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快上車!銳捷老司機(jī)深度解析802.11ax 技術(shù)

2018-10-14
關(guān)鍵詞: 銳捷 802.11a

  802.11ax,,也稱為高效無線網(wǎng)絡(luò)(High-Efficiency Wireless - HEW),,通過一系列系統(tǒng)特性和多種機(jī)制增加系統(tǒng)容量,通過更好的一致覆蓋和減少空口介質(zhì)擁塞來改善Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的工作方式,,使用戶獲得最佳體驗(yàn);尤其在密集用戶環(huán)境中,,為更多的用戶提供一致和可靠的數(shù)據(jù)吞吐量,,其目標(biāo)是將用戶的平均吞吐量提高至少4倍,。也就是說基于802.11ax的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)意味著前所未有的高容量和高效率,。

  802.11ax技術(shù)構(gòu)成

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  ▲802.11ax技術(shù)構(gòu)成模塊示意圖

  802.11ax標(biāo)準(zhǔn)在物理層導(dǎo)入了多項(xiàng)大幅變更。然而,,它依舊可向下兼容于802.11a/b/g/n與ac設(shè)備,。正因如此,802.11ax STA能與舊有STA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和接收,,舊有客戶端也能解調(diào)和譯碼802.11ax封包表頭 (雖然不是整個802.11ax封包),,并于802.11ax STA傳輸期間進(jìn)行輪詢。下圖顯示此標(biāo)準(zhǔn)修正最重要的變更以及與現(xiàn)行802.11n和802.11ac的對照,。

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  ▲802.11n,、802.11ac和802.11ax的關(guān)鍵PHY比較

  關(guān)鍵技術(shù)解析

  以下是在802.11ax當(dāng)中使用到的關(guān)鍵技術(shù)

   OFDMA

   MU-MIMO

   1024-QAM

   Spatial Reuse

   BBS Coloring

  OFDMA(正交頻分復(fù)用多址接入)

  OFDMA是通過將子載波子集分配給不同用戶在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法。迄今為止,,它已被許多無線技術(shù)采用,,例如3GPP LTE。 802.11ax是第一個將OFDMA引入WLAN網(wǎng)絡(luò)的WLAN標(biāo)準(zhǔn),。此外,802.11ax標(biāo)準(zhǔn)也仿效LTE專有名詞,,將最小的子信道稱為“資源單位(RU)”,,每個RU當(dāng)中至少包含26個子載波。

  OFDMA允許同時提供具有不同帶寬需求的多個用戶,,從而有效利用可用頻譜,。子載波被分成若干組,每組表示為具有最小尺寸為26個子載波(2MHz寬)和最大尺寸為996個子載波(77.8MHz寬)的資源單元(RU),。在用于傳統(tǒng)WLAN技術(shù)的OFDM中,,總信道帶寬(例如,20MHz,,40MHz等......)用于任何一幀傳輸,。但是在用于802.11ax 的OFDMA中,使用的子載波可以分配為小到2 MHz的塊或最大帶寬的傳輸,。因此,,可以針對不同類型的流量(例如即時消息(IM)與視頻流)來擴(kuò)展資源。 OFDM和OFDMA之間的區(qū)別如下圖所示。

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  ▲OFDM與OFDMA對比

  有如下幾種子載波類型:

  ? 數(shù)據(jù)子載波,,用于數(shù)據(jù)傳輸;

  ? 導(dǎo)頻子載波,,用于相位信息和參數(shù)跟蹤;

  ? 未使用的子載波,不用于數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻傳輸,,未使用的子載波是DC子載波;

  ? 保護(hù)頻帶子載波,,在頻帶邊緣;

  ? 空子載波。

  形成RU的子載波是連續(xù)的,,除了在帶的中間,,其中空值被放置在DC處。

  OFDMA結(jié)構(gòu)由26子載波RU,,52子載波RU,,106子載波RU,242子載波RU,,484子載波RU和996子載波RU組成,。 下圖中顯示了最大RU數(shù),RU位置取決于信道帶寬,。

  ▲不同頻寬的RU總數(shù)

  下圖顯示了用于80MHz信道帶寬的26,52,106,242,484和996個子載波RU位置,。 用戶只能分配給一個RU,RU大小≥106可以分配給多個用戶,。

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  ▲RU在80MHz中的位置示意圖

  MU-MIMO(多用戶多入多出)

  MU-MIMO相信大家都不陌生,,在802.11ac時,引入了DL MU-MIMO,,但遇到了以下問題:

  ? 許多客戶端設(shè)備是單天線,,并且許多兩個天線客戶端切換到用于DL MU-MIMO的單流模式以防止干擾:

  ? 使用4個天線AP,與單個用戶相比的增益是適度的 ;

  ? 即使構(gòu)建了8個天線AP,,分組也限制為4個用戶;

  ? 來自用戶的信道探測響應(yīng)在時間上連續(xù)發(fā)送,,導(dǎo)致高開銷;

  ? 在沒有UL MU增強(qiáng)的情況下,在上行鏈路上具有TCP ACK的TCP/IP受到削弱;

  ? UL MU-MIMO最初在11ac中被考慮,,但由于實(shí)施問題而未包括在內(nèi),。

  802.11ax MU-MIMO的增強(qiáng)功能如下:

  ? 支持UL MU-MIMO:

  ? 探測幀、數(shù)據(jù)幀等可以在多個用戶之間分組,,以減少開銷并增加上行鏈路響應(yīng)時間;

  ? 對于DL和UL,,擴(kuò)展到八個用戶:

  ? 現(xiàn)在,即使設(shè)備處于單流模式,,MU-MIMO吞吐量也可以在單用戶操作中增加一倍或三倍,。

  802.11ac標(biāo)準(zhǔn)引入了4x4下行鏈路MU-MIMO,其中AP同時向多達(dá)四個STA發(fā)送獨(dú)立數(shù)據(jù)流,。 802.11ax將下行鏈路MU-MIMO支持的最大用戶數(shù)擴(kuò)展到8個,。它還增加了對8x8上行鏈路MU-MIMO的支持,允許多達(dá)8個STA通過相同的頻率資源同時傳輸?shù)絾蝹€AP。結(jié)果是,,與802.11ac相比,,下行鏈路容量增加了2倍,上行鏈路容量增加了8倍,。

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  ▲802.11ax MU-MIMO的特性

  MU MIMO和OFDMA技術(shù)可以同時使用,。為了啟用上行鏈路MU傳輸,AP發(fā)送稱為觸發(fā)幀的新控制幀,,其包含用于STA的RU分配調(diào)度信息,,用于基于觸發(fā)的PPDU中每個STA的編碼類型和調(diào)制與編碼方案(MCS)。另外,,觸發(fā)幀為上行鏈路傳輸提供同步,。

  由于多個發(fā)射機(jī)參與UL MU-MIMO傳輸,因此它需要參與STA的時間,、頻率,、采樣時鐘和功率預(yù)校正,以減輕AP處的同步相關(guān)問題,。

  多用戶上鏈作業(yè)

  在802.11ax中,,MU-MIMO和OFDMA技術(shù)可以分別使用。在多用戶作業(yè)模式中,,標(biāo)準(zhǔn)會根據(jù)情況指定兩種方式來為特定區(qū)域內(nèi)更多用戶進(jìn)行多任務(wù)操作:即多用戶多入多出(MU-MIMO)或正交頻分復(fù)用多址接入 (OFDMA),。無論為上述何種方式,無線接入點(diǎn)都會充當(dāng)多用戶作業(yè)的中央控制器,,這點(diǎn)與LTE基站用來控制多用戶多任務(wù)的方式相似,。

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  ▲根據(jù)所服務(wù)的應(yīng)用程序類型使用OFDMA和MU-MIMO

  通過了解他們的工作機(jī)制您可以看到,OFDMA增加了空口效率,,這大大減少了應(yīng)用的延遲,,它在可工作的信噪比范圍之內(nèi)對于小數(shù)據(jù)包的傳輸效率更高、效果更好,,極其適合無線語音或者類似應(yīng)用的場景。而MU-MIMO提升的是系統(tǒng)容量,,在高信噪比條件下傳輸大數(shù)據(jù)包時效率更高,,適合視頻、Web瀏覽,、辦公場景和應(yīng)用,。

  當(dāng)然,802.11ax 無線接入點(diǎn)也可將MU-MIMO和OFDMA作業(yè)結(jié)合在一起,。為了協(xié)調(diào)上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸,,無線接入點(diǎn)將發(fā)送觸發(fā)管理幀給所有使用者。該管理幀會指出每位使用者的空間串流數(shù)量和/或OFDMA配置(頻率和RU大小)。此外,,當(dāng)中也會包含功率控制信息,,好讓個別用戶可以調(diào)高或調(diào)低其傳輸功率,進(jìn)而平衡無線接入點(diǎn)從所有上行使用者接收到的功率,,同時改善較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的幀接收情況,。無線接入點(diǎn)也會指示所有使用者何時可以開始和結(jié)束傳輸。如下圖所示,,無線接入點(diǎn)傳送多使用者上行觸發(fā)管理幀,,告知所有使用者何時可以一起開始傳輸,以及所屬幀的持續(xù)時間,,以確保彼此能夠同時結(jié)束傳輸,。一旦無線接入點(diǎn)收到了所有使用者的幀,就會回傳Block ACK以結(jié)束作業(yè),。

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  ▲UL MU傳輸?shù)幕編粨Q序列

  在競爭環(huán)境中,,用戶無需互相競爭在上行鏈路中發(fā)送數(shù)據(jù),而是由802.11ax無線接入點(diǎn)協(xié)同安排,,以免彼此沖突,。這種管理方法將實(shí)現(xiàn)更好的資源利用和效率提高。

  1024-QAM

  QAM編碼是用星座圖(點(diǎn)陣圖)來做數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào),,實(shí)際應(yīng)用中是2的N次方的關(guān)系,。比如說16-QAM ,16是2的4次方,,一次就可以傳輸4個bit的數(shù)據(jù);802.11n是64-QAM ,,是2的6次方,因此在64個點(diǎn)陣的一個星座集合里面,,用任意一個點(diǎn)可以攜帶六個bit的數(shù)據(jù)信息,。

  到了802.11ac,就變成了256-QAM,,是2的8次方,,802.11ac相對于802.11n在編碼上面的速率提升了33%。802.11ax之后引入了更高階的編碼,,就是2的10次方,,1024-QAM。

  我們都知道從8到10的提升是25%,,也就是相對于802.11ac來說,,802.11ax的性能又提高了25%,變成了1024-QAM,,一個符號可以攜帶10個bit的數(shù)據(jù),。

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  ▲256-QAM與1024-QAM的對比

  Spatial Reuse(空間復(fù)用)

  為了在密集部署方案中提高系統(tǒng)級性能和頻譜資源的有效使用,,802.11ax標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了空間重用技術(shù)。 STA可以識別來自重疊基本服務(wù)集(BSS)的信號,,并基于該信息做出關(guān)于介質(zhì)爭用和干擾管理的決定,。

  當(dāng)主動偵聽介質(zhì)的STA檢測到802.11ax幀時,它會檢查MAC頭中的BSS顏色位或MAC地址,。但是,,利用現(xiàn)有的介質(zhì)訪問規(guī)則,來自一個BSS的設(shè)備將推遲到另一個同頻道BSS,,而不會增加網(wǎng)絡(luò)容量,。

  BSS著色是802.11ah中引入的一種機(jī)制,用于為每個BSS分配不同的“顏色”,,將其擴(kuò)展到11ax,,根據(jù)檢測到的顏色分配新的頻道訪問行為。

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  ▲BSS著色機(jī)制

  當(dāng)802.11ax STA使用基于顏色代碼的CCA規(guī)則時,,它們也可以與發(fā)射功率控制一起調(diào)整OBSS信號檢測閾值,。此調(diào)整可提高系統(tǒng)級性能和頻譜資源的使用。此外,,802.11ax STA可以調(diào)整CCA參數(shù),,例如能量檢測級別和信號檢測級別。

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  ▲動態(tài)調(diào)整BSS內(nèi)部的CCA門限

  除了使用CCA來確定當(dāng)前幀的介質(zhì)是空閑還是繁忙之外,,802.11標(biāo)準(zhǔn)還使用網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV),,一種維持未來流量預(yù)測的定時器機(jī)制,以便STA指示所需緊接在當(dāng)前幀之后的幀的時間,。 NAV充當(dāng)虛擬載波偵聽,,確保對802.11協(xié)議操作關(guān)鍵幀的介質(zhì)預(yù)留,例如控制幀,,以及RTS / CTS交換后的數(shù)據(jù)和ACK,。

  ? Intra-BSS NAV,如果所偵測的協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU) 中的 BSS 色彩與所關(guān)聯(lián) AP 已公布的色彩相同,,STA 就會將該幀視為Intra-BSS幀;

  ? Inter-BSS NAV,,如果所偵測幀的 BSS 色彩不同,STA 就會將該幀視為來自重疊 BSS 的 Inter-BSS 幀,。在這之后,,只有在需要 STA 驗(yàn)證幀是否是 Inter-BSS 幀期間,STA 才將介質(zhì)當(dāng)成忙碌中 (BUSY),。

  該標(biāo)準(zhǔn)仍然必須定義一些忽略來自重疊BSS的業(yè)務(wù)機(jī)制,但是該實(shí)現(xiàn)可以包括提高BSS間幀的空閑信道評估信號檢測(SD)閾值,,同時保持BSS內(nèi)業(yè)務(wù)的較低閾值,。這樣,,來自相鄰BSS的流量不會產(chǎn)生不必要的信道接入爭用。

  總結(jié)

  總體來講,,802.11ax從兩個大方面實(shí)現(xiàn)了自己的既定目標(biāo),,其中MU-MIMO和OFDMA是802.11ax成功的關(guān)鍵。

  1.物理層的增強(qiáng)與高效,,主要包括:

   上行和下行方向正交頻分多址(OFDMA)

  OFDMA機(jī)制可以同時為多個使用者提供較小(但專屬)的子信道,,進(jìn)而改善每位用戶的平均傳輸率。

   上行和下行方向多用戶-多輸入多輸出(MU-MIMO)

  上行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務(wù),,容量是802.11ac的8倍;下行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務(wù),,容量是802.11ac的2倍。

  上行鏈路資源調(diào)度

  在802.11ax中,,MU-MIMO和OFDMA技術(shù)可以分別使用;OFDMA增加了空口效率;而MU-MIMO提升的是系統(tǒng)容量,。

  最多8個發(fā)送天線、8個接收天線和8個空間流

   更高的調(diào)制方式,,1024-QAM

  每符號可攜帶10bit,,與256-QAM相比,容量提升了25%,。

  2. MAC層的增強(qiáng)與高效,,主要包括:

   基本服務(wù)集著色(BSS Coloring)

  BSS著色機(jī)制使設(shè)備能夠區(qū)分自己網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與鄰近網(wǎng)絡(luò)中的傳輸,在盡可能的情況下最大限度去減少同頻干擾,。

   雙NAV機(jī)制

  同時擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV可以幫助STA預(yù)測自身BSS內(nèi)的流量,,并且當(dāng)它們在得知重疊流量狀態(tài)時可以進(jìn)行自由傳輸

  目標(biāo)喚醒時間(Target Wake up Time - TWT)

  減少用戶之間的爭用和重疊,顯著增加STA的休眠時間以降低功耗


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