802.11ax的技術特點及原理簡析
1 前 言
最近，802.11系列協議又添新成員了，即號稱在高密部署環境下能夠實現平均用戶吞吐相比802.11ac 4倍提升的高效（High Efficiency）協議——802.11ax。
為了實現上述驚人的性能提升，802.11ax引進或者改進了多項新技術，例如更高的調製階數（1024QAM）、更多的FFT點數、更窄的子載波間隔、上下行OFDMA技術、上下行MU-MIMO技術（其中下行MU-MIMO在802.11ac時引入）、空間復用技術等。
那麼，這些新技術究竟只是一種令人眼花繚亂的噱頭還是確實能夠給廣大WLAN用戶帶來實實在在的體驗提升？我們在經歷了前幾代WLAN產品的營銷式宣傳之後，不免會心存疑慮。
銳捷網絡802.11ax技術詳解系列文章的目的是希望通過技術原理介紹、技術深入分解、性能仿真、適用場景評估、核心問題分析等維度展示一個真實的802.11ax協議，讓大家對802.11ax協議擁有一個更深入的認識。
銳捷網絡的802.11ax技術詳解系列文章主要分為三篇：
第一篇主要內容是802.11ax關鍵技術實現原理介紹，闡述了802.11ax的技術背景、協議特點、關鍵技術原理等。
第二篇主要內容是從技術風險角度對SU調製解調技術、OFDMA技術、MU-MIMO技術等進行深入的分析，並展示了相應的性能仿真分析結果和風險評估，同時給出不同技術的適用場景評估。
第三篇主要內容是從時頻資源分配，空間信道預測，高密組網空間復用，穩定運行的軟體平臺以及智能的大規模天線上等技術優化層面進行詳細剖析，並最終給出對802.11ax協議的技術評估結論。
2 技術背景
從802.11n協議（2009年）開始，wlan就進入了高速時代。VHT40的帶寬配置下，1條空間流150Mbps，以及最大4條空間流600Mbps的物理連接速率相對原先11a/g的54Mbps來說有了很大程度的提升。後續發布的802.11ac（2013）則是進一步提升了連接速率，首先是帶寬從原先的VHT40提升到了VHT80（Wave1）甚至VHT160/VHT80+80（Wave2），MCS也從原先的最高為7提升到了9，即對應256QAM，因此相應的物理連接速率也提升到了1條空間流433Mbps，以及理論上最大8條空間流的6.97Gbps。目前實際場景中常見的一般為2條空間流866.5Mbps，3條空間流1300Mbps與4條空間流1733Mbps，可以說在物理連接層面達到了Gbps級別。
從上面的發展歷程可以發現，過去Wi-Fi的發展主要集中在提升數據連接速率（包括提升MCS與添加可用帶寬）以實現更高的峰值（理論）數據速度上。但現實是在實際設計和部署中，只靠粗暴地提升速度是無法解決我們面臨的問題的。在現實世界中，不同的用戶需求不同，有的需要低延遲低抖動支撐語音通信、對帶寬要求不高，有的則需要高帶寬，但是對延遲和抖動不敏感。所以當設計一個無線網絡以便為所有用戶提供好的體驗，問題不在於Wi-Fi可以傳多快，而是讓Wi-Fi網絡有足夠的能力來應對不斷增長的不同連接需求的設備、應用和服務。
而802.11ax則可以認為是802.11ac的繼續演進。其實早在2013年ieee就開始了802.11ax的研究，並且在2014年正式成立了ax工作組（Task Group 11ax），並期望能夠在2018年發布正式的協議標準。相比於之前的協議，802.11ax的目標是實現在高密度部署的環境下，每個用戶平均速率的提升（能夠達到802.11ac的4倍），網絡延時的降低，公平性得到更好的保證。因此也稱之為高效無線協議（High Efficiency Wireless）。
3 技術特點
802.11ax主要有以下幾個技術特點：
一、繼續維持後向兼容特性，這對技術的平滑過渡起到了重要的作用，802.11ax同時支持2.4G，5G兩個頻段，可兼容802.11a/b/g/n/ac。廣泛的兼容性得益於幾乎不變的前導碼結構以及新的PHY層設計
二、在高密部署的場景中（例如火車站，機場，體育館等），用戶的平均吞吐量能達到802.11ac標準的4倍，這是802.11ax期望能夠達到的一個目標
三、MCS相比802.11ac有提升，從原來的MCS9（256QAM）提升到了MCS11（1024QAM），1條空間流80M帶寬的關聯速率從433Mbps提升到了600.4Mbps，理論最大關聯速率（160M帶寬，8條空間流）從6.9Gbps提升到9.6Gbps左右
四、支持多用戶同時傳輸技術即上下行MU-MIMO與上下行OFDMA
五、支持更多的FFT點數（802.11ac的4倍），更窄的子載波間隔（802.11ac的4倍），更長的符號時間（802.11ac的4倍）。在多徑衰落以及室外環境中有更好的魯棒性與性能。
六、更好的節電管理技術（TWT）
4 PHY層
在物理層基礎方面，802.11ax主要的變化為：幀結構的重新設計，MU-MIMO技術和OFDMA技術等，本章節主要針對這幾點進行分析。
4.1 幀結構
OFDM可以認為是整個802.11系列協議的物理實現基礎，相比於802.11ac，11ax的OFDM進行了比較大的變更，主要體現在FFT點數，GI，MCS這三個方面。
下圖所示的是802.11n/ac/ax的OFDM基礎部分對比
802.11n
802.11ac
802.11ax
信道帶寬
(MHz)
20，40
20，40，80，
80+80，160
20，40，80，
80+80，160
子載波間隔(KHz)
312.5
312.5
78.125
符號時長
(us)
3.2
3.2
12.8
CP
0.8
0.8，0.4
0.8，1.6，3.2
MU-MIMO
不支持
支持下行
支持上下行
調製
OFDM
OFDM
OFDM，OFDMA
數據子載波
調製
BPSK，QPSK，
16-QAM，
64-QAM
BPSK，QPSK，
16-QAM，
64-QAM，
256-QAM
BPSK，QPSK，
16-QAM，
64-QAM，
256-QAM，
1024-QAM
編碼
BCC（強制）
LDPC（可選）
BCC（強制）
LDPC（可選）
BCC（強制）
LDPC（強制）
4.1.1 FFT點數
802.11ax的點數是11ac的4倍，即相同帶寬的情況下，11ax的子載波間隔變窄。如下圖所示，子載波間隔從312.5kHz，變成78.125kHz。更小的子載波間隔有利於進行信道估計與均衡，抗衰落能力也更強，但也增加了實現的複雜度，同時，對載波頻偏（Carrier Frequency Offset,CFO）也更加敏感。
不同頻寬對應的FFT點數如下表所示：
頻寬（MHz）
802.11ac
802.11ax
20
64
256
40
128
512
80
256
1024
160/80+80
512
2048
4.1.2 保護間隔
由於FFT點數的增加，從時域上看，一個OFDM符號的持續時間也增加了，從11ac的3.2us增加到12.8us，正好也是提升了4倍。
隨著符號持續時間的增加，11ax也提出了三種循環前綴（Cyclic Prefix，CP）時長，即GI：
一、0.8us：由於一個OFDM符號的持續時間增加到了12.8us，增加0.8us的GI只增加了6.25%的時間開銷。而11ac一個OFDM符號時間為3.2us，Short GI為0.4us，增加了12.5%的時間開銷。因此通過對比可得，0.8us的GI擁有更高的時間效率，相當於提升了吞吐量。
二、1.6us：增加了12.5%的時間開銷，目的是實現室外信道條件與室內上行MU-MIMO和OFDMA的高效傳輸。
三、3.2us：增加了25%的時間開銷，目的是保證上行MU-MIMO與OFDMA在室外信道條件下的魯棒性。
4.1.3 調製編碼方式
802.11ax引入了更高階的調製編碼方案（MCS10/11），即1024QAM，相應的最大關聯速率也得到了提升，單條空間流由433Mbps提升到600Mbps，從關聯速率的角度分析，單用戶的極限性能提升了大概35%左右。由於調製階數的提高，滿足正確解碼的EVM（Error Vector Magnitude，誤差向量幅度）也有了更高的要求，256QAM需要達到-32dB，而1024QAM需要達到-35dB。這就對信號的質量提出了更高的要求。
256QAM與1024QAM的星座圖對比
不同MCS對應的調製編碼方案和EVM要求如下圖所示：
MCS
Modulation
Coding Rate
EVM
0
BPSK
1/2
-5
1
QPSK
1/2
-10
2
QPSK
3/4
-13
3
16-QAM
1/2
-16
4
16-QAM
3/4
-19
5
64-QAM
2/3
-22
6
64-QAM
3/4
-25
7
64-QAM
5/6
-27
8
256-QAM
3/4
-30
9
256-QAM
5/6
-32
10
1024-QAM
3/4
-35
11
1024-QAM
5/6
-35
下圖所示的是單條空間流情況下不同MCS搭配不同GI和頻寬對應的關聯速率，多條空間流的關聯速率呈倍數關係，不再一一給出。
4.1.4 PPDU類型
為了適應不同的傳輸場景（如室外、多用戶傳輸場景等），802.11ax在物理層（PHY）新增了四種PPDU幀類型，每種PPDU都有其相應的應用場景：
1. 單用戶PPDU（HE_SU）：主要是在單用戶場景中使用
2. HE增程PPDU（HE Extended Range PPDU，HE_EXT_SU）：主要針對遠離AP的單用戶場景中，例如室外場景。由於距離較遠，信號較弱，因此HE_EXT_SU只能使用低帶寬進行低速傳輸，以保證傳輸的可靠性。
3. 多用戶PPDU（HE_MU）：可以同時對一個或者多個用戶進行一次或者多次傳輸。
4. HE觸發回應幀（HE Trigger-Based PPDU，HE_Trig）：為單次傳輸，主要是為了回應觸發幀。該幀格式主要在上行OFDMA或者上行MU-MIMO場景中進行傳輸。這是由於一般來說MU上行鏈路對設備的發射功率以及傳輸能力（發送端EVM、MCS支持，空間流支持等）有著嚴格的要求，然而802.11對終端的能力要求又比較寬泛，各種高低端設備之間差異比較大，為了兼容高端與低端設備，支持HE_Trig格式的設備需要能夠通過該報文來表明自己是屬於能夠滿足高要求的高端設備（Class A device）還是無法滿足要求的低端設備（Class B device）。
4.2 MU-MIMO技術
MU-MIMO技術能夠實現多個用戶同時進行數據傳輸，在802.11ac Wave2中已經有所應用，不過只應用在下行。802.11ax除了延用802.11ac下行MU-MIMO技術之外，還新增了上行MU-MIMO，支持8根天線，即可以最多同時傳輸8個用戶的上行數據。
在實現原理方面，對於下行MU-MIMO的基本原理，802.11ax與802.11ac的實現基本一樣，設備使用波束成形技術將封包導向位於不同空間的STA，即AP將為每位用戶計算信道矩陣，然後將同步波束導向不同用戶，而每道波束都會包含適用於所屬目標STA的報文。
對於上行MU-MIMO，則是802.11ax新引入的技術。利用用戶之間不同位置的相互正交性來實現多用戶的空間分離，免去了波束成形的交互過程。
MU-MIMO提升的是整個系統容量，在高信噪比條件下傳輸大數據包時效率更高，適合視頻、語音、辦公場景等大流量的應用。
4.2.1 下行MU-MIMO技術
下行MU-MIMO的基本實現原理與802.11ac相同，主要是通過NDP報文的交互完成信道矩陣的反饋，然後再進行波束成形，以實現多個用戶的同時傳輸，基本原理如下圖所示：
報文交互過程如下圖所示，即AP端（Beamformer）發送NDP-A，NDP，Trigger幀，然後STA端通過feedback frame反饋信道矩陣信息，然後AP端再根據反饋信息進行預編碼，以實現波束成形，避免了用戶之間的幹擾：
在完成信道信息反饋之後，AP就向所有的MU-MIMO用戶同時發送數據信息，各個STA收到各自的數據之後回復BA報文。
4.2.2 上行MU-MIMO技術
上行MU-MIMO是802.11ax的新特性。AP通過發送觸發幀的方式來啟動多個STA的同步上行傳輸。上行MU-MIMO與MU-MIMO原理相似，唯一不同SU-MIMO是由相同STA發送空間流，上行MU-MIMO的空間流來自不同STA。信號由HE LTF的正交矩陣進行分離。
上行MU-MIMO原理如下圖所示：
上行MU-MIMO的交互過程如下圖所示，由AP發送觸發幀HE_Trig，聲明STA發送時間(When)、payload持續時間、PE、循環前綴GI類型等，STA根據要求發送UL MU PPDU，在AP端同時接收解調獲得用戶信息。
基於觸發幀HE_Trig的上行傳輸機制，對發送用戶STA端在傳輸時間、頻率、採樣時鐘以及功率有要求，目的在於減少接收AP端的同步問題。頻率和採樣時鐘的同步可以防止ICI幹擾，功率預補償可以減少接收端用戶信號的互相干擾。有關STA端的相關要求，詳見802.11ax D1.0。
MU-RTS也是一種觸發幀（Trigger frame），能夠實現向多個STA傳遞RTS信息，減少了多個RTS對空口資源的佔用，其作用與傳統的RTS一樣，也是為了提前通知空口即將被佔用，避免在傳輸過程中發生用戶之間的碰撞。當用戶收到MU-RTS之後，需要回復相應的CTS，新協議給出的方式為以MU-MIMO的形式回復CTS。AP在接收到用戶回復的CTS之後，才開始啟動後續的數據傳輸過程。
MU-RTS格式如下圖所示，RA欄位為廣播地址，相應的用戶信息在User Info欄位中：
MU-RTS的交互過程如下圖所示，AP先發送MU-RTS進行相應的信道佔用通知，然後相應的STA進行回復，再之後進入一個上行MU-MIMO傳輸數據的完整過程：
4.3 OFDMA技術
802.11ax借鑑了正交頻分多址（OFDMA）這一成熟有效的4G蜂窩技術，在相同的信道帶寬中復用多個用戶。以往我們熟悉的802.11a/g/n/ac技術使用的是正交頻分復用（OFDM）調製方式，其原理是將信道切分為子載波，但是主要是為了防止幹擾，單一信道內的子載波必須同時使用。802.11ax標準則更進一步，將現有的802.11信道(20、40、80和160MHz寬度)劃分成具有預定數量子載波的較小子信道，並將特定子載波集進一步指派給個別STA。此外，802.11ax標準也仿效LTE專有名詞，將最小的子信道稱為「資源單位」(Resource Unit ，RU)，每個RU當中至少包含26個子載波（相當於2MHz帶寬）。
在高密度接入環境中，以往單一信道在同一時間內只能由唯一的用戶使用，OFDMA機制可以同時為多個使用者提供較小（但專屬）的子信道，進而改善每位用戶的平均傳輸率。下圖說明了802.11ax系統如何使用不同大小的RU進行信道頻分多任務。
802.11ax給出了不同大小RU所包含的子載波數量，包括有26/52/106/242/484/996/2*996等多種規格。如下圖所示：
因此，對於不同帶寬情況下，不同大小的RU所能夠支持的用戶數是不同的，下表所示即不同帶寬對應的用戶數，其中最小的信道可在每20MHz的帶寬中同時支持容納多達9個STA，每個STA各佔用一個擁有26個子載波的RU
RU 類型
CBW20
CBW40
CBW80
CBW160 and CBW80+80
26-subcarrier RU
9
18
37
74
52-subcarrier RU
4
8
16
32
106-subcarrier RU
2
4
8
16
242-subcarrier RU
1-SU/MU-MIMO
2
4
8
484-subcarrier RU
N/A
1-SU/MU-MIMO
2
4
996-subcarrier RU
N/A
N/A
1-SU/MU-MIMO
2
2x996-subcarrier RU
N/A
N/A
N/A
1-SU/MU-MIMO
對於一個RU來說，包含有數據子載波以及導頻子載波，數據子載波主要用於承載數據，導頻子載波主要是用於信道估計，各子載波數量與RU大小關係如下圖所示：
參數
RU大小
26
52
106
242
484
996
2x996
數據子載波數量
24
48
102
234
468
980
1960
導頻子載波數量
2
4
4
8
16
16
32
子載波總數
26
52
106
242
484
996
1992
為了避免RU與RU之間發生幹擾，802.11ax還預留了一些子載波作為空子載波（Null Subcarriers），空子載不攜帶任何信息，僅為了避免子載波間幹擾對RU的影響。空子載波如下圖所示：
OFDMA實現了多個用戶同時進行數據傳輸，這增加了空口效率，大大減少了應用的延遲，同時也降低了用戶的衝突退避概念。它主要是針對小數據包的傳輸，效率更高、效果更好。
4.3.1 下行OFDMA技術
下行OFDMA的數據發送過程如下圖所示：
由於存在小於20MHz帶寬的用戶，因此在發送數據的過程中有可能每個用戶都會發送一個20MHz帶寬的前導（preamble）
由於下行OFDMA是在頻域上將原有的帶寬進一步分解為一個個小帶寬，STA接收到數據之後可以在頻域上進行分離解碼操作，因此並不需要像下行MU-MIMO那樣需要反饋信道信息矩陣，也不需要NDP，NDP-A等報文的交互。
4.3.2 上行OFDMA技術
上行OFDMA主要的報文交互如下圖所示，由於上行過程同上行MU-MIMO的過程類似，也需要AP首先發起，所以AP需要先發送一個觸發幀才能啟動上行OFDMA：
該觸發幀的主要作用是表明空間流數量，OFDMA相應的資源分配（包括頻率以及每個用戶的RU大小），PPDU的持續時間，還包括有用戶的發送功率控制信息以保證多個用戶在AP處的接收功率基本相同。
其中觸發幀與UL MU PPDU之間和UL MU PPDU與ACK之間的幀間隔均為SIFS，同時需要說明的是，ACK包括ACK幀或者BA幀。
與上行MU-MIMO類似，基於觸發幀HE_Trig的上行傳輸機制，對發送用戶STA端在傳輸時間、頻率、採樣時鐘以及功率有要求，目的在於減少接收AP端的同步問題。頻率和採樣時鐘的同步可以防止ICI幹擾，功率預補償可以減少接收端用戶信號的互相干擾。有關STA端的相關要求，詳見802.11ax D1.0。
5 MAC層
5.1 動態cca技術與空間復用
為了提升密集部署環境中系統級性能和頻譜資源的有效利用，802.11ax提出了一種信道空間復用技術（spatial reuse technique）。通過該技術，STA可以識別來自OBSS（overlapping Basic Service Sets, OBSS）的信號，並且根據相關信息來進行空口衝突判斷與幹擾管理。
當STA偵聽802.11ax的信號時，可以通過檢測表示BSS的顏色比特（BSS color bit）或者MAC地址，如果BSS的顏色與自己關聯的AP發出的相同，那麼STA可以認為該數據幀與自己在同一個BSS。如果不相同，那麼STA可以認為該數據幀是來自OBSS的，這時就需要進行相應的退避策略。
這樣就能利用提升BSS之間的CCA-SD（Clear Channel Assessment Signal Detection）的門限，降低BSS內部的CCA-SD門限來實現對OBSS相應數據幀的忽略，這樣來自OBSS的報文就不會產生不必要的空口衝突，如下圖所示：
通過著色機制，無線傳輸在其開始時就被標記，這會幫助周圍其它設備決定是否允許無線介質被同時使用。即使來自相鄰網絡的檢測信號電平超過傳統信號檢測閾值，只要適當地減小新傳輸的發射功率，就允許將無線介質視為空閒並開始新的傳輸。BSS著色機制要達到的目標就是，使設備能夠區分自己網絡中的傳輸與鄰近網絡中的傳輸。自適應功率和靈敏度閾值允許動態調整發射功率和信號檢測閾值以增加空間重用效率，在儘可能的情況下最大地去減少同頻幹擾。
因此802.11ax可以通過BSS顏色碼，動態調整CCA門限（包括CCA-SD與CCA-ED（energy detection））和發送功率控制等技術相結合來實現信道的空間復用，以提升系統級性能。
5.2 動態功率控制
由於802.11ax引入了OFDMA與MU-MIMO傳輸技術，實現了多個用戶的同時傳輸，因此，需要對多用戶實行相應的功率控制，以保證近距離的用戶信號不會把遠距離的用戶淹沒。
如果AP端接收到的不同用戶之間信號功率差距過大，則會引入載波間幹擾（ICI），接收性能下降以及幀時間定位不準確等。在802.11ax中，AP可以命令STA進行發送功率的調整，以保證AP處接收到的RSSI能夠達到一個預定值。
STA首先利用接收RSSI估計一個路徑損耗估計值，然後再加上AP的目標RSSI，並以該值做為發送功率來進行信號的發送，這樣就能實現近距離用戶使用較低的發射功率，遠距離用戶使用較高發射功率，在AP處的RSSI就能夠處於一個合理的範圍，以達到性能的最大化，如果近距離的發射功率太大，那麼反而會降低性能，如下圖所示，如果STA4的發射功率過大，那麼將降低系統性能：
為了保證功率控制的精度，802.11ax標準還定義了兩個類型（class）的用戶終端：
ClassA：可以保證功率控制精度在正負3db以內，接收RSSI估計精度在正負3db以內
Class B：可以保證功率控制精度在正負9db以內，接收RSSI估計精度在正負5db以內
其中，ClassA的用戶可以理解是高端用戶，能夠實現更精確的功率控制，以提升系統的性能，而ClassB的用戶可以理解為中低端用戶，其功率控制能力比較差，主要是以保證數據通信的可用性為目標。
兩種不同用戶的差異性匯總如下表所示：
5.3 TWT節電管理技術
目標喚醒時間TWT（Target Wakeup Time）是11ax支持的另一個重要的資源調度功能，它借鑑於802.11ah標準。它允許設備協商他們什麼時候和多久會喚醒發送或接收數據，允許設備於信標傳輸周期的其他時間段喚醒。此外，無線接入點可以將客戶端設備分組到不同的TWT周期，從而減少喚醒後同時競爭無線介質的設備數量。TWT還增加了設備睡眠時間，從而大大提高了電池壽命。
802.11ax AP可以和STA協調目標喚醒時間(TWT)功能的使用，AP和STA會互相交換信息，當中將包含預計的活動持續時間，以定義讓STA訪問介質的特定時間或一組時間。如此一來，STA就可控制需要訪問介質的客戶端之間的競爭和重疊情況。802.11ax STA可以使用TWT來降低能量損耗，在自身的TWT來臨之前進入睡眠狀態。另外，AP還可另外設定編排議程並將TWT值提供給STA，這樣一來，雙方之間就不需要存在個別的TWT協議，此操作稱為「廣播TWT操作」（見下圖）。
預告
本文主要科普介紹802.11ax新技術特點，概述其如何提升多用戶場景體驗。