802.11ax技术浅析

邱丰

摘 要：802.11ax标准又称为高效率无线标准，旨在实现一项极具挑战性的目标：将用户密集环境中的每位用户平均传输率提升至4倍以上。这项全新标准着重于机制的实作，以期在人潮众多的環境下，为更多使用者提供一致且稳定的数据流。本文主要对该项新技术的技术进行初步研究。

关键词：WIFI；波束成形；多用户作业；空间复用

1 现有Wi-Fi机制不利高密度传输

802.11通讯协议采用了载波感测多路存取（CSMA）方式，在此一方式中，无线基地台（STA）会先感测通道，而且只会在感测到通道闲置时进行传输，藉此尝试避免冲突（图2-1）。如果任一STA听到有其他STA存在，就会在再次收听前等候一段时间，以待对方停止传输并释放通道。当STA可进行传输时，将会传输完整的封包数据。空闲通道评估和冲突预防通讯协议虽有助于将信道平均分配给冲突网域中的所有参与者，但如果参与者数量过于庞大，分配效率会随之下降；多个AP服务区域重迭，则是造成网络效率不彰的另一原因。使用较少的通道规划密集的涵盖范围变得十分困难，而此一现象也迫使网络管理员必须重复使用附近基地台中的信道。如果没有注意且刻意进行电源管理，使用者将会遇到同通道干扰，除了会减损效能之外，还会将通道较宽的既定优势一笔勾销。

2 802.11ax PHY变更

802.11ax标准在物理层导入了多项大幅变更。然而，它依旧可向下兼容于802.11a/b/g/n与ac装置。正因如此，802.11ax STA能与旧有STA进行数据传送和接收，旧有客户端也能解调和译码802.11ax封包表头档（虽然不是整个802.11ax封包），并于802.11ax STA传输期间进行轮询。请注意，802.11ax标准将在2.4GHz和5GHz频带运作。此规格定义了4倍大的FFT，以及数量更多的子载波。不过，802.11ax也涵盖了一项重大变更：将子载波间距缩减到先前802.11标准的四分之一，以保留现有的通道带宽OFDM符码持续期间和循环前缀区段（Cyclic Prefix， CP）也提高4倍，一边维持与802.11ac相同的原始链接数据速率，一边提升室内/室外和混合式环境的效率及稳固性。不过，ax标准会于室内环境中指定1024-QAM和較低的循环式前置区段比，以利实现最高的数据速率。

3 波束成形

802.11ax将采用与802.11ac相似的明确波束成形程序。在这个程序中，波束成形器会使用Null数据封包启动信道探测程序，而波束成形接收端则会量测通道，并使用波束成形反馈架构（当中包含压缩的反馈矩阵）做出回应。波束成形器将使用这项信息来运算信道矩阵H。随后，波束成形接收端就能使用这个通道矩阵，将射频能量运用在每位使用者身上。

4 多用户作业：MU-MIMO与OFDMA

802.11ax标准采用了两种作业模式，分别是单一使用者与多使用者。在单一用户序列模式中，只要无线STA一取得媒体存取权，就会每次进行一个数据传送和接收作业。在多用户模式下，可同步进行多个非AP STA作业。标准会将此一模式进一步划分成下链和上链多使用者。下链多使用者是指由AP同时提供给多个相关无线STA的数据。现有的802.11ac已具备这项功能。上链多使用者则涉及同时从多个STA传输数据至AP。这是802.11ax标准的新功能，且不存在于任何旧版Wi-Fi标准中。MU-MIMO作为802.11ax核心技术，此处只是略作介绍，将另开专题单独说明。

5 802.11ax MAC机制变更

为了改善密集部署情境中的系统层级效能以及频谱资源的使用效率，802.11ax标准实作了空间重复使用技术。STA可以识别来自重迭基本服务组（BSS）的讯号，并根据这项信息来做出媒体竞争和干扰管理决策。负责开发高效率无线标准的802.11工作团队可能会在802.11ax标准中包含多个NAV字段，也就是采用两个不同的NAV。同时拥有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不仅可协助STA预测自身BSS内的流量，还能让它们在得知重迭流量状态时自由传输

6 总结

本文简明总结了802.11ax的工作原理及核心技术。详细介绍了现有环境下的WIFI机制的处境及使用了802.11ax技术的路由器能够大幅改变现有WIFI路由器的处境的内容。由于802.11ax的路由器拥有MU-MIMO技术，使其能够超越现有路由器。