概括了802.11ax新版標準的變化,，特別是在PHY層面的變化,。并探討了新標準的雙操作模式（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網絡,。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當然提供了非常快速的鏈接,，但這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)據吞吐量就會顯著降低,。因此，在802.11ax標準中做出的新變化其目的就是要提高擁擠網絡空間中的數(shù)據吞吐量,。

　　密集環(huán)境下數(shù)據吞吐量的挑戰(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——即當它們未發(fā)現(xiàn)任何802.11信號時才嘗試避免傳輸沖突,。當一個STA檢測到另一信道時,，它會在隨機時間段內等待此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STA能夠傳輸時,，他們會傳輸整個數(shù)據包的數(shù)據（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的確認字符（ACK），表示已正確接收該數(shù)據包,。如果STA沒能及時接收ACK,，它將假設此ACK數(shù)據包與某個傳送中的數(shù)據包相撞，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)據包,。

　　在沖突域范圍內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)據的信道使用權,。

　　另一個導致網絡效率低下的因素是存在眾多帶有重疊服務區(qū)的AP,。圖2左側描繪了一個從屬于基本服務集（BSS，指一組與某AP相關聯(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,，然后與其AP交換數(shù)據。但是,，此用戶仍能夠監(jiān)聽來自右側重疊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,，基本上都會導致80MHz信道無效,。在高度密集網絡中執(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)范為本標準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設備,，因此802.11ax STA可以與傳統(tǒng)STA相互發(fā)送或接收數(shù)據。802.11ax STA傳輸時,，這些傳統(tǒng)客戶還能夠解調和解碼802.11 ax數(shù)據包（但并非整個802.11ax數(shù)據包）報頭和退避,。表1通過與現(xiàn)行802.11ac標準的執(zhí)行相對比，突出強調了802.11ax標準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標準將對2.4GHz和5GHz帶寬進行規(guī)范,。此標準明確定義了四倍大的FFT,，乘以副載波的數(shù)量。但是,，802.11ax標準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)據率保持與802.11ac相同,，但提高了在室內/戶外及混合環(huán)境下的效率和穩(wěn)健性。但此標準的確規(guī)定了室內環(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)據速率,。

　　多用戶作業(yè)：MU-MIMO和OFDMA

　　802.11ax標準具備兩種作業(yè)模式：

　　1. 單用戶：在這個序列模式下,，無線工作站（STA）在獲得媒體訪問權后一次發(fā)送并接收一個數(shù)據。

　　2. 多用戶：此模式允許多個非接入點STA的同時操作,。該標準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無線STA提供的數(shù)據。現(xiàn)行802.11ac標準也包含此功能,。

　　? 上行多用戶模式是指數(shù)據從多個STA到AP的同步傳輸,。這是802.11ax標準的新增功能，以往任何版本的Wi-Fi標準皆不具備這項功能,。

　　在多用戶操作模式下,，該標準還規(guī)定了兩種能夠在一定區(qū)域內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用相似。802.11ax AP還可將MU-MIMO與OFDMA操作結合起來,。

　　多用戶MIMO

　　802.11ax設備借鑒了802.11ac的執(zhí)行經驗,，將使用波束成形技術同步將數(shù)據包發(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,，并同時將波束導向不同的用戶——每路波束包含針對其目標用戶的特定數(shù)據包。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)據包,。而且，每次MU-MIMO傳輸都可能有自己的調制和解碼集（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

　　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。當多個用戶及其數(shù)據包同時響應時,，AP將信道矩陣應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更多用戶的另一執(zhí)行技術是OFD-MA,。基于802.11ac已經使用的現(xiàn)有正交頻分多路復用（OFDM）數(shù)字調制方案,，802.11ax標準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）分為帶有預定義數(shù)量的副載波的更小子信道,。802.11ax標準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當前功能相同——或者它可能對其進行分區(qū),，以便同時服務多個用戶（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多個用戶,，因此提升了每個用戶的平均數(shù)據吞吐量。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)模細分Wi-Fi信道

　　表2顯示當802.11ax AP和各STA協(xié)調用于MU-OFDMA操作時當前能夠獲得頻率多路復用訪問權的用戶數(shù)量,。

　　表2 以信道帶寬為依據的資源單元總數(shù)

　　多用戶上行操作

　　要協(xié)調上行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節(jié)點的各幀的接收。AP還通知所有用戶傳輸開始和結束的時間,。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以結束操作。

　　圖9 協(xié)調上行多用戶操作

　　802.11ax的主要目標之一是在密集用戶環(huán)境下將當前平均每位用戶的數(shù)據吞吐量提升三倍,。以這一目標為已任,，該標準的制定者已明確指出802.11ax設備支持下行和上行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、時鐘數(shù)據恢復,、信道均衡，你都整明白了嗎,？

　　分不清ARM和X86架構,，別跟我說你懂CPU,！

　　史上最成功的芯片 竟能變出這么多花樣