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802.11ax技术标准 值得期待但无需等待

网络通信/物联网 作者:李雪薇 时间:2018-06-13 17:08:34 0 删除 编辑

本文转载自微信公众号“ 无线CCIE的那些事儿”(ID:passcciew),作者:谢清。
      802.11ax 要解决什么问题?802.11协议族发展至今也有小20年的历史了,在过去,Wi-Fi的发展主要集中在提升数据连接速率以实现更高的峰值(理论)数据速度上。但现实是在实际设计和部署中,简单的提升速度不是万能药,只靠粗暴地提升速度是无法解决我们面临的问题的。这就像您开着一辆时速可以达到300公里以上的豪华跑车在北京早晚高峰的二环或者三环路上的感受。

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,这也是我们常说的系统容量。

802.11ax,也称为高效无线网络(High-EfficiencyWireless - HEW),通过一系列系统特性和多种机制来增加系统容量,实现更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi网络的工作方式,使用户获得更好的体验,尤其是在密集用户环境中,为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量,其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4倍。也就是说基于802.11ax的Wi-Fi网络意味着前所未有的高容量和高效率。

如何实现既定目标?

目前看802.11ax技术确认无疑地是会支持更多的发送和接收的天线以及更多的空间流,同时还会支持更密集的调制模式(802.11ac为256QAM,802.11ax为1024QAM)。大家可能觉得说,这个套路不就是以往我们从11n到11ac,从第一代802.11ac到第二代802.11ac所做的一样嘛?确实是!

下图为802.11ax单空间流可以建立的数据连接速率:

802.11ax无线协议 - 值得期待但无需等待

但是前面讲了,其实我们很多用户已经在实际的使用过程中发现这样的一个不断提速、道路越修越宽的套路已经远远不能适应很多场景下的需求了。这有点像我们北京的交通,以往大家认为把路越修越宽,我们的交通状况就会越来越好。但是经过实践我们发现这种方式并不能够从根本上去缓解交通状况。所以现在的思路是“打通毛细血管”的方式,充分利用胡同、小区的道路,通过这种微观的调控来改善我们的交通的状况。其实对于802.11ax技术本身来讲,它的很多亮点也体现在这方面。

下图是802.11ax技术增强的构成示意图:

802.11ax无线协议 - 值得期待但无需等待

总结来讲,802.11ax从两个大方面实现自己的既定目标。

1. 物理层增强与高效,主要包括:

● 上行和下行方向正交频分多址(OFDMA)

● 上行和下行方向多用户-多输入多输出(MU-MIMO)

● 上行链路资源调度

● 最多8个发送天线和8个接收天线,8个空间流

● 更高的调制方式,1024QAM

2. MAC层增强与高效,主要包括:

● 基本服务集着色(BSS Coloring)

● 双NAV机制

● 目标唤醒时间(Target Wakeup Time - TWT)

OFDMA

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。

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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使用者。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”(RU),每个RU当中至少包含26个子载波。

基于多用户流量需求,无线接入点将决定如何分配信道,持续分配下行链路上所有可用的RU。它可以一次只将整个信道分配给一个用户,就像802.11 a/g/n/ac当前一样,或者将其切分以便同时为需要不同带宽的多个用户服务。

尤其是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。最小的信道可在每20MHz的带宽中同时支持容纳多达9名使用者。

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下表显示了当802.11ax 无线接入点和无线客户端协调进行MU-OFDMA操作时,可享有频分多址的使用者人数。

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举个浅显的例子,OFDM就像用卡车运货,每个用户需要运输的货物或多或少,但是每个用户必须用一辆卡车运输,这会造成资源的浪费。OFDMA可以实现合理的货物装配,让一辆卡车为多个用户同时运输。

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MU-MIMO

MU-MIMO已经是802.11ac规范的一部分,但它是可选的,这意味着只有第二代802.11ac无线接入点和客户端设备才支持它,同时802.11ac MU-MIMO也仅支持作用于下行方向。而MU-MIMO对于802.11ax来说是强制性功能,并同时支持在下行链路和上行链路中启用。利用下行链路MU-MIMO,无线接入点设备可以同时向多个接收设备发送,使用上行链路MIMO-MIMO,无线接入点设备可以同时从多个发射设备接收。而OFDMA将接收机分离到不同的RU,通过MU-MIMO,设备被分离成不同的空间流。

在MU-MIMO方面,802.11ax与802.11ac的操作一样,设备使用波束成形技术将封包导向位于不同空间的使用者。也就是说,无线接入点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用户的特定封包。802.11ax每次最多可传送8个多用户MIMO传输,远高于802.11ac的4个。此外,每个MU-MIMO传输都具备专属的MCS数据速率以及不同数量的空间串流。

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上行MU-MIMO是802.11ax的新特性。无线接入点将透过发送触发管理帧的方式启动来自每个客户端的同步上行传输。当多个使用者的响应与自身的封包一致时,AP就会将信道矩阵套用至已接收的波束,并区分每信道上行波束包含的信息。另外,如图所示,无线接入点也能启动上行多用户传输,以接收来自所有参与客户端的波束成形反馈信息。

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为了启用上行链路多用户传输,无线接入点可以通过发送一种新的称之为触发(Trigger)的控制帧来调度空口,其包含调度信息(用于客户端的RU分配,以及每个客户端可能的调制和编码方案(MCS))。 此外,Trigger还提供上行链路传输的同步,因为传输在触发结束后的短帧间隔(SIFS)后启动。

MU-MIMO和OFDMA,高效的上行链路资源调度

在802.11ax中,MU-MIMO和OFDMA技术可以分别使用。在多用户作业模式中,标准会根据情况指定两种方式来为特定区域内更多用户进行多任务操作:即多用户-多输入多输出(MU-MIMO)或正交频分多址 (OFDMA),无论为上述何种方式,无线接入点都会充当多用户作业的中央控制器,这点与LTE基站用来控制多用户多任务的方式相似。

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通过了解他们的工作机制您可以看到,OFDMA增加了空口效率,这大大减少了应用的延迟,它在可工作的信噪比范围之内对于小数据包的传输效率更高、效果更好,极其适合无线语音或者类似应用的场景。而MU-MIMO提升的是系统容量,在高信噪比条件下传输大数据包时效率更高,适合视频、Web浏览、办公场景和应用。

当然,802.11ax 无线接入点也可将MU-MIMO和OFDMA作业结合在一起。为了协调上行MU-MIMO或上行OFDMA传输,无线接入点将发送触发管理帧给所有使用者。该管理帧会指出每位使用者的空间串流数量和/或OFDMA配置(频率和RU大小)。此外,当中也会包含功率控制信息,好让个别用户可以调高或调低其传输功率,进而平衡无线接入点从所有上行使用者接收到的功率,同时改善较远节点的帧接收情况。无线接入点也会指示所有使用者何时可以开始和结束传输。如同下图所示,无线接入点传送多使用者上行触发管理帧,告知所有使用者何时可以一起开始传输,以及所属帧的持续时间,以确保彼此能够同时结束传输。一旦无线接入点收到了所有使用者的帧,就会回传Block ACK以结束作业。

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在竞争环境中,用户无需互相竞争在上行链路中发送数据,而是由802.11ax无线接入点协同安排,以免彼此冲突。这种管理方法将实现更好的资源利用和效率提高。

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BSS Coloring

为了改善密集接入部署情境中的系统层级效能以及频谱资源的使用效率,802.11ax标准还采用了空间复用技术。STA可以识别来自重叠基本服务组(BSS)的信号,并根据信息来做出介质竞争和干扰管理的决策。

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BSS着色机制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。

没有空间重用能力的设备在检测到其他邻近网络中正在进行传输时会拒绝同时发送。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。

其实所谓的BSS着色机制要达到的目标就是在尽可能的情况下最大地去减少同频干扰。

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当正在主动监听的STA侦测到802.11ax数据帧时,它会检查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表头文件中的MAC地址。如果所侦测的协议数据单元(PPDU)中的BSS色彩与所关联无线接入点已发表的色彩相同,STA就会将该数据帧视为Intra-BSS的数据帧。如果BSS色彩不同,STA就会将该其视为来自重叠的Inter-BSS数据帧。只有在数据帧被验证为来自Inter-BSS,STA才将介质当成忙碌(BUSY)状态。

尽管标准仍需定义某些机制来忽略来自重叠BSS的流量,在实作操作中,可以提高检测Inter-BSS数据帧的空闲信道评估信号侦测门坎值,并同时降低Intra-BSS流量的门坎值。如此一来,来自邻近BSS 的流量就不会造成不必要的介质访问竞争。

双NAV (Network Allocation Vector)

802.11标准除了使用CCA这一物理机制来判断当前信道是否为闲置或忙碌中,也采用了网络配置向量(Network Allocation Vector - NAV)这一虚拟载波检测机制来预测介质忙碌的时间。

但是在密集接入部署情况下,由一个网络发起的帧设置的NAV值会非常容易地被由来自另一个网络的帧重置,这将导致不当的行为和介质冲突。为了避免这种情况,802.11ax工作团队可能会在802.11ax标准中包含多个NAV字段,也就是采用两个不同的NAV。每个802.11ax STA将维护两个单独的NAV - 一个NAV由从STA相关联的网络发起的帧来修改,另一个NAV由来自重叠网络的帧修改。

同时拥有Intra-BSS NAV和Inter-BSSNAV不仅可协助STA预测自身BSS内的流量,还能让它们在得知重叠流量状态时进行自由传输。

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TWT(Target Wakeup Time)

目标唤醒时间(TWT)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。

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802.11ax 无线接入点可以和客户端协调目标唤醒时间(TWT)功能的使用,无线接入点和无线客户端会互相交换信息,当中将包含预计的活动持续时间,以定义让客户端访问介质的特定时间或一组时间。如此一来,无线接入点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 客户端可以使用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,无线接入点还可另外设定编排议程并将TWT值提供给客户端,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作业”(见下图)。

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802.11ax还带来了一些其他改进,应该有助于范围和响应。 802.11ac只支持5GHz频段,并使路由器回到802.11n标准,以支持2.4GHz连接,例如802.11ax在5GHz和2.4GHz频段上运行。 2.4GHz频谱通常更加拥挤,但也通过墙壁更容易通过,并提供比5GHz连接更好的范围。并且目标唤醒时间(TWT)允许路由器和无线客户端就设定的将来时间和一段时间达成一致以进行连接,从而允许路由器最小化需要常规但不连续网络连接的设备的重叠。定期检查更新或其他信息的智能设备可以利用此功能来最大限度地减少网络拥塞。

802.11ax标准化现状

802.11ax无疑是继802.11ac技术之后最有潜力的宽带无线通信技术,就在今年2月,高通刚刚发布了802.11ax商用芯片,为该技术进入实际商用奏响了进行曲。

但是创新的同时802.11ax也面临着商业化的挑战,在2016年12月1日至2017年1月8日的IEEE 802.11 WG会议上,802.11ax的第一版草案投票失败,只有58%的专家同意批准该草案。与此同时,TGax收到了7,418条评论意见。由于需要解决这些大量的意见,TGax需要花费大量的时间和精力,目前估计802.11ax草案2.0的批准将被推迟到2017年9月。因此,802.11ax修正案的正式公布可能预计将推迟到2019年。

我们需要坐等802.11ax吗?

我接触的一些用户本身对技术比较了解,对于802.11ax技术也有比较深入的了解,一些声音认为我们无需从第一代802.11ac过渡到第二代802.11ac再到802.11ax,而是应该跨过第二代802.11ac,直接一步到位。

802.11ax无线协议 - 值得期待但无需等待

我想说的是,这本身无可厚非,如果您的无线网络已经在近期建成,并且支撑您的关键业务系统的无线网络只需要第一代802.11ac或者甚至802.11n就能满足,那么您尽可以静观其变。

而如果您无线网络早已建成并且老式无线网络(例如802.11a/g/n)已经无法满足您的业务需求,不妨现在就部署基于第二代802.11ac技术的无线网络。我们无需等待802.11ax,随其自然就好!

这就像您的日常生活和工作如果需要一台笔记本电脑,您肯定不会因为两年以后还会有更新更强大型号的笔记本电脑上市就停止现在购买的计划。

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