从802.11ac到802.11ax 一个字母带来的巨变！

西北望msm66g9f 2016-11-01

展开全文

概括了802.11ax新版标准的变化，特别是在PHY层面的变化。并探讨了新标准的双操作模式（MU-MIMO和OFDMA模式）及多用户操作的各个方面。

想像一下，当你正置身于人潮鼎沸的机场航站楼，等待你的航班开始登机，突然航空公司宣布你要搭乘的航班取消了。于是你立即使用移动设备查看其他选择，试着重新安排日程。但是，由于几乎每个人都在同一时间这样做，造成航空公司网页的加载可能需要很长的时间。

为什么会这样？毕竟这是802.11ac网络。从理论上讲，它为80MHz信道提供的单个流速度大于400 Mb/s。

802.11ac当然提供了非常快速的链接，但这一性能通常对低密度用户环境比较有效，即每个访问点只有几十个或更少的用户时。在用户非常密集的环境中，802.11ac能够提供的实际数据吞吐量就会显著降低。因此，在802.11ax标准中做出的新变化其目的就是要提高拥挤网络空间中的数据吞吐量。

密集环境下数据吞吐量的挑战

802.11协议使用了一种载波监听多路访问（CSMA）方法，使用这种方法时，无线工作站（STA）首先检测信道并仅在检测到信道将闲置时——即当它们未发现任何802.11信号时才尝试避免传输冲突。当一个STA检测到另一信道时，它会在随机时间段内等待此STA停止传输，而后再次监听此信道是否将进入空闲状态。当STA能够传输时，他们会传输整个数据包的数据（图1）。

图1 空闲信道评估协议

Wi-Fi STA可以使用请求发送/清除发送（RTS/CTS）调解对共享媒体的访问。接入点（AP）每次仅为一个站点签发一个CTS数据包，反过来，STA会将其整帧发送至该AP。然后，STA等待来自AP的确认字符（ACK），表示已正确接收该数据包。如果STA没能及时接收ACK，它将假设此ACK数据包与某个传送中的数据包相撞，这时该STA将被移入二进制指数退避阶段。它会尝试访问媒体并在退避计数器失效时重新传输数据包。

在冲突域范围内所有参与者公平共享信道方面，此空闲信道评估和防冲突协议发挥了良好的作用，但当参与者数量大幅增长时，传输效率就会下降。STA必须等待更长的时间才能获取专门的传输或接收数据的信道使用权。

另一个导致网络效率低下的因素是存在众多带有重叠服务区的AP。图2左侧描绘了一个从属于基本服务集（BSS，指一组与某AP相关联的无线客户）的用户（用户1）。用户1将与另一个BSS集中的用户争夺媒体接入权，然后与其AP交换数据。但是，此用户仍能够监听来自右侧重叠BSS的通信量。

图2 因重叠BSS造成的媒体访问效率低下

在这种情况下，重叠BSS（OBSS）的通信量会触发用户1的退避程序。这类情况会造成用户必须等待更长时间才能获得传输机会，大大降低了它们的平均数据吞吐量。

第三个需要考虑的因素是更宽信道的共享（如图3）。以北美地区的802.11ac执行为例，只有一条160MHz可用信道，欧洲仅有两条可用信道。

图3 5GHz宽带上的802.11 ax信道分配实例

因此，在信道数量减少的情况下，密集覆盖的规划变得非常困难。如缺乏准确和审慎的功率管理，用户将会遭遇同信道干扰，这会降低性能，抵消来自更宽信道的大部分预期增益。

这种情况更易出现在MCS 8、9、10和11的最高数据速率情况下，因为此速率更易受到信噪比的影响。同时，一个用户使用与80 MHz信道重叠的20 MHz信道传输，基本上都会导致80MHz信道无效。在高度密集网络中执行802.11ac的信道共享损害了用于20 MHz信道传输的80MHz信道增益。

高效PHY机制

规范为本标准的物理层带来了重大变化。但该规范仍可向后兼容802.11a/b/g/n和/ac设备，因此802.11ax STA可以与传统STA相互发送或接收数据。802.11ax STA传输时，这些传统客户还能够解调和解码802.11 ax数据包（但并非整个802.11ax数据包）报头和退避。表1通过与现行802.11ac标准的执行相对比，突出强调了802.11ax标准此次修订中最重要的变更。

表1 802.11ac和802.11ax的主要PHY差异

注意，802.11ax标准将对2.4GHz和5GHz带宽进行规范。此标准明确定义了四倍大的FFT，乘以副载波的数量。但是，802.11ax标准提供的一个重要变化是副载波间隔减少到此前802.11修订版中副载波间隔的四分之一，同时保留了现有的信道带宽（图4）。

图4 较狭窄的副载波间隔

OFDM（正交频分多路复用）符号持续时间和循环前缀也增长了四倍，原始链接数据率保持与802.11ac相同，但提高了在室内/户外及混合环境下的效率和稳健性。但此标准的确规定了室内环境下的1024-QAM和更低的循环前缀比率，这将提升最大数据速率。

多用户作业：MU-MIMO和OFDMA

802.11ax标准具备两种作业模式：

1. 单用户：在这个序列模式下，无线工作站（STA）在获得媒体访问权后一次发送并接收一个数据。

2. 多用户：此模式允许多个非接入点STA的同时操作。该标准进一步将此模式分为下行和上行多用户模式。

下行多用户模式是指接入点同时为多个相关无线STA提供的数据。现行802.11ac标准也包含此功能。

上行多用户模式是指数据从多个STA到AP的同步传输。这是802.11ax标准的新增功能，以往任何版本的Wi-Fi标准皆不具备这项功能。

在多用户操作模式下，该标准还规定了两种能够在一定区域内多路传输更多用户的方式：多用户MIMO和正交频分多址（OFDMA）。在这两种方法中，AP作为中央控制器控制多用户操作的各个方面，这与LTE蜂窝基站控制多个用户的多路复用相似。802.11ax AP还可将MU-MIMO与OFDMA操作结合起来。

多用户MIMO

802.11ax设备借鉴了802.11ac的执行经验，将使用波束成形技术同步将数据包发送至不同空间的用户（图5）。换言之，AP会计算每个用户的信道矩阵，并同时将波束导向不同的用户——每路波束包含针对其目标用户的特定数据包。802.11ax一次可支持8个多用户MIMO传输包的发送，而802.11ac一次可支持4个MIMO数据包。而且，每次MU-MIMO传输都可能有自己的调制和解码集（MCS）和不同数量的空间串流。

图5 AP使用MU-MIMO波束成形为坐落在不同空间位置的多个用户服务

作为MU-MIMO上行方向的新增功能，AP将通过一个触发帧从每个STA发起上行同步传输。当多个用户及其数据包同时响应时，AP将信道矩阵应用于所接收的波束并将每个上行波束包含的信息分开，同时它还可能发起上行多用户传输，从而接收来自所有参与STA的波束形成反馈信息（图6）。

图6 波束成形AP请求MU-MIMO操作的信道信息

多用户OFDMA

802.11ax所采用的在相同信道带宽中服务更多用户的另一执行技术是OFD-MA。基于802.11ac已经使用的现有正交频分多路复用（OFDM）数字调制方案，802.11ax标准进一步将特定的副载波集分配给个体用户，即，它将现有的802.11信道（20、40、80和160MHz频宽）分为带有预定义数量的副载波的更小子信道。802.11ax标准将最小子信道称为资源单元（RU），最少包含26个副载波。

AP依据多个用户的通信需求决定如何分配信道，始终在下行方向分配所有可用的资源单元。它可能一次将整个信道仅分配给一个用户——与802.11ac当前功能相同——或者它可能对其进行分区，以便同时服务多个用户（图7）。

图7 使用信道的单个用户VS使用正交频分多址的同信道中的多类用户

在密集用户环境下，许多用户通常无力争夺信道的使用机会，现在正交频分多址使用更小巧——但更具专用性的子信道同时服务多个用户，因此提升了每个用户的平均数据吞吐量。802.11ax系统可能通过不同的资源单元规模实现信道的多路复用（图8）。注意，对于每一20MHz带宽，信道的最小部分可容纳9个用户。

图8 使用多种RU规模细分Wi-Fi信道

表2显示当802.11ax AP和各STA协调用于MU-OFDMA操作时当前能够获得频率多路复用访问权的用户数量。

表2 以信道带宽为依据的资源单元总数

多用户上行操作

要协调上行MU-MIMO或上行OFDMA传输，AP需向所有用户发送一个触发帧。此帧显示了空间流的数量和/或每个用户的OFDMA分配（频率和资源单元的大小）。它还包含功率控制信息，因此个人用户能够提高或降低他们的传输功率，以便均分AP从所有上行用户接收的功率并提升来自较远节点的各帧的接收。AP还通知所有用户传输开始和结束的时间。AP向所有用户发送一个多用户上行触发帧（图9），用于指示整体开始传输的确切时间以及各帧的确切持续时间，以确保各用户同时完成传输。AP接收到来自所有用户的帧后，会向用户返回一个块确认以结束操作。