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802.11ax技术白皮书-6W100

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802.11ax技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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概述

1.1  产生背景

回顾整个802.11协议标准的发展历程,每一代新的协议都在传输速率和数据吞吐率方面有着较大的提升,尤其是演进到802.11ac协议后,无线网络带宽与有线差距越来越小,基本可以满足大部分应用的需求。

尽管802.11ac协议中的理论速率已经高达6.9Gbps,但这只是实验室理想环境下测出来的理论值,而实际应用环境远比实验室复杂,信号干扰以及冲突也比较多。同时,由于实际的业务报文以短包为主,物理层的聚合效果也并不理想,因此实际能达到的有效带宽也会远远低于上述理论值,且并发用户数越多,实际的有效吞吐率就会越低。

802.11ac及之前的协议,无线局域网重点关注的还是如何提升“最高传输”速度而忽略网络容量的影响。随着无线终端和无线应用的普及,接入无线网络的无线设备越来越多,狭小空间里需要争抢无线网络资源的终端用户越来越多,让无线局域网络标准开始重视网络容量,即对服务设备数量的顾及。因此802.11ax的诞生就是为了解决多用户并发问题,通过一系列新技术和优化手段的加入,使无线网络在速率、接入密度、覆盖距离上都带来了相应的提升,能够满足诸如网页浏览、即时通信、AR/VR、高清影视等多元化场景应用的需求。

1.2  技术优点

802.11ax的关键字是高效率无线标准(HEWHigh-Efficiency Wireless),该协议通过对物理层和链路层的优化实现了多用户并发效率的改进,解决了有效吞吐率低的问题,其最终目标是支持室内室外场景、提高频谱效率和密集用户环境下4倍实际吞吐量的提升。

表1 11ax11ac协议主要参数对比

参数描述

802.11ac

802.11ax

频段

5G

5G2.4G

信道带宽

20MHz40MHz80MHz160MHz80+80MHz

20MHz40MHz80MHz160MHz80+80MHz

调制方式

OFDM,最高支持256-QAM

OFDMA,最高支持1024-QAM

子载波数

6420MHz带宽)

25620MHz带宽)

帧保护间隔

400ns800ns

800ns1600ns3200ns

最大速率

6.9Gbps(目前产品1.7Gbps

9.6Gbps(目前产品4.8Gbps

最大聚合长度

1048575字节

4194303字节

空间复用技术

不支持

支持

OFDMA技术

不支持

支持

MU-MIMO

只支持下行

下行、上行都支持

TWT技术

不支持

支持

 

为了实现上述惊人的性能提升,802.11ax引进或者改进了多项新技术,例如更高的调制阶数(1024QAM)、上下行OFDMA技术、上下行MU-MIMO技术(其中下行MU-MIMO802.11ac时引入)、空间复用技术等。

·            更高阶的调制技术(1024-QAM):最高速率可达9.6Gbps160MHz带宽,8条流)。

·            OFDMA正交频分多址接入:增加全新的OFDMA机制,上下行都可支持,减少多用户之间退避导致的延时,提高多用户并发的效率。

·            上下行MU-MIMO:在802.11ac协议的基础上,新支持上行MU-MIMO功能,可以和OFDMA技术共用,进一步提升多用户并发效率。

·            空间用(SR&BSS Color着色机制:802.11ax通过BSS Color着色机制实现空间重用,达到信道资源的共享利用,提高信道整体的使用效率。

·            Target Wake Times:通过支持APSTA协商休眠与唤醒时间,减少STA不必要的唤醒,达到节能的目的。

关键技术介绍

2.1  更高的速率

802.11ax协议主要解决了多用户并发性能的问题,同时在速率上也比802.11ac有了更进一步的提升,最大理论速率可达9.6Gbps,主要体现在以下两个方面:

1. 调制方式的升级

802.11ac协议采用最高256-QAM正交幅度调制,即每个符号可以传输8bit数据,而802.11ax协议采用最高1024-QAM正交幅度调制,即每个符号可以传输10bit数据,10bit/8bit=1.25,因此相对于802.11ac来说,802.11ax的速率会提升25%

图1 不同调制方式星座对比图

 

802.11ac协议最大理论速率为6.9Gbps6.9Gbpsx1.25=8.625Gbps,而802.11ax协议最大理论速率为9.6Gbps,那么额外的这1Gbps提升又来自于哪里呢,我们在下文中将给出详细的分析。

2. 子载波划分方式的变化

在相同带宽、流数及编码方式的情况下,802.11ax802.11ac的理论物理速率更高,下面以20MHz带宽速率为例进行说明。

数据子载波(即有效载波数)的个数由52增加到了234,虽然OFDMA Symbol变长为4倍,但子载波有效数据利用率更高,因此在相同带宽、流数及编码方式的情况下,速率也有所提升。

图2 802.11ac 20MHz带宽1条流的速率表

 

图3 802.11ax 20MHz带宽1条流的速率表

R:编码率

NBPCS:每个子载波编码bit

NSD:数据子载波的个数

NSP:前导子载波的个数

NCBPS:每个symbol携带的bit

NSS:流数

NDBPS:每个symbol携带数据信息bit

NESBCC编码器的个数

NCBPS=NBPSCS x NSD x NSS

NDBPS=NCBPS x R

GI:保护间隔

 

MCS8为例,看看802.11ac802.11ax在哪些方面发生了变化。

MCS8

Modulatin

R

NBPCS

NSD

NCBPS

NDBPS

GIns

Data RateMbps

802.11ac

256-QAM

3/4

8

52

416

312

800

78

802.11ax

256-QAM

3/4

8

234

1872

1404

800

103.2

 

(1)       从表中可以看出数据子载波(即有效载波数)的个数由52增加到了234,这是由于802.11axOFDM Symbol变为了802.11ac4倍,因此20MHz带宽下子载波的个数也由64增加到256,如4所示。

图4 20MHz带宽信道RU示意图

 

所以802.11ac的子载波有效利用率为52/64=0.8125,而802.11ax234/256=0.9140625因此虽然OFDM Symbol变长,但其子载波的有效利用率也变得更高。

(2)       GI同为800ns的情况下,802.11ac每个Symbol的传输时间为(3.2+0.8)=4.0us,有效数据传输时间占比为3.2/4.0=0.8,而802.11ax每个Symbol的传输时间为(12.8+0.8)=13.6us,有效数据传输时间占比为12.8/13.6=0.94。由于802.11axSymbol变长,而GI不变的情况下,GI所占总传输时间的比例也就减少了,有效数据传输的时间占比例就会增多。

2.2  OFDMA技术

OFDMAOrthogonal Frequency Division Multiple Access正交频分多址接入)是以OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用为基础,利用OFDM对信道进行父载波化后,再通过不同子载波同时为不同用户传输数据的一种多路访问技术。与OFDM技术不同的是,OFDMA将同一个带宽下的所有子载波划分成若干个子载波组,每一个组被称作一个RUResouce Unit,资源单元),可以同时分配给不同的用户使用,这样就提高了用户数据速率并减少了延迟,特别适用于大量具有短帧或低数据速率要求的设备,如物联网设备。

图5 OFDMOFDMA工作模式对比图

 

OFDMA中,一个信号是由多个子载波组成,这些子载波就组成了一个用户自己的带宽,每个用户可分配的RU大小可以是不同的。

子载波分为以下几种类型:

·            Data子载波:用来传输数据的;

·            pilot子载波:用来传输相位和轨迹参数的;

·            unused子载波:无用的载波,什么都不传输,一般用来做边界保护。

每一个RU里都会同时包含data子载波和pilot子载波,如最小的26-tone RU是由24data子载波和2个子载波pilot组成,52-toneRU则包含48data4pilot子载波,其他详细信息请参见协议的详细介绍。如6所示,以20MHz带宽为例可以看到,20MHz带宽下共有626-tone RU,其中-69-3~+3+69这些子载波属于空的不传输任何东西,同时在两侧还有11个边缘保护。

图6 RU Locations in a 20MHz HE PPDU

 

上下行传输都支持26-tone RU52-tone RU106-tone RU242-tone RU484-tone RU996-tone RU2x996-tone RU。下面以20MHz40MHz带宽为例,看一下RU是如何分布的。

图7 Subcarrier indices for RUs in a 20MHz HE PPDU

 

图8 Subcarrier indices for RUs in a 40MHz HE PPDU

 

通过上图不难看出,不同带宽下对RU边界的划分是不同的,20MHz带宽下的26-tone40MHz带宽下的26-tone边界并不是对齐的,所以如果两种带宽下混合使用会出现信号能量重叠的问题,为了改善这种情况,一些和其他带宽下有冲突的20MHz带宽下的RU408016080+80下不可以使用,例如26-tone RU40MHz带宽下,RU5RU14不可以使用。

2.2.1  下行OFDMA技术

通过对比图来更加直观的看一下OFDMA与非OFDMA的不同。

图9 OFDMA方式下行多用户交互时序图

 

图10 OFDMA下行多用户交互时序图

 

通过上述过程可以看到,在同样的带宽下,使用OFDMA方式的情况下,AP可以在一次TXOP(发送机会)中,同时使用不同的RU向多个用户传输报文,而使用OFDM方式则需要3次。

2.2.2  上行OFDMA技术

通过下面的时序图再来了解一下上行MU OFDMA过程。

(1)       STA不会主动发一个HE trigger-based PPDUAP通过发送Tigger frame来发起一次UL MU交互。

(2)       在一个SIFS时间之后,STA根据Trigger frame中指定的方式发送HE trigger-based PPDU

(3)       AP对接收到的PPDU在一个SIFS时间之后(忽略当前媒介busy/idle状态),回复BA报文进行结果确认,可以通过在每一个RU内向各个STA发送单独的BA,也可以使用Multi-STA BA一起回复。

图11 上行MU OFDMA多用户交互时序图1

 

图12 上行MU OFDMA多用户交互时序图2

 

通过上述流程对比可以看出,在多用户并发的时候使用OFDMA的方式,大大减少了多用户竞争退避导致的空口延时,增加了空口效率。

2.3  MU-MIMO技术

802.11ac协议中只支持下行MU-MIMO,实现了对多用户下行并发场景性能的提升,而802.11ax协议在支持下行MU-MIMO的基础上又新增支持了上行MU-MIMO,并且MU-MIMOOFDMA技术一起使用,可以使多用户并发性能进一步得到提升。

2.3.1  下行MU-MIMO技术

下行MU-MIMO的工作方式与802.11ac大致相同,不同点是802.11ax最大支持的用户数由4个提升到8个,且允许同时使用OFDMAMU-MIMO技术。在信道评估阶段,使用OFDMA机制中的trigger方式来完成AP收集各STA的信道CBFCompressed Beamforming Feedback,压缩波束成形反馈信息)信息,进行信道质量评估,交互过程如13所示。与802.11ac最大的不同就是使用OFDMA在一次发送机会内将多个STACBF信息全部收集到,收集完CBF信息之后,后续的数据报文交互阶段与802.11ac类似。

图13 MU OFDMA方式信道评估交互时序图

 

2.3.2  上行MU-MIMO技术

上行MU-MIMOSTA收集完APCBF信息之后,会通过一个trigger报文来发起上行MU-MIMO,后续与上行MU OFDMA方式类似,如2.2.2  (3)112.2.2  (3)12所示。

2.4  空间复用(Spatial Reuse

OBSS(Overlapping Basic Service Sets)_PD-based spatial reuse,这是一个空间重用的技术,通过识别非关联BSS报文同时控制调整发射功率,来解决同信道干扰问题,以达到空间重用的效果。

802.11ax协议在物理头HE-SIG-A中加入了一个BSS Color信息,取值范围为163BSS color是用来协助STA辨别接收到PPDUBSS信息。如果HE STA接收到的PPDU中的BSS_COLOR与关联APBSS Color相同,对于STA来说该BSS是一个Intra-BSS,否则是Inter-BSS。当BSS_COLOR相同时,则以MAC address判断(此处可以看出BSS Color是要优于MAC address判断的)。对于STA来说,实际上只需要接收intra-BSS的报文,而忽略inter-BSS的报文,通过调整OBSS_PD level以及发送功率可以提升当前信道的整体吞吐量以及空间复用,如14所示。

图14 信道复用OBSS_PD级别及功率调整示意图

 

下面以20MHz带宽为例,说明一下各参数的含义及其取值,更高的带宽只是在数值上会有差异,原理是相同的。

(1)       OBSS_PD level定义的是一个接收到报文所携带功率的一个级别,OBSS_PDmin_default=82 dBmOBSS_PDmax_default=62 dBm.

(2)       TX_PWRSTA发送时需要使用的功率值。TXPWRref=21 dBm

(3)       STA选定一个OBSS_PD level之后,STA发送报文的功率需要调整到低于使用该OBSS_PD level算出来的TX_PWR

所以,对于STA来讲,来自Inter-BSSPPDU是并不需要去处理的,当接收到来自Inter-BSS的报文RSSI值低于OBSS_PD Level的最大值,则STA可以完全忽略该报文,并且将自己的发送功率调整至合适的值,那么就可以达到空间复用了。在使用空间复用技术时的时候,每个报文都需要计算保留两个NAV,分别是inter-bssintra-bss的。

图15 空间复用技术示意图

 

15所示,实线圈表示各STA无线信号发射可以达到的范围,STA2BSS2上线,对于STA2来说来自BSS1的报文并不需要关心,但由于双方信号有交集,在发报文的时候彼此之间都会产生退避行为,造成不必要的浪费。因此当STA2将功率调低至虚线圈的覆盖范围,两个BSS彼此之间就不存在上述问题,同时也并不影响STA2BSS2的正常数据交互,达到空间复用的效果。

2.5  Target Wake Times

TWTTarget Wake Times,目标唤醒时间)技术,允许APSTA的唤醒与休眠进行统一调度安排,不仅可以减少STA之间的冲突,更减少了STA不必要的唤醒次数,达到节能的目的。

在之前几代的802.11协议中,对于需要节能的STA需要每隔固定时间醒来侦听Beacon,以确认是否需要进行报文接收,有报文接收则继续保持唤醒状态等待接收,无报文接收则继续休眠。在802.11ax协议中引入了TWT的节能机制,允许STA不再需要侦听Beacon,可以与AP协商在特定时间唤醒以获取空口资源,这样就可以做到只有STA需要报文交互的时候才被唤醒。

总结

通过上述关键技术介绍我们可以看出,802.11ax与以往的协议相比在如下场景应用中将会有更好的表现。

3.1  更适合高密场景

无论是OFDMA技术、空间重用以及更全面MU-MIMO功能的支持,都可以为多用户并发性能带来巨大的提升,因此802.11ax未来在机场、会展以及商场等高密场景中一定将会大放异彩。

3.2  更可靠的室外传输

802.11ax中将子载波重新作了更小的划分,不仅能够更好的支持OFDMA技术,还附带获得了更高速率的效果(相同带宽、流数及编码方式下,比802.11ac的速率更高),同时由于相对带宽变的更窄,因此传输距离也会比802.11ac更远、干扰更少,再加上更大的帧间隔保护,802.11ax在室外无线覆盖的范围、效率以及可靠性也将比802.11ac更加优秀。

3.3  更高的节电效率

TWT技术的引入可以使客户端被唤醒的次数大大减少,同时空间重用技术中,客户端可以根据使用需求来调整自身的发射功率,不仅可以解决同信道干扰问题,也可以带来更佳的节能效果。

缩略语

表2 缩略语清单

缩略语

英文全名

中文解释

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

正交频分多址接入

HE

Hight Efficiency

高效率

PPDU

physical layer (PHY) protocol data unit

物理层协议数据单元

RU

Resource Unit

资源单元

OBSS

Overlapping Basic Service Sets

重叠基本服务集

SR

Spatial Reused

空间重用

TWT

Target Wake Times

目标唤醒时间

TXOP

Transmission Opportunity

发送机会