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【全面】解析第六代Wi-Fi 802.11ax 射頻技術的先進之處

 

當我們還在糾結(jié)是否換掉家用老式無線路由器的時候，無線技術卻在加速演進中。在以高通、博通、Quantenna等芯片廠商為首的上游企業(yè)帶動下，支持下一代無線標準的802.11ax無線芯片紛紛亮相，甚至支持該無線制式的路由器也已出爐，都讓WLAN（無線局域網(wǎng)）標準向第六代演進的路徑變得更為明晰與真切起來。

802.11g/n助Wi-Fi稱霸 

WiFi/802.11技術演進時間表

根據(jù)2017年6月7日IDC公布的WLAN（無線局域網(wǎng)）市場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，802.11ac已成為2017年季度消費級WLAN市場的一大亮點，收入和出貨量同比分別增長了17.6%和48.5%。

即便在企業(yè)級無線AP上，搭載802.11ac標準的AP出貨量也達到了70.9%，收益占比達到84.7%，成為取代802.11n標準的新動力，而有預測稱802.11n將會在2018年年底*被淘汰掉。

那么在性能表現(xiàn)似乎已經(jīng)相當不錯的802.11ac之后，還會有哪種無線標準能給Wi-Fi帶來質(zhì)的新飛躍呢？

答案只有802.11ax了。

作為接棒802.11ac的下一代Wi-Fi，802.11ax在理論無線速率方面的平均吞吐量能達到802.11ac標準的4倍。

802.11ax理論吞吐量可達802.11ac的4倍

802.11ax又稱為「率無線標準」(High-Efficiency Wireless, HEW)，旨在實現(xiàn)一項挑戰(zhàn)性的目標：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。這項全新標準著重于機制的實作，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(平均傳輸率)。本文將帶領各位探索802.11ax 標準「率無線標準」各項嶄新機制。

2013年推出的802.11ac標準不僅可在單一空間串流中實現(xiàn)近866Mbit/s的鏈接速度，還能提供更寬的通道(160MHz)以及更高的調(diào)變階次(256-QAM)。只要使用8個空間串流(標準的數(shù)量上限)，此一技術將可成就高達6.97Gbit/s的理論速度值。只是，正如同法拉利只能在管制賽道上發(fā)揮實力一樣，除非您身處射頻實驗室，否則很難使用到7Gbit/s的高速無線網(wǎng)絡。在現(xiàn)實世界中，每當使用者試圖在繁忙的機場航廈中使用公共Wi-Fi查看電子郵件，往往會因牛步般的網(wǎng)絡速度而備感挫折。

IEEE 802.11無線LAN標準的修正802.11ax將能有效解決此一問題。802.11ax又稱為「率無線標準」(HEW)，旨在實現(xiàn)一項挑戰(zhàn)性的目標：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。

強化高密度使用情境網(wǎng)絡表現(xiàn)

率無線標準具有下列重要功能：

向下兼容于802.11a/b/g/n/ac。

將火車站、機場等高人口密度地點的每位用戶平均傳輸率提升4倍。

數(shù)據(jù)速率和信道寬度與802.11ac相似，但可搭配1024-QAM提供新的調(diào)變和編碼組合(MCS 10和11)。

透過MU-MIMO和正交頻分多任務存取(OFDMA)技術，進行的下鏈和上鏈多用戶作業(yè)。

提供四倍大的OFDM FFT、更窄的子載波間距(密度為4倍)以及更長的符碼時間(4倍)，進而改善多路徑衰減環(huán)境以及室外的穩(wěn)固性和性能。

改善流量和通道存取情形。

電源管理更為出色，可帶來更長效的電池續(xù)航力。

率無線標準也可滿足下列目標應用的需求：

行動數(shù)據(jù)卸除：在2020年，每個月產(chǎn)生的Wi-Fi卸除流量將來到38.1Exabyte，并持續(xù)超越每月的行動流量(30.6EB)預估值。此一數(shù)字相當于每分鐘在這些網(wǎng)絡中移動超過6,000部藍光電影。

具備眾多存取點，且有高密度用戶持有異質(zhì)裝置的環(huán)境(機場Wi-Fi≠家用Wi-Fi)。

室外或混合室外的環(huán)境。

現(xiàn)有Wi-Fi機制不利高密度傳輸

802.11通訊協(xié)議采用了載波感測多路存取(CSMA)方式，在此一方式中，無線基地臺(STA)會先感測通道，而且只會在感測到通道閑置時進行傳輸，藉此嘗試避免沖突(圖1)。如果任一STA聽到有其他STA存在，就會在再次收聽前等候一段時間，以待對方停止傳輸并釋放通道。當STA可進行傳輸時，將會傳輸完整的封包數(shù)據(jù)。

圖1、空閑通道評估通訊協(xié)議

Wi-Fi STA可藉由RTS/CTS封包來調(diào)停共享媒體的存取。存取點(AP)每次只會將一個CTS封包發(fā)給一個STA，而對方則會將完整的框架送回AP。接著，STA會等候AP用來告知封包已正確接收的確認封包(ACK)。如果STA沒有及時收到ACK，就會假設封包與其他傳輸產(chǎn)生沖突，并進入二進制指數(shù)輪詢期間。在輪詢計數(shù)到期后，STA將試圖存取媒體并重新傳輸封包。

此空閑通道評估和沖突預防通訊協(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，分配效率會隨之下降；多個AP服務區(qū)域重迭，則是造成網(wǎng)絡效率不彰的另一原因。圖2中的某位使用者(使用者1)隸屬于左側(cè)的基本服務組(BSS，一組與AP產(chǎn)生關聯(lián)的無線客戶端)。使用者1會與自身BSS內(nèi)的其他用戶一同競爭媒體存取權(quán)，接著再與其AP交換數(shù)據(jù)。不過，這位使用者仍然可以聽到來自右側(cè)重迭BSS的流量。

圖2、BSS重迭所造成的媒體存取效率不彰

在這個案例中，來自OBSS的流量會觸發(fā)用戶1的輪詢程序，導致用戶必須歷經(jīng)更長的等待才能得到傳輸機會，進而大幅拉低他們的平均數(shù)據(jù)傳輸率。

第三個有待考慮的因素則為較寬通道的共享。舉例來說，北美地區(qū)的802.11ac只有一個可用的160MHz通道，而歐洲則有兩個(圖3)。

圖3、5GHz頻帶的802.11ax信道配置范例

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)絡管理員必須重復使用附近基地臺中的信道。如果沒有注意且刻意進行電源管理，使用者將會遇到同通道干擾，除了會減損性能之外，還會將通道較寬的既定優(yōu)勢一筆勾銷。在調(diào)變和編碼模式(MCS)8、9、10和11以高數(shù)據(jù)速率傳送數(shù)據(jù)時，特別容易遇到低訊噪比的情況，因此格外容易使網(wǎng)絡性能受到影響。此外，在現(xiàn)有的802.11 網(wǎng)絡實作中，如果20MHz信道與80MHz信道重迭，不僅會造成80MHz通道無法使用，用戶也會以較窄的通道進行傳輸。也就是說，在高密度網(wǎng)絡中實作802.11ac的通道共享，將損及80MHz通道的優(yōu)勢，并以20MHz通道進行傳輸。

802.11ax PHY變更

802.11ax標準在物理層導入了多項大幅變更。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802.11ax封包)，并于802.11ax STA傳輸期間進行輪詢。表1顯示此一標準修正重要的變更以及與現(xiàn)行802.11ac的對照。

表1

請注意，802.11ax標準將在2.4GHz和5GHz頻帶運作。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也涵蓋了一項重大變更：將子載波間距縮減到先前802.11標準的四分之一，以保留現(xiàn)有的通道帶寬(圖4)。

圖4、更窄的子載波間距

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標準會于室內(nèi)環(huán)境中1024-QAM和較低的循環(huán)式前置區(qū)段比，以利實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)速率。

波束成形

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

多用戶作業(yè)：MU-MIMO與OFDMA

802.11ax標準采用了兩種作業(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)，就會每次進行一個數(shù)據(jù)傳送和接收作業(yè)。在多用戶模式下，可同步進行多個非AP STA作業(yè)。標準會將此一模式進一步劃分成下鏈和上鏈多使用者。

下鏈多使用者是指由AP同時提供給多個相關無線STA的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的802.11ac已具備這項功能。

上鏈多使用者則涉及同時從多個STA傳輸數(shù)據(jù)至AP。這是802.11ax標準的新功能，且不存在于任何舊版Wi-Fi標準中。

在多用戶作業(yè)模式中，標準也會兩種方式來為特定區(qū)域內(nèi)更多用戶進行多任務：多使用者MIMO(MU-MIMO)和正交頻分多任務存取(OFDMA)。無論為上述何種方式，AP都會充當多用戶作業(yè)內(nèi)的中央控制器，這點與LTE基地臺用來控制多使用者多任務的方式相似。此外，802.11ax AP也可將MU-MIMO和OFDMA作業(yè)結(jié)合在一起。

在MU-MIMO方面，802.11ax裝置會效法802.11ac實作，使用波束成形技術將封包同步導向位于不同空間的使用者。換言之，AP將為每位用戶計算通道矩陣，然后將同步波束導向不同用戶，而每道波束都會包含適用于所屬目標用戶的特定封包。802.11ax每次多可傳送8個多使用者MIMO傳輸，遠高于802.11ac的4個。此外，每個MU-MIMO傳輸都具備專屬的MCS以及不同數(shù)量的空間串流。打個比方，使用MU-MIMO空間多任務時，AP的角色就等同于以太網(wǎng)絡交換器，能減少自大型計算機網(wǎng)絡至單一端口的網(wǎng)域沖突。

MU-MIMO上鏈導向提供了一項新功能：AP將透過觸發(fā)訊框的方式啟動來自每個STA的同步上鏈傳輸。當多使用者的響應與自身的封包一致時，AP就會將通道矩陣套用至已接收的波束，并區(qū)分每道上鏈波束包含的信息。另外，如圖5所示，AP也能啟動上鏈多使用者傳輸，以接收來自所有參與STA的波束成形反饋信息。

圖5、波束成形器(AP)要求信道信息以進行MU-MIMO作業(yè)

在MU-OFMDA部分，為了讓相同通道帶寬的更多用戶進行多任務，802.11ax標準采用了4G行動技術領域中的正交頻分多任務存取(OFDMA)。802.11ax標準以802.11ac所用的正交頻分多任務(OFDM)數(shù)字調(diào)變架構(gòu)為基礎，會將特定子載波集進一步指派給個別使用者。這表示它會使用數(shù)量已預先定義的子載波，將現(xiàn)有的802.11通道(20、40、80和160MHz寬)畫分成較小的子通道。此外，802.11ax標準也仿效現(xiàn)代化的LTE專有名詞，將小的子信道稱為「資源單位」(RU)，而當中至少包含26個子載波。

AP會根據(jù)多使用者的流量需求來判斷如何配置信道，持續(xù)指派下鏈中所有可用的RU。它可能會將整個信道一次配置給一名用戶，如同現(xiàn)行的802.11ac，也有可能將通道進行分配，以便同時服務多使用者(圖6)。

圖6、單一用戶使用通道，與使用OFDMA多任務相同通道中的不同用戶

在使用者密集環(huán)境中，許多使用者通常會透過成效不彰的方式爭取使用通道的機會，現(xiàn)在，OFDMA機制會同時為多使用者提供較小(但專屬)的子通道，進而改善每位用戶平均傳輸率。圖7說明了802.11ax系統(tǒng)如何使用不同大小的RU進行通道多任務。請注意，小的通道可在每20MHz的帶寬中容納多達9名使用者。

圖7、使用不同大小的資源單位來細分Wi-Fi信道

表2顯示當802.11ax AP和STA協(xié)調(diào)進行MU-OFDMA作業(yè)時，可享有分頻多任務存取的使用者人數(shù)。

多用戶上鏈作業(yè)

為了協(xié)調(diào)上鏈MU-MIMO或上鏈OFDMA傳輸，AP會將一個觸發(fā)訊框傳送給所有使用者。這個訊框會指出每位使用者的空間串流數(shù)量和/或OFDMA配置(頻率和RU大小)。此外，當中也會包含功率控制信息，好讓個別用戶可以調(diào)高或調(diào)低其傳輸功率，進而平衡AP自所有上鏈使用者接收到的功率，同時改善較遠節(jié)點的訊框接收情況。AP也會指示所有使用者何時可以開始和結(jié)束傳輸。如同圖8所示，AP會傳送多使用者上鏈觸發(fā)訊框，告知所有使用者何時可以一起開始傳輸，以及所屬訊框的持續(xù)時間，以確保彼此能夠同時結(jié)束傳輸。一旦AP收到了所有使用者的訊框，就會回傳區(qū)塊ACK以結(jié)束作業(yè)。

圖8、協(xié)調(diào)上鏈多用戶作業(yè)

802.11ax的主要設計目標之一，就是在使用者密集的環(huán)境中提供4倍以上的單一使用者傳輸率。為了實現(xiàn)此一目標，這項標準的設計人員802.11ax裝置必須支持下鏈和上鏈MU-MIMO作業(yè)、MU-OFDMA作業(yè)，或是同時支持兩者，以應對規(guī)模更大的同時用戶數(shù)量。

802.11ax MAC機制變更

為了改善密集部署情境中的系統(tǒng)層級性能以及頻譜資源的使用效率，802.11ax標準實作了空間重復使用技術。STA可以識別來自重迭基本服務組(BSS)的信號，并根據(jù)這項信息來做出媒體競爭和干擾管理決策。

當正在主動收聽媒體的STA偵測到802.11ax訊框時，它就會檢查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表頭文件中的MAC地址。如果所偵測的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)中的BSS色彩與所關聯(lián)AP已發(fā)表的色彩相同，STA就會將該訊框視為Intra-BSS訊框。 然而，如果所偵測訊框的BSS色彩不同，STA就會將該框架視為來自重迭BSS的Inter-BSS框架。在這之后，只有在需要STA驗證框架是否來自Inter-BSS期間，STA才將媒體當成忙碌中(BUSY)。不過，這段期間不會超過的訊框酬載時間。

盡管標準仍需定義某些機制來忽略來自重迭BSS的流量，在實作上，則可包含提高Inter-BSS訊框的空閑信道評估信號偵測(SD)門坎值，并同時降低Intra-BSS流量的門坎(圖9)。如此一來，來自鄰近BSS 的流量就不會造成不必要的通道存取競爭。

圖9、使用色碼進行空閑通道評估

當802.11ax STA使用色碼架構(gòu)的CCA規(guī)則時，它們也允許搭配傳輸功率控制來一同調(diào)整OBSS信號偵測門坎。這項調(diào)整可望改善系統(tǒng)層級性能以及頻譜資源的使用效率。除此之外，802.11ax STA也可調(diào)整CCA參數(shù)，例如能量偵測層級和信號偵測層級。

除了使用CCA來判斷目前通道是否為閑置或忙碌中，802.11標準也采用了網(wǎng)絡配置矢量(NAV)，這個時間機制會保持未來流量的預測，以供STA指出緊接在目前訊框后的訊框需要多少時間。NAV可做為虛擬載波感測，用來為802.11通訊協(xié)議作業(yè)至關重要的訊框確保媒體預約(例如控制框架以及RTS/CTS交換后的數(shù)據(jù)和ACK)。

負責開發(fā)率無線標準的802.11工作團隊可能會在802.11ax標準中包含多個NAV字段，也就是采用兩個不同的NAV。同時擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不僅可協(xié)助STA預測自身BSS內(nèi)的流量，還能讓它們在得知重迭流量狀態(tài)時自由傳輸(圖10)。

圖10、MU PPDU交換和NAV設定范例

透過目標喚醒時間省電

802.11ax AP可以和參與其中的STA協(xié)調(diào)目標喚醒時間(TWT)功能的使用，以定義讓個別基地臺存取媒體的特定時間或一組時間。STA和AP會交換信息，而當中將包含預計的活動持續(xù)時間。如此一來，AP就可控制需要存取媒體的STA間的競爭和重迭情況。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(tài)。另外，AP還可另外設定排程并將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(xié)議。本標準將此程序稱為「廣播TWT作業(yè)」(圖11)。

圖11、目標喚醒時間廣播作業(yè)范例

802.11ax帶來六大測試挑戰(zhàn)

由于導入許多先進射頻技術與訪問控制機制，802.11ax系統(tǒng)的測試與設計驗證將面臨六大挑戰(zhàn)，分別出現(xiàn)在誤差矢量幅度(EMV)、頻率錯誤、STA功率控制、存取點接收器靈敏度、上鏈帶內(nèi)散射與MIMO測試上。

更嚴格的EVM規(guī)定

現(xiàn)在802.11ax會托管1024-QAM的相關支持。此外，子載波之間的間隔只有78.125kHz。這意味著802.11ax裝置需要相位噪聲性能更出色的振蕩器，以及線性能力更優(yōu)異的射頻前端。而測量待測物(DUT)動作的測試儀器則會要求其EVM噪聲水平應遠低于DUT。

表3列出了802.11ax兼容裝置所應符合的EVM等級。

表3

與相對頻率錯誤

OFDMA系統(tǒng)對頻率和頻率偏移有著*的磁化率。因此，802.11ax多使用者OFDMA性能需要極為密切的頻率同步化和頻率偏移修正。此要求將確保所有STA都能在所配置的子頻道中運作，并將頻譜泄漏的情況減至低。此外，這項嚴格的時序需求也可確保所有STA都將同時進行傳輸，以響應AP的MU觸發(fā)訊框。

以4G LTE系統(tǒng)來說，基站會利用GPS授時頻率來同步所有相關裝置。然而，802.11ax AP不僅與這項優(yōu)勢無緣，還需要使用內(nèi)建的振蕩器充當維護系統(tǒng)同步化的參考依據(jù)。之后，STA會自AP的觸發(fā)訊框擷取偏移信息，并據(jù)此調(diào)整內(nèi)部的頻率和頻率參考。

802.11ax裝置的頻率和頻率偏移測試將涉及下列測試：

頻率錯誤：DUT會傳送802.11ax訊框，而測試儀器則會使用標準參考來測量頻率和頻率偏移。結(jié)果將與目前802.11ac規(guī)格的所述數(shù)據(jù)相似，限制約為±20ppm。

相對頻率錯誤：這將測試不屬于AP的STA參與上鏈多用戶傳輸以鏈接AP頻率的能力。測試程序包含兩個步驟。首先，測試儀器會將觸發(fā)框架傳送給DUT。

DUT將依照取自于觸發(fā)訊框的頻率和頻率信息進行自適應。接著，DUT會使用已修正頻率的框架做出回應，而測試儀器則會測量這些框架的頻率錯誤。在載波頻率偏移和時序補償完成后，這些限制將密切維持在相對于AP觸發(fā)訊框僅不到350 Hz和±0.4微秒的程度(圖12)。

圖12、相對頻率錯誤測量的設定

STA功率控制

與降低頻率和頻率錯誤需求一樣，AP于上鏈多使用者傳輸期間接收的功率，不應出現(xiàn)多個使用者之間功率差異過大的情況。因此，AP必須控制每個獨立STA的傳輸功率。AP可以使用觸發(fā)訊框，并于當中包含各STA的傳輸功率信息。開發(fā)人員只需使用與頻率錯誤測試相似的兩步驟程序，即可完成這項功能的測試。

存取點接收器靈敏度

鑒于AP會充作頻率和頻率參考之用，測試802.11ax AP的接收器靈敏度成為一大挑戰(zhàn)。正因如此，測試儀器需要在傳送封包至AP之前鎖定AP，以利封包錯誤率靈敏度測試的進行。

在傳送觸發(fā)訊框以啟動AP之后，測試儀器會配合AP調(diào)整自身的頻率和頻率，然后透過使用預期設定的封包(數(shù)量已預先定義)回應AP DUT。

802.11ax采用的相對頻率錯誤限制相當嚴格，這也正是難題所在。測試儀器需要自AP傳送的觸發(fā)訊框擷取極為的頻率和頻率信息。儀器可能需要針對多個觸發(fā)框架執(zhí)行這項計算，以確保頻率和頻率同步化順暢無礙。因此，這項程序可能會大幅延誤測試程序的進度。

若要加快測試程序的腳步，其中一個可行的解決方案便是讓AP匯出其頻率參考，好讓測試設備能據(jù)此鎖定自身頻率。如此即可跳過根據(jù)觸發(fā)訊框進行的初期同步化程序，并縮短AP接收器靈敏度測試的所需時間。

上鏈帶內(nèi)散射

在STA以MU-OFDMA模式運作期間，它們會使用由AP決定的RU配置來上傳數(shù)據(jù)至AP。也就是說，STA只會使用通道的一部分。802.11ax標準可能會上鏈帶內(nèi)散射測試，以描述和測量在傳輸器只使用部分頻率配置期間所發(fā)生的散射(圖13)。

圖13、潛在上鏈帶內(nèi)散射測試屏蔽

多使用者和更高階次的MIMO

若在MIMO作業(yè)中使用多達8個天線測試802.11ax裝置，其結(jié)果可能會與個別及連續(xù)測試每個信號鏈大不相同。舉例來說，來自各個天線的信號可能會對彼此造成負面干擾，并影響到功率和EVM性能，進而對傳輸率帶來負面且顯著的影響。

測試儀器需要支持每個信號鏈的局部振蕩器亞毫微秒同步化，以確保多個通道的相位微調(diào)和MIMO性能不會發(fā)生問題。

應對802.11ax新挑戰(zhàn)

802.11ax可將密集環(huán)境的每位用戶平均數(shù)據(jù)傳輸率提升4倍，而MU-MIMO和MU-OFDMA等形式在內(nèi)的多使用者技術，則是促成此一效率的大幕后功臣之一。針對人口密集環(huán)境做出的此一頻譜使用改善，可望以前所未見的速度推廣802.11ax的采用。然而，此一功能的實作也會為負責實現(xiàn)上述工程奇跡的科學家、工程師和技術人員帶來全新的挑戰(zhàn)。

彈性十足且模塊化的平臺，提供了備有簡潔振蕩器與低EVM準位的高性能硬件，可用來進行子載波間距密度為以往4倍的1024-QAM測量。WLAN Measurement Suite走在802.11ax標準的發(fā)展，可協(xié)助開發(fā)人員設計、描述、驗證和測試802.11ax裝置，做好萬全準備，以迎接多使用者革命的到來。