802.11ax技術(shù)淺析

邱豐

摘 要：802.11ax標(biāo)準(zhǔn)又稱為高效率無線標(biāo)準(zhǔn)，旨在實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)：將用戶密集環(huán)境中的每位用戶平均傳輸率提升至4倍以上。這項(xiàng)全新標(biāo)準(zhǔn)著重于機(jī)制的實(shí)作，以期在人潮眾多的環(huán)境下，為更多使用者提供一致且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。本文主要對(duì)該項(xiàng)新技術(shù)的技術(shù)進(jìn)行初步研究。

關(guān)鍵詞：WIFI；波束成形；多用戶作業(yè)；空間復(fù)用

1 現(xiàn)有Wi-Fi機(jī)制不利高密度傳輸

802.11通訊協(xié)議采用了載波感測(cè)多路存取（CSMA）方式，在此一方式中，無線基地臺(tái)（STA）會(huì)先感測(cè)通道，而且只會(huì)在感測(cè)到通道閑置時(shí)進(jìn)行傳輸，藉此嘗試避免沖突（圖2-1）。如果任一STA聽到有其他STA存在，就會(huì)在再次收聽前等候一段時(shí)間，以待對(duì)方停止傳輸并釋放通道。當(dāng)STA可進(jìn)行傳輸時(shí)，將會(huì)傳輸完整的封包數(shù)據(jù)。空閑通道評(píng)估和沖突預(yù)防通訊協(xié)議雖有助于將信道平均分配給沖突網(wǎng)域中的所有參與者，但如果參與者數(shù)量過于龐大，分配效率會(huì)隨之下降；多個(gè)AP服務(wù)區(qū)域重迭，則是造成網(wǎng)絡(luò)效率不彰的另一原因。使用較少的通道規(guī)劃密集的涵蓋范圍變得十分困難，而此一現(xiàn)象也迫使網(wǎng)絡(luò)管理員必須重復(fù)使用附近基地臺(tái)中的信道。如果沒有注意且刻意進(jìn)行電源管理，使用者將會(huì)遇到同通道干擾，除了會(huì)減損效能之外，還會(huì)將通道較寬的既定優(yōu)勢(shì)一筆勾銷。

2 802.11ax PHY變更

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裝置。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封包表頭檔（雖然不是整個(gè)802.11ax封包），并于802.11ax STA傳輸期間進(jìn)行輪詢。請(qǐng)注意，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)將在2.4GHz和5GHz頻帶運(yùn)作。此規(guī)格定義了4倍大的FFT，以及數(shù)量更多的子載波。不過，802.11ax也涵蓋了一項(xiàng)重大變更：將子載波間距縮減到先前802.11標(biāo)準(zhǔn)的四分之一，以保留現(xiàn)有的通道帶寬OFDM符碼持續(xù)期間和循環(huán)前綴區(qū)段（Cyclic Prefix， CP）也提高4倍，一邊維持與802.11ac相同的原始鏈接數(shù)據(jù)速率，一邊提升室內(nèi)/室外和混合式環(huán)境的效率及穩(wěn)固性。不過，ax標(biāo)準(zhǔn)會(huì)于室內(nèi)環(huán)境中指定1024-QAM和較低的循環(huán)式前置區(qū)段比，以利實(shí)現(xiàn)最高的數(shù)據(jù)速率。

3 波束成形

802.11ax將采用與802.11ac相似的明確波束成形程序。在這個(gè)程序中，波束成形器會(huì)使用Null數(shù)據(jù)封包啟動(dòng)信道探測(cè)程序，而波束成形接收端則會(huì)量測(cè)通道，并使用波束成形反饋架構(gòu)（當(dāng)中包含壓縮的反饋矩陣）做出回應(yīng)。波束成形器將使用這項(xiàng)信息來運(yùn)算信道矩陣H。隨后，波束成形接收端就能使用這個(gè)通道矩陣，將射頻能量運(yùn)用在每位使用者身上。

4 多用戶作業(yè)：MU-MIMO與OFDMA

802.11ax標(biāo)準(zhǔn)采用了兩種作業(yè)模式，分別是單一使用者與多使用者。在單一用戶序列模式中，只要無線STA一取得媒體存取權(quán)，就會(huì)每次進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)傳送和接收作業(yè)。在多用戶模式下，可同步進(jìn)行多個(gè)非AP STA作業(yè)。標(biāo)準(zhǔn)會(huì)將此一模式進(jìn)一步劃分成下鏈和上鏈多使用者。下鏈多使用者是指由AP同時(shí)提供給多個(gè)相關(guān)無線STA的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的802.11ac已具備這項(xiàng)功能。上鏈多使用者則涉及同時(shí)從多個(gè)STA傳輸數(shù)據(jù)至AP。這是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的新功能，且不存在于任何舊版Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)中。MU-MIMO作為802.11ax核心技術(shù)，此處只是略作介紹，將另開專題單獨(dú)說明。

5 802.11ax MAC機(jī)制變更

為了改善密集部署情境中的系統(tǒng)層級(jí)效能以及頻譜資源的使用效率，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)實(shí)作了空間重復(fù)使用技術(shù)。STA可以識(shí)別來自重迭基本服務(wù)組（BSS）的訊號(hào)，并根據(jù)這項(xiàng)信息來做出媒體競(jìng)爭(zhēng)和干擾管理決策。負(fù)責(zé)開發(fā)高效率無線標(biāo)準(zhǔn)的802.11工作團(tuán)隊(duì)可能會(huì)在802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中包含多個(gè)NAV字段，也就是采用兩個(gè)不同的NAV。同時(shí)擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不僅可協(xié)助STA預(yù)測(cè)自身BSS內(nèi)的流量，還能讓它們?cè)诘弥氐髁繝顟B(tài)時(shí)自由傳輸

6 總結(jié)

本文簡(jiǎn)明總結(jié)了802.11ax的工作原理及核心技術(shù)。詳細(xì)介紹了現(xiàn)有環(huán)境下的WIFI機(jī)制的處境及使用了802.11ax技術(shù)的路由器能夠大幅改變現(xiàn)有WIFI路由器的處境的內(nèi)容。由于802.11ax的路由器擁有MU-MIMO技術(shù)，使其能夠超越現(xiàn)有路由器。