Wi-Fi已成為當(dāng)今世界無處不在的技術(shù)，為數(shù)十億設(shè)備提供無線連接，也是越來越多的用戶上網(wǎng)接入的首選方式，并且有逐步取代有線接入的趨勢。為適應(yīng)新的業(yè)務(wù)應(yīng)用和減小與有線網(wǎng)絡(luò)帶寬的差距，每一代802.11的標(biāo)準(zhǔn)都在大幅度的提升其速率。

隨著視頻會(huì)議、無線互動(dòng)VR、移動(dòng)教學(xué)等業(yè)務(wù)應(yīng)用越來越豐富，Wi-Fi接入終端越來越多。IoT的發(fā)展更是讓越來越多的智能家居設(shè)備接入到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。因此，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)仍需要不斷提升速率，同時(shí)還需要考慮是否能接入更多的終端，適應(yīng)不斷擴(kuò)大的客戶端設(shè)備數(shù)量以及不同應(yīng)用的用戶體驗(yàn)需求。

圖1-1 不同Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)下的接入量與人均帶寬關(guān)系

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公眾號(hào)

下一代Wi-Fi需要解決更多終端的接入導(dǎo)致整個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)效率降低的問題，早在2014年IEEE 802.11工作組就已經(jīng)開始著手應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)將引入上行MU-MIMO、OFDMA正交頻分多址接入、1024-QAM高階調(diào)制等技術(shù)，將從頻譜資源利用、多用戶接入等方面解決網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效率問題。目標(biāo)是在密集用戶環(huán)境中將用戶的平均吞吐量相比如今的Wi-Fi 5提高至少4倍，并發(fā)用戶數(shù)提升3倍以上，因此，Wi-Fi 6（802.11ax）也被稱為高效無線（HEW）。

01 什么是Wi-Fi 6？

Wi-Fi 6是下一代802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的簡稱。隨著Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，WFA為了便于Wi-Fi用戶和設(shè)備廠商輕松了解其設(shè)備連接或支持的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，選擇使用數(shù)字序號(hào)來對(duì)Wi-Fi重新命名。另一方面，選擇新一代命名方法也是為了更好地突出Wi-Fi技術(shù)的重大進(jìn)步，它提供了大量新功能，包括更大的吞吐量和更快的速度、支持更多的并發(fā)連接等。根據(jù)WFA的公告，現(xiàn)在的Wi-Fi命名和802.11技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1-1所示。

和以往每次發(fā)布新的802.11標(biāo)準(zhǔn)一樣，802.11ax也將兼容之前的802.11ac/n/g/a/b標(biāo)準(zhǔn)，老的終端一樣可以無縫接入802.11ax網(wǎng)絡(luò)。

802.11標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布日期、支持的頻段以及新命名如表1-1所示。

表1-1 802.11標(biāo)準(zhǔn)與新命名

802.11ax設(shè)計(jì)之初就是為了適用于高密度無線接入和高容量無線業(yè)務(wù)，比如室外大型公共場所、高密場館、室內(nèi)高密無線辦公、電子教室等場景。

圖1-2 高密高帶寬應(yīng)用場

在這些場景中，接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的客戶端設(shè)備將呈現(xiàn)巨大增長，還在不斷增加的語音及視頻流量也對(duì)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)帶來調(diào)整，根據(jù)預(yù)測，到2020年全球移動(dòng)視頻流量將占移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的50%以上，其中有80%以上的移動(dòng)流量將會(huì)通過Wi-Fi承載。我們都知道4K視頻流（帶寬要求50Mbps/人）、語音流（時(shí)延小于30ms）、VR流（帶寬要求75Mbps/人，時(shí)延小于15ms）對(duì)帶寬和時(shí)延是十分敏感的，如果網(wǎng)絡(luò)擁塞或重傳導(dǎo)致傳輸延時(shí)，將對(duì)用戶體驗(yàn)帶來較大影響。而現(xiàn)有的Wi-Fi 5（802.11ac）網(wǎng)絡(luò)雖然也能提供大帶寬能力，但是隨著接入密度的不斷上升，吞吐量性能遇到瓶頸。而Wi-Fi 6（802.11ax）網(wǎng)絡(luò)通過OFDMA、UL MU-MIMO、1024-QAM等技術(shù)使這些服務(wù)比以前更可靠，不但支持接入更多的客戶端，同時(shí)還能均衡每用戶帶寬。比如說電子教室，以前如果是100多位學(xué)生的大課授課形式，傳輸視頻或是上下行的交互挑戰(zhàn)都比較大，而802.11ax網(wǎng)絡(luò)將輕松應(yīng)對(duì)該場景。

02 Wi-Fi 6速度有多快？

5G是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高速率的代名詞，同樣，Wi-Fi 6是無線局域網(wǎng)高速率的代名詞。Wi-Fi 6的速率由以下幾個(gè)因素決定。

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計(jì)算公式：

空間流數(shù)量

空間流其實(shí)就是AP的天線，天線數(shù)越多，整機(jī)吞吐量也越大，就像高速公路的車道一樣，8車道一定會(huì)比4車道運(yùn)輸量更大。

表1-2 不同802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的單射頻最大空間流數(shù)量

Symbol與GI

Symbol就是時(shí)域上的傳輸信號(hào)，相鄰的兩個(gè)Symbol之間需要有一定的空隙（GI），以避免Symbol之間的干擾。就像中國的高鐵一樣，每列車相當(dāng)于一個(gè)Symbol，同一個(gè)車站發(fā)出的兩列車之間一定要有一個(gè)時(shí)間間隙，否則兩列車就可能會(huì)發(fā)生碰撞。不同Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)下的間隙也有不同，一般來說傳輸速率較快時(shí)GI需要適當(dāng)增大，就像同一車道上兩列350KM/h時(shí)速的高鐵發(fā)車時(shí)間間隙要比時(shí)速250KM/h時(shí)速的高鐵發(fā)車間隙要大一些。

表1-3 802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的Symbol與GI數(shù)據(jù)

編碼方式

編碼方式就是調(diào)制技術(shù)，即1個(gè)Symbol里面能承載的bit數(shù)量。從Wi-Fi 1到Wi-Fi 6，每次調(diào)制技術(shù)的提升，都能至少給每條空間流速率帶來20%以上的提升。

表1-4 802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的QAM

碼率

理論上應(yīng)該是按照編碼方式無損傳輸，但現(xiàn)實(shí)沒有這么美好。傳輸時(shí)需要加入一些用于糾錯(cuò)的信息碼，用冗余換取高可靠度。碼率就是排除糾錯(cuò)碼之后實(shí)際真實(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼占理論值的比例。

表1-5 802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的碼率

有效的載波數(shù)量

載波類似于頻域上的Symbol，一個(gè)子載波承載一個(gè)Symbol，不同調(diào)制方式及不同頻寬下的子載波數(shù)量不一樣。

表1-6 802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的子載波數(shù)量

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至此，我們可以計(jì)算出802.11ac與802.11ax在HT80頻寬下的單條空間流最大速率：

03 Wi-Fi 6核心技術(shù)

Wi-Fi 6(802.11ax)繼承了Wi-Fi 5(802.11ac)的所有先進(jìn)MIMO特性，并新增了許多針對(duì)高密部署場景的新特性。以下是Wi-Fi 6的核心新特性。

3.1 OFDMA頻分復(fù)用技術(shù)

802.11ax之前，數(shù)據(jù)傳輸采用的是OFDM模式，用戶是通過不同時(shí)間片段區(qū)分出來的。每一個(gè)時(shí)間片段，一個(gè)用戶完整占據(jù)所有的子載波，并且發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，如下圖所示。

圖1-3 OFDM工作模式

802.11ax中引入了一種更高效的數(shù)據(jù)傳輸模式，叫OFDMA（因?yàn)?02.11ax支持上下行多用戶模式，因此也可稱為MU-OFDMA），它通過將子載波分配給不同用戶并在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法來實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用信道資源。迄今為止，它已被許多無線技術(shù)采用，例如3GPP LTE。802.11ax標(biāo)準(zhǔn)也仿效LTE，將最小的子信道稱為“資源單位（Resource Unit，簡稱RU）”，每個(gè)RU當(dāng)中至少包含26個(gè)子載波，用戶是根據(jù)時(shí)頻資源塊RU區(qū)分出來的。我們首先將整個(gè)信道的資源分成一個(gè)個(gè)小的固定大小的時(shí)頻資源塊RU。在該模式下，用戶的數(shù)據(jù)是承載在每一個(gè)RU上的，故從總的時(shí)頻資源上來看，每一個(gè)時(shí)間片上，有可能有多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送，如下圖所示。

圖1-4 OFDMA工作模式

OFDMA相比OFDM一般有三點(diǎn)好處：

更細(xì)的信道資源分配。

特別是在部分節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)不太好的情況下，可以根據(jù)信道質(zhì)量分配發(fā)送功率，來更細(xì)膩化的分配信道時(shí)頻資源。下圖呈現(xiàn)出了不同子載波頻域上的信道質(zhì)量差異較大，802.11ax可根據(jù)信道質(zhì)量選擇最優(yōu)RU資源來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1-5 不同子載波頻域上的信道質(zhì)量

提供更好的QOS

因?yàn)?02.11ac及之前的標(biāo)準(zhǔn)都是占據(jù)整個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)的，如果有一個(gè)QOS數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，其一定要等之前的發(fā)送者釋放完整個(gè)信道才行，所以會(huì)存在較長的時(shí)延。在OFDMA模式下，由于一個(gè)發(fā)送者只占據(jù)整個(gè)信道的部分資源，一次可以發(fā)送多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，所以能夠減少Q(mào)OS節(jié)點(diǎn)接入的時(shí)延。

更多的用戶并發(fā)及更高的用戶帶寬

OFDMA是通過將整個(gè)信道資源劃分成多個(gè)子載波（也可稱為子信道），子載波又按不同RU類型被分成若干組，每個(gè)用戶可以占用一組或多組RU以滿足不同帶寬需求的業(yè)務(wù)。802.11ax中最小RU尺寸為2MHz，最小子載波帶寬是78.125KHz，因此最小RU類型為26子載波RU。以此類推，還有52子載波RU，106子載波RU，242子載波RU，484子載波RU和996子載波RU，下表顯示了不同信道帶寬下的最大RU數(shù)。

表1-7 不同頻寬下的RU數(shù)量

圖1-6 RU在20MHz中的位置示意圖

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RU數(shù)量越多，發(fā)送小包報(bào)文時(shí)多用戶處理效率越高，吞吐量也越高，下圖是仿真收益：

圖1-7 OFDMA與OFDM模式下多用戶吞吐量仿真

3.2 DL/UL MU-MIMO技術(shù)

MU-MIMO使用信道的空間分集來在相同帶寬上發(fā)送獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，與OFDMA不同，所有用戶都使用全部帶寬，從而帶來多路復(fù)用增益。終端受天線數(shù)量受限于尺寸，一般來說只有1個(gè)或2個(gè)空間流（天線），比AP的空間流（天線）要少，因此，在AP中引入MU-MIMO技術(shù)，同一時(shí)刻就可以實(shí)現(xiàn)AP與多個(gè)終端之間同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，大大提升了吞吐量。

圖1-8 SU-MIMO與MU-MIMO吞吐量差異

DL MU-MIMO技術(shù)

MU-MIMO在802.11ac就已經(jīng)引入，但只支持DL 4x4 MU-MIMO（下行）。在802.11ax中進(jìn)一步增加了MU-MIMO數(shù)量，可支持DL 8x8 MU-MIMO，借助DL OFDMA技術(shù)（下行），可同時(shí)進(jìn)行MU-MIMO傳輸和分配不同RU進(jìn)行多用戶多址傳輸，既增加了系統(tǒng)并發(fā)接入量，又均衡了吞吐量。

圖1-9 8x8 MU-MIMO AP下行多用戶模式調(diào)度順序

UL MU-MIMO技術(shù)

UL MU-MIMO（上行）是802.11ax中引入的一個(gè)重要特性，UL MU-MIMO的概念和UL SU-MIMO的概念類似，都是通過發(fā)射機(jī)和接收機(jī)多天線技術(shù)使用相同的信道資源在多個(gè)空間流上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，唯一的差別點(diǎn)在于UL MU-MIMO的多個(gè)數(shù)據(jù)流是來自多個(gè)用戶。802.11ac及之前的802.11標(biāo)準(zhǔn)都是UL SU-MIMO，即只能接受一個(gè)用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)，多用戶并發(fā)場景效率較低，802.11ax支持UL MU-MIMO后，借助UL OFDMA技術(shù)（上行），可同時(shí)進(jìn)行MU-MIMO傳輸和分配不同RU進(jìn)行多用戶多址傳輸，提升多用戶并發(fā)場景效率，大大降低了應(yīng)用時(shí)延。

圖1-10 多用戶模式上行調(diào)度順序

雖然802.11ax標(biāo)準(zhǔn)允許OFDMA與MU-MIMO同時(shí)使用，但不要將OFDMA與MU-MIMO混淆。OFDMA支持多用戶通過細(xì)分信道（子信道）來提高并發(fā)效率，MU-MIMO支持多用戶通過使用不同的空間流來提高吞吐量。下表是OFDMA與MU-MIMO的對(duì)比：

表1-8 OFDMA與MU-MIMO對(duì)比

3.3 更高階的調(diào)制技術(shù)（1024-QAM）

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802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是增加系統(tǒng)容量，降低時(shí)延，提高多用戶高密場景下的效率，但更好的效率與更快的速度并不互斥。802.11ac采用的256-QAM正交幅度調(diào)制，每個(gè)符號(hào)傳輸8bit數(shù)據(jù)（2^8=256），802.11ax將采用1024-QAM正交幅度調(diào)制，每個(gè)符號(hào)位傳輸10bit數(shù)據(jù)（2^10=1024），從8到10的提升是25%，也就是相對(duì)于802.11ac來說，802.11ax的單條空間流數(shù)據(jù)吞吐量又提高了25%。

圖1-11 256-QAM與1024-QAM的星座圖對(duì)比

需要注意的是802.11ax中成功使用1024-QAM調(diào)制取決于信道條件，更密的星座點(diǎn)距離需要更強(qiáng)大的EVM（誤差矢量幅度，用于量化無線電接收器或發(fā)射器在調(diào)制精度方面的性能）和接受靈敏度功能，并且信道質(zhì)量要求高于其他調(diào)制類型。

3.4 空分復(fù)用技術(shù)（SR）和BSS Coloring著色機(jī)制

Wi-Fi射頻的傳輸原理是在任何指定時(shí)間內(nèi)，一個(gè)信道上只允許一個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)，如果Wi-Fi AP和客戶端在同一信道上偵聽到有其他802.11無線電傳輸，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)行沖突避免，推遲傳輸，因此每個(gè)用戶都必須輪流使用。所以說信道是無線網(wǎng)絡(luò)中非常寶貴的資源，特別在高密場景下，信道的合理劃分和利用將對(duì)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的容量和穩(wěn)定性帶來較大的影響。802.11ax可以在2.4GHz或5GHz頻段運(yùn)行（與802.11ac不同，只能在5GHz頻段運(yùn)行），高密部署時(shí)同樣可能會(huì)遇到可用信道太少的問題（特別是2.4GHz頻段），如果能夠提升信道的復(fù)用能力，將會(huì)對(duì)提升系統(tǒng)的吞吐容量。

802.11ac及之前的標(biāo)準(zhǔn)，通常采用動(dòng)態(tài)調(diào)整CCA門限的機(jī)制來改善同頻信道間的干擾，通過識(shí)別同頻干擾強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)調(diào)整CCA門限，忽略同頻弱干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)同頻并發(fā)傳輸，提升系統(tǒng)吞吐容量。

圖1-12 802.11默認(rèn)CCA門限

例如下圖，AP1上的STA1正在傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)，AP2也想向STA2發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)Wi-Fi射頻傳輸原理，需要先偵聽信道是否空閑，CCA門限值默認(rèn)-82dBm，發(fā)現(xiàn)信道已被STA1占用，那么AP2由于無法并行傳輸而推遲發(fā)送。實(shí)際上，所有的與AP2相關(guān)聯(lián)的同信道客戶端都將推遲發(fā)送。引入動(dòng)態(tài)CCA門限調(diào)整機(jī)制，但AP2偵聽到同頻信道被占用時(shí)，可根據(jù)干擾強(qiáng)度調(diào)整CCA門限偵聽范圍（比如說從-82dBm提升到-72dBm），規(guī)避干擾帶來的影響，即可實(shí)現(xiàn)同頻并發(fā)傳輸。

圖1-13 動(dòng)態(tài)CCA門限調(diào)整

由于Wi-Fi客戶端設(shè)備的移動(dòng)性，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中偵聽到的同頻干擾不是靜態(tài)的，它會(huì)隨著客戶端設(shè)備的移動(dòng)而改變，因此引入動(dòng)態(tài)CCA機(jī)制是很有效的。

802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識(shí)別機(jī)制，叫BSS Coloring著色機(jī)制，在PHY報(bào)文頭中添加BSS color字段對(duì)來自不同BSS的數(shù)據(jù)進(jìn)行“染色”，為每個(gè)通道分配一種顏色，該顏色標(biāo)識(shí)一組不應(yīng)干擾的基本服務(wù)集（BSS），接收端可以及早識(shí)別同頻傳輸干擾信號(hào)并停止接收，避免浪費(fèi)收發(fā)機(jī)時(shí)間。如果顏色相同，則認(rèn)為是同一BSS內(nèi)的干擾信號(hào)，發(fā)送將推遲；如果顏色不同，則認(rèn)為兩者之間無干擾，兩個(gè)Wi-Fi設(shè)備可同信道同頻并行傳輸。以這種方式設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，那些具有相同顏色的信道彼此相距很遠(yuǎn)，此時(shí)我們?cè)倮脛?dòng)態(tài)CCA機(jī)制將這種信號(hào)設(shè)置為不敏感，事實(shí)上它們之間也不太可能會(huì)相互干擾。

圖1-14 無BSS Color機(jī)制與有BSS Color機(jī)制對(duì)比

3.5 擴(kuò)展覆蓋范圍（ER）

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由于802.11ax標(biāo)準(zhǔn)采用的是Long OFDM symbol發(fā)送機(jī)制，每次數(shù)據(jù)發(fā)送持續(xù)時(shí)間從原來的3.2us提升到12.8us，更長的發(fā)送時(shí)間可降低終端丟包率；另外802.11ax最小可僅使用2MHz頻寬進(jìn)行窄帶傳輸，有效降低頻段噪聲干擾，提升了終端接受靈敏度，增加了覆蓋距離。

圖1-15 Long OFDM symbol與窄帶傳輸帶來覆蓋距離提升

04 其他Wi-Fi 6（802.11ax）新特性

前面的幾大核心技術(shù)已經(jīng)足夠證明802.11ax帶來的高效傳輸和高密容量，但802.11ax也不是Wi-Fi的最終標(biāo)準(zhǔn)，這只是高效無線網(wǎng)絡(luò)的開始，新標(biāo)準(zhǔn)的802.11ax依然需要兼容老標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，并考慮面向未來物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、綠色節(jié)能等方向的發(fā)展趨勢。以下是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的其他新特性。

4.1 支持2.4GHz頻段

我們都知道2.4GHz頻寬窄，且僅有3個(gè)20MHz的互不干擾信道（1，6和11），在802.11ac標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)被拋棄，但是有一點(diǎn)不可否認(rèn)的是2.4GHz仍然是一個(gè)可用的Wi-Fi頻段，在很多場景下依然被廣泛使用，因此，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中選擇繼續(xù)支持2.4GHz，目的就是要充分利用這一頻段特有的優(yōu)勢。

優(yōu)勢一：覆蓋范圍

無線通信系統(tǒng)中，頻率較高的信號(hào)比頻率較低的信號(hào)更容易穿透障礙物，而頻率越低，波長越長，繞射能力越強(qiáng)，穿透能力越差，信號(hào)損失衰減越小，傳輸距離越遠(yuǎn)。雖然5GHz頻段可帶來更高的傳播速度，但信號(hào)衰減也越大，所以傳輸距離比2.4GHz要短。因此，我們?cè)诓渴鸶呙軣o線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，2.4GHz頻段除了用于兼容老舊設(shè)備，還有一個(gè)很大的作用就是邊緣區(qū)域覆蓋補(bǔ)盲。

優(yōu)勢二：低成本

現(xiàn)階段仍有數(shù)以億計(jì)的2.4GHz設(shè)備在線使用，就算如今成為潮流的IoT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也使用的2.4GHz頻段，對(duì)有些流量不大的業(yè)務(wù)場景（如電子圍欄、資產(chǎn)管理等），終端設(shè)備非常多，使用成本更低的僅支持2.4GHz的終端是一個(gè)性價(jià)比非常高的選擇。

4.2 目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）

目標(biāo)喚醒時(shí)間TWT（Target Wake Time）是802.11ax支持的另一個(gè)重要的資源調(diào)度功能，它借鑒于802.11ah標(biāo)準(zhǔn)。它允許設(shè)備協(xié)商什么時(shí)候和多久會(huì)被喚醒，然后發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。Wi-Fi AP可以將客戶端設(shè)備分組到不同的TWT周期，從而減少喚醒后同時(shí)競爭無線介質(zhì)的設(shè)備數(shù)量。TWT還增加了設(shè)備睡眠時(shí)間，對(duì)采用電池供電的終端來說，大大提高了電池壽命。

802.11ax AP可以和STA協(xié)調(diào)目標(biāo)喚醒時(shí)間功能的使用，AP和STA會(huì)互相交換信息，當(dāng)中將包含預(yù)計(jì)的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間，以定義讓STA訪問介質(zhì)的特定時(shí)間或一組時(shí)間，這樣就可以避開多個(gè)不同STA之間的競爭和重疊情況。支持802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的STA可以使用TWT來降低能量損耗，在自身的TWT來臨之前進(jìn)入睡眠狀態(tài)。AP還可另外設(shè)定TWT編排計(jì)劃并將TWT值提供給STA，這樣雙方之間就不需要存在個(gè)別的TWT協(xié)議，此操作稱為“廣播TWT操作”。