概括了802.11ax新版標(biāo)準(zhǔn)的變化,,特別是在PHY層面的變化。并探討了新標(biāo)準(zhǔn)的雙操作模式(MU-MIMO和OFDMA模式)及多用戶操作的各個方面,。
想像一下,,當(dāng)你正置身于人潮鼎沸的機場航站樓,等待你的航班開始登機,,突然航空公司宣布你要搭乘的航班取消了,。于是你立即使用移動設(shè)備查看其他選擇,,試著重新安排日程。但是,,由于幾乎每個人都在同一時間這樣做,,造成航空公司網(wǎng)頁的加載可能需要很長的時間。
為什么會這樣,?畢竟這是802.11ac網(wǎng)絡(luò),。從理論上講,它為80MHz信道提供的單個流速度大于400 Mb/s,。
802.11ac當(dāng)然提供了非??焖俚逆溄樱@一性能通常對低密度用戶環(huán)境比較有效,,即每個訪問點只有幾十個或更少的用戶時,。在用戶非常密集的環(huán)境中,802.11ac能夠提供的實際數(shù)據(jù)吞吐量就會顯著降低,。因此,,在802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中做出的新變化其目的就是要提高擁擠網(wǎng)絡(luò)空間中的數(shù)據(jù)吞吐量。
密集環(huán)境下數(shù)據(jù)吞吐量的挑戰(zhàn)
802.11協(xié)議使用了一種載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA)方法,,使用這種方法時,,無線工作站(STA)首先檢測信道并僅在檢測到信道將閑置時——即當(dāng)它們未發(fā)現(xiàn)任何802.11信號時才嘗試避免傳輸沖突。當(dāng)一個STA檢測到另一信道時,,它會在隨機時間段內(nèi)等待此STA停止傳輸,,而后再次監(jiān)聽此信道是否將進入空閑狀態(tài)。當(dāng)STA能夠傳輸時,,他們會傳輸整個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)(圖1),。
圖1 空閑信道評估協(xié)議
Wi-Fi STA可以使用請求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)調(diào)解對共享媒體的訪問。接入點(AP)每次僅為一個站點簽發(fā)一個CTS數(shù)據(jù)包,,反過來,,STA會將其整幀發(fā)送至該AP。然后,,STA等待來自AP的確認(rèn)字符(ACK),,表示已正確接收該數(shù)據(jù)包。如果STA沒能及時接收ACK,,它將假設(shè)此ACK數(shù)據(jù)包與某個傳送中的數(shù)據(jù)包相撞,,這時該STA將被移入二進制指數(shù)退避階段。它會嘗試訪問媒體并在退避計數(shù)器失效時重新傳輸數(shù)據(jù)包,。
在沖突域范圍內(nèi)所有參與者公平共享信道方面,,此空閑信道評估和防沖突協(xié)議發(fā)揮了良好的作用,但當(dāng)參與者數(shù)量大幅增長時,,傳輸效率就會下降,。STA必須等待更長的時間才能獲取專門的傳輸或接收數(shù)據(jù)的信道使用權(quán)。
另一個導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率低下的因素是存在眾多帶有重疊服務(wù)區(qū)的AP,。圖2左側(cè)描繪了一個從屬于基本服務(wù)集(BSS,,指一組與某AP相關(guān)聯(lián)的無線客戶)的用戶(用戶1)。用戶1將與另一個BSS集中的用戶爭奪媒體接入權(quán),,然后與其AP交換數(shù)據(jù),。但是,此用戶仍能夠監(jiān)聽來自右側(cè)重疊BSS的通信量,。
圖2 因重疊BSS造成的媒體訪問效率低下
在這種情況下,,重疊BSS(OBSS)的通信量會觸發(fā)用戶1的退避程序。這類情況會造成用戶必須等待更長時間才能獲得傳輸機會,,大大降低了它們的平均數(shù)據(jù)吞吐量,。
第三個需要考慮的因素是更寬信道的共享(如圖3)。以北美地區(qū)的802.11ac執(zhí)行為例,,只有一條160MHz可用信道,,歐洲僅有兩條可用信道。
圖3 5GHz寬帶上的802.11 ax信道分配實例
因此,,在信道數(shù)量減少的情況下,,密集覆蓋的規(guī)劃變得非常困難。如缺乏準(zhǔn)確和審慎的功率管理,,用戶將會遭遇同信道干擾,,這會降低性能,抵消來自更寬信道的大部分預(yù)期增益,。
這種情況更易出現(xiàn)在MCS 8,、9、10和11的最高數(shù)據(jù)速率情況下,,因為此速率更易受到信噪比的影響,。同時,一個用戶使用與80 MHz信道重疊的20 MHz信道傳輸,,基本上都會導(dǎo)致80MHz信道無效,。在高度密集網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行802.11ac的信道共享損害了用于20 MHz信道傳輸?shù)?0MHz信道增益。
高效PHY機制
規(guī)范為本標(biāo)準(zhǔn)的物理層帶來了重大變化,。但該規(guī)范仍可向后兼容802.11a/b/g/n和/ac設(shè)備,,因此802.11ax STA可以與傳統(tǒng)STA相互發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。802.11ax STA傳輸時,,這些傳統(tǒng)客戶還能夠解調(diào)和解碼802.11 ax數(shù)據(jù)包(但并非整個802.11ax數(shù)據(jù)包)報頭和退避,。表1通過與現(xiàn)行802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行相對比,突出強調(diào)了802.11ax標(biāo)準(zhǔn)此次修訂中最重要的變更,。
表1 802.11ac和802.11ax的主要PHY差異
注意,,802.11ax標(biāo)準(zhǔn)將對2.4GHz和5GHz帶寬進行規(guī)范,。此標(biāo)準(zhǔn)明確定義了四倍大的FFT,乘以副載波的數(shù)量,。但是,,802.11ax標(biāo)準(zhǔn)提供的一個重要變化是副載波間隔減少到此前802.11修訂版中副載波間隔的四分之一,同時保留了現(xiàn)有的信道帶寬(圖4),。
圖4 較狹窄的副載波間隔
OFDM(正交頻分多路復(fù)用)符號持續(xù)時間和循環(huán)前綴也增長了四倍,,原始鏈接數(shù)據(jù)率保持與802.11ac相同,但提高了在室內(nèi)/戶外及混合環(huán)境下的效率和穩(wěn)健性,。但此標(biāo)準(zhǔn)的確規(guī)定了室內(nèi)環(huán)境下的1024-QAM和更低的循環(huán)前綴比率,,這將提升最大數(shù)據(jù)速率。
多用戶作業(yè):MU-MIMO和OFDMA
802.11ax標(biāo)準(zhǔn)具備兩種作業(yè)模式:
1. 單用戶:在這個序列模式下,,無線工作站(STA)在獲得媒體訪問權(quán)后一次發(fā)送并接收一個數(shù)據(jù),。
2. 多用戶:此模式允許多個非接入點STA的同時操作。該標(biāo)準(zhǔn)進一步將此模式分為下行和上行多用戶模式,。
? 下行多用戶模式是指接入點同時為多個相關(guān)無線STA提供的數(shù)據(jù)?,F(xiàn)行802.11ac標(biāo)準(zhǔn)也包含此功能。
? 上行多用戶模式是指數(shù)據(jù)從多個STA到AP的同步傳輸,。這是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的新增功能,,以往任何版本的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)皆不具備這項功能。
在多用戶操作模式下,,該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了兩種能夠在一定區(qū)域內(nèi)多路傳輸更多用戶的方式:多用戶MIMO和正交頻分多址(OFDMA),。在這兩種方法中,AP作為中央控制器控制多用戶操作的各個方面,,這與LTE蜂窩基站控制多個用戶的多路復(fù)用相似,。802.11ax AP還可將MU-MIMO與OFDMA操作結(jié)合起來。
多用戶MIMO
802.11ax設(shè)備借鑒了802.11ac的執(zhí)行經(jīng)驗,,將使用波束成形技術(shù)同步將數(shù)據(jù)包發(fā)送至不同空間的用戶(圖5),。換言之,AP會計算每個用戶的信道矩陣,,并同時將波束導(dǎo)向不同的用戶——每路波束包含針對其目標(biāo)用戶的特定數(shù)據(jù)包,。802.11ax一次可支持8個多用戶MIMO傳輸包的發(fā)送,而802.11ac一次可支持4個MIMO數(shù)據(jù)包,。而且,,每次MU-MIMO傳輸都可能有自己的調(diào)制和解碼集(MCS)和不同數(shù)量的空間串流。
圖5 AP使用MU-MIMO波束成形為坐落在不同空間位置的多個用戶服務(wù)
作為MU-MIMO上行方向的新增功能,,AP將通過一個觸發(fā)幀從每個STA發(fā)起上行同步傳輸,。當(dāng)多個用戶及其數(shù)據(jù)包同時響應(yīng)時,AP將信道矩陣應(yīng)用于所接收的波束并將每個上行波束包含的信息分開,,同時它還可能發(fā)起上行多用戶傳輸,,從而接收來自所有參與STA的波束形成反饋信息(圖6),。
圖6 波束成形AP請求MU-MIMO操作的信道信息
多用戶OFDMA
802.11ax所采用的在相同信道帶寬中服務(wù)更多用戶的另一執(zhí)行技術(shù)是OFD-MA?;?02.11ac已經(jīng)使用的現(xiàn)有正交頻分多路復(fù)用(OFDM)數(shù)字調(diào)制方案,,802.11ax標(biāo)準(zhǔn)進一步將特定的副載波集分配給個體用戶,即,,它將現(xiàn)有的802.11信道(20、40,、80和160MHz頻寬)分為帶有預(yù)定義數(shù)量的副載波的更小子信道,。802.11ax標(biāo)準(zhǔn)將最小子信道稱為資源單元(RU),最少包含26個副載波,。
AP依據(jù)多個用戶的通信需求決定如何分配信道,,始終在下行方向分配所有可用的資源單元。它可能一次將整個信道僅分配給一個用戶——與802.11ac當(dāng)前功能相同——或者它可能對其進行分區(qū),,以便同時服務(wù)多個用戶(圖7),。
圖7 使用信道的單個用戶VS使用正交頻分多址的同信道中的多類用戶
在密集用戶環(huán)境下,許多用戶通常無力爭奪信道的使用機會,,現(xiàn)在正交頻分多址使用更小巧——但更具專用性的子信道同時服務(wù)多個用戶,,因此提升了每個用戶的平均數(shù)據(jù)吞吐量。802.11ax系統(tǒng)可能通過不同的資源單元規(guī)模實現(xiàn)信道的多路復(fù)用(圖8),。注意,,對于每一20MHz帶寬,信道的最小部分可容納9個用戶,。
圖8 使用多種RU規(guī)模細(xì)分Wi-Fi信道
表2顯示當(dāng)802.11ax AP和各STA協(xié)調(diào)用于MU-OFDMA操作時當(dāng)前能夠獲得頻率多路復(fù)用訪問權(quán)的用戶數(shù)量,。
表2 以信道帶寬為依據(jù)的資源單元總數(shù)
多用戶上行操作
要協(xié)調(diào)上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸,AP需向所有用戶發(fā)送一個觸發(fā)幀,。此幀顯示了空間流的數(shù)量和/或每個用戶的OFDMA分配(頻率和資源單元的大?。K€包含功率控制信息,,因此個人用戶能夠提高或降低他們的傳輸功率,,以便均分AP從所有上行用戶接收的功率并提升來自較遠(yuǎn)節(jié)點的各幀的接收。AP還通知所有用戶傳輸開始和結(jié)束的時間,。AP向所有用戶發(fā)送一個多用戶上行觸發(fā)幀(圖9),,用于指示整體開始傳輸?shù)拇_切時間以及各幀的確切持續(xù)時間,以確保各用戶同時完成傳輸,。AP接收到來自所有用戶的幀后,,會向用戶返回一個塊確認(rèn)以結(jié)束操作。
圖9 協(xié)調(diào)上行多用戶操作
802.11ax的主要目標(biāo)之一是在密集用戶環(huán)境下將當(dāng)前平均每位用戶的數(shù)據(jù)吞吐量提升三倍,。以這一目標(biāo)為已任,,該標(biāo)準(zhǔn)的制定者已明確指出802.11ax設(shè)備支持下行和上行MU-MIMO操作,,MU-OPDMA操作,或更大數(shù)量并發(fā)用戶的MU-MIMO操作和MU-OPDMA操作,。
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