常是需要密碼的。


2. 覆蓋,WiFi組網和移動通信網絡

上文說到了WiFi的覆蓋范圍一般都會很低,相比較之下基站會因為發射功率高,頻段干擾低,所以覆蓋范圍大的多。

因為網絡速度可能會受太多因素影響,所以這部分不討論WiFi和xG的速度問題,實際上上這兩者誰比誰快都是有可能的。


但是比如公司大樓,如果想要擴大WiFi覆蓋范圍,以方便服務公司員工。這種情況下,單個無線路由器肯定是不行的,覆蓋公司大樓的單個無線路由器一定會超過國家規定的無線電發射功率,所以需要多個路由器聯合組網,比如一個無線路由器負責一個房間,同時其他路由器采用同樣的名稱,并相互協作,這樣形成整個大樓的無線網絡。

我們都知道,單節點決策的系統是最高效的系統。也就是說,如果無線網絡中,如果存在多節點協作,最有效率的方式是有一個全網絡的控制器,來幫助各個路由器調度和分配時/空/頻譜資源。

在WiFi網絡(WLAN)里, 就是把家庭路由器中集合一體的AP(Access Point,接入點)和AC(Access Controller,控制器)分離。用AC控制全網,并分配資源。

如下圖:



WLAN設計,圖來自 summer的回答 - 知乎https://www.zhihu.com/question/59991119/answer/228596693



那么如果再擴大一點呢?

上升到全國范圍,單個AC顯然數據處理速度是不夠的,那么每一個區域需要一個類似的AC,并且各個AC之間也需要協同工作,互通有無。這就形成了無線核心網(Core Network)。

而各個AP就形成了無線接入網(Radio Access Network)。

運營商的移動通信網絡,主要由核心網和接入網兩部分組成。

如下圖,這樣與無線路由器組網(WLAN)是不是就很像了?



5G 網絡結構




從單路由,到公司級的多路由組網,到全國級的基站覆蓋,這大概就是WiFi和xG之間的區別和聯系。


作者:甜草莓
鏈接:https://www.zhihu.com/question/307558418/answer/568526548
來源:知乎


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