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(gè)方面,。

　　想像一下,，當(dāng)你正置身于人潮鼎沸的機(jī)場(chǎng)航站樓，等待你的航班開始登機(jī),，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(dòng)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(gè)人都在同一時(shí)間這樣做，造成航空公司網(wǎng)頁(yè)的加載可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間,。

　　為什么會(huì)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(gè)流速度大于400 Mb/s,。

　　802.11ac當(dāng)然提供了非常快速的鏈接,，但這一性能通常對(duì)低密度用戶環(huán)境比較有效,，即每個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)只有幾十個(gè)或更少的用戶時(shí),。在用戶非常密集的環(huán)境中，802.11ac能夠提供的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量就會(huì)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(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA）方法,，使用這種方法時(shí),，無(wú)線工作站（STA）首先檢測(cè)信道并僅在檢測(cè)到信道將閑置時(shí)——即當(dāng)它們未發(fā)現(xiàn)任何802.11信號(hào)時(shí)才嘗試避免傳輸沖突。當(dāng)一個(gè)STA檢測(cè)到另一信道時(shí),，它會(huì)在隨機(jī)時(shí)間段內(nèi)等待此STA停止傳輸,，而后再次監(jiān)聽(tīng)此信道是否將進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)STA能夠傳輸時(shí),，他們會(huì)傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)（圖1）,。

　　圖1 空閑信道評(píng)估協(xié)議

　　Wi-Fi STA可以使用請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS/CTS）調(diào)解對(duì)共享媒體的訪問(wèn)。接入點(diǎn)（AP）每次僅為一個(gè)站點(diǎn)簽發(fā)一個(gè)CTS數(shù)據(jù)包,，反過(guò)來(lái),，STA會(huì)將其整幀發(fā)送至該AP。然后,，STA等待來(lái)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(méi)能及時(shí)接收ACK,，它將假設(shè)此ACK數(shù)據(jù)包與某個(gè)傳送中的數(shù)據(jù)包相撞,，這時(shí)該STA將被移入二進(jìn)制指數(shù)退避階段,。它會(huì)嘗試訪問(wèn)媒體并在退避計(jì)數(shù)器失效時(shí)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(píng)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(zhǎng)時(shí),，傳輸效率就會(huì)下降。STA必須等待更長(zhǎng)的時(shí)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(gè)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(gè)從屬于基本服務(wù)集（BSS，指一組與某AP相關(guān)聯(lián)的無(wú)線客戶）的用戶（用戶1）,。用戶1將與另一個(gè)BSS集中的用戶爭(zhēng)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(tīng)來(lái)自右側(cè)重疊BSS的通信量,。

　　圖2 因重疊BSS造成的媒體訪問(wèn)效率低下

　　在這種情況下，重疊BSS（OBSS）的通信量會(huì)觸發(fā)用戶1的退避程序,。這類情況會(huì)造成用戶必須等待更長(zhǎng)時(shí)間才能獲得傳輸機(jī)會(huì),，大大降低了它們的平均數(shù)據(jù)吞吐量,。

　　第三個(gè)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(shí)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(huì)遭遇同信道干擾,，這會(huì)降低性能，抵消來(lái)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?yàn)榇怂俾矢资艿叫旁氡鹊挠绊?。同時(shí)，一個(gè)用戶使用與80 MHz信道重疊的20 MHz信道傳輸,，基本上都會(huì)導(dǎo)致80MHz信道無(wú)效,。在高度密集網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行802.11ac的信道共享?yè)p害了用于20 MHz信道傳輸?shù)?0MHz信道增益。

　　高效PHY機(jī)制

　　規(guī)范為本標(biāo)準(zhǔn)的物理層帶來(lái)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(shí),，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(gè)802.11ax數(shù)據(jù)包）報(bào)頭和退避,。表1通過(guò)與現(xiàn)行802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行相對(duì)比，突出強(qiáng)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(duì)2.4GHz和5GHz帶寬進(jìn)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(gè)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(shí)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(hào)持續(xù)時(shí)間和循環(huán)前綴也增長(zhǎng)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(gè)序列模式下,，無(wú)線工作站（STA）在獲得媒體訪問(wèn)權(quán)后一次發(fā)送并接收一個(gè)數(shù)據(jù),。

　　2. 多用戶：此模式允許多個(gè)非接入點(diǎn)STA的同時(shí)操作。該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(diǎn)同時(shí)為多個(gè)相關(guān)無(wú)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(gè)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(xiàng)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(gè)方面,，這與LTE蜂窩基站控制多個(gè)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(lái),。

　　多用戶MIMO

　　802.11ax設(shè)備借鑒了802.11ac的執(zhí)行經(jīng)驗(yàn),，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(huì)計(jì)算每個(gè)用戶的信道矩陣,，并同時(shí)將波束導(dǎo)向不同的用戶——每路波束包含針對(duì)其目標(biāo)用戶的特定數(shù)據(jù)包。802.11ax一次可支持8個(gè)多用戶MIMO傳輸包的發(fā)送,，而802.11ac一次可支持4個(gè)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(gè)用戶服務(wù)

　　作為MU-MIMO上行方向的新增功能,，AP將通過(guò)一個(gè)觸發(fā)幀從每個(gè)STA發(fā)起上行同步傳輸。當(dāng)多個(gè)用戶及其數(shù)據(jù)包同時(shí)響應(yīng)時(shí),，AP將信道矩陣應(yīng)用于所接收的波束并將每個(gè)上行波束包含的信息分開,，同時(shí)它還可能發(fā)起上行多用戶傳輸，從而接收來(lái)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(qǐng)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(jìn)一步將特定的副載波集分配給個(gè)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(gè)副載波,。

　　AP依據(jù)多個(gè)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(gè)信道僅分配給一個(gè)用戶——與802.11ac當(dāng)前功能相同——或者它可能對(duì)其進(jìn)行分區(qū),，以便同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶（圖7）。

　　圖7 使用信道的單個(gè)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(wú)力爭(zhēng)奪信道的使用機(jī)會(huì),，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(shí)服務(wù)多個(gè)用戶，因此提升了每個(gè)用戶的平均數(shù)據(jù)吞吐量,。802.11ax系統(tǒng)可能通過(guò)不同的資源單元規(guī)模實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用（圖8）,。注意，對(duì)于每一20MHz帶寬,，信道的最小部分可容納9個(gè)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(shí)當(dāng)前能夠獲得頻率多路復(fù)用訪問(wèn)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(gè)觸發(fā)幀,。此幀顯示了空間流的數(shù)量和/或每個(gè)用戶的OFDMA分配（頻率和資源單元的大小）,。它還包含功率控制信息,，因此個(gè)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(lái)自較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的各幀的接收,。AP還通知所有用戶傳輸開始和結(jié)束的時(shí)間,。AP向所有用戶發(fā)送一個(gè)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(shí)間以及各幀的確切持續(xù)時(shí)間,，以確保各用戶同時(shí)完成傳輸,。AP接收到來(lái)自所有用戶的幀后，會(huì)向用戶返回一個(gè)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。

　　特 別 推 薦

　　模電工程師的三大法寶：差分信號(hào),、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù),、信道均衡，你都整明白了嗎,？

　　分不清ARM和X86架構(gòu),，別跟我說(shuō)你懂CPU！

　　史上最成功的芯片 竟能變出這么多花樣