技術(shù)干貨|第七代無線技術(shù)802.11ax詳解

802.11ax，也稱為高效無線網(wǎng)絡(luò)(High-Efficiency Wireless - HEW)，通過一系列系統(tǒng)特性和多種機(jī)制增加系統(tǒng)容量，通過更好的一致覆蓋和減少空口介質(zhì)擁塞來改善Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的工作方式，使用戶獲得最佳體驗;尤其在密集用戶環(huán)境中，為更多的用戶提供一致和可靠的數(shù)據(jù)吞吐量，其目標(biāo)是將用戶的平均吞吐量提高至少4倍。也就是說基于802.11ax的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)意味著前所未有的高容量和高效率。

802.11ax技術(shù)構(gòu)成

▲802.11ax技術(shù)構(gòu)成模塊示意圖

802.11ax標(biāo)準(zhǔn)在物理層導(dǎo)入了多項大幅變更。然而，它依舊可向下兼容于802.11a/b/g/n與ac設(shè)備。正因如此，802.11ax STA能與舊有STA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和接收，舊有客戶端也能解調(diào)和譯碼802.11ax封包表頭 (雖然不是整個802.11ax封包)，并于802.11ax STA傳輸期間進(jìn)行輪詢。下圖顯示此標(biāo)準(zhǔn)修正最重要的變更以及與現(xiàn)行802.11n和802.11ac的對照。

▲802.11n、802.11ac和802.11ax的關(guān)鍵PHY比較

關(guān)鍵技術(shù)解析

以下是在802.11ax當(dāng)中使用到的關(guān)鍵技術(shù)

· OFDMA

· MU-MIMO

· 1024-QAM

· Spatial Reuse

· BBS Coloring

OFDMA(正交頻分復(fù)用多址接入)

OFDMA是通過將子載波子集分配給不同用戶在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法。迄今為止，它已被許多無線技術(shù)采用，例如3GPP LTE。 802.11ax是第一個將OFDMA引入WLAN網(wǎng)絡(luò)的WLAN標(biāo)準(zhǔn)。此外，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)也仿效LTE專有名詞，將最小的子信道稱為“資源單位(RU)”，每個RU當(dāng)中至少包含26個子載波。

OFDMA允許同時提供具有不同帶寬需求的多個用戶，從而有效利用可用頻譜。子載波被分成若干組，每組表示為具有最小尺寸為26個子載波(2MHz寬)和最大尺寸為996個子載波(77.8MHz寬)的資源單元(RU)。在用于傳統(tǒng)WLAN技術(shù)的OFDM中，總信道帶寬(例如，20MHz，40MHz等......)用于任何一幀傳輸。但是在用于802.11ax 的OFDMA中，使用的子載波可以分配為小到2 MHz的塊或最大帶寬的傳輸。因此，可以針對不同類型的流量(例如即時消息(IM)與視頻流)來擴(kuò)展資源。 OFDM和OFDMA之間的區(qū)別如下圖所示。

▲OFDM與OFDMA對比

有如下幾種子載波類型：

· 數(shù)據(jù)子載波，用于數(shù)據(jù)傳輸;

· 導(dǎo)頻子載波，用于相位信息和參數(shù)跟蹤;

· 未使用的子載波，不用于數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻傳輸，未使用的子載波是DC子載波;

· 保護(hù)頻帶子載波，在頻帶邊緣;

· 空子載波。

形成RU的子載波是連續(xù)的，除了在帶的中間，其中空值被放置在DC處。

OFDMA結(jié)構(gòu)由26子載波RU，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組成。下圖中顯示了最大RU數(shù)，RU位置取決于信道帶寬。

▲不同頻寬的RU總數(shù)

下圖顯示了用于80MHz信道帶寬的26,52,106,242,484和996個子載波RU位置。 用戶只能分配給一個RU，RU大小≥106可以分配給多個用戶。

▲RU在80MHz中的位置示意圖

MU-MIMO(多用戶多入多出)

MU-MIMO相信大家都不陌生，在802.11ac時，引入了DL MU-MIMO，但遇到了以下問題：

· 許多客戶端設(shè)備是單天線，并且許多兩個天線客戶端切換到用于DL MU-MIMO的單流模式以防止干擾：

使用4個天線AP，與單個用戶相比的增益是適度的;

即使構(gòu)建了8個天線AP，分組也限制為4個用戶;

· 來自用戶的信道探測響應(yīng)在時間上連續(xù)發(fā)送，導(dǎo)致高開銷;

· 在沒有UL MU增強(qiáng)的情況下，在上行鏈路上具有TCP ACK的TCP/IP受到削弱;

· UL MU-MIMO最初在11ac中被考慮，但由于實施問題而未包括在內(nèi)。

802.11ax MU-MIMO的增強(qiáng)功能如下：

· 支持UL MU-MIMO：

· 探測幀、數(shù)據(jù)幀等可以在多個用戶之間分組，以減少開銷并增加上行鏈路響應(yīng)時間;

· 對于DL和UL，擴(kuò)展到八個用戶：

· 現(xiàn)在，即使設(shè)備處于單流模式，MU-MIMO吞吐量也可以在單用戶操作中增加一倍或三倍。

802.11ac標(biāo)準(zhǔn)引入了4x4下行鏈路MU-MIMO，其中AP同時向多達(dá)四個STA發(fā)送獨立數(shù)據(jù)流。 802.11ax將下行鏈路MU-MIMO支持的最大用戶數(shù)擴(kuò)展到8個。它還增加了對8x8上行鏈路MU-MIMO的支持，允許多達(dá)8個STA通過相同的頻率資源同時傳輸?shù)絾蝹�AP。結(jié)果是，與802.11ac相比，下行鏈路容量增加了2倍，上行鏈路容量增加了8倍。

▲802.11ax MU-MIMO的特性

MU MIMO和OFDMA技術(shù)可以同時使用。為了啟用上行鏈路MU傳輸，AP發(fā)送稱為觸發(fā)幀的新控制幀，其包含用于STA的RU分配調(diào)度信息，用于基于觸發(fā)的PPDU中每個STA的編碼類型和調(diào)制與編碼方案(MCS)。另外，觸發(fā)幀為上行鏈路傳輸提供同步。

由于多個發(fā)射機(jī)參與UL MU-MIMO傳輸，因此它需要參與STA的時間、頻率、采樣時鐘和功率預(yù)校正，以減輕AP處的同步相關(guān)問題。

多用戶上鏈作業(yè)

在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技術(shù)可以分別使用。在多用戶作業(yè)模式中，標(biāo)準(zhǔn)會根據(jù)情況指定兩種方式來為特定區(qū)域內(nèi)更多用戶進(jìn)行多任務(wù)操作：即多用戶多入多出(MU-MIMO)或正交頻分復(fù)用多址接入 (OFDMA)。無論為上述何種方式，無線接入點都會充當(dāng)多用戶作業(yè)的中央控制器，這點與LTE基站用來控制多用戶多任務(wù)的方式相似。

▲根據(jù)所服務(wù)的應(yīng)用程序類型使用OFDMA和MU-MIMO

通過了解他們的工作機(jī)制您可以看到，OFDMA增加了空口效率，這大大減少了應(yīng)用的延遲，它在可工作的信噪比范圍之內(nèi)對于小數(shù)據(jù)包的傳輸效率更高、效果更好，極其適合無線語音或者類似應(yīng)用的場景。而MU-MIMO提升的是系統(tǒng)容量，在高信噪比條件下傳輸大數(shù)據(jù)包時效率更高，適合視頻、Web瀏覽、辦公場景和應(yīng)用。

當(dāng)然，802.11ax 無線接入點也可將MU-MIMO和OFDMA作業(yè)結(jié)合在一起。為了協(xié)調(diào)上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸，無線接入點將發(fā)送觸發(fā)管理幀給所有使用者。該管理幀會指出每位使用者的空間串流數(shù)量和/或OFDMA配置(頻率和RU大小)。此外，當(dāng)中也會包含功率控制信息，好讓個別用戶可以調(diào)高或調(diào)低其傳輸功率，進(jìn)而平衡無線接入點從所有上行使用者接收到的功率，同時改善較遠(yuǎn)節(jié)點的幀接收情況。無線接入點也會指示所有使用者何時可以開始和結(jié)束傳輸。如下圖所示，無線接入點傳送多使用者上行觸發(fā)管理幀，告知所有使用者何時可以一起開始傳輸，以及所屬幀的持續(xù)時間，以確保彼此能夠同時結(jié)束傳輸。一旦無線接入點收到了所有使用者的幀，就會回傳Block ACK以結(jié)束作業(yè)。

▲UL MU傳輸?shù)幕�本幀交換序列

在競爭環(huán)境中，用戶無需互相競爭在上行鏈路中發(fā)送數(shù)據(jù)，而是由802.11ax無線接入點協(xié)同安排，以免彼此沖突。這種管理方法將實現(xiàn)更好的資源利用和效率提高。

1024-QAM

QAM編碼是用星座圖(點陣圖)來做數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)，實際應(yīng)用中是2的N次方的關(guān)系。比如說16-QAM ，16是2的4次方，一次就可以傳輸4個bit的數(shù)據(jù);802.11n是64-QAM ，是2的6次方，因此在64個點陣的一個星座集合里面，用任意一個點可以攜帶六個bit的數(shù)據(jù)信息。

到了802.11ac，就變成了256-QAM，是2的8次方，802.11ac相對于802.11n在編碼上面的速率提升了33%。802.11ax之后引入了更高階的編碼，就是2的10次方，1024-QAM。

我們都知道從8到10的提升是25%，也就是相對于802.11ac來說，802.11ax的性能又提高了25%，變成了1024-QAM，一個符號可以攜帶10個bit的數(shù)據(jù)。

▲256-QAM與1024-QAM的對比

Spatial Reuse(空間復(fù)用)

為了在密集部署方案中提高系統(tǒng)級性能和頻譜資源的有效使用，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了空間重用技術(shù)。 STA可以識別來自重疊基本服務(wù)集(BSS)的信號，并基于該信息做出關(guān)于介質(zhì)爭用和干擾管理的決定。

當(dāng)主動偵聽介質(zhì)的STA檢測到802.11ax幀時，它會檢查MAC頭中的BSS顏色位或MAC地址。但是，利用現(xiàn)有的介質(zhì)訪問規(guī)則，來自一個BSS的設(shè)備將推遲到另一個同頻道BSS，而不會增加網(wǎng)絡(luò)容量。

BSS著色是802.11ah中引入的一種機(jī)制，用于為每個BSS分配不同的“顏色”，將其擴(kuò)展到11ax，根據(jù)檢測到的顏色分配新的頻道訪問行為。

▲BSS著色機(jī)制

當(dāng)802.11ax STA使用基于顏色代碼的CCA規(guī)則時，它們也可以與發(fā)射功率控制一起調(diào)整OBSS信號檢測閾值。此調(diào)整可提高系統(tǒng)級性能和頻譜資源的使用。此外，802.11ax STA可以調(diào)整CCA參數(shù)，例如能量檢測級別和信號檢測級別。

▲動態(tài)調(diào)整BSS內(nèi)部的CCA門限

除了使用CCA來確定當(dāng)前幀的介質(zhì)是空閑還是繁忙之外，802.11標(biāo)準(zhǔn)還使用網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV)，一種維持未來流量預(yù)測的定時器機(jī)制，以便STA指示所需緊接在當(dāng)前幀之后的幀的時間。NAV充當(dāng)虛擬載波偵聽，確保對802.11協(xié)議操作關(guān)鍵幀的介質(zhì)預(yù)留，例如控制幀，以及RTS / CTS交換后的數(shù)據(jù)和ACK。

· Intra-BSS NAV，如果所偵測的協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU) 中的 BSS 色彩與所關(guān)聯(lián) AP 已公布的色彩相同，STA 就會將該幀視為Intra-BSS幀;

· Inter-BSS NAV，如果所偵測幀的 BSS 色彩不同，STA 就會將該幀視為來自重疊 BSS 的 Inter-BSS 幀。在這之后，只有在需要 STA 驗證幀是否是 Inter-BSS 幀期間，STA 才將介質(zhì)當(dāng)成忙碌中 (BUSY)。

該標(biāo)準(zhǔn)仍然必須定義一些忽略來自重疊BSS的業(yè)務(wù)機(jī)制，但是該實現(xiàn)可以包括提高BSS間幀的空閑信道評估信號檢測(SD)閾值，同時保持BSS內(nèi)業(yè)務(wù)的較低閾值。這樣，來自相鄰BSS的流量不會產(chǎn)生不必要的信道接入爭用。

總結(jié)

總體來講，802.11ax從兩個大方面實現(xiàn)了自己的既定目標(biāo)，其中MU-MIMO和OFDMA是802.11ax成功的關(guān)鍵。

1.物理層的增強(qiáng)與高效，主要包括：

· 上行和下行方向正交頻分多址(OFDMA) OFDMA機(jī)制可以同時為多個使用者提供較小(但專屬)的子信道，進(jìn)而改善每位用戶的平均傳輸率。

· 上行和下行方向多用戶-多輸入多輸出(MU-MIMO) 上行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務(wù)，容量是802.11ac的8倍;下行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務(wù)，容量是802.11ac的2倍。

· 上行鏈路資源調(diào)度 在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技術(shù)可以分別使用;OFDMA增加了空口效率;而MU-MIMO提升的是系統(tǒng)容量。

· 最多8個發(fā)送天線、8個接收天線和8個空間流

· 更高的調(diào)制方式，1024-QAM 每符號可攜帶10bit，與256-QAM相比，容量提升了25%。

2. MAC層的增強(qiáng)與高效，主要包括：

· 基本服務(wù)集著色(BSS Coloring) BSS著色機(jī)制使設(shè)備能夠區(qū)分自己網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與鄰近網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，在盡可能的情況下最大限度去減少同頻干擾。

· 雙NAV機(jī)制 同時擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV可以幫助STA預(yù)測自身BSS內(nèi)的流量，并且當(dāng)它們在得知重疊流量狀態(tài)時可以進(jìn)行自由傳輸

· 目標(biāo)喚醒時間(Target Wake up Time - TWT) 減少用戶之間的爭用和重疊，顯著增加STA的休眠時間以降低功耗

銳捷網(wǎng)絡(luò)已發(fā)布了基于802.11ax平臺的全新產(chǎn)品RG-AP860-I，該產(chǎn)品采用了更高階的1024-QAM調(diào)制編碼方案和上下行OFDMA技術(shù)，通過更高的傳輸速率、更強(qiáng)大的并發(fā)能力和更高效的資源調(diào)度能力，展現(xiàn)出單臺AP承載10Gbps網(wǎng)絡(luò)接入速率的震撼力。最關(guān)鍵的一點是，銳捷RG-AP860-I已全面支持802.11ax的企業(yè)級應(yīng)用，此舉為第七代無線技術(shù)打通了大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)用之路。

| 本期作者：范景昊

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