802.11ac深度技术分析

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一、概述

由于多数的802.11n设备是为2.4GHz频段设计，2.4GHz本身的可用信道较少，同时还有其它工作于2.4GHz频段的设备(例如蓝牙，微波炉、无线监视摄像机等)的干扰，即使在双空间流40Mhz频宽下其连接速率能达到300Mbps，但是实际网络环境中，由于相互的信道冲突等原因，其实际吞吐并不高，用户体验差。802.11ac 是专门为5GHz频段设计，特有的新射频特点，能够将现有的无线局域网的性能吞吐提高到可以与有线千兆级网络相媲美的程度。

802.11ac作为IEEE 无线技术的新标准，它借鉴了802.11n的各种优点并进一步优化，除了最明显的高吞吐特点外，不仅可以很好地兼容802.11a/n的设备，同时还提升了多项用户体验。

在802.11ac的网络中，每个无线接入点可以接纳更多的客户端，为每个并行的业务流提供更多的带宽，同时具有更低时延更省电的优点。

二、802.11ac 主要技术特征

由于802.11n在MAC层已经很优异了，因此802.11ac在MAC层上的改进并不多，主要通过PHY层来提升其基础速率。

PHY层的改进

1、更密的调制模式

802.11ac继续采用802.11a中OFDM调制方法，但是将阶数从802.11n中的64阶提高到了256阶。256-QAM使得每个子载波的数据比特数从6提到8，从而使得速率增加了将近33%。由于256-QAM对干扰更加敏感，适合于信噪比高的环境，因此256阶正交调幅主要在64阶正交调幅已经可靠覆盖的范围内才有帮助。虽然256-QAM提供了更高的速率，但是它并没有增加有效的覆盖距离。

例外，不像802.11n中那样可以采用非等星座调制，在802.11ac中，当多条流同时发送时，每条流都必须采用同等大小的星座。而前者对于多空间流特别是波束成形来说却非常有益。

2、更宽的信道带宽

由于5GHZ频段可以提供更多的信道和更宽的频宽，802.11ac 将信道频宽从802.11n的20MHZ和40MHZ提升到了80MHZ，甚至是160MHZ。

频宽的提升带来了可用数据子载波的增加。80MHZ可用的子载波数量达到234个，而40MHZ只有108个，这样80MHZ就可以带来2.16倍的增速。小小的副作用就是，需要将相同的传输的功率分隔到多出来的子载波上，从而造成信号的覆盖范围会稍稍减小，但是总的来说还是好的。

频宽的提升带来了信道化的难题。不过802.11ac依然沿用802.11n简单有效的做法。就如802.11n中将相邻的两个20MHZ合并为40MHZ的做法一样，80MHZ就是通过相邻的连个40MHZ合并而来。80MHZ必须是使用相邻的40MHZ来合并，而且80MHZ之间相互没有交叉重叠。由于通过连续的80MHZ合并得来的160MHZ少之又少，所以160MHZ可以使用不连续的80MHZ来获得，就是80+80模式。信道化如图1所示：

                               
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图1 信道化示意图

40MHZ频宽中有主信道和副信道(也就是第二个20MHZ信道)之分，那么在80MHZ中依然也是有区分的。在80MHZ频宽的信道中，必须选一个20MHZ作为主信道，那么这个主信道所在的40MHZ信道中，剩余的20MHZ信道称为副(第二)20MHZ信道，而不包含这个主信道的40MHZ称为副(第二)40MHZ信道。如图2所示。

那么信道频宽的增加是否意味着更少的可用信道和更多的信道冲突呢?其实是不会的。在5G频段，我国已经开放的有149,153,157,161和165频段，虽然目前只能部署一个80MHZ的频段，但是现有的机制允许两台设备同时部署在同一个80MHZ，其中一台将其主信道部署在低40MHZ频宽上，另外一台部署在高40MHZ频宽上，那么即使两台同时传输，仍然可以保证可用无冲突的40MHZ频宽。这个与已有的部署在40MHZ频宽上的802.11n来说是一样的。

                               
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图2 信道命名示意图

另外，在80MHZ频宽上传输，802.11ac增强的RTS/CTS机制可以很好的协调802.11ac与802.11a/n设备之间的信道占用情况。当802.11a/n的主信道处于802.11ac部署的80MHZ频宽内，如果重叠的部分不是在含有主20MHZ的40MHZ频宽上，那么802.11ac可以动态降级到40MHZ模式，会获得相应40MHZ频宽对应的吞吐，如图3(a)所示;如果重叠的部分含有主20MHZ的40MHZ频宽上，那么802.11ac与802.11a/n通过竞争获取信道的使用权，假设占用机会各50%，那么802.11ac将有一半时间使用80MHZ来发送，因此获取一半的吞吐，与图3(a)获取到的吞吐量是一样的。

因此，信道频宽的增加并不会造成更少的可用信道和更多的信道冲突。

                               
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3、更多的空间流

在802.11n中，空间流最多为4条，而802.11ac将此上限提升到了8条。单单这一项就能使吞吐翻倍。在单用户传输中，每条流的MCS都是一样的。在新的MU-MIMO技术中，每个STA的最多使用4条流，且对所有用户来说，每条流MCS必须一样。

以上三点，使得802.11ac的速率最高可以达到6.9Gbps。以下为802.11a/n/ac的射频参数与速率的对比分析：

                               
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4、波速成形

任何使用多天线的设备都能够在任意时间内对任何其他设备进行波速成形。802.11ac定义了一种探测协议(VHT Sounding protocol)。该协议可以让接收端有机会帮助发送到更好地进行波速成形工作。

该协议规定Beamformer(波速成形发送端)通过发送NDPA(空数据包通告)来初始化波速成形序列。在NDPA中，Beamformer 在NDPA中为每个Beamformee(波速成形接收端)添加了STA信息字段，同时在该STA信息字段设置了相应STA的AID信息，这是为了让每个Beamformee能够准备接受压缩的VHT波束成形帧。NDPA帧至少包含一个STA信息字段。VHT-NDP报文会紧跟着NDPA发送，中间仅仅间隔一个SIFS。NDPA后除了是SIFS+VHT-NDP帧，不能是其它帧。

如果NDPA包含不止1个STA字段，那么NDPA必须以广播方式发送，即RA(Receiver Address)必须是广播地址，否则以单播发送，RA为接受端地址。

每个预定的接受者使用VHT NDP的前导符测量从无线接入点到自己的射频信道，并压缩信道。第一个预定接受者立刻使用VHT压缩波速成形帧内的压缩信道信息进行响应，其它预定接受者等待轮询响应。图9-41a为单用户的波速成形示意图，图9-41b为多用户的波速成形示意图。另外，802.11ac的探测并不于802.11n兼容。

                               
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5、MU-MIMO

802.11ac提出了一项新的技术，即多用户的多输入输出(MU-MIMO)。相比于802.11n设备，在同一时间里，多条空间流只能发送给单个用户来说，这一MU-MIMO技术意味着在802.11ac网络中，多个用户可以同时进行接收，如果单用户吞吐是500Mbps的话，那么多用户的总吞吐可以达到1Gbps。802.11ac变成无线网络中的一个小交换机了。

MU-MIMO技术在真正部署上会是一项极具挑战的技术。在图4所示的演示示意图中，无线接入点为了给用户1发送一个强波速(蓝色)，需要在其它两个用户(用户2和用户3)上降低用户1的能量，这个称谓空操作，显示为蓝色的凹口。同理给用户2发送时，需要在用户1和用户3方向降低用户2的能量。这样做可以达到对应用户所需信道的强信号，而降低对其他用户的干扰。那么这种方法要求无线接入点需要准确知道自身到各用户的信道情况，因而无线接入点必须持续检测信道，增加开销。同时用户接受到的信号会夹杂着发往其它用户的信号的干扰，使得无法达到最高调制模式，特别是256-QAM会变得不适合。

                               
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图8 MU-MIMO示意图

MAC层

1、A-MPDU

802.11ac定义每个802.11ac的帧都是一个A-MPDU帧，即使这个A-MPDU仅仅包含1个MPDU。802.11ac的一个A-MPDU的大小可以达到1MB(1048575octets)，而802.11n仅仅64KB(65535octets)。

2、RTS/CTS

在802.11n中，RTS/CTS承担着清道的任务，让802.11a/g设备在其发送期间，停止传输，避免冲突。在802.11ac中，由于80Mhz使用更多的信道，因此需要提升RTS/CTS的机制来处理辅助信道上的通信冲突问题。改进后RTS/CTS同时支持“动态频宽”模式。

在802.11ac传输之前，需要监听信道是否可用，在可用的情况下，802.11ac设备在所使用的80Mhz信道上发送RTS。这个RTS是使用802.11a帧格式的，在每个20Mhz的信道上传输(先在主信道上传输，同时复制3份填充整个信道，或复制7份填充整个160Mhz的信道)，同时这个RTS中携带有频宽信息。所有主信道在这80Mhz中的802.11a/n/ac设备，都能接收到和解析这个RTS。那么接收端在接收到这个RTS时，会去判断在这些20Mhz信道是否都可用，附近的设备有没有在占用这些信道，然后根据这个判断结果，在可用的信道上回复CTS，并且在CTS中报道可用的频宽。最后发送者在这些可用的频宽上发送数据。这些可用的频宽必须含有主信道。

“动态频宽“—如果接收端发现一些信道特别忙，那么可以通告发送者不要用这些信道，发送端动态地回落到低一级的频宽模式上。

802.11ac还去除了一些802.11n中没有多大作用的东西，由于是VHT，那么无线帧结构中自然要多了一些表达VHT信息的东西，因此帧结构也会有一些改动。除了改动之外，802.11ac新增了NDPA、Beamforming report poll 两种mac帧。

xialilu

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