5G WiFi標(biāo)準(zhǔn)——802.11ac解析及應(yīng)用展望

郭 政

天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350

0 引言

筆記本、智能手機(jī)和平板電腦的全民普及，都和各種方便快捷的無線技術(shù)密不可分，尤其是人見人愛的WiFi。WiFi標(biāo)準(zhǔn)是多個(gè)電子行業(yè)公司在電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的主持下共同制定的，命名為“802.11”。到目前為止，從1997年第一代標(biāo)準(zhǔn)的制定至今，WiFi標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了802.11、802.11b、802.11g/a、802.11n、802.11ac五代發(fā)展歷程。不過，即便是最新標(biāo)準(zhǔn)802.11n，300Mbps的傳輸速度也已經(jīng)逐漸變得捉襟見肘。于是乎，IEEE組織、WiFi聯(lián)盟提出了第五代WiFi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范——802.11ac。

1 802.11ac的高速度與大范圍、低功耗

802.11ac帶來的最大的、最直接的好處就是傳輸速度的飆升。最初誕生的802.11無線標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度僅能達(dá)到2Mbps，802.11b標(biāo)準(zhǔn)的速度能達(dá)到11Mbps，802.11g/a標(biāo)準(zhǔn)的速度達(dá)到54Mbps，到了2007年802.11n標(biāo)準(zhǔn)速度有了質(zhì)的飛躍——達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)300Mbps、最高600Mbps。而802.11ac的入門級速度就可以達(dá)到433Mbps，高端肯定會達(dá)到1Gbps以上。802.11ac通過以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)性能的大幅提升。

1.1 全新頻段拓展帶寬

802.11ac性能大幅提升最重要的原因是技術(shù)革新，其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是采用5GHz頻段。WiFi芯片的工作頻段越高，制作工藝也就越復(fù)雜。1997年，當(dāng)?shù)谝淮鶺iFi標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的時(shí)候，受到工藝和成本的限制，芯片的工作頻率只能固定在2.4GHz，最高傳輸速率只有2Mbps，相當(dāng)于每秒只能傳輸約0.25MB的內(nèi)容。雖然它很快得到了拓展——802.11a、802.11b、802.11g/a、802.11n等版本的速度越來越快，但它始終不得不面臨一個(gè)問題，那就是基于這些標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不得不與其他設(shè)備，如嬰兒監(jiān)視器、藍(lán)牙耳機(jī)，甚至是微波爐等來搶通道，因?yàn)檫@些設(shè)備也使用2.4GHz頻段。由于所有的設(shè)備都在爭奪2.4GHz頻段的通道，就像公路上擠滿了汽車，所有人的行駛速度都會降下來了。而802.11ac是在不太擁擠或者說更“清潔”的5GHz頻段上工作的，爭用帶寬的無線設(shè)備較少，因此速度也有保障。當(dāng)然，802.11ac標(biāo)準(zhǔn)具有向下兼容性，確保802.11ac設(shè)備可用于現(xiàn)有WiFi網(wǎng)絡(luò)。

除了新頻段這一關(guān)鍵因素外，802.11ac每個(gè)信道的工作頻率由802.11n的40MHz提升到80MHz。帶寬增大可以加倍提升PHY速率，就好比一個(gè)六車道的高速公路可以承載比兩車道公路更多的車輛，而且可用帶寬越寬，無線網(wǎng)絡(luò)的速度就越快。此外，802.11ac還可以選擇160MHz帶寬，此帶寬可支持連續(xù)或非連續(xù)80+80MHz模式。不過5GHz頻段的160MHz帶寬無法全球通用，且支持此特性的設(shè)計(jì)將會產(chǎn)生更高成本，因此IEEE802.11ac規(guī)范中只是將160MHz帶寬列為可選項(xiàng)。

1.2 支持8*8MIMO技術(shù)

為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，MIMO天線技術(shù)被引入了無線通信標(biāo)準(zhǔn)中。在引入這項(xiàng)技術(shù)之前，業(yè)界將香農(nóng)·哈特利定理作為通信通道理論數(shù)據(jù)吞吐能力的計(jì)算模型:容量=帶寬*log2(1+SNR)。根據(jù)該定理，通過提高通道帶寬或信噪比可以提高特定信道的數(shù)據(jù)傳輸速率。不過引入具有多個(gè)空間流的MIMO天線技術(shù)之后，業(yè)界就放棄了香農(nóng)·哈特利定理。在2*2MIMO系統(tǒng)中，在同一物理通道中使用兩個(gè)獨(dú)立的空間流，能夠有效地使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的兩倍。相應(yīng)地，4*4MIMO通道可以實(shí)現(xiàn)4倍的數(shù)據(jù)傳輸速率，8*8MIMO通道則可以實(shí)現(xiàn)8倍的數(shù)據(jù)傳輸速率。

目前，802.11ac新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)不斷地使用更多的空間流來提高數(shù)據(jù)吞吐能力。比如，802.11n采用復(fù)雜的4*4MIMO配置，新一代802.11ac采用8*8MIMO配置。最吸引人的是，802.11ac擁有MU-MIMO（多任務(wù)處理MIMO），通過相同的頻道將波束成型同步傳輸給不同方向的站點(diǎn)的功能。

1.3 全面導(dǎo)入波束形成技術(shù)

與此同時(shí)，802.11ac還有一個(gè)亮點(diǎn)就是全面導(dǎo)入波束形成技術(shù)，避免在發(fā)射器與接收端裝置之間，使用無效的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)更好的傳輸效率。其實(shí)，波束形成在802.11n產(chǎn)品上可以實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)有產(chǎn)品并未能加以充分利用，也因此802.11ac標(biāo)準(zhǔn)特別將波束形成納為標(biāo)準(zhǔn)功能，且所有導(dǎo)入此技術(shù)的產(chǎn)品都要能互通運(yùn)行。

802.11ac帶來的另一大好處就是更廣的覆蓋面積。802.11ac采用工作頻率5GHz的芯片，能夠大大減少無線干擾，不會像802.11n那樣存在死角，可以真正實(shí)現(xiàn)360°全覆蓋。除此之外，802.11ac雖然因?yàn)榧夹g(shù)復(fù)雜而增大了功耗，但得益于電源管理、待機(jī)功耗和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，實(shí)際能耗反而會比現(xiàn)在低好幾個(gè)檔次，符合環(huán)保大趨勢。最后，802.11ac會和歷任前輩一樣保持向下兼容性，大多數(shù)設(shè)備都會支持雙頻段，默認(rèn)運(yùn)行在5GHz下，必要的時(shí)候切換到2.4GHz和802.11n，甚至802.11b/g，這也自然有利于平穩(wěn)的升級過渡。

幾種WiFi標(biāo)準(zhǔn)對比

2 802.11ac應(yīng)用展望

802.11ac已經(jīng)進(jìn)入草案制定階段，有望在2012年底或2013年初正式發(fā)布，而博通等廠商已經(jīng)迫不及待地開始開發(fā)相關(guān)芯片組、控制器等產(chǎn)品了。按照設(shè)計(jì)，802.11ac標(biāo)準(zhǔn)只工作在5GHz高頻段，即使是入門級產(chǎn)品速度也會有450Mbps，高端則會在1Gbps之上，理論上最高可達(dá)3.6Gbps，相當(dāng)于802.11n的六倍。802.11ac的推出將讓用戶體驗(yàn)到更高速度的無線網(wǎng)絡(luò)，特別是移動設(shè)備用戶，他們將是最大的受益者。初級的802.11ac產(chǎn)品將提供433Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，比目前普遍使用的802.11n裝置速率至少快上三倍，將能輕易滿足使用者體驗(yàn)需求。Display則是直接加大帶寬，傳輸不需要壓縮的視訊數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)的是藍(lán)光、手機(jī)視訊文件和游戲機(jī)內(nèi)容，都可以由WiFi相互傳輸。至于在高速傳輸多媒體視訊的VHT規(guī)格領(lǐng)域，近年來相關(guān)業(yè)界的競爭態(tài)勢更是熱鬧非凡。不經(jīng)壓縮格式、可傳輸高分辨率視訊影像的WiFi技術(shù)，不會有封包傳輸會導(dǎo)致畫素漏失的難題，也可解決有線傳輸線纜布線復(fù)雜不利空間便利性的老問題。隨著支持

5GHz的802.11ac的推出，無疑為這兩種無線視頻方案提供了強(qiáng)有力的支持。

15年來無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的演化

3 結(jié)論

802.11ac更令人期待的還是高清無線視頻傳輸播放。目前業(yè)界正在推動的新一代WiFi標(biāo)準(zhǔn)，除了強(qiáng)調(diào)互連便利的WiFi Direct和WiFi Display這兩項(xiàng)之外，還有為大幅提升傳輸速率所設(shè)計(jì)的VHT(Very High Throughput)標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括支持5GHz的802.11ac這種規(guī)格，旨在通過建立支持5GHz的新一代WiFi規(guī)格，來進(jìn)一步鞏固WLAN多媒體視頻傳輸?shù)陌灾鞯匚弧Ｒ蛱貭柾瞥龅腎ntel Wireless Display(WiDi)和三星電子主導(dǎo)的WiFi Display 都是這方面的代表。WiDi是以傳輸壓縮過的影像為主，強(qiáng)調(diào)可讓PC/NB屏幕內(nèi)容直接顯示到TV上。WiFi

每一次無線技術(shù)的進(jìn)步都為我們的生活帶來極大的便利，與802.11n的誕生一樣，802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的提出是為了滿足我們?nèi)找嬖鲩L的無線傳輸需求，為打造新一代無線網(wǎng)絡(luò)生活奠定基礎(chǔ)。無論從技術(shù)發(fā)展的本身或者WiFi使用者對無線傳輸?shù)钠诖齺砜矗?02.11ac標(biāo)準(zhǔn)的確立都是具有特殊意義與使命的，雖然制定出一個(gè)兼容并蓄、統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還有很長的路要走，但我們相信最終802.11ac將必然成為兼容多種數(shù)據(jù)格式的無線通用技術(shù)。

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