802.11ac深度技(jì )術分(fēn)析

一、概述

由于多(duō)數的802.11n設備是為(wèi)2.4GHz頻段設計，2.4GHz本身的可(kě)用(yòng)信道較少，同時還有(yǒu)其它工(gōng)作(zuò)于2.4GHz頻段的設備(例如藍牙，微波爐、無線(xiàn)監視攝像機等)的幹擾，即使在雙空間流40Mhz頻寬下其連接速率能(néng)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(yòng)戶體(tǐ)驗差。802.11ac 是專門為(wèi)5GHz頻段設計，特有(yǒu)的新(xīn)射頻特點，能(néng)夠将現有(yǒu)的無線(xiàn)局域網的性能(néng)吞吐提高到可(kě)以與有(yǒu)線(xiàn)千兆級網絡相媲美的程度。

802.11ac作(zuò)為(wèi)IEEE 無線(xiàn)技(jì )術的新(xīn)标準，它借鑒了802.11n的各種優點并進一步優化，除了最明顯的高吞吐特點外，不僅可(kě)以很(hěn)好地兼容802.11a/n的設備，同時還提升了多(duō)項用(yòng)戶體(tǐ)驗。

在802.11ac的網絡中(zhōng)，每個無線(xiàn)接入點可(kě)以接納更多(duō)的客戶端，為(wèi)每個并行的業務(wù)流提供更多(duō)的帶寬，同時具(jù)有(yǒu)更低時延更省電(diàn)的優點。

二、802.11ac 主要技(jì )術特征

由于802.11n在MAC層已經很(hěn)優異了，因此802.11ac在MAC層上的改進并不多(duō)，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(yòng)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(kě)靠覆蓋的範圍内才有(yǒu)幫助。雖然256-QAM提供了更高的速率，但是它并沒有(yǒu)增加有(yǒu)效的覆蓋距離。

例外，不像802.11n中(zhōng)那樣可(kě)以采用(yòng)非等星座調制，在802.11ac中(zhōng)，當多(duō)條流同時發送時，每條流都必須采用(yòng)同等大小(xiǎo)的星座。而前者對于多(duō)空間流特别是波束成形來說卻非常有(yǒu)益。

2、更寬的信道帶寬

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

頻寬的提升帶來了可(kě)用(yòng)數據子載波的增加。80MHZ可(kě)用(yòng)的子載波數量達到234個，而40MHZ隻有(yǒu)108個，這樣80MHZ就可(kě)以帶來2.16倍的增速。小(xiǎo)小(xiǎo)的副作(zuò)用(yòng)就是，需要将相同的傳輸的功率分(fēn)隔到多(duō)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。

頻寬的提升帶來了信道化的難題。不過802.11ac依然沿用(yòng)802.11n簡單有(yǒu)效的做法。就如802.11n中(zhōng)将相鄰的兩個20MHZ合并為(wèi)40MHZ的做法一樣，80MHZ就是通過相鄰的連個40MHZ合并而來。80MHZ必須是使用(yòng)相鄰的40MHZ來合并，而且80MHZ之間相互沒有(yǒu)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(kě)以使用(yòng)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頻寬中(zhōng)有(yǒu)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(yǒu)區(qū)分(fēn)的。在80MHZ頻寬的信道中(zhōng)，必須選一個20MHZ作(zuò)為(wèi)主信道，那麽這個主信道所在的40MHZ信道中(zhōng)，剩餘的20MHZ信道稱為(wèi)副(第二)20MHZ信道，而不包含這個主信道的40MHZ稱為(wèi)副(第二)40MHZ信道。如圖2所示。

那麽信道頻寬的增加是否意味着更少的可(kě)用(yòng)信道和更多(duō)的信道沖突呢(ne)?其實是不會的。在5G頻段，我國(guó)已經開放的有(yǒu)149,153,157,161和165頻段，雖然目前隻能(néng)部署一個80MHZ的頻段，但是現有(yǒu)的機制允許兩台設備同時部署在同一個80MHZ，其中(zhōng)一台将其主信道部署在低40MHZ頻寬上，另外一台部署在高40MHZ頻寬上，那麽即使兩台同時傳輸，仍然可(kě)以保證可(kě)用(yòng)無沖突的40MHZ頻寬。這個與已有(yǒu)的部署在40MHZ頻寬上的802.11n來說是一樣的。

圖2 信道命名(míng)示意圖

另外，在80MHZ頻寬上傳輸，802.11ac增強的RTS/CTS機制可(kě)以很(hěn)好的協調802.11ac與802.11a/n設備之間的信道占用(yòng)情況。當802.11a/n的主信道處于802.11ac部署的80MHZ頻寬内，如果重疊的部分(fēn)不是在含有(yǒu)主20MHZ的40MHZ頻寬上，那麽802.11ac可(kě)以動态降級到40MHZ模式，會獲得相應40MHZ頻寬對應的吞吐，如圖3(a)所示;如果重疊的部分(fēn)含有(yǒu)主20MHZ的40MHZ頻寬上，那麽802.11ac與802.11a/n通過競争獲取信道的使用(yòng)權，假設占用(yòng)機會各50%，那麽802.11ac将有(yǒu)一半時間使用(yòng)80MHZ來發送，因此獲取一半的吞吐，與圖3(a)獲取到的吞吐量是一樣的。

因此，信道頻寬的增加并不會造成更少的可(kě)用(yòng)信道和更多(duō)的信道沖突。

3、更多(duō)的空間流

在802.11n中(zhōng)，空間流最多(duō)為(wèi)4條，而802.11ac将此上限提升到了8條。單單這一項就能(néng)使吞吐翻倍。在單用(yòng)戶傳輸中(zhōng)，每條流的MCS都是一樣的。在新(xīn)的MU-MIMO技(jì )術中(zhōng)，每個STA的最多(duō)使用(yòng)4條流，且對所有(yǒu)用(yòng)戶來說，每條流MCS必須一樣。

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

4、波速成形

任何使用(yòng)多(duō)天線(xiàn)的設備都能(néng)夠在任意時間内對任何其他(tā)設備進行波速成形。802.11ac定義了一種探測協議(VHT Sounding protocol)。該協議可(kě)以讓接收端有(yǒu)機會幫助發送到更好地進行波速成形工(gōng)作(zuò)。

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)為(wèi)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，這是為(wèi)了讓每個Beamformee能(néng)夠準備接受壓縮的VHT波束成形幀。NDPA幀至少包含一個STA信息字段。VHT-NDP報文(wén)會緊跟着NDPA發送，中(zhōng)間僅僅間隔一個SIFS。NDPA後除了是SIFS+VHT-NDP幀，不能(néng)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為(wèi)接受端地址。

每個預定的接受者使用(yòng)VHT NDP的前導符測量從無線(xiàn)接入點到自己的射頻信道，并壓縮信道。第一個預定接受者立刻使用(yòng)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為(wèi)單用(yòng)戶的波速成形示意圖，圖9-41b為(wèi)多(duō)用(yòng)戶的波速成形示意圖。另外，802.11ac的探測并不于802.11n兼容。

5、MU-MIMO

802.11ac提出了一項新(xīn)的技(jì )術，即多(duō)用(yòng)戶的多(duō)輸入輸出(MU-MIMO)。相比于802.11n設備，在同一時間裏，多(duō)條空間流隻能(néng)發送給單個用(yòng)戶來說，這一MU-MIMO技(jì )術意味着在802.11ac網絡中(zhōng)，多(duō)個用(yòng)戶可(kě)以同時進行接收，如果單用(yòng)戶吞吐是500Mbps的話，那麽多(duō)用(yòng)戶的總吞吐可(kě)以達到1Gbps。802.11ac變成無線(xiàn)網絡中(zhōng)的一個小(xiǎo)交換機了。

MU-MIMO技(jì )術在真正部署上會是一項極具(jù)挑戰的技(jì )術。在圖4所示的演示示意圖中(zhōng)，無線(xiàn)接入點為(wèi)了給用(yòng)戶1發送一個強波速(藍色)，需要在其它兩個用(yòng)戶(用(yòng)戶2和用(yòng)戶3)上降低用(yòng)戶1的能(néng)量，這個稱謂空操作(zuò)，顯示為(wèi)藍色的凹口。同理(lǐ)給用(yòng)戶2發送時，需要在用(yòng)戶1和用(yòng)戶3方向降低用(yòng)戶2的能(néng)量。這樣做可(kě)以達到對應用(yòng)戶所需信道的強信号，而降低對其他(tā)用(yòng)戶的幹擾。那麽這種方法要求無線(xiàn)接入點需要準确知道自身到各用(yòng)戶的信道情況，因而無線(xiàn)接入點必須持續檢測信道，增加開銷。同時用(yòng)戶接受到的信号會夾雜着發往其它用(yòng)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的幀都是一個A-MPDU幀，即使這個A-MPDU僅僅包含1個MPDU。802.11ac的一個A-MPDU的大小(xiǎo)可(kě)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(wù)，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(yòng)更多(duō)的信道，因此需要提升RTS/CTS的機制來處理(lǐ)輔助信道上的通信沖突問題。改進後RTS/CTS同時支持“動态頻寬”模式。

在802.11ac傳輸之前，需要監聽信道是否可(kě)用(yòng)，在可(kě)用(yòng)的情況下，802.11ac設備在所使用(yòng)的80Mhz信道上發送RTS。這個RTS是使用(yòng)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(yǒu)頻寬信息。所有(yǒu)主信道在這80Mhz中(zhōng)的802.11a/n/ac設備，都能(néng)接收到和解析這個RTS。那麽接收端在接收到這個RTS時，會去判斷在這些20Mhz信道是否都可(kě)用(yòng)，附近的設備有(yǒu)沒有(yǒu)在占用(yòng)這些信道，然後根據這個判斷結果，在可(kě)用(yòng)的信道上回複CTS，并且在CTS中(zhōng)報道可(kě)用(yòng)的頻寬。最後發送者在這些可(kě)用(yòng)的頻寬上發送數據。這些可(kě)用(yòng)的頻寬必須含有(yǒu)主信道。

“動态頻寬“—如果接收端發現一些信道特别忙，那麽可(kě)以通告發送者不要用(yòng)這些信道，發送端動态地回落到低一級的頻寬模式上。

802.11ac還去除了一些802.11n中(zhōng)沒有(yǒu)多(duō)大作(zuò)用(yòng)的東西，由于是VHT，那麽無線(xiàn)幀結構中(zhōng)自然要多(duō)了一些表達VHT信息的東西，因此幀結構也會有(yǒu)一些改動。除了改動之外，802.11ac新(xīn)增了NDPA、Beamforming report poll 兩種mac幀。