作者：Scottfly（蘇飛）
雖然有一些文章介紹802.11ax，但是都是一些蜻蜓點水的文章，本篇《IEEE802.11ax：高效能WLAN技術預覽》是業內首篇深度剖析802.11ax的文章，是評Wi-Fi CTO蘇飛的大作！
引言
無線區域網的發展可謂是日新月異，自從1997年的802.11標準推出至今，隨著標準的快速更替標準速率不斷跨上新的臺階。而無線區域網路的發展從另一個角度來看，也是人們在商業環境下基於手中稀缺的頻譜資源不斷的利用新技術來實現傳輸速率上的突破的過程，總的來說其圍繞的核心就是頻譜資源、時間資源、空間資源這三個方面進行技術更新從而實現速率的提升。
頻譜資源利用：經歷了跳頻到擴頻再到頻分復用
時間資源利用：在更短的時間內傳輸更多的內容，實際上就是調製方式的不同
空間資源利用：利用不同的空間流來並行傳輸不同的內容，實際上就是空間流的增加
通過上面三個方面的技術更新使得我們今天在802.11ac這個標準上終於實現了千兆的突破，不過無線區域網的術士們也並未就此止步，802.11ax將作為802.11ac的繼任者在5GHz頻段將速率提升到10G的能力，該標準預計要到2019年3月才會被正式批准，但基於該標準草案的產品可能會在2016年進入市場。從圖-2的時間軸可以看到11ax的Draft 1.0要到明年的中旬才能出來，所以今天我們提到的11ax的技術特點還只是前瞻性的探討。
說了這麼多今天的主題還是要講講目前我們看到的802.11ax到底有哪些神奇之處。
802.11速率標準演進
802.11ax協議發展時間軸
802.11ax面向的目標場景及需求
超高密度部署
一方面隨著企業移動化以及商業WLAN的普及，大量的具備WLAN的手機終端將促使企業IT或運營者不得不面對越來越擁擠的無線終端接入。另一方面設施的智能化，比如在智能家居、智能辦公室這樣的場景中，WLAN設施的密度也在不斷的提升。而現有技術標準在高密度部署的情況下，無論從整體能力上還是單個接入終端的能力上都面臨很大的挑戰。
日益增長的室外WLAN覆蓋需求
無線發展這麼多年，802.11雖然還叫無線區域網，但其部署早已從室內走向了室外。在802.11a/g的時代就已經湧現出一大批做室外Mesh的公司，進行WLAN無線城域網絡的建設，雖然因為當時的終端條件多數壯烈了，不過為今天WLAN的室外部署打下了技術應用的基礎。但是要解決室外覆蓋不僅僅是技術應用上的問題，從根本上還是要向運營商的移動通訊技術靠攏，只有這樣才能較好的解決在室外傳播模型環境下的無線鏈路的穩定性問題。
在實時應用下更好的提升性能降低能耗
終端及PC的屏幕的解析度已經在向2K及4K方向快速發展，因此對高清或超高清視頻的應用需求也變得愈發緊迫。對於企業而言未來的工作空間將是虛實結合的工作空間，也就意味著協作中會引入更多的視頻交互。而WLAN對這些實時交互的應用即使在802.11ac時代也依然存在兩大問題，即單個終端的無線接入能力保障以及終端能耗的效率。
提升用戶體驗
對於WLAN接入而言用戶的體驗通俗的說法就是: 網速槓槓的、刷頻瞬間響應、覆蓋信號好、連接速度快等等。但在反映在技術上主要體現在以下三個方面：
無線AP整體的無線接入能力；
無線用戶個體的接入速度；
無線鏈路的穩定性，包括時延、抖動；
802.11ax的主要特點
動態靈敏度控制（Dynamic Sensitivity Control – DSC）
802.11採用了CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/衝突檢測）的MAC機制，終端或AP在發送數據前首先會偵聽信道，採用衝突避免機制儘量減小衝突碰撞發生的概率，以提高網絡吞吐性能與遲延性能。CSMA/CA使用信道空閒評估（CCA）算法來決定信道是否空閒，評估方式包括了物理載波檢測和虛擬載波檢測，其中物理載波檢測反映了RF能量的指標，而虛擬載波檢測則採用NAV(網絡分配向量)實現偵聽，通過MAC幀中的NAV時間段進行退避。但原有標準的信道評估方式定義過於呆板，對於OFDM而言最小的調製方式BPSK 1/2的接收靈敏度在20MHz頻寬的情況下虛擬載波檢測門限是-82dBm，在40MHz情況下是-79dBm，如果沒有檢測到數據幀頭，那麼物理載波檢測門限在最小接收靈敏度上增加20dB，也就是-62dBm。這種定義使得高密度部署場景中由於CCA的信道評估，造成本來可以利用的傳輸時間片被浪費在信道退避上了。
圖3
如圖-3所示：AP-A和AP-B為相同信道，Station-A和Station-B如果同時向AP-A和AP-B發送數據，由於AP-A側收到Station-A的RSSI為-50dBm高出Station-B 30dBm，同理AP-B收到的Station-B的RSSI也高出Station-A 30dBm，因此兩個終端分別發到AP-A及AP-B的數據是能夠被正常接收的。但是由於Station-A和Station-B之間相互聽到的信號強度為-72dBm高於CCA信道評估門限，所以會受到CCA保護而無法同時發送。
動態靈敏度控制實際上通過改變最低接收靈敏度，來避免來自CCA的信道評估的過度保護，通過Margin（餘量）的概念來動態變化最低接收靈敏度。即，如果STA測量到AP的Beacon（信標）的RSSI為(R dBm)，那麼最低接收靈敏度設定為（R-M）,其中M就是Margin(餘量)。那麼針對圖-3的場景而言，如果Margin(餘量)為20，那麼Station-A在該位置的最低接收靈敏度為-50-20=-70dBm，同理Station-B，根據CCA信道評估閾值的規定Station-A和Station-B之間的CCA門限調整為-70dBm，由於STA之間的-72dBm沒有超過-70dBm，因此Station-A和Station-B在採用了動態靈敏度控制之後可以同時發送數據了。考慮到STA距離AP過近的情況，可以設定一個最低接收靈敏度上限，比如-30dBm或-40dBm等。
另外802.11ax也提出了動態功率控制，我們可以看到動態靈敏度控制實際上是改變了CCA的信道評估閾值，而動態功率控制則是在不改變CCA信道評估閾值前提下，通過降低發射功率來減少退避。目前的企業無線產品在AP側都可以做到通過降低發射功率來實現高密度覆蓋，但是終端側還是需要依靠CCX（思科兼容性擴展）來實現功率控制，而到了802.11ax則無論AP還是STA均能夠支持動態功率控制。
HARQ（混合自動重傳請求）
在無線傳輸環境下，由於信道的衰弱及幹擾使得信道傳輸質量變差，因此會存在大量的報文重傳，尤其是在無線覆蓋的邊緣，大量的重傳會嚴重整個信道的利用率。多數WLAN系統在重傳次數超過一定閾值時會啟動RTS/CTS機制，以減少了空口碰撞的概率，但卻造成了更大的性能和空口資源的消耗。
HARQ（混合自動重傳）技術是將FEC（前向糾錯）同ARQ相結合的糾錯方法，利用FEC技術的糾錯能力以提高系統的傳輸效率，並通過ARQ技術來提高系統傳輸的可靠性。發端發送的碼不僅能夠檢錯，而且還具有一定的糾錯能力。收端解碼器收到碼字後，首先檢查錯誤情況，如果可以則自動糾錯；如果錯誤很多，解碼失敗的話，則保存接收到的數據，並要求發送方重傳一定的數據。這種方式在一定程度上避免了FEC方式需要複雜的解碼設備和ARQ方式信息連貫性差的缺點。
由於沒有獲得具體的802.11ax HARQ的機制，因此我們只能參考一下3GPP標準中的建議，在3GPP標準和建議中根據重傳內容的不同主要有3種混合自動重傳請求機制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III，其中HARQ-I依賴FEC的糾錯能力進行重傳。HARQ-II也稱作完全增量冗餘方案。每一次重傳的冗餘量是不同的，而且重傳數據不能單獨解碼，通常只能與先前傳的數據合併後才能被解碼。HARQ-III型則是完全遞增冗餘重傳機制的改進。對於每次發送的數據包採用互補刪除方式，各個數據包既可以單獨解碼，也可以合成一個具有更大冗餘信息的編碼包進行合併解碼。
通過引入HARQ，將提高WLAN系統邊緣的用戶重傳效率，使得系統擁有更多的時間片用於數據傳輸，從而提高了整個信道的利用率。
STR（同時收發）系統
WLAN系統目前為止還是一個半雙工系統，即信號的發射和接收是分時進行的。如果能夠在單信道下實現收發數據同時進行，那麼該技術理論上可以使得系統容量翻倍。另外一個好處是在接收數據時同時發送控制信息，也使得實時反饋成為可能。但是要做到這一點，就必須解決系統的自擾問題，因為在同時收發的情況下，接收機會受到來自本系統的發射機發射信號的幹擾，如果是MIMO系統，還會受到來自其他天線發射信號的幹擾。
802.11ax可能會同時採用模擬消除（Analog Cancellation）以及數字消除（Digital Cancellation）來對付強自擾信號，一些採用了模擬消除和數字消除並用的設計號稱可以實現110dB自擾信號的消除。
圖4
圖-4是一個全雙工信號收發系統的設計，Tb是發送的基帶信號，實際上通過天線發射出去的是信號T，而R是接收到的信號，但是由於發射信號通過環形器會洩露出來一部分發射信號aT，因此接收機接收到的信號實際上是R+aT的信號。在MIMO系統中還會包括其他天線發射出的信號，模擬消除（Analog Cancellation）實際上針對這部分信號進行第一階段處理，剩餘的部分則留給數字消除（Digital Cancellation）。
OFDMA（正交頻分多址 ）
OFDMA終於能夠在WLAN裡大顯身手了，蘇飛多年前曾風風火火搞過一段時間WiMAX，當然後來也目睹了其悲催的結局，但是OFDMA就在那個時候給我留下了深刻的影響。OFDMA是OFDM技術的演進。在利用OFDM對信道進行子載波化後，在部分子載波上加載傳輸數據的傳輸技術。
OFDMA技術與OFDM技術相比，每個用戶可以選擇信道條件較好的子信道進行數據傳輸，而不像OFDM技術在整個頻帶內發送，從而保證了各個子載波都被對應信道條件較優的用戶使用，獲得了頻率上的多用戶分集增益。在OFDMA中，一組用戶可以同時接入到某一信道。
802.11ax 的OFDMA 為WLAN提供了一種高度的靈活性的信道資源使用方式，使得多個用戶可以同時在不同的子信道內進行並行傳輸。由於標準目前的狀態OFDMA具體的實現方式還不明確，不過在某些的參考文檔中描述，802.11ax採用單個20MHz頻道作為最小用戶子信道，也就是說如果一個80MHz的捆綁信道，可以分配4個20MHz信道給4個用戶使用，也可以分配1個40MHz和兩個20MHz信道給3個用戶使用。說實話蘇飛還是有些失望，切割成這麼大的用戶子信道上對信道的優選上起到的作用相比802.16e及LTE簡直就是小巫見大巫了，可能其主要原因還是成本和向後兼容的問題，對於WLAN而言向後兼容至關重要，如果全面革新很可能失去龐大的用戶群體，因此不能否認WLAN自此能夠向OFDMA跨出這一步也確實是一個很大的進步。
圖5
DL/UL MU-MIMO（下行/上行 多用戶MIMO）
802.11ac Wave 2 的一大特點是實現了DL MU-MIMO，也就是下行多用戶MIMO。MU-MIMO的出現對今天大量的移動終端是一個好消息，移動終端在綜合了成本、體積、能耗方面的考慮多數採用了單流系統，在SU-MIMO(單用戶MIMO)的條件下，同一個時間片內只能服務於一個單流用戶，而MU-MIMO的出現使得同一個時間片內可以服務於多個單流用戶，理論上使得系統容量得到了倍增。
圖6
802.11ax除了繼承了802.11ac DL MU-MIMO還支持UL MU-MIMO(上行多用戶MIMO)，在MAC層會考慮採用獨立的上行數據幀，通過AP發布上行資源調度信息來標識上行傳輸時間節點。
圖7
考慮到室內外場景的視距及非視距的覆蓋需求802.11ax還涉及了針對GI（保護間隔）、頻率偏移等調整。
Massive MIMO
Massive MIMO顧名思義就是大規模的MIMO系統，今天我們看到的802.11ac的MIMO系統最多也就是4x4:4，而802.11ax的Massive MIMO把這個數量提升到了16x16：16甚至更高，雖然提高了系統的吞吐能力並能夠為收髮帶來鏈路增益，但也帶來了相應的問題比如能耗、成本、天線間隔離度、設備體積等問題。
超大數量天線能夠獲得更好的空間復用效能，使得針對終端位置的BF（波束賦形）更為精準和強勁。
圖-8 天線數量為10的時候用戶側的信號情況
圖-8 天線數量為100的時候用戶的側信號情況
總結
下面對當前了解到的802.11ax的主要候選技術特點做一下總結：
動態靈敏度控制：通過對CCA的動態調整提升高密度環境下無線設備的數據發送效率，減少退避佔用的傳輸時間片，同時結合終端與AP側雙向功率控制，更好的解決了高密度環境下的無線傳輸的競爭碰撞，降低終端能耗。
HARQ（混合自動重傳請求）：HARQ可以有效的緩解無線小區邊緣用戶的接入重傳效率，提升室外覆蓋無線小區的整體性能及用戶體驗。
STR（同時收發）系統：STR也稱為全雙工收發系統理論上可以使得系統性能倍增，因此對實時交互的高清視頻及富媒體應用起到了很好的支撐作用。另外，也可以用於控制信息的實時反饋，減少控制信息反饋佔用的時間片(比如SIFS間隔及ACK時間片)。
OFDMA（正交頻分多址）：OFDMA雖然目前仍然是20MHz的用戶子信道，但是通過並行的用戶子信道傳輸。一方面在下行AP可以充分利用系統40MHz、80MHz及160MHz頻寬的能力進行20MHz的多用戶並行傳輸，提升系統下行吞吐能力；另一方面也可以實現優質信道的分配，提升業務服務質量。
Massive MIMO(大規模MIMO系統):大規模MIMO系統除了能夠復用更多的空間流數以提升系統容量，還可以實現精準的波束賦形增強鏈路的穩定性，提升小區邊緣的用戶體驗。
DL/UL MU-MIMO（下行/上行多用戶MIMO）：充分利用空間流能力解決大規模單流移動終端用戶的並行接入。
由於802.11ax目前還處在變更和調整階段，因此相關的內容和規格都會發生變化，我們也會不斷跟進其發展，並及時進行更新，以上內容僅供大家參考。
參考文檔
IEEE 802.11ax: Next Generation Wireless Local Area Networks
Advanced Wireless LAN Technologies: IEEE 802.11ac and Beyond
Wi-Fi Could Be Much More
IEEE 802.11ax: High-Efficiency WLANs
本期我們推出一系列原創文章，CPO講點八卦的，CTO講點嚴肅的，分別是：
Wi-Fi能免費，全憑ISM——戲說ISM頻段
Wi-Fi練神功，提速提速提速！——Wi-Fi技術發展簡史
802.11ax，Wi-Fi必殺器！
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