技术小白看过来 简析802.11ax技术特点与原理

2017-10-17 11:13 出处:其他 作者:佚名 责任编辑:sunziyi

  【PConline 干货铺】最近,802.11系列协议又添新成员了,即号称在高密部署环境下能够实现平均用户吞吐相比802.11ac 4倍提升的高效(High Efficiency)协议——802.11ax。

  为了实现上述惊人的性能提升,802.11ax引进或者改进了多项新技术,例如更高的调制阶数(1024QAM)、更多的FFT点数、更窄的子载波间隔、上下行OFDMA技术、上下行MU-MIMO技术(其中下行MU-MIMO在802.11ac时引入)、空间复用技术等。

  那么,这些新技术究竟只是一种令人眼花缭乱的噱头还是确实能够给广大WLAN用户带来实实在在的体验提升?我们在经历了前几代WLAN产品的营销式宣传之后,不免会心存疑虑。

  锐捷网络802.11ax技术详解系列文章的目的是希望通过技术原理介绍、技术深入分解、性能仿真、适用场景评估、核心问题分析等维度展示一个真实的802.11ax协议,让大家对802.11ax协议拥有一个更深入的认识。

  锐捷网络的802.11ax技术详解系列文章主要分为三篇:

  第一篇主要内容是802.11ax关键技术实现原理介绍,阐述了802.11ax的技术背景、协议特点、关键技术原理等。

  第二篇主要内容是从技术风险角度对SU调制解调技术、OFDMA技术、MU-MIMO技术等进行深入的分析,并展示了相应的性能仿真分析结果和风险评估,同时给出不同技术的适用场景评估。

  第三篇主要内容是从时频资源分配,空间信道预测,高密组网空间复用,稳定运行的软件平台以及智能的大规模天线上等技术优化层面进行详细剖析,并最终给出对802.11ax协议的技术评估结论。

技术背景

  从802.11n协议(2009年)开始,wlan就进入了高速时代。VHT40的带宽配置下,1条空间流150Mbps,以及最大4条空间流600Mbps的物理连接速率相对原先11a/g的54Mbps来说有了很大程度的提升。后续发布的802.11ac(2013)则是进一步提升了连接速率,首先是带宽从原先的VHT40提升到了VHT80(Wave1)甚至VHT160/VHT80+80(Wave2),MCS也从原先的最高为7提升到了9,即对应256QAM,因此相应的物理连接速率也提升到了1条空间流433Mbps,以及理论上最大8条空间流的6.97Gbps。目前实际场景中常见的一般为2条空间流866.5Mbps,3条空间流1300Mbps与4条空间流1733Mbps,可以说在物理连接层面达到了Gbps级别。

  从上面的发展历程可以发现,过去Wi-Fi的发展主要集中在提升数据连接速率(包括提升MCS与添加可用带宽)以实现更高的峰值(理论)数据速度上。但现实是在实际设计和部署中,只靠粗暴地提升速度是无法解决我们面临的问题的。在现实世界中,不同的用户需求不同,有的需要低延迟低抖动支撑语音通信、对带宽要求不高,有的则需要高带宽,但是对延迟和抖动不敏感。所以当设计一个无线网络以便为所有用户提供好的体验,问题不在于Wi-Fi可以传多快,而是让Wi-Fi网络有足够的能力来应对不断增长的不同连接需求的设备、应用和服务。

  而802.11ax则可以认为是802.11ac的继续演进。其实早在2013年ieee就开始了802.11ax的研究,并且在2014年正式成立了ax工作组(Task Group 11ax),并期望能够在2018年发布正式的协议标准。相比于之前的协议,802.11ax的目标是实现在高密度部署的环境下,每个用户平均速率的提升(能够达到802.11ac的4倍),网络延时的降低,公平性得到更好的保证。因此也称之为高效无线协议(High Efficiency Wireless)。

技术特点

  802.11ax主要有以下几个技术特点:

  一、继续维持后向兼容特性,这对技术的平滑过渡起到了重要的作用,802.11ax同时支持2.4G,5G两个频段,可兼容802.11a/b/g/n/ac。广泛的兼容性得益于几乎不变的前导码结构以及新的PHY层设计

  二、在高密部署的场景中(例如火车站,机场,体育馆等),用户的平均吞吐量能达到802.11ac标准的4倍,这是802.11ax期望能够达到的一个目标

  三、MCS相比802.11ac有提升,从原来的MCS9(256QAM)提升到了MCS11(1024QAM),1条空间流80M带宽的关联速率从433Mbps提升到了600.4Mbps,理论最大关联速率(160M带宽,8条空间流)从6.9Gbps提升到9.6Gbps左右

  四、支持多用户同时传输技术即上下行MU-MIMO与上下行OFDMA

  五、支持更多的FFT点数(802.11ac的4倍),更窄的子载波间隔(802.11ac的4倍),更长的符号时间(802.11ac的4倍)。在多径衰落以及室外环境中有更好的鲁棒性与性能。

  六、更好的节电管理技术(TWT)

PHY层

  在物理层基础方面,802.11ax主要的变化为:帧结构的重新设计,MU-MIMO技术和OFDMA技术等,本章节主要针对这几点进行分析。

帧结构

  OFDM可以认为是整个802.11系列协议的物理实现基础,相比于802.11ac,11ax的OFDM进行了比较大的变更,主要体现在FFT点数,GI,MCS这三个方面。

  下图所示的是802.11n/ac/ax的OFDM基础部分对比

•FFT点数

  802.11ax的点数是11ac的4倍,即相同带宽的情况下,11ax的子载波间隔变窄。如下图所示,子载波间隔从312.5kHz,变成78.125kHz。更小的子载波间隔有利于进行信道估计与均衡,抗衰落能力也更强,但也增加了实现的复杂度,同时,对载波频偏(Carrier Frequency Offset,CFO)也更加敏感。

  不同频宽对应的FFT点数如下表所示:

保护间隔

  由于FFT点数的增加,从时域上看,一个OFDM符号的持续时间也增加了,从11ac的3.2us增加到12.8us,正好也是提升了4倍。

  随着符号持续时间的增加,11ax也提出了三种循环前缀(Cyclic Prefix,CP)时长,即GI:

  一、0.8us:由于一个OFDM符号的持续时间增加到了12.8us,增加0.8us的GI只增加了6.25%的时间开销。而11ac一个OFDM符号时间为3.2us,Short GI为0.4us,增加了12.5%的时间开销。因此通过对比可得,0.8us的GI拥有更高的时间效率,相当于提升了吞吐量。

  二、1.6us:增加了12.5%的时间开销,目的是实现室外信道条件与室内上行MU-MIMO和OFDMA的高效传输。

  三、3.2us:增加了25%的时间开销,目的是保证上行MU-MIMO与OFDMA在室外信道条件下的鲁棒性。

调制编码方式

  802.11ax引入了更高阶的调制编码方案(MCS10/11),即1024QAM,相应的最大关联速率也得到了提升,单条空间流由433Mbps提升到600Mbps,从关联速率的角度分析,单用户的极限性能提升了大概35%左右。由于调制阶数的提高,满足正确解码的EVM(Error Vector Magnitude,误差向量幅度)也有了更高的要求,256QAM需要达到-32dB,而1024QAM需要达到-35dB。这就对信号的质量提出了更高的要求。

256QAM与1024QAM的星座图对比
256QAM与1024QAM的星座图对比

  不同MCS对应的调制编码方案和EVM要求如下图所示:

  下图所示的是单条空间流情况下不同MCS搭配不同GI和频宽对应的关联速率,多条空间流的关联速率呈倍数关系,不再一一给出。

PPDU类型

  为了适应不同的传输场景(如室外、多用户传输场景等),802.11ax在物理层(PHY)新增了四种PPDU帧类型,每种PPDU都有其相应的应用场景:

  1. 单用户PPDU(HE_SU):主要是在单用户场景中使用

  2. HE增程PPDU(HE Extended Range PPDU,HE_EXT_SU):主要针对远离AP的单用户场景中,例如室外场景。由于距离较远,信号较弱,因此HE_EXT_SU只能使用低带宽进行低速传输,以保证传输的可靠性。

  3. 多用户PPDU(HE_MU):可以同时对一个或者多个用户进行一次或者多次传输。

  4. HE触发回应帧(HE Trigger-Based PPDU,HE_Trig):为单次传输,主要是为了回应触发帧。该帧格式主要在上行OFDMA或者上行MU-MIMO场景中进行传输。这是由于一般来说MU上行链路对设备的发射功率以及传输能力(发送端EVM、MCS支持,空间流支持等)有着严格的要求,然而802.11对终端的能力要求又比较宽泛,各种高低端设备之间差异比较大,为了兼容高端与低端设备,支持HE_Trig格式的设备需要能够通过该报文来表明自己是属于能够满足高要求的高端设备(Class A device)还是无法满足要求的低端设备(Class B device)。

MU-MIMO技术

  MU-MIMO技术能够实现多个用户同时进行数据传输,在802.11ac Wave2中已经有所应用,不过只应用在下行。802.11ax除了延用802.11ac下行MU-MIMO技术之外,还新增了上行MU-MIMO,支持8根天线,即可以最多同时传输8个用户的上行数据。

  在实现原理方面,对于下行MU-MIMO的基本原理,802.11ax与802.11ac的实现基本一样,设备使用波束成形技术将封包导向位于不同空间的STA,即AP将为每位用户计算信道矩阵,然后将同步波束导向不同用户,而每道波束都会包含适用于所属目标STA的报文。

  对于上行MU-MIMO,则是802.11ax新引入的技术。利用用户之间不同位置的相互正交性来实现多用户的空间分离,免去了波束成形的交互过程。

  MU-MIMO提升的是整个系统容量,在高信噪比条件下传输大数据包时效率更高,适合视频、语音、办公场景等大流量的应用。

下行MU-MIMO技术

  下行MU-MIMO的基本实现原理与802.11ac相同,主要是通过NDP报文的交互完成信道矩阵的反馈,然后再进行波束成形,以实现多个用户的同时传输,基本原理如下图所示:

  报文交互过程如下图所示,即AP端(Beamformer)发送NDP-A,NDP,Trigger帧,然后STA端通过feedback frame反馈信道矩阵信息,然后AP端再根据反馈信息进行预编码,以实现波束成形,避免了用户之间的干扰:

  在完成信道信息反馈之后,AP就向所有的MU-MIMO用户同时发送数据信息,各个STA收到各自的数据之后回复BA报文。

上行MU-MIMO技术

  上行MU-MIMO是802.11ax的新特性。AP通过发送触发帧的方式来启动多个STA的同步上行传输。上行MU-MIMO与MU-MIMO原理相似,唯一不同SU-MIMO是由相同STA发送空间流,上行MU-MIMO的空间流来自不同STA。信号由HE LTF的正交矩阵进行分离。

  上行MU-MIMO原理如下图所示:

  上行MU-MIMO的交互过程如下图所示,由AP发送触发帧HE_Trig,声明STA发送时间(When)、payload持续时间、PE、循环前缀GI类型等,STA根据要求发送UL MU PPDU,在AP端同时接收解调获得用户信息。

  基于触发帧HE_Trig的上行传输机制,对发送用户STA端在传输时间、频率、采样时钟以及功率有要求,目的在于减少接收AP端的同步问题。频率和采样时钟的同步可以防止ICI干扰,功率预补偿可以减少接收端用户信号的互相干扰。有关STA端的相关要求,详见802.11ax D1.0。

  MU-RTS也是一种触发帧(Trigger frame),能够实现向多个STA传递RTS信息,减少了多个RTS对空口资源的占用,其作用与传统的RTS一样,也是为了提前通知空口即将被占用,避免在传输过程中发生用户之间的碰撞。当用户收到MU-RTS之后,需要回复相应的CTS,新协议给出的方式为以MU-MIMO的形式回复CTS。AP在接收到用户回复的CTS之后,才开始启动后续的数据传输过程。

  MU-RTS格式如下图所示,RA字段为广播地址,相应的用户信息在User Info字段中:

  MU-RTS的交互过程如下图所示,AP先发送MU-RTS进行相应的信道占用通知,然后相应的STA进行回复,再之后进入一个上行MU-MIMO传输数据的完整过程:

OFDMA技术

  802.11ax借鉴了正交频分多址(OFDMA)这一成熟有效的4G蜂窝技术,在相同的信道带宽中复用多个用户。以往我们熟悉的802.11a/g/n/ac技术使用的是正交频分复用(OFDM)调制方式,其原理是将信道切分为子载波,但是主要是为了防止干扰,单一信道内的子载波必须同时使用。802.11ax标准则更进一步,将现有的802.11信道(20、40、80和160MHz宽度)划分成具有预定数量子载波的较小子信道,并将特定子载波集进一步指派给个别STA。此外,802.11ax标准也仿效LTE专有名词,将最小的子信道称为“资源单位”(Resource Unit ,RU),每个RU当中至少包含26个子载波(相当于2MHz带宽)。

  在高密度接入环境中,以往单一信道在同一时间内只能由唯一的用户使用,OFDMA机制可以同时为多个使用者提供较小(但专属)的子信道,进而改善每位用户的平均传输率。下图说明了802.11ax系统如何使用不同大小的RU进行信道频分多任务。

  802.11ax给出了不同大小RU所包含的子载波数量,包括有26/52/106/242/484/996/2*996等多种规格。如下图所示:

  因此,对于不同带宽情况下,不同大小的RU所能够支持的用户数是不同的,下表所示即不同带宽对应的用户数,其中最小的信道可在每20MHz的带宽中同时支持容纳多达9个STA,每个STA各占用一个拥有26个子载波的RU

  对于一个RU来说,包含有数据子载波以及导频子载波,数据子载波主要用于承载数据,导频子载波主要是用于信道估计,各子载波数量与RU大小关系如下图所示:

  为了避免RU与RU之间发生干扰,802.11ax还预留了一些子载波作为空子载波(Null Subcarriers),空子载不携带任何信息,仅为了避免子载波间干扰对RU的影响。空子载波如下图所示:

  OFDMA实现了多个用户同时进行数据传输,这增加了空口效率,大大减少了应用的延迟,同时也降低了用户的冲突退避概念。它主要是针对小数据包的传输,效率更高、效果更好。

下行OFDMA技术

  下行OFDMA的数据发送过程如下图所示:

  由于存在小于20MHz带宽的用户,因此在发送数据的过程中有可能每个用户都会发送一个20MHz带宽的前导(preamble)

  由于下行OFDMA是在频域上将原有的带宽进一步分解为一个个小带宽,STA接收到数据之后可以在频域上进行分离解码操作,因此并不需要像下行MU-MIMO那样需要反馈信道信息矩阵,也不需要NDP,NDP-A等报文的交互。

上行OFDMA技术

  上行OFDMA主要的报文交互如下图所示,由于上行过程同上行MU-MIMO的过程类似,也需要AP首先发起,所以AP需要先发送一个触发帧才能启动上行OFDMA:

  该触发帧的主要作用是表明空间流数量,OFDMA相应的资源分配(包括频率以及每个用户的RU大小),PPDU的持续时间,还包括有用户的发送功率控制信息以保证多个用户在AP处的接收功率基本相同。

  其中触发帧与UL MU PPDU之间和UL MU PPDU与ACK之间的帧间隔均为SIFS,同时需要说明的是,ACK包括ACK帧或者BA帧。

  与上行MU-MIMO类似,基于触发帧HE_Trig的上行传输机制,对发送用户STA端在传输时间、频率、采样时钟以及功率有要求,目的在于减少接收AP端的同步问题。频率和采样时钟的同步可以防止ICI干扰,功率预补偿可以减少接收端用户信号的互相干扰。有关STA端的相关要求,详见802.11ax D1.0。

MAC层

动态cca技术与空间复用

  为了提升密集部署环境中系统级性能和频谱资源的有效利用,802.11ax提出了一种信道空间复用技术(spatial reuse technique)。通过该技术,STA可以识别来自OBSS(overlapping Basic Service Sets, OBSS)的信号,并且根据相关信息来进行空口冲突判断与干扰管理。

  当STA侦听802.11ax的信号时,可以通过检测表示BSS的颜色比特(BSS color bit)或者MAC地址,如果BSS的颜色与自己关联的AP发出的相同,那么STA可以认为该数据帧与自己在同一个BSS。如果不相同,那么STA可以认为该数据帧是来自OBSS的,这时就需要进行相应的退避策略。

  这样就能利用提升BSS之间的CCA-SD(Clear Channel Assessment Signal Detection)的门限,降低BSS内部的CCA-SD门限来实现对OBSS相应数据帧的忽略,这样来自OBSS的报文就不会产生不必要的空口冲突,如下图所示:

  通过着色机制,无线传输在其开始时就被标记,这会帮助周围其它设备决定是否允许无线介质被同时使用。即使来自相邻网络的检测信号电平超过传统信号检测阈值,只要适当地减小新传输的发射功率,就允许将无线介质视为空闲并开始新的传输。BSS着色机制要达到的目标就是,使设备能够区分自己网络中的传输与邻近网络中的传输。自适应功率和灵敏度阈值允许动态调整发射功率和信号检测阈值以增加空间重用效率,在尽可能的情况下最大地去减少同频干扰。

  因此802.11ax可以通过BSS颜色码,动态调整CCA门限(包括CCA-SD与CCA-ED(energy detection))和发送功率控制等技术相结合来实现信道的空间复用,以提升系统级性能。

动态功率控制

  由于802.11ax引入了OFDMA与MU-MIMO传输技术,实现了多个用户的同时传输,因此,需要对多用户实行相应的功率控制,以保证近距离的用户信号不会把远距离的用户淹没。

  如果AP端接收到的不同用户之间信号功率差距过大,则会引入载波间干扰(ICI),接收性能下降以及帧时间定位不准确等。在802.11ax中,AP可以命令STA进行发送功率的调整,以保证AP处接收到的RSSI能够达到一个预定值。

  STA首先利用接收RSSI估计一个路径损耗估计值,然后再加上AP的目标RSSI,并以该值做为发送功率来进行信号的发送,这样就能实现近距离用户使用较低的发射功率,远距离用户使用较高发射功率,在AP处的RSSI就能够处于一个合理的范围,以达到性能的最大化,如果近距离的发射功率太大,那么反而会降低性能,如下图所示,如果STA4的发射功率过大,那么将降低系统性能:

  为了保证功率控制的精度,802.11ax标准还定义了两个类型(class)的用户终端:

  ClassA:可以保证功率控制精度在正负3db以内,接收RSSI估计精度在正负3db以内

  Class B:可以保证功率控制精度在正负9db以内,接收RSSI估计精度在正负5db以内

  其中,ClassA的用户可以理解是高端用户,能够实现更精确的功率控制,以提升系统的性能,而ClassB的用户可以理解为中低端用户,其功率控制能力比较差,主要是以保证数据通信的可用性为目标。

  两种不同用户的差异性汇总如下表所示:

TWT节电管理技

  目标唤醒时间TWT(Target Wakeup Time)是11ax支持的另一个重要的资源调度功能,它借鉴于802.11ah标准。它允许设备协商他们什么时候和多久会唤醒发送或接收数据,允许设备于信标传输周期的其他时间段唤醒。此外,无线接入点可以将客户端设备分组到不同的TWT周期,从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间,从而大大提高了电池寿命。

  802.11ax AP可以和STA协调目标唤醒时间(TWT)功能的使用,AP和STA会互相交换信息,当中将包含预计的活动持续时间,以定义让STA访问介质的特定时间或一组时间。如此一来,STA就可控制需要访问介质的客户端之间的竞争和重叠情况。802.11ax STA可以使用TWT来降低能量损耗,在自身的TWT来临之前进入睡眠状态。另外,AP还可另外设定编排议程并将TWT值提供给STA,这样一来,双方之间就不需要存在个别的TWT协议,此操作称为“广播TWT操作”(见下图)。

预告

  本文主要科普介绍802.11ax新技术特点,概述其如何提升多用户场景体验。下篇文章我们将重点介绍各场景下用户体验提升情况以及相应的风险状况,欢迎点击下方文章列表,继续我们的802.11ax技术之旅~

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