之前已經有一個提問討論關於5G和WiFi的區別是什麽， 5G 和我們現在用的 WiFi 有什麽區別？
然後現在這個問題主體是在問「 5G 技術和 WiFi 有什麽本質上的區別？ 」，關註點更集中於「本質」，筆者按照自己的角度談一下。
Remark：其實5G協定和WiFi協定相比，體量就不是一個級別的，5G要比WiFi包含的範圍要廣很多。目前寫的感覺有點亂，部份內容如果有錯誤的地方，還請見諒。
A. 前言
WiFi和5G如果展開來說的話，那麽區別還是挺多的。不過要說到本質區別的話，筆者覺得是兩點：
我們知道無線網絡協定，實際上都是人來制定的，其與一般的自然科學不同，網絡協定並不是單純的追求效能的卓越，而更多的是需要關註到成本，前後相容性，法律法規以及商業的博弈（比如說技術專利）等等。所以我們關註不同協定的時候，都最好從其最初的出發點來分析，這樣會比較好一些。
從大體上而言，Wi-Fi和5G的技術特征有很大部份是近似的，說的不好聽一些，實際上WiFi在追著行動通訊（4G/5G）的影子向前發展，比如說WiFi 6中的OFDMA技術在4G LTE的時候就被行動通訊采用了。但是從技術細節上而言，WiFi和4G/5G還是有很多的本質上的不同，我們首先從設計目標上談談兩者的區別：
B. 設計目標不同
我們知道目前無線網絡傳輸中包含了很多的協定，比如說WiFi，4G/5G，Bluetooth，Lora等等，不同的協定其實本身設計初衷就不同。按照上圖所示的劃分，根據覆蓋距離的不同，無線網絡可以分成近場網絡（Proximity），個域網（WPAN），區域網路（WLAN）以及廣域網路（WWAN），其中近場大概是10米左右的範圍，包括了NFC，RFID之類的協定，個域網為100米左右的場景，主要為Bluetooth之類的協定，初始是用於一些攜帶器材的連線，無線區域網路主要就是Wi-Fi了，那麽目標是在於1000米以內的通訊，實際距離還要比這個小，一般也就200米以內，然後就是無線廣域網路那麽覆蓋距離要求比較高，要是公裏級別的覆蓋面。而且不同協定的設計初衷不同，其面對的成本要求也就不一樣。
故在網絡協定設計的初始的時候，具有不同的設計目標，導致其采用的技術手段不一樣。 不過隨著協定的不斷發展，從設計目標而言，其差異就越來越小，而且很多協定會針對多個方向並列發展。
如上圖所示（參考：IHS Markit - Connectivity Technology Competition Drivers and Influencers.pdf），我們可以在協定初始的時候，還算是涇渭分明的，但是到了近幾年，不同的網絡協定交叉是越來越平凡，比如說基於LTE核心網的NB-IOT技術從M2M/IOT Cellular跨度到LPWA裏面，Bluetooth的最新版本也變成的mesh版本，從而其覆蓋面積也增加了很多，不僅僅是原來的個域網的差別。
那麽5G協定的目標可以分成三個場景：eMBB、URLLC、mMTC。
最新的WiFi 6協定的需求還是主要關註到無線傳輸方面，而且更多的是技術類的需求，比如說WiFi 6(即802.11ax)最核心的關註還是密集模式下的吞吐量提升至少4倍，而且能耗上相比傳統的802.11要好很多。
從需求上而言，5G的需求要比WiFi協定的需求多很多。
透過本節我們可以認知到，每一個無線協定 初始時根據其不同的套用場景，進行了涇渭分明的設計 。但是 不同協定在往後發展中，相似點會越來越多 ，其 設計出發點還是根據市場主流需求 而言的，但是 每個協定必然還會存在差異，這點是由協定的發展導致的相容性問題 所帶來。
C. 設計的起點不同 (即如何相容先前協定)
我們前面討論5G和WiFi協定的設計需求，而且也說明了協定是不斷演進的。但是不同協定間還是存在很多差異，其中最主要的就是相容機制的設計。
5G協定族的相容主要在終端和基站的關聯層面 ，在無線接入過程中， 由於5G有獨立頻段，所以無線接入層面可以避免不同協定版本間的沖突 。5G采用自上而下的總體架構。所謂自上而下主要是說其是一個系統級別的設計，首先分析設計目標，然後分模組實作功能，最後構造出一個完整的系統。我們說行動通訊協定能夠采用自上而下的總體架構主要是源自於其頻帶劃分，每一代行動通訊協定實際上都有其授權的頻段，透過這樣的方法，可以有效減少協定不同協定族間的互動問題，比如說2G，3G，4G間的互動問題，也就是說在無線側，也就是無線資源這一個平面，2G器材不需要跟3G和4G器材競爭。所以在行動通訊協定中，所討論相容性主要是骨幹側部份。
5G的相容有兩部份組成，一部份就是終端芯片，同時可以支持3G/4G/5G，這個芯片支持實際上是透過多個基頻執行的，這個多基頻技術直到現在在WiFi中才被引入，即RSDB技術。另外一方面，其相容可以體現在其NSA和SA的接入模式上，如下圖所示:
WiFi的相容機制主要體現在無線接入過程： 802.11采用自下而上的總體結構。在持續演進的協定版本中，每一個新的版本在無線側都需要考慮到對之前版本的相容性，比如802.11g，802.11n，802.11ac以及802.11ax的相關設計中，最主要的原因是802.11協定都是工作在相同的頻段下。我們通常所用的WiFi所包含為802.11a/b/g/n/ac協定（單個無路線由器），其中802.11b/g/n工作在2.4GHz頻段上，802.11a/n/ac工作在5GHz頻段上。所以由於協定工作在相同頻段上，每一次新版本的協定就必然要考慮如何設計相容之前版本，從而引入一些新的技術對之前的協定做改進.
那麽WiFi 6是怎麽做到相容的呢？我們一般知道802.11采用的是CSMA/CA的競爭機制，不過如果在往下考究，其實最底層的是類似於BTMA（busy tone）的接入機制，其中busy tone對應到802.11中，就是NAV機制。 NAV的基本思路是發送一個預約幀來預約之後的一段通道時間，此時間內，通道是被占據的，所有的節點都被置為虛擬載波監聽的狀態 。
我們用上圖解釋NAV機制，節點STA2首先競爭勝利，此時其傳輸的是RTS幀。節點STA 1接收到CTS之後，該CTS不是我所請求所獲得的，從而STA 1會將CTS數據幀的duration給提出，並設定在自己原生的NAV（Network Allocation Vector）上。若NAV沒有倒數到0，那麽其會主動懸掛其隨機回退計數值，在NAV沒有倒數到0之前，其隨機回退計數值不再繼續倒數。當STA 2接收到CTS後，其發現該其是之前發送RTS的反饋。故節點已知通道空閑，在等待SIFS後，STA 2發送數據。當數據傳輸完成之後，AP向STA 2反饋ACK，從而最終完成一次傳輸。
當節點被置為NAV之後，那麽其後一段時間都是被保護的，這一個機制除了能被用在我們舉的RTS/CTS例子，也可以被套用在相容模式中，包含了802.11b/g的相容機制，PCF和DCF的相容，Phased coexistence operation (PCO)之類的技術都是，還有就是最典型的TXOP機制。
我們用這個圖簡化說明下，我們可以看到整個通道被分成兩塊，一塊是contention period，一塊是TXOP，這兩塊就是透過NAV機制進行分割的，節點透過發送特定的幀（比如Qos Null，Qos Data或者WiFi 6的TF幀）來開啟一個TXOP時間，那麽在這個TXOP時間內，可以執行不同的機制，比如說802.11ax中引入的OFDMA接入機制，如下圖。
所以802.11協定設計之初就設計了不同工作模式間，控制的機制，保證協定在升級或者更新的時候可以持續執行。但是這一點卻也導致，802.11協定始終要帶著以前的很多機制，比如說關於QoS部份，相比802.11協定和5G協定，其QoS的效能也就差很多。
D. 技術上的區別
那麽下一個部份，我們再談談WiFi和5G上技術的差異(目前先挑幾個典型來討論)：
1. 」幀結構「，最主要是無線信令和信元部份。（MAC和PHY層）
我們說信令主要是控制部份，信元主要是數據部份。 Remark：4G/5G中也有幀和子幀的概念，不過和802.11裏面的概念不一樣，所以我們打引號強調下。
我們首先談談WiFi的部份， WiFi是采用幀結構的，所以信令和信元是連在一起的。我們可以認為信令主要是部份實體層頭部和MAC層頭部，信元主要是上層的Payload。 我們知道一個無線幀是由以下幾個部份組成，包含了實體層頭部（PLCP Preamble），MAC層頭部以及上層的Payload。如下圖所示：
在MAC header的FC位裏面，存在一個type欄位，這個type欄位指明了這個幀具體是什麽類別，而且由於包含了地址之類，所以接收方當接收到完整數據幀之後，根據其頭部做解析，然後考慮這個幀下一步如何處理。比如說，如果是管理幀（比如beacon），那麽就是提取element的資訊，然後做下時鐘同步之類的，如果是數據幀，那麽就要解析出來以後往上層丟。我們這裏之所以要強調type欄位， 主要是關於服務存取點（SAP)這個的實作方法，其中一種實作方式就是透過type欄位。
這一點設計也是保證了802.11協定具有分布式特性，而且也是best-effort追求的一種簡潔的特性，主要我競爭到通道，我就可以發送，不需要之前的一些協商工作。
那麽關於 5G部份 ，5G還是采用了通訊網的架構，那麽通訊網中在無線這一側並不是采用之前提到的這種「幀」結構，其控制層面是透過不同的通道來區分的，那麽對應而言， 其服務存取點（SAP)的實作方式就是透過這種通道對映來實作的。其中有的通道是用來做控制，有的通道是用來做數據。
如上圖所示，其中上層（包含MAC和Transport）中的部份通道，實際上對應到的是邏輯通道，代表了具體的控制資訊或者數據，然後物理通道部份則代表了特性的時頻資源，比如說下圖，其不同 的顏色即代表對應的不同的通道，不同的通道功能都不一樣，所以實際在使用時，其不是透過type欄位來判斷功能的，而是透過對應的時頻位置。
節點透過在特定的時頻資源上，采用不同的解調方式進行解調，獲取資訊，從而達到解調的目的。
2. 實體層的通道估計和同步機制，即pilot設計的不同（PHY層）
pilot的一個意思是飛行員，但是在無線通訊中，我們一般認為其為 導頻 ，是一個精靈，通常被用來做通道估計和同步。
WiFi的pliot其實分兩個部份，部份1為LTF，這個是實體層頭部的最後一個部份，采用2個OFDM內的全部子載波，用來做精確的頻率同步和symbol同步，同時也測定了所有子載波的通道系數，用於做均衡。然後部份2為PSDU，也就是實體層對應數據部份，其每間隔一段取了一個子載波作為pilot，主要用於修正星座圖，比如采用CPE之類的參數，然後一次性對星座圖進行旋轉然後修正。
4G/5G中的同步訊號和WiFi同步訊號選取的不同，比如說下圖是一個4G的同步訊號。
5G除了以上的同步訊號以外，還有其他不同的同步訊號，比如測定CSI的CSI-RS訊號，從結構上而言，已經和WiFi很近似了。
在5G NR中還有一種preamble based的結構，這種結構已經更加和WiFi類似的了。
那麽我們談談為什麽要有不同的Pilot結構，主要要考慮到無線的傳輸工作環境了。由於WiFi的子載波比較寬，所以能夠以頻寬直接抵抗都卜勒效應，而不用做太多補償。但是比如4G/5G，其預設場景容易出現都卜勒效應，而且其子載波比較小（5G中有多種子載波頻寬大小），因此需要用特殊的導頻圖案持續追蹤做修正。
3. 無線側的隨機接入過程不同（PHY層）
5G NR的隨機接入機制和4G差不多 ，不過總體流程上多了一個SS Block，也就是波束選擇的過程。不過我們這裏主要討論的隨機接入過程，5G接入實際上還是基於碼的一種隨機接入方式。
整個過程是典型的4個msg。然後每一個終端都有一個預設的碼本，裏面有很多設計好的序列。通常msg1是節點告知基站，我需要傳輸，然後msg2反饋節點，得知該資訊，並通知節點在特定的位置告知其待傳輸資訊的多少（實際上就在做RRC協商），然後節點在特定位置上反饋msg3。此時meg3是有可能發生沖突的，如果兩個及兩個以上節點在同一個時頻位置上反饋msg3，那麽就是沖突，如果沒有沖突的話，那麽基站反饋msg4，從而此次競爭完成。這裏的msg3和msg4的協商過程中，已經協商好了節點傳輸所需要的時頻資源，實際上完成了OFDMA傳輸所需要的競爭。
WiFi的OFDMA接入是采用CSMA/CA+NAV+UORA的競爭機制來完成OFDMA傳輸的 ：
首先談談CSMA/CA，如下圖所示（內容是之前寫的文章裏面的，直接搬運了），
那麽在Wi-Fi 6當中，基於CSMA/CA的機制，AP首先發送一個TF幀（也就是代替上圖中傳輸的data過程），開啟了一個TXOP時間（從而開啟一次UORA競爭），並且TF幀中會說明了哪些資源是可以被競爭的。
在UORA中，會使用一種頻域的back-off技術（即OFDMA back-off，OBO）。在OBO中，一開始終端會選擇一個隨機數，然後AP會發送一個競爭類別的觸發幀，其中還包含了本輪可用的RU數量。終端會將自己的隨機數減去本輪的RU數量，直到減為0。如果終端利用隨機數相減之後，本輪值為0的話，那麽相當於競爭成功，終端將會隨機選擇一個RU進行占據。如果本輪相減後，沒有為0，那麽相當於本輪競爭失敗，那麽會保持這個數值，下一輪進行繼續相減。
Remark: UORA的細節部份可以參考：802.11ax前瞻17：UORA上行隨機接入機制（UL-OFDMA Random Access），我就不貼過來了。
同樣的，最後我們還是要補充下，在5G中也存在LBT機制的傳輸了，這點也會近似於WiFi，所以兩者的設計還是慢慢接近的。
結語
以上我們簡單討論了一些關於5G和WiFi區別比較大的地方，其中主要還是通訊網絡和WiFi網絡存在的區別，但是我們發現，在很多方面，兩者已經逐漸近似了。
從大體上而言，WiFi的技術是在向5G靠齊，或者說一直都是跟著行動通訊技術來前進演化，比如OFDMA，但是技術細節上，兩個協定還是有差異，比如說WiFi的OFDMA有256個子載波（20MHz通道），相同頻寬情況下，4G/5G的子載波數更多。這樣的技術差異，最終會體現在價格因素上。所以即使大部份主體技術會趨近，但是每一項技術在具體實作的時候，根據不同協定的不同需求，還是會存在差別的。
