新興機制802.11ax為何能成為高效率無線標準？

概覽

802.11ax，也稱為高效無線(HEW)，的目標是在密集用戶環境中將用戶的平均吞吐量提高至少4倍，這一目標極具挑戰性。 這一新標準側重于實現機制，旨在在多用戶環境中為更多用戶提供一個一致、可靠的數據流（平均吞吐量）。 本文將探討新興的機制，使廣受歡迎的802.11ax標準成為高效無線的標題。

2015年，著名的汽車制造商法拉利發布了新版本的入門級車型： the Ferrari California T. 這款時尚跑車配備3.9升渦輪增壓V8發動機，能夠產生超過412千瓦（553馬力）的動力，可在3.6秒鐘內從零加速至100公里/小時（0至62英里/小時），這簡直是工程界的一大奇跡。 [1]

法拉利的設計師考慮了發動機、車身和內飾的許多細節，使這款車輛成為日常車型，同時以驚人的速度提供最精確的處理、流體運動和性能。這個偉大設計將大大縮短了每天上下班的時間。 然而，在大城市大部分時間停停走走的擁擠交通狀況下，紅色法拉利敞篷車又能如何發揮作用呢？

今天很多人發現自己處于這種情況。駕駛意大利跑車可能不是特權，但是卻能夠享受快速的無線連接鏈路。第一個802.11b Wi-Fi標準（1999年）的最高鏈路速率為11 Mbps。這是很好的開始，但明顯慢于有線連接。幾年后，隨著正交頻分復用(OFDM)技術的出現，802.11a/g標準（2003年）將速度提高到54Mbps。

接下來的鏈路速度提高歸功于802.11n（2009年），為用戶提供高達150 Mbps的單流鏈路。802.11ac標準（2013年）提供了更寬的信道（160MHz）和更高階的調制（256-QAM），使得單個空間流的鏈路速度達到866Mbps成為可能。如果使用規定的最高8個空間流，這一工程奇跡的最高速度理論上將達到6.97 Gbps。理論上，使用802.11ac相當于用一臺加強馬力的法拉利來替代自行車，甚至是替代家庭轎車。

然而，接近7Gbps的速度可能只能在RF實驗室的受控跑到環境中實現。實際上，當用戶使用忙碌的機場終端的公共Wi-Fi查看電子郵件時，數據流量通常會令人沮喪。IEEE 802.11無線局域網標準——802.11ax——新修訂的版本正是為了改善這一狀況。

802.11ax，也稱為高效無線(HEW)，的目標是在密集用戶環境中將用戶的平均吞吐量提高至少4倍，這一目標極具挑戰性。這一新標準提供了超過802.11ac的原始鏈路速度，實現了多種機制，可以在擁擠的無線環境中為更多的用戶提供一致且可靠的數據吞吐量。

高效無線包括以下主要功能：

高效無線還適用于以下目標應用：

圖 1. 802.11ax要部署的場景示例包括具有高用戶密度和混合環境的體育場

• 向后兼容802.11a/b/g/n/ac

• 在高密度情景下，如火車站、機場和體育館，將用戶平均吞吐量提高4倍。

• 與802.11ac類似的數據速率和信道寬度，但采用基于1024-QAM的新調制方案和編碼集（MCS 10和11）。

• 通過MU-MIMO和正交頻分多址(OFDMA)技術指定下行鏈路和上行鏈路多用戶操作。

• 更大型的OFDM FFT（大4倍）、較窄的子載波間隔（近4倍）和更長的符號時間（4倍），以提高多徑衰落環境和室外的魯棒性和性能。

• 優化了流量和信道訪問

• 更好的電源管理，延長電池使用壽命

• 移動數據卸載： 到2020年，每月將產生38.1埃字節的Wi-Fi卸載流量，而且將持續超過預計的每月移動/蜂窩流量（30.6埃字節）。 [2]這

• 相當于每分鐘通過這些網絡傳輸6000多部藍光電影。

• 具有多個接入點的環境和具有異構設備的高集中用戶（機場Wi-Fi≠家庭Wi-Fi）

• 室內/戶外混合環境

802.11協議使用載波偵聽多路訪問(CSMA)方法，其中無線站(STA) 首先感測信道，并且僅當它們感知信道空閑時才會發射信號，以避免沖突?？臻e是指無線站沒有檢測到任何802.11信號。當一個STA檢測到另一信道時，它會在隨機時間段內等待此STA停止傳輸，而后再次監聽此信道是否將進入空閑狀態。當STA能夠傳輸時，他們會傳輸整個數據包的數據。

Wi-Fi STA可以使用請求發送/清除發送(RTS/CTS)調解對共享媒體的訪問。接入點(AP)每次僅為一個站點簽發一個CTS數據包，反過來，STA會將其整幀發送至該AP。 然后，STA等待來自AP的確認字符（ACK），表示已正確接收該數據包。 如果STA沒能及時接收ACK，它將假設此ACK數據包與某個傳送中的數據包相撞，這時該STA將被移入二進制指數退避階段。 它會嘗試訪問媒體并在退避計數器失效時重新傳輸數據包。

圖 2. 空閑信道評估協議

在沖突域范圍內所有參與者公平共享信道方面，此空閑信道評估和防沖突協議發揮了良好的作用，但當參與者數量大幅增長時，傳輸效率就會下降。 另一個導致網絡效率低下的因素是存在眾多帶有重疊服務區的AP。 圖3中左圖描繪了一個從屬于基本服務集（BSS，指一組與某AP相關聯的無線客戶）的用戶（用戶1）。 用戶1將與另一個BSS集中的用戶爭奪媒體接入權，然后與其AP交換數據。 但是，此用戶仍能夠監聽來自右側重疊BSS的通信量。

圖 3. 因重疊BSS造成的媒體訪問效率低下

在這種情況下，來自OBSS的流量將觸發用戶1的避退程序。這類情況會造成用戶必須等待更長時間才能獲得傳輸機會，大大降低了它們的平均數據吞吐量。

第三個需要考慮的因素是更寬信道的共享。例如，北美地區的802.11ac運營只有一條160MHz的可用信道，歐洲僅有兩條可用信道。

4. 5GHz頻段的802.11ax信道分配示例

因此，在信道數量減少的情況下，密集覆蓋的規劃變得非常困難。 如缺乏準確和審慎的功率管理，用戶將會遭遇同信道干擾，這會降低性能，抵消來自更寬信道的大部分預期增益。 這種情況更易出現在MCS 8、9、10和11的最高數據速率情況下，因為此速率更易受到信噪比的影響。 同時，一個用戶使用與80 MHz信道重疊的20 MHz信道傳輸，基本上都會導致80MHz信道無效。 在高度密集網絡中執行802.11ac的信道共享會損害用于20 MHz信道傳輸的80MHz信道增益。

PHY變化規范為本標準的物理層帶來了重大變化。 但該規范仍可向后兼容802.11a/b/g/n和/ac設備，因此802.11ax STA可以與傳統STA相互發送或接收數據。 802.11ax STA傳輸時，這些傳統客戶還能夠解調和解碼802.11 ax數據包（但并非整個802.11ax數據包）報頭和退避。 下表通過與現行802.11ac標準的執行相對比，突出強調了802.11ax標準此次修訂中最重要的變更。

下表通過與現行802.11ac標準的執行相對比，突出強調了802.11ax標準此次修訂中最重要的變更。

表1. 802.11ac與802.11ax比較

注意，802.11ax標準將在2.4GHz和5GHz帶寬下運行。 此標準明確定義了四倍大的FFT，乘以副載波的數量。 但是，802.11ax標準提供的一個重要變化是副載波間隔減少到此前802.11修訂版中副載波間隔的四分之一，同時保留了現有的信道帶寬（圖4）。

圖 5. 較窄的副載波間隔

OFDM（正交頻分多路復用）符號持續時間和循環前綴也增長了四倍，原始鏈接數據率保持與802.11ac相同，但提高了在室內/戶外及混合環境下的效率和穩健性。 但此標準的確規定了室內環境下的1024-QAM和更低的循環前綴比率，這將提升最大數據速率。

波束形成802.11ax將采用類似于802.11ac的顯式波束成形過程。 在該過程下，波束形成器利用空數據包啟動信道探測程序。 波束形成器會測量信道并使用包含壓縮反饋矩陣的波束形成反饋幀進行響應。 波束形成器使用該信息來計算信道矩陣H， 然后使用該信道矩陣將RF能量聚焦到每個用戶。

802.11ax標準有兩種工作模式：單用戶： 在這種順序模式中，無線STA在安全訪問媒介后一次發送和接收一個數據，如上所述。

多用戶： 此模式允許同時運行多個非AP STA。 該標準將此模式進一步分為下行和上行多用戶模式。

• 下行多用戶是指接入點同時為多個相關無線STA提供的數據。 現有的802.11ac標準也包含了此功能。

• 上行多用戶模式是指數據從多個STA到AP的同步傳輸。 這是802.11ax標準的新增功能，以往任何版本的Wi-Fi標準皆不具備這項功能。

在多用戶操作模式下，該標準還規定了兩種能夠在一定區域內多路傳輸更多用戶的方式： 多用戶MIMO和正交頻分多址(OFDMA)。 在這兩種方法中，AP作為中央控制器控制多用戶操作的各個方面，這與LTE蜂窩基站控制多個用戶的多路復用相似。 802.11ax AP還可將MU-MIMO與OFDMA操作結合起來。

多用戶MIMO802.11ax設備借鑒了802.11ac的部署經驗，將使用波束成形技術同步將數據包發送至不同空間的用戶（圖5）。 換言之，AP會計算每個用戶的信道矩陣，并同時將波束導向不同的用戶——每路波束包含針對其目標用戶的特定數據包。 802.11ax一次可支持8個多用戶MIMO傳輸包的發送，而802.11ac一次可支持4個MIMO數據包。 而且，每次MU-MIMO傳輸都可能有自己的調制和解碼集（MCS）和不同數量的空間串流。 以此類推，當使用MU-MIMO空間復用時，接入點會與以太網交換機進行比較，將沖突域從大型計算機網絡縮小至單個端口。

作為MU-MIMO上行方向的新增功能，AP將通過一個觸發幀從每個STA發起上行同步傳輸。 當多個用戶及其數據包同時響應時，AP將信道矩陣應用于所接收的波束并將每個上行波束包含的信息分開， 同時它還可能發起上行多用戶傳輸，從而接收來自所有參與STA的波束形成反饋信息（圖7）。

圖 6. AP使用MU-MIMO波束成形為坐落在不同空間位置的多個用戶服務

圖 7. 波束成形AP請求MU-MIMO操作的信道信息

多用戶OFDMA802.11ax標準借鑒4G蜂窩技術的技術進步，在相同信道帶寬中服務更多用戶的另一技術是： 正交頻分多址（OFDMA）。 基于802.11ac已經使用的現有正交頻分多路復用(OFDM)數字調制方案，802.11ax標準進一步將特定的子載波集分配給個體用戶， 即，它將現有的802.11信道（20、40、80和160MHz頻寬）分為帶有預定義數量的副載波的更小子信道。 802.11ax標準還借用現代LTE術語，將最小子信道稱為資源單元(RU)，最少包含26個副載波。

AP依據多個用戶的通信需求決定如何分配信道，始終在下行方向分配所有可用的資源單元。 它可能一次將整個信道僅分配給一個用戶——與802.11ac當前功能相同——或者它可能對其進行分區，以便同時服務多個用戶（圖8）。

圖 8. 使用信道的單個用戶與使用正交頻分多址的同信道中的多類用戶

在密集用戶環境下，許多用戶通常無力爭奪信道的使用機會，現在正交頻分多址使用更小巧——但更具專用性的子信道同時服務多個用戶，因此提升了每個用戶的平均數據吞吐量。 802.11ax系統可能通過不同的資源單元規模實現信道的多路復用（圖9）。 注意，對于每20MHz帶寬，信道的最小部分可容納9個用戶。 [4]

圖 9. 使用多種資源單元規模細分Wi-Fi信道

下表顯示當802.11ax AP和各STA協調用于MU-OFDMA操作時當前能夠獲得頻率多路復用訪問權的用戶數量。

表2. 不同信道帶寬的RU總數量

多用戶上行操作為了協調上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸，AP需向所有用戶發送一個觸發幀。 此幀顯示了空間流的數量和/或每個用戶的OFDMA分配（頻率和資源單元的大?。?。 它還包含功率控制信息，因此個人用戶能夠提高或降低他們的傳輸功率，以便均分AP從所有上行用戶接收的功率并提升來自較遠節點的各幀的接收。 AP還通知所有用戶傳輸開始和結束的時間。 AP向所有用戶發送一個多用戶上行觸發幀（圖10），用于指示整體開始傳輸的確切時間以及各幀的確切持續時間，以確保各用戶同時完成傳輸。 AP接收到來自所有用戶的幀后，會向用戶返回一個塊確認以結束操作。

圖 10. 協調上行多用戶操作

802.11ax的主要目標之一是在密集用戶環境下將當前平均每位用戶的數據吞吐量提升三倍。 基于這一目標，該標準的制定者已明確指出802.11ax設備支持下行和上行MU-MIMO操作，MU-OPDMA操作，或更大數量并發用戶的MU-MIMO操作和MU-OPDMA操作。

基于色碼的空間復用為了改善密集部署場景中的系統層級性能以及頻譜資源的使用效率，802.11ax標準實現了空間重用技術。 STA可以識別來自重疊基本服務集(BSS)的信號，并根據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。 如果所偵測的協議數據單元(PPDU)中的BSS色彩與所關聯AP已公布的色彩相同，STA就會將該幀視為Intra-BSS幀。

然而，如果所偵測幀的BSS色彩不同，STA就會將該幀視為來自重疊BSS的Inter-BSS幀。 在這之后，只有在需要STA驗證幀是否是Inter-BSS幀期間，STA才將媒體當成忙碌中(BUSY)。不過，這段期間不會超過指定的幀負載時間長度。

盡管標準仍需定義某些機制來忽略來自重疊BSS的流量，在實現上，則可包含提高Inter-BSS幀的空閑信道評估信號檢測(SD)閾值，并同時為Intra-BSS流量維持較低的閾值(圖11)。 這樣一來，來自相鄰BSS的通信量就不會產生不必要的信道訪問權競爭。

圖 11. 使用色碼進行空閑通道評估

當802.11ax STA使用基于顏色代碼的CCA規則時，也可以調整OBSS信號檢測閾值以及發射功率控制。 這種調整提高了系統級性能和頻譜資源的使用。 此外，802.11ax STA可以調整CCA參數，例如能量檢測級別和信號檢測級別。

除了使用CCA來幫助當前幀確定媒體的忙閑狀態之外，802.11標準采用網絡分配向量(NAV)來為STA指示媒體傳輸當前幀所需的時間,以及嘗試下一次傳輸之前需等待的時間，NAV是一種預測未來流量的定時器機制。 NAV充當虛擬載波偵聽，確保為對于802.11協議操作（例如控制幀、RTS/CTS交換之后的數據和ACK）至關重要的幀保留媒體。

圖 12. MU PPDU交換和NAV設定范例

負責開發高效率無線標準的802.11工作團隊可能會在802.11ax標準中包含不止一個NAV字段,很可能采用兩個不同的NAV。 同時擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不僅可協助STA預測自身BSS內的流量，還能讓它們在得知重疊流量狀態時自由傳輸。

通過目標喚醒時間省電802.11ax AP可以和參與其中的STA協調目標喚醒時間(TWT)功能的使用，以定義讓個別基站訪問媒體的特定時間或一組時間。 STA和AP會交換信息，包括預計的活動持續時間。 如此一來，AP就可控制需要訪問媒體的STA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還可另外設定時間計劃并將TWT值提供給STA，這樣一來，雙方之間就不需要存在獨立的TWT協議。 標準將此過程稱為"廣播目標喚醒時間操作"（見圖13）。

圖 13. 廣播目標喚醒時間操作示例

更嚴格的EVM要求802.11ax標準現在要求1024-QAM支持。 另外，子載波彼此之間的間隔只有78.125KHz。 這意味著802.11ax設備需要具有更低相位噪聲的振蕩器，且RF前端具有更好的線性度。 測量DUT行為的測試儀器反過來要求其EVM本底噪聲明顯低于DUT。

下表列出了符合802.11ax標準的設備可能必須滿足的EVM級別。

表3. 802.11ax EVM要求

NI WLAN測試系統將RF矢量信號收發器(VST)與NI WLAN測量套件相結合，以支持802.11ax信號的生成和分析。 該軟件支持從BPSK (MCS0)到1024-QAM （MCS10和MCS11）的波形。 此外，NI VST硬件始終為RF特性分析和生產測試需求提供出色的EVM本底噪聲測量。

絕對和相對頻率誤差OFDMA系統對頻率和時鐘偏移具有非常高的靈敏性。 因此，802.11ax多用戶OFDMA性能需要非常嚴格的頻率同步和時鐘偏移校正。 這確保所有STA在其分配的子信道內精確地操作，最大程度減少頻譜泄漏。 另外，嚴格的時序要求保證了所有STA在響應AP的MU觸發幀時同時發送。

對于4G LTE系統，基站的一大優勢是采用GPS馴服時鐘來實現所有相關設備的同步。 然而，802.11ax AP可能不會這樣奢侈，它們必須使用其內置振蕩器作為參考時鐘來保持系統同步。 然后，STA從AP獲取的觸發幀中提取偏移信息來調整其內部時鐘和頻率參考。

802.11ax設備的頻率和時鐘偏移測試將涉及以下測試：絕對頻率誤差： DUT發送802.11ax幀，測試儀器根據標準參考值測量頻率和時鐘偏移。 這將與當前802.11ac規范的規定類似，限制值約為±20ppm。

圖 14. 簡單的絕對頻率誤差測量裝置

相對頻率誤差： 用于測試參與上行鏈路多用戶傳輸的非AP STA將其頻率調整為與AP的頻率一致的能力。 測試過程分為兩個步驟。 首先，測試儀器向DUT發送觸發幀。 DUT根據從觸發幀導出的頻率和時鐘信息調整自身的頻率和時鐘。 然后DUT通過頻率校正幀進行響應。 測試儀器測量的是這些幀的頻率誤差。 經過載波頻率偏移和定時補償之后，這些誤差的上下限嚴格保持在大約350 Hz和±0.4μs附近（相對于AP的觸發幀）。

圖 15. 相對頻率誤差測量裝置

STA電源控制與降低頻率和時鐘誤差要求類似，對于所有用戶，AP在上行鏈路多用戶傳輸期間接收的功率不應有很大的差異。 這要求AP控制每個STA的發射功率。 AP可以使用包含每個STA的發射功率信息的觸發幀來進行控制。 開發人員可以通過兩個步驟測試此功能，方法與頻率誤差測試類似。

接入點接收機靈敏度由于AP用作為時鐘和頻率參考，測試802.11ax AP的接收機靈敏度會存在額外的挑戰。因此，在向AP發送數據包已進行數據包誤碼率靈敏性測試之前，測試儀器必須鎖定到AP。

當AP發送觸發幀開始啟動時，測試儀器會調整其頻率和時鐘以匹配AP，然后按照預期的配置，發送預定數量的數據包來響應AP DUT。

挑戰來自于802.11ax的嚴格相對頻率誤差上下限。 測試儀器必須從AP發送的觸發幀中得到非常精確的頻率和時鐘信息。 這可能需要對多個觸發幀執行此計算，以確保正確的頻率和時鐘同步。 因此，該過程可能會給測試程序帶來顯著的延遲。

加速測試程序的一個解決方法是讓AP導出其參考時鐘，以便測試設備可以將其時鐘鎖定到參考時鐘。 這避免了基于觸發幀的初始同步過程，從而縮短AP接收機靈敏度測試時間。

上行帶內輻射當STA在MU-OFDMA模式下工作時，根據AP定義的RU分配向AP發送數據包。 也就是說，STA只使用了通道的一部分。 802.11ax標準可能會對上行鏈路帶內輻射測試進行規定，以分析和測量發射機僅使用部分頻率分配時產生的輻射。

圖 16. 上行帶內輻射測試的部分掩模

多用戶和更高階的MIMO使用MIMO測試具有多達8個天線的802.11ax設備所得到的結果可能會與按順序分別地測試每個信號鏈的結果截然不同。 例如，每個天線的信號可能相互破壞性地干擾并影響功率和EVM性能，而且可能吞吐量產生顯著的不良影響。

測試儀器必須能夠支持每個信號鏈中本地振蕩器的亞納秒同步，以確保多個通道的正確相位對齊和MIMO性能。 NI測試解決方案基于NI VST，使用獲得專利的硬件和軟件技術，實現了具有高達8、16個甚至64個同步通道的靈活大規模MIMO配置。

802.11ax有望在密集環境中將用戶平均數據吞吐量提高4倍。這種效率最大的推動因素之一是多用戶技術，包括MU-MIMO和MU-OFDMA。在擁擠的環境中頻譜利用率的改進可能會使802.11ax以比以往任何標準都更快地被市場接受。然而，實現這一功能將給負責讓這些工程奇跡變成現實的科學家、工程師和技術人員帶來全新的挑戰。

NI的靈活和模塊化平臺提供了具有干凈振蕩器低本底EVM的高性能硬件，采用1024-QAM測量技術，副載波間隔減小了僅4倍。 WLAN測量套件可以適應最新的802.11ax標準，以幫助您設計、表征、驗證和測試802.11ax設備，并為多用戶革命做好準備。

NI是基于平臺的系統的提供商，致力于幫助工程師和科學家解決世界上最嚴峻的工程挑戰。 NI與標準制定機構和領先的半導體公司合作開發相關的系統和工具，以設計、表征、驗證和測試最新的無線通信標準，包括IEEE 802.11ax (draft 0.1)高效無線草案標準。

圖 17. 基于WLAN測量套件和VST的NI 802.11測試系統

NI WLAN測量套件和PXI RF VST相結合，為802.11ax設備提供強大的模塊化測試解決方案。 WLAN測量套件為研究人員、工程師和技術專家提供了所需的功能和靈活性來生成和分析802.11a/b/g/n/j/p/ac/ah/af等各種802.11波形。 隨著該測量套件專門針對802.11ax進行了更新，這些用戶將可大幅加快其802.11ax設備的研發工作。 軟件支持802.11ax的主要特性，包括更窄的子載波間隔、1024-QAM和多用戶正交頻分多址接入(OFDMA）。 升級版的測量套件還包含了LabVIEW系統設計軟件范例代碼，以幫助工程師更快速、更輕松地實現WLAN測量自動化。