802.11ac深度技術分(fēn)析

一(yī)、概述

由于多數的802.11n設備是爲2.4GHz頻(pín)段設計，2.4GHz本身的可用信道較少，同時還有其它工(gōng)作于2.4GHz頻(pín)段的設備(例如藍(lán)牙，微波爐、無線監視攝像機等)的幹擾，即使在雙空間流40Mhz頻(pín)寬下(xià)其連接速率能達到300Mbps，但是實際網絡環境中(zhōng)，由于相互的信道沖突等原因，其實際吞吐并不高，用戶體(tǐ)驗差。802.11ac 是專門爲5GHz頻(pín)段設計，特有的新射頻(pín)特點，能夠将現有的無線局域網的性能吞吐提高到可以與有線千兆級網絡相媲美的程度。

802.11ac作爲IEEE 無線技術的新标準，它借鑒了802.11n的各種優點并進一(yī)步優化，除了最明顯的高吞吐特點外(wài)，不僅可以很好地兼容802.11a/n的設備，同時還提升了多項用戶體(tǐ)驗。

在802.11ac的網絡中(zhōng)，每個無線接入點可以接納更多的客戶端，爲每個并行的業務流提供更多的帶寬，同時具有更低時延更省電的優點。

二、802.11ac 主要技術特征

由于802.11n在MAC層已經很優異了，因此802.11ac在MAC層上的改進并不多，主要通過PHY層來提升其基礎速率。

PHY層的改進

1、更密的調制模式

802.11ac繼續采用802.11a中(zhōng)OFDM調制方法，但是将階數從802.11n中(zhōng)的64階提高到了256階。256-QAM使得每個子載波的數據比特數從6提到8，從而使得速率增加了将近33%。由于256-QAM對幹擾更加敏感，适合于信噪比高的環境，因此256階正交調幅主要在64階正交調幅已經可靠覆蓋的範圍内才有幫助。雖然256-QAM提供了更高的速率，但是它并沒有增加有效的覆蓋距離(lí)。

例外(wài)，不像802.11n中(zhōng)那樣可以采用非等星座調制，在802.11ac中(zhōng)，當多條流同時發送時，每條流都必須采用同等大(dà)小(xiǎo)的星座。而前者對于多空間流特别是波束成形來說卻非常有益。

2、更寬的信道帶寬

由于5GHZ頻(pín)段可以提供更多的信道和更寬的頻(pín)寬，802.11ac 将信道頻(pín)寬從802.11n的20MHZ和40MHZ提升到了80MHZ，甚至是160MHZ。

頻(pín)寬的提升帶來了可用數據子載波的增加。80MHZ可用的子載波數量達到234個，而40MHZ隻有108個，這樣80MHZ就可以帶來2.16倍的增速。小(xiǎo)小(xiǎo)的副作用就是，需要将相同的傳輸的功率分(fēn)隔到多出來的子載波上，從而造成信号的覆蓋範圍會稍稍減小(xiǎo)，但是總的來說還是好的。

頻(pín)寬的提升帶來了信道化的難題。不過802.11ac依然沿用802.11n簡單有效的做法。就如802.11n中(zhōng)将相鄰的兩個20MHZ合并爲40MHZ的做法一(yī)樣，80MHZ就是通過相鄰的連個40MHZ合并而來。80MHZ必須是使用相鄰的40MHZ來合并，而且80MHZ之間相互沒有交叉重疊。由于通過連續的80MHZ合并得來的160MHZ少之又(yòu)少，所以160MHZ可以使用不連續的80MHZ來獲得，就是80+80模式。信道化如圖1所示：

圖1 信道化示意圖

40MHZ頻(pín)寬中(zhōng)有主信道和副信道(也就是第二個20MHZ信道)之分(fēn)，那麽在80MHZ中(zhōng)依然也是有區分(fēn)的。在80MHZ頻(pín)寬的信道中(zhōng)，必須選一(yī)個20MHZ作爲主信道，那麽這個主信道所在的40MHZ信道中(zhōng)，剩餘的20MHZ信道稱爲副(第二)20MHZ信道，而不包含這個主信道的40MHZ稱爲副(第二)40MHZ信道。如圖2所示。

那麽信道頻(pín)寬的增加是否意味着更少的可用信道和更多的信道沖突呢?其實是不會的。在5G頻(pín)段，我(wǒ)國已經開(kāi)放(fàng)的有149,153,157,161和165頻(pín)段，雖然目前隻能部署一(yī)個80MHZ的頻(pín)段，但是現有的機制允許兩台設備同時部署在同一(yī)個80MHZ，其中(zhōng)一(yī)台将其主信道部署在低40MHZ頻(pín)寬上，另外(wài)一(yī)台部署在高40MHZ頻(pín)寬上，那麽即使兩台同時傳輸，仍然可以保證可用無沖突的40MHZ頻(pín)寬。這個與已有的部署在40MHZ頻(pín)寬上的802.11n來說是一(yī)樣的。

圖2 信道命名示意圖

另外(wài)，在80MHZ頻(pín)寬上傳輸，802.11ac增強的RTS/CTS機制可以很好的協調802.11ac與802.11a/n設備之間的信道占用情況。當802.11a/n的主信道處于802.11ac部署的80MHZ頻(pín)寬内，如果重疊的部分(fēn)不是在含有主20MHZ的40MHZ頻(pín)寬上，那麽802.11ac可以動态降級到40MHZ模式，會獲得相應40MHZ頻(pín)寬對應的吞吐，如圖3(a)所示;如果重疊的部分(fēn)含有主20MHZ的40MHZ頻(pín)寬上，那麽802.11ac與802.11a/n通過競争獲取信道的使用權，假設占用機會各50%，那麽802.11ac将有一(yī)半時間使用80MHZ來發送，因此獲取一(yī)半的吞吐，與圖3(a)獲取到的吞吐量是一(yī)樣的。

因此，信道頻(pín)寬的增加并不會造成更少的可用信道和更多的信道沖突。

3、更多的空間流

在802.11n中(zhōng)，空間流最多爲4條，而802.11ac将此上限提升到了8條。單單這一(yī)項就能使吞吐翻倍。在單用戶傳輸中(zhōng)，每條流的MCS都是一(yī)樣的。在新的MU-MIMO技術中(zhōng)，每個STA的最多使用4條流，且對所有用戶來說，每條流MCS必須一(yī)樣。

以上三點，使得802.11ac的速率最高可以達到6.9Gbps。以下(xià)爲802.11a/n/ac的射頻(pín)參數與速率的對比分(fēn)析：

4、波速成形

任何使用多天線的設備都能夠在任意時間内對任何其他設備進行波速成形。802.11ac定義了一(yī)種探測協議(VHT Sounding protocol)。該協議可以讓接收端有機會幫助發送到更好地進行波速成形工(gōng)作。

該協議規定Beamformer(波速成形發送端)通過發送NDPA(空數據包通告)來初始化波速成形序列。在NDPA中(zhōng)，Beamformer 在NDPA中(zhōng)爲每個Beamformee(波速成形接收端)添加了STA信息字段，同時在該STA信息字段設置了相應STA的AID信息，這是爲了讓每個Beamformee能夠準備接受壓縮的VHT波束成形幀。NDPA幀至少包含一(yī)個STA信息字段。VHT-NDP報文會緊跟着NDPA發送，中(zhōng)間僅僅間隔一(yī)個SIFS。NDPA後除了是SIFS+VHT-NDP幀，不能是其它幀。

如果NDPA包含不止1個STA字段，那麽NDPA必須以廣播方式發送，即RA(Receiver Address)必須是廣播地址，否則以單播發送，RA爲接受端地址。

每個預定的接受者使用VHT NDP的前導符測量從無線接入點到自己的射頻(pín)信道，并壓縮信道。第一(yī)個預定接受者立刻使用VHT壓縮波速成形幀内的壓縮信道信息進行響應，其它預定接受者等待輪詢響應。圖9-41a爲單用戶的波速成形示意圖，圖9-41b爲多用戶的波速成形示意圖。另外(wài)，802.11ac的探測并不于802.11n兼容。

5、MU-MIMO

802.11ac提出了一(yī)項新的技術，即多用戶的多輸入輸出(MU-MIMO)。相比于802.11n設備，在同一(yī)時間裏，多條空間流隻能發送給單個用戶來說，這一(yī)MU-MIMO技術意味着在802.11ac網絡中(zhōng)，多個用戶可以同時進行接收，如果單用戶吞吐是500Mbps的話(huà)，那麽多用戶的總吞吐可以達到1Gbps。802.11ac變成無線網絡中(zhōng)的一(yī)個小(xiǎo)交換機了。

MU-MIMO技術在真正部署上會是一(yī)項極具挑戰的技術。在圖4所示的演示示意圖中(zhōng)，無線接入點爲了給用戶1發送一(yī)個強波速(藍(lán)色)，需要在其它兩個用戶(用戶2和用戶3)上降低用戶1的能量，這個稱謂空操作，顯示爲藍(lán)色的凹口。同理給用戶2發送時，需要在用戶1和用戶3方向降低用戶2的能量。這樣做可以達到對應用戶所需信道的強信号，而降低對其他用戶的幹擾。那麽這種方法要求無線接入點需要準确知(zhī)道自身到各用戶的信道情況，因而無線接入點必須持續檢測信道，增加開(kāi)銷。同時用戶接受到的信号會夾雜(zá)着發往其它用戶的信号的幹擾，使得無法達到最高調制模式，特别是256-QAM會變得不适合。

圖8 MU-MIMO示意圖

MAC層

1、A-MPDU

802.11ac定義每個802.11ac的幀都是一(yī)個A-MPDU幀，即使這個A-MPDU僅僅包含1個MPDU。802.11ac的一(yī)個A-MPDU的大(dà)小(xiǎo)可以達到1MB(1048575octets)，而802.11n僅僅64KB(65535octets)。

2、RTS/CTS

在802.11n中(zhōng)，RTS/CTS承擔着清道的任務，讓802.11a/g設備在其發送期間，停止傳輸，避免沖突。在802.11ac中(zhōng)，由于80Mhz使用更多的信道，因此需要提升RTS/CTS的機制來處理輔助信道上的通信沖突問題。改進後RTS/CTS同時支持“動态頻(pín)寬”模式。

在802.11ac傳輸之前，需要監聽(tīng)信道是否可用，在可用的情況下(xià)，802.11ac設備在所使用的80Mhz信道上發送RTS。這個RTS是使用802.11a幀格式的，在每個20Mhz的信道上傳輸(先在主信道上傳輸，同時複制3份填充整個信道，或複制7份填充整個160Mhz的信道)，同時這個RTS中(zhōng)攜帶有頻(pín)寬信息。所有主信道在這80Mhz中(zhōng)的802.11a/n/ac設備，都能接收到和解析這個RTS。那麽接收端在接收到這個RTS時，會去(qù)判斷在這些20Mhz信道是否都可用，附近的設備有沒有在占用這些信道，然後根據這個判斷結果，在可用的信道上回複CTS，并且在CTS中(zhōng)報道可用的頻(pín)寬。最後發送者在這些可用的頻(pín)寬上發送數據。這些可用的頻(pín)寬必須含有主信道。

“動态頻(pín)寬“—如果接收端發現一(yī)些信道特别忙，那麽可以通告發送者不要用這些信道，發送端動态地回落到低一(yī)級的頻(pín)寬模式上。

802.11ac還去(qù)除了一(yī)些802.11n中(zhōng)沒有多大(dà)作用的東西，由于是VHT，那麽無線幀結構中(zhōng)自然要多了一(yī)些表達VHT信息的東西，因此幀結構也會有一(yī)些改動。除了改動之外(wài)，802.11ac新增了NDPA、Beamforming report poll 兩種mac幀。