第七代无线技术802.11ax详解

小乔

802.11ax，也称为高效无线网络(High-Efficiency Wireless - HEW)，通过一系列系统特性和多种机制增加系统容量，通过更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi网络的工作方式，使用户获得理想的体验；尤其在密集用户环境中，为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量，其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4倍。也就是说基于802.11ax的Wi-Fi网络意味着前所未有的高容量和高效率。

802.11ax技术构成

                               
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▲802.11ax技术构成模块示意图

• 802.11ax标准在物理层导入了多项大幅变更。然而，它依旧可向下兼容于802.11a/b/g/n与ac设备。正因如此，802.11ax STA能与旧有STA进行数据传送和接收，旧有客户端也能解调和译码802.11ax封包表头 （虽然不是整个802.11ax封包），并于802.11ax STA传输期间进行轮询。下图显示此标准修正重要的变更以及与现行802.11n和802.11ac的对照。
  

                               
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▲802.11n、802.11ac和802.11ax的关键PHY比较

关键技术解析

以下是在802.11ax当中使用到的关键技术

• OFDMA
• MU-MIMO
• 1024-QAM
• Spatial Reuse
  • BBS Coloring
    
  
  

OFDMA（正交频分复用多址接入）

OFDMA是通过将子载波子集分配给不同用户在OFDM系统中添加多址的方法。迄今为止，它已被许多无线技术采用，例如3GPP LTE。 802.11ax是第一个将OFDMA引入WLAN网络的WLAN标准。此外，802.11ax标准也仿效LTE专有名词，将最小的子信道称为“资源单位(RU)”，每个RU当中至少包含26个子载波。

OFDMA允许同时提供具有不同带宽需求的多个用户，从而有效利用可用频谱。子载波被分成若干组，每组表示为具有最小尺寸为26个子载波（2MHz宽）和最大尺寸为996个子载波（77.8MHz宽）的资源单元（RU）。在用于传统WLAN技术的OFDM中，总信道带宽（例如，20MHz，40MHz等......）用于任何一帧传输。但是在用于802.11ax 的OFDMA中，使用的子载波可以分配为小到2 MHz的块或最大带宽的传输。因此，可以针对不同类型的流量（例如即时消息（IM）与视频流）来扩展资源。 OFDM和OFDMA之间的区别如下图所示。

                               
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▲OFDM与OFDMA对比

有如下几种子载波类型：

• 数据子载波，用于数据传输;
• 导频子载波，用于相位信息和参数跟踪;
• 未使用的子载波，不用于数据/导频传输，未使用的子载波是DC子载波；
• 保护频带子载波，在频带边缘；
• 空子载波。
  

形成RU的子载波是连续的，除了在带的中间，其中空值被放置在DC处。

OFDMA结构由26子载波RU，52子载波RU，106子载波RU，242子载波RU，484子载波RU和996子载波RU组成。 下图中显示了最大RU数，RU位置取决于信道带宽。

                               
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▲不同频宽的RU总数

下图显示了用于80MHz信道带宽的26,52,106,242,484和996个子载波RU位置。 用户只能分配给一个RU，RU大小≥106可以分配给多个用户。

                               
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▲RU在80MHz中的位置示意图

MU-MIMO（多用户多入多出）

MU-MIMO相信大家都不陌生，在802.11ac时，引入了DL MU-MIMO，但遇到了以下问题：

• 许多客户端设备是单天线，并且许多两个天线客户端切换到用于DL MU-MIMO的单流模式以防止干扰：
  • 使用4个天线AP，与单个用户相比的增益是适度的 ；
  • 即使构建了8个天线AP，分组也限制为4个用户；
    
• 来自用户的信道探测响应在时间上连续发送，导致高开销；
• 在没有UL MU增强的情况下，在上行链路上具有TCP ACK的TCP/IP受到削弱；
• UL MU-MIMO最初在11ac中被考虑，但由于实施问题而未包括在内。
  

802.11ax MU-MIMO的增强功能如下：

• 支持UL MU-MIMO：
  探测帧、数据帧等可以在多个用户之间分组，以减少开销并增加上行链路响应时间；
• 对于DL和UL，扩展到八个用户：
  现在，即使设备处于单流模式，MU-MIMO吞吐量也可以在单用户操作中增加一倍或三倍。
  

802.11ac标准引入了4x4下行链路MU-MIMO，其中AP同时向多达四个STA发送独立数据流。 802.11ax将下行链路MU-MIMO支持的最大用户数扩展到8个。它还增加了对8x8上行链路MU-MIMO的支持，允许多达8个STA通过相同的频率资源同时传输到单个AP。结果是，与802.11ac相比，下行链路容量增加了2倍，上行链路容量增加了8倍。

                               
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▲802.11ax MU-MIMO的特性

MU-MIMO和OFDMA技术可以同时使用。为了启用上行链路MU传输，AP发送称为触发帧的新控制帧，其包含用于STA的RU分配调度信息，用于基于触发的PPDU中每个STA的编码类型和调制与编码方案（MCS）。另外，触发帧为上行链路传输提供同步。

由于多个发射机参与UL MU-MIMO传输，因此它需要参与STA的时间、频率、采样时钟和功率预校正，以减轻AP处的同步相关问题。

多用户上链作业

在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技术可以分别使用。在多用户作业模式中，标准会根据情况指定两种方式来为特定区域内更多用户进行多任务操作：即多用户多入多出(MU-MIMO)或正交频分复用多址接入 (OFDMA)。无论为上述何种方式，无线接入点都会充当多用户作业的中央控制器，这点与LTE基站用来控制多用户多任务的方式相似。

                               
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▲根据所服务的应用程序类型使用OFDMA和MU-MIMO

通过了解他们的工作机制您可以看到，OFDMA增加了空口效率，这大大减少了应用的延迟，它在可工作的信噪比范围之内对于小数据包的传输效率更高、效果更好，极其适合无线语音或者类似应用的场景。而MU-MIMO提升的是系统容量，在高信噪比条件下传输大数据包时效率更高，适合视频、Web浏览、办公场景和应用。

当然，802.11ax 无线接入点也可将MU-MIMO和OFDMA作业结合在一起。为了协调上行MU-MIMO或上行OFDMA传输，无线接入点将发送触发管理帧给所有使用者。该管理帧会指出每位使用者的空间串流数量和/或OFDMA配置（频率和RU大小）。此外，当中也会包含功率控制信息，好让个别用户可以调高或调低其传输功率，进而平衡无线接入点从所有上行使用者接收到的功率，同时改善较远节点的帧接收情况。无线接入点也会指示所有使用者何时可以开始和结束传输。如下图所示，无线接入点传送多使用者上行触发管理帧，告知所有使用者何时可以一起开始传输，以及所属帧的持续时间，以确保彼此能够同时结束传输。一旦无线接入点收到了所有使用者的帧，就会回传Block ACK以结束作业。

                               
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▲UL MU传输的基本帧交换序列

在竞争环境中，用户无需互相竞争在上行链路中发送数据，而是由802.11ax无线接入点协同安排，以免彼此冲突。这种管理方法将实现更好的资源利用和效率提高。

1024-QAM

QAM编码是用星座图（点阵图）来做数据的调制解调，实际应用中是2的N次方的关系。比如说16-QAM ，16是2的4次方，一次就可以传输4个bit的数据；802.11n是64-QAM ，是2的6次方，因此在64个点阵的一个星座集合里面，用任意一个点可以携带六个bit的数据信息。

到了802.11ac，就变成了256-QAM，是2的8次方，802.11ac相对于802.11n在编码上面的速率提升了33%。802.11ax之后引入了更高阶的编码，就是2的10次方，1024-QAM。

我们都知道从8到10的提升是25%，也就是相对于802.11ac来说，802.11ax的性能又提高了25%，变成了1024-QAM，一个符号可以携带10个bit的数据。

                               
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▲256-QAM与1024-QAM的对比

Spatial Reuse（空间复用）

为了在密集部署方案中提高系统级性能和频谱资源的有效使用，802.11ax标准实现了空间重用技术。 STA可以识别来自重叠基本服务集（BSS）的信号，并基于该信息做出关于介质争用和干扰管理的决定。

当主动侦听介质的STA检测到802.11ax帧时，它会检查MAC头中的BSS颜色位或MAC地址。但是，利用现有的介质访问规则，来自一个BSS的设备将推迟到另一个同频道BSS，而不会增加网络容量。

BSS着色是802.11ah中引入的一种机制，用于为每个BSS分配不同的“颜色”，将其扩展到11ax，根据检测到的颜色分配新的频道访问行为。

                               
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▲BSS着色机制

当802.11ax STA使用基于颜色代码的CCA规则时，它们也可以与发射功率控制一起调整OBSS信号检测阈值。此调整可提高系统级性能和频谱资源的使用。此外，802.11ax STA可以调整CCA参数，例如能量检测级别和信号检测级别。

                               
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▲动态调整BSS内部的CCA门限

除了使用CCA来确定当前帧的介质是空闲还是繁忙之外，802.11标准还使用网络分配向量（NAV），一种维持未来流量预测的定时器机制，以便STA指示所需紧接在当前帧之后的帧的时间。 NAV充当虚拟载波侦听，确保对802.11协议操作关键帧的介质预留，例如控制帧，以及RTS / CTS交换后的数据和ACK。

• Intra-BSS NAV，如果所侦测的协议数据单元 (PPDU) 中的 BSS 色彩与所关联 AP 已公布的色彩相同，STA 就会将该帧视为Intra-BSS帧；
• Inter-BSS NAV，如果所侦测帧的 BSS 色彩不同，STA 就会将该帧视为来自重叠 BSS 的 Inter-BSS 帧。在这之后，只有在需要 STA 验证帧是否是 Inter-BSS 帧期间，STA 才将介质当成忙碌中 (BUSY)。
  

该标准仍然必须定义一些忽略来自重叠BSS的业务机制，但是该实现可以包括提高BSS间帧的空闲信道评估信号检测（SD）阈值，同时保持BSS内业务的较低阈值。这样，来自相邻BSS的流量不会产生不必要的信道接入争用。

总结

总体来讲，802.11ax从两个大方面实现了自己的既定目标，其中MU-MIMO和OFDMA是802.11ax成功的关键。

1. 物理层的增强与高效，主要包括：

• 上行和下行方向正交频分多址(OFDMA)
  • OFDMA机制可以同时为多个使用者提供较小（但专属）的子信道，进而改善每位用户的平均传输率。
    
• 上行和下行方向多用户-多输入多输出(MU-MIMO)
  • 上行链路最多可同时为8个用户提供服务，容量是802.11ac的8倍；下行链路最多可同时为8个用户提供服务，容量是802.11ac的2倍。
    
• 上行链路资源调度
  • 在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技术可以分别使用；OFDMA增加了空口效率；而MU-MIMO提升的是系统容量。
    
• 最多8个发送天线、8个接收天线和8个空间流
• 更高的调制方式，1024-QAM
  • 每符号可携带10bit，与256-QAM相比，容量提升了25%。
    
  
  

2. MAC层的增强与高效，主要包括：

• 基本服务集着色(BSS Coloring)
  • BSS着色机制使设备能够区分自己网络中的传输与邻近网络中的传输，在尽可能的情况下最大限度去减少同频干扰。
    
• 双NAV机制
  • 同时拥有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV可以帮助STA预测自身BSS内的流量，并且当它们在得知重叠流量状态时可以进行自由传输
    
• 目标唤醒时间(Target Wake up Time - TWT)
  • 减少用户之间的争用和重叠，显著增加STA的休眠时间以降低功耗
    
  
  

锐捷网络已发布了基于802.11ax平台的全新产品RG-AP860-I，该产品采用了更高阶的1024-QAM调制编码方案和上下行OFDMA技术，通过更高的传输速率、更强大的并发能力和更高效的资源调度能力，展现出单台AP承载10Gbps网络接入速率的震撼力。最关键的一点是，锐捷RG-AP860-I已全面支持802.11ax的企业级应用，此举为第七代无线技术打通了大规模商业化的应用之路。