802.11--802.11ax协议

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一. 概述

IEEE 802.11工作组在2020年发布了当前最新的WiFi标准:802.11ax,也被称为WiFi6。
  802.11ax协议在提升吞吐量和降低用户时延上做出了一系列的改进,比如最引人注目的OFDMA(正交频分多址接入)技术。

二. 专业术语

本小节对一些专业术语进行一个简要的说明,如下:
  1. HE:High-efficiency;
  2. OFDMA:orthogonal frequency division multiple access;
  3. SR:Spatial Reuse;
  4. TWT:Target Wake Time;
  5. UL:uplink
  6. DL:downlink;
  7. MU:multi-user;
  8. OMI: operating mode indication;
  9. RU: resource unit;

三. PHY层

简单例举一下802.11ac协议中phy的新特性,主要包括如下:
  1. 工作频段:可工作在2G、5G频段;
  2. 支持1种工作模式:he mixed format,共有4种格式:
   1) HE SU PPDU format:单用户格式,单用户场景中使用
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2) HE MU PPDU format:多用户格式,同时对一个或者多个用户进行一次或者多次传输
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   3) HE ER SU PPDU format:增程(Extended Range)格式,距离AP较远的单用户场景中使用,为保障传输可靠性,该格式只能用低带宽(最低2MHz)、低速率进行发送
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   4) HE TB PPDU format:触发回应(Trigger-Based)格式,单次传输,用于回应触发帧,在上行OFDMA或者上行MU-MIMO场景中使用
802.11--802.11ax协议
  Note:从11ac协议开始好不容易简化了,但11ax却在HE_MF模式下搞出更多格式,感觉一定程度上开倒车了。
  3. 子载波
   1) 降低子载波带宽,由OFMD的312.5KHz,调整为78.125KHz,只有原来的1/4,更小的子载波间隔有利于进行信道估计与均衡,抗衰落能力也更强,但也增加了实现的复杂度,同时对载波频偏也更加敏感;
   2) 数据子载波占比:相比11ac有所提升(11n时代也提升过一次),以80MHz频宽为例:
    a) 11ac有效数据子载波数量234个,占所有256个子载波数量的91.4%;
    b) 11ax有效数据子载波数量980个,占所有1024个子载波数量的95.7%;
  数据子载波占比从91.4%提升到95.7%,效率提升4.7%;
  4. OFDM符号
   1) 增Symbol的长度,由原来的3.2us,增加至当前的12.8us;
   2) 这相当于变相提升了OFDM符号的占比,即降低了GI的占比,更多的时间用来传输有效载荷(而不是GI);
  5. 保护间隔(Guard Interval)
   1) 11ax引入了3中类型:0.8us、1.6us、3.2us;
   2) 增加了GI长度,之前GI只有两种类型:short GI(0.4us)、long GI(0.8us);
   3) 最短的GI长度都是之前11ac时代的最长的GI,这意味着11ax的循环前缀cp也跟着更长了,会带来更好的抗多径效应,覆盖距离也有所改善;
  6. 正交频分多址(OFDMA)
   1) OFDM是单用户模式,宏观上,一个ap上的天线同时可跟多个sta通信,微观上,ap和sta在同一个时刻只有一个设备在使用信道,是一个分时系统(跟操作系统类似,同一个时刻只有一个进程在cpu上运行),当然,11ac时代开始有了MU-MIMO,MU-MIMO则是通过不同天线来实现同一时刻与多个sta通信,跟OFDMA还是有本质上的区别;
802.11--802.11ax协议
   2) OFDMA则将频率资源进行划分,将一个信道划分出多个子信道,允许在同一时刻,不同的sta使用各自的子信道跟ap同时进行通信,真正的并行通信;
802.11--802.11ax协议
   3) 为了做到多用户同一时刻并行通信,OFDMA引入了新的子信道单位RU(Resource Unit),并且定义了不同子载波梳理的RU,在不同频宽下,它们的关系如下:
802.11--802.11ax协议
  7. MIMO
   1) 改进MU-MIMO,新增支持UL-MU-MIMO,最多可支持8条流;
   2) 对于上行方向来说,相比11ac,可同时服务8个用户,相当于增加8倍;
   3) 对于下行方向来说,11ac最多同时4个用户发送数据,11ax提升了2倍;
  8. 更高阶的调试技术
   1) 引入1024-QAM,每个OFDM符号可以携带10bit信息,相比11ac单条空间流可提升25%,同时也意味着对环境的要求也更高了,最低EVM要求已经达到了-35dBm,比11ac的EVM要求提高了1倍;
   2) mcs增加了两个:mcs10、mcs11,共12中mcs方式;
  9. 前导码打孔(Preamble Puncturing)
   1) 该技术为11ax的可选支持技术,主要是为了解决高带宽在高密场景中,带宽利用率不足的问题(部分信道非常忙碌,导致其它设备无法使用高带宽);
   2) 11ac时代,只能使用连续的空闲信道,在80M信道中,如果从属40MHz信道忙碌,那么只能变成40MHz信道,如果从属20MHz信道忙碌,那么直接降成20MHz信道,如下图所示:
802.11--802.11ax协议
   3) 11ax则引入了不连续空闲信道使用,即使用时绑定的信道可以不连续,如下图所示:
802.11--802.11ax协议
  10. 20MHz-Only模式
   1) 老旧的WiFi设备,或者是可穿戴、IoT设备等,一般只支持20MHz的频宽;
   2) AP即使使用40M、80M、160M频宽时,这些设备都只能在主信道的20M上工作,浪费了辅信道上的带宽;
   3) 11ax通过TWT技术,将这些20MHz-Only的设备调度到辅信道上工作,即实现节能,也能更好的利用空口资源;
  11. MU-MIMO和OFDMA
  这两种都是多用户同时传输的技术,但他们有所区别,也可以联系起来一起使用:
  1. 区别
   1) MU-MIMO是物理空间上多路(多天线)并发,每个终端使用的带宽(同一个频域)是一样的,适用于大数据包的并行传输(如视频、下载等应用),提升AP多天线的利用率(因为AP的天线数量可能远大于sta的天线数量),是通过多流来提升容量以及时延,但运行状态不够稳定,很容易受终端影响;
   2) OFDMA则是在频域上多路并发,每个终端使用各自的带宽(各自的频宽),适用于小数据包的并行传输(如网页浏览、即时消息等应用),提升的是信道资源的利用率,是通过提升单流利用率提升容量以及时延,且运行状态稳定,不容易受终端影响;
  2. 联系:这两种技术并不是互斥的,他们可以联合使用, 即在单流、多流上同时提升总体容量和延时,联合使用时如下所示:
802.11--802.11ax协议

四. MAC层

MAC层也做了一些改进,主要是对802.11n协议的加强:
  1. 空分复用SR
   1) 引入动态CCA门限调整机制:侦听到的同频干扰不再是静态的,而是随着客户端的移动而改变
    a) 如果终端比较近,就可以提高CCA的门限,不受哪些弱信号的影响,如下图,对于AP2来说,STA2离AP2的距离比较近,所以可以把CCA的阈值调整到-72dBm;
802.11--802.11ax协议
    b) 这样做对于AP2及下面的STA来说,确实可以提升空口的利用效率(之前不能发包,现在可以发了),但是对于AP1及下面的STA来说,未必就是好事,原来AP1和STA1发着包,现在AP2也同时发了,就引发了冲突,所以要使这个技能显著提升整体吞吐,还需要结合动态功率控制才能更好发挥;
   2) 引入BSS Color:一种新的同频传输识别机制,对不同的BSS进行分组标记(染色),当站点载波监听时发现信道被占用,则先检查一下对方是否为同一个分组(颜色),如果是同一个分组的BSS,就认为是干扰,推迟发送,而其他分组(颜色)就不当做干扰了,不做避让直接发送,这样能够发包的时机就多了很多,如下所示:
802.11--802.11ax协议
  2. 动态功率控制:802.11ax协议实现了UL和DL两个方向的MU-MIMO,又引入了OFDMA技术,多用户同时传输,如何保证近距离的用户信号不会把远距离的用户淹没,就需要对多用户实行功率控制;
   1) 如果AP端接收到的不同用户之间信号功率差距过大,则会引入载波间干扰,接收性能下降以及帧时间定位不准确等,为此,AP可以命令sta进行发送功率的调整,以保证AP处接收到的RSSI能够达到一个预定值。
   2) sta首先利用接收rssi估计一个路径损耗估计值,然后再加上AP的目标rssi,并以该值做为发送功率来进行信号的发送,这样就能实现近距离用户使用较低的发射功率,远距离用户使用较高发射功率,在AP处的rssi就能够处于一个合理的范围,以达到性能的最大化;
  3. TWT节能管理
   1) 首次在802.11ah标准中引入,在802.11ax标准中进一步改进,更加可靠、节能;
   2) TWT允许AP和sta之间协商什么时候唤醒(多久后唤醒),不需要每个DTIM周期醒来检查一下是否有数据,也意味着可以再beacon周期之外的其他时间唤醒收发数据,更加省电也更加灵活;
   3) AP可以将sta分组到不同的TWT周期,从而减少sta醒来后同事竞争空口资源的设备数量;
   4) 增加了设备睡眠时间,从而大大提高了电池寿命;
   5) TWT模式,有2中模式:
    a) Individual TWT:“私聊”模式,AP和sta一对一进行TWT周期协商,每个sta只知道AP和自己的的TWT周期;
    b) Broadcast TWT:“群聊”模式,AP负责统一管理,AP先负责TWT周期宣告,终端可以申请加入,完成加入后,sta就获得了该广播的TWT周期了;
  4. OMI节能管理
   1) sta和AP通信时,sta通过OMI主动上报自己的能力:是否支上行 OFDMA 传输、支持的最大带宽、空间流数等;
   2) 当sta电量充足时,可以自己的最大能力进行通信;
   3) 当sta电量不足时,可以降低自己的能力,如降低带宽或者空间流数,通过OMI告知AP,AP收到后就会以sta指定的参数进行发送数据;

五. 参考资料

1. 《IEEE Std 802.11ax™‐2021》;
  2. H3C:《802.11AX技术分析及WIFI6产品简介》;
  3. 《中国联通 Wi-Fi6 技术白皮书》;
  4. 《华为 Wi-Fi 6 (802.11ax)技术白皮书》;
  5. Wi-Fi 6的一些理念(节能机制):https://zhuanlan.zhihu.com/p/464925242;文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-415107.html

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