- 产品与解决方案
- 行业解决方案
- 服务
- 支持
- 合作伙伴
- 关于我们
802.11ax技术白皮书
Copyright © 2022 新华三技术有限公司 版权所有，保留一切权利。
非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。
除新华三技术有限公司的商标外，本手册中出现的其它公司的商标、产品标识及商品名称，由各自权利人拥有。
本文档中的信息可能变动，恕不另行通知。
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。
802.11ax的关键字是高效率无线标准（HEW，High-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 11ax与11ac协议主要参数对比
|
参数描述 |
802.11ac |
802.11ax |
|
频段 |
5G |
5G和2.4G |
|
信道带宽 |
20MHz，40MHz，80MHz，160MHz，80+80MHz |
20MHz，40MHz，80MHz，160MHz，80+80MHz |
|
调制方式 |
OFDM，最高支持256-QAM |
OFDMA，最高支持1024-QAM |
|
子载波数 |
64（20MHz带宽） |
256（20MHz带宽） |
|
帧保护间隔 |
400ns，800ns |
800ns，1600ns，3200ns |
|
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-MIMO在802.11ac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9.6Gbps（160MHz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。
· 空间复用（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AP与STA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。
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：
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6.9Gbps，6.9Gbpsx1.25=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。
在相同带宽、流数及编码方式的情况下，802.11ax比802.11ac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。
表2 802.11ac 20MHz带宽1条流的速率表
表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数 |
|
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数 |
NSS：流数 |
|
NDBPS：每个symbol携带数据信息bit数 |
NES：BCC编码器的个数 |
|
NCBPS=NBPSCS x NSD x NSS |
NDBPS=NCBPS x R |
|
GI：保护间隔 |
|
以MCS8为例，看看802.11ac和802.11ax在哪些方面发生了变化。
|
MCS8 |
Modulatin |
R |
NBPCS |
NSD |
NCBPS |
NDBPS |
GI（ns） |
Data Rate（Mbps） |
|
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802.11ax的OFDM Symbol变为了802.11ac的4倍，因此20MHz带宽下子载波的个数也由64增加到256，如图2所示。
图2 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802.11ax是234/256=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) 在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802.11ax的Symbol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。
OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址接入）是以OFDM（Orthogonal 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RU（Resouce 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3 OFDM与OFDMA工作模式对比图
在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24个data子载波和2个子载波pilot组成，52-tone的RU则包含48个data和4个pilot子载波，其他详细信息请参见协议的详细介绍。如图4所示，以20MHz带宽为例可以看到，20MHz带宽下共有9个26-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4 20MHz带宽信道RU示意图
上下行传输都支持26-tone RU，52-tone RU，106-tone RU，242-tone RU，484-tone RU，996-tone RU和2x996-tone RU。下面以20MHz和40MHz带宽为例，看一下RU是如何分布的。
表4 20MHz带宽信道RU分布表
表5 40MHz带宽信道RU分布表
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-tone和40MHz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RU在40、80、160和80+80下不可以使用，例如26-tone RU在40MHz带宽下，RU5和RU14不可以使用。
通过对比图来更加直观的看一下OFDMA与非OFDMA的不同。
图5 非OFDMA方式下行多用户交互时序图
图6 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。
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 PPDU，AP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7 上行MU OFDMA多用户交互时序图1
图8 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。
在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-MIMO与OFDMA技术一起使用，可以使多用户并发性能进一步得到提升。
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OFDMA和MU-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CBF（Compressed Beamforming Feedback，压缩波束成形反馈信息）信息，进行信道质量评估，交互过程如图9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STA的CBF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9 MU OFDMA方式信道评估交互时序图
上行MU-MIMO中STA收集完AP的CBF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)图7和2.2.2 (3)图8所示。
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1～63，BSS color是用来协助STA辨别接收到PPDU的BSS信息。如果HE STA接收到的PPDU中的BSS_COLOR与关联AP的BSS 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，如图10所示。
图10 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 dBm，OBSS_PDmax_default=–62 dBm.
(2) TX_PWR是STA发送时需要使用的功率值。TXPWRref=21 dBm
(3) 当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-BSS的PPDU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-bss与intra-bss的。
如图11所示，实线圈表示各STA无线信号发射可以达到的范围，STA2在BSS2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STA2与BSS2的正常数据交互，达到空间复用的效果。
TWT（Target Wake Times，目标唤醒时间）技术，允许AP对STA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。
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。
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。
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。
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 |
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 |
支持
