Wi-Fi标准IEEE 802.11ax关键技术

文/成刚

1 前言

从1997年的IEEE802.11协议起步到目前已经大量商用的802.11ac标准，Wi-Fi终端和AP采用的信道访问的机制一直是载波侦听（CSMA,Carrier Sense multiple Access）和冲突避免（CA,Collision Avoidance）的方式。虽然数据传送速率已经达到了1Gbps以上，但本质是典型的单用户接入方式。当一个站点获得媒体访问机会并传送数据的时候，其它站点只能等待一定时间后才能重新开始竞争。当在用户密集的场景中使用传统Wi-Fi接入的时候，这种竞争信道的机制就会造成很大的网络拥塞和延迟。

随着无线网络在这几年得到了飞速的发展，无线设备的数量和种类迅猛增长，如果只是关注Wi-Fi带宽的提升，在有很多用户同时接入的情况下，CSMA/CA方式使得用户的体验提升受到了限制。在2019年开始商业化的IEEE 802.11ax标准在物理层和MAC层都进行了改进，主要的目标之一就是关注高密集场景下的性能和用户体验。

从2013年3月IEEE TG工作组成立，2014年TG开始正式新的802.11ax标准的研究和定义，期间经历了大量的技术讨论和分析，目前802.11ax的标准基本已经完善，Wi-Fi联盟将在2019年9月份开始对802.11ax的产品进行认证。

2018年Wi-Fi联盟对传统的802.11标准的命名方式做了改变，例如基于802.11ax标准的最新一代Wi-Fi设备称为Wi-Fi 6设备，Wi-Fi 5是802.11ac标准。802.11ax（Wi-Fi6）将是2020年以后市场中主流的Wi-Fi技术。

表1：802.11ax与传统802.11标准的主要区别

表 2：不同频宽支持的RU数量

802.11ax的最大物理速率理论上能达到9.6Gbps，在原来802.11ac的基础上了提升了37%。参考文献[5]在单用户情况下比较了802.11ax与802.11ac之间的性能，在较好网络环境和较差网络环境下，802.11ax比802.11ac分别提升了29%和48%。802.11ax的性能改进是通过提升频谱效率、提供更好的抗干扰能力、以及优化信道访问等措施来实现的。支持IEEE 802.11ax的设备也能在无线网络环境中与旧的Wi-Fi设备兼容和共存，即支持新的支持802.11ax的设备能够与802.11a/b/g/n以及802.11ac的设备互相传递数据报文。本文就802.11ax的关键技术对无线网络的效率和性能的提升进行介绍和分析。

2 802.11ax关键技术的介绍和分析

802.11n的600Mbps相 比802.11b/g的54Mbps提升了10倍的物理层速率，802.11ac的7Gbps的速率又比802.11n提升了10倍，802.11ax的9.6Gbps虽然也比802.11ac有所提升，但它的规范的讨论主要集中在上面提到的密集用户接入后影响性能的问题，这也是Wi-Fi经过了二十多年发展之后从单一的速率提升转向更多地关注用户使用场景的体验。802.11ax首先是通过在物理层支持OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）技术来改善密集用户接入的问题。OFDMA技术在蜂窝网络中已经得到了广泛应用，把它应用在室内的Wi-Fi网络，可以充分发挥Wi-Fi已经支持的OFDM技术的作用，用户的数据传输的信道不再仅仅是通过固定的频宽（20MHz，40MHz，80MHz和160MHz）来通信，而是可以使用不同数量的相邻OFDM子载波的组合来进行数据传输，这种方式不仅减少了用户信道的竞争冲突，而且提高了信号的干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）。

其次，802.11ax标准除了下行的MUMIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output），也支持上行的MU-MIMO，使得多用户的上行接入的效率得到改善，而802.11ac只支持下行的MU-MIMO。在调制方式上面，802.11ax定义了高阶的1024QAM来提升性能。虽然在最新的802.11ac技术实现上也有厂家申明支持1024QAM，但毕竟市场中这样的产品很少，并且实际场景使用也很难达到这样的调制效率。到了802.11ax，1024QAM就是必须的要求了。

表1是802.11ax与传统802.11标准在关键技术上的区别。802.11ax在数据链路层（MAC）和物理层（PHY）都做了优化，使得Wi-Fi在密集用户接入的网络中有更高的效率，以及更好的抗干扰能力和性能。

图1：20MHz的RU资源分配

图2：801.11ax数据传输的例子

图3：IEEE802.11ax的物理层的帧结构

2.1 OFDMA的接入方式

OFDMA的多用户接入的方式类似于FDMA起到的频分复用多址的作用。OFDM中的各个子载波互相独立，每一个子载波都可以有自己的编码和调制方式，以及不同的发射功率。OFDMA技术可以给每一个连接的无线终端分配一个或多个子载波（（即子信道）。子信道是工作在不同的频率范围，所以无线终端接入的碰撞概率就会大幅度减低，多个无线终端在相同的时间能够在不同的子信道上传送数据。

802.11ax的OFDMA技术在应用的时候，在相同的无线网络中，各个无线终端使用的子载波数量不一定相同，而是允许根据无线终端的性能情况或网络状态进行灵活分配。这种技术的设计可以让OFDMA比FDMA有更好的灵活性，极大地提高了频带利用率。具体做法是把子载波分成多个组，每个组是作为独立的资源单元（Resource Unit，RU）进行数据传输。根据信道状态和业务的需求，RU资源单元被分给不同的无线终端，无线终端通过资源单元与Wi-FiAP进行数据传输。下面是802.11ax的ODFMA机制运行的具体特点。

2.1.1 首先是频谱资源单位分配的高效率和灵活性

参考表2，根据Wi-Fi不同频宽的设置，资源单元可以包含多个26-tone、52-tone、106-tone、242-tone、484-tone或者996-tone子载波为数量单位的组合。每个较大频宽的RU也可以继续分成两个较小的RU，其中242-tone是由2个106-tone以及1个26-tone组成。Wi-Fi AP负责对无线终端的RU进行分配，在数据传输过程中，AP给一个无线终端用户的连接分配一个RU资源，目前不支持给一个无线终端用户分配多个RU。

图1是20MHz频宽中的RU资源分配的方案，可以看到，基于26-tone的分配情况下，20MHz可以最多有9个用户的RU连接，40MHz则有18个用户的RU连接，80MHz有37个用户的RU连接，160MHz有74个用户的RU连接，基于RU资源的分配方式，充分利用了有限的频谱资源来支持多用户的同时接入。为了提高子信道的使用效率，AP只给那些有数据传送的终端分配RU资源，为了支持这个机制，终端可以向AP报告需要发送的数据量，或者AP通过向终端查询来获得这样的信息。

2.1.2 由AP来统一协调的OFDMA的多用户传输

不同于蜂窝网络的OFDMA，802.11ax的OFDMA传输是基于帧的，即上下行的用户传输是通过包含多个用户的RU资源组合的数据帧来进行通信。对于上行OFDMA的发送来说，因为无线网络中的时钟漂移，实际上很难做到真正严格意义的时间同步，所以在上行多用户的传送过程中，需要由AP负责协调各个无线终端的数据发送。在802.11ax中，AP首先向各个终端发送一个新的控制帧类型（Trigger frame），它定义了上行多用户传输的参数，例如持续时间、保护间隔GI（GuardInterval）、终端所分配的RU资源、以及终端的MCS传输参数等。在向终端发送Trigger frame之后，经过SIFS（Short interframe space）的时间间隔，终端马上就会向AP传送上行多用户的数据帧。然后AP可以使用BlockAck的帧来响应多个终端的消息。

2.1.3 多用户情况下的终端发射功率的有效分配

AP在Triggerframe中指明了它当前支持的发射功率，以及期望终端在上行方向上发送的信号强度。依据AP支持的发送功率和Triggerframe的信号强度，终端能够计算从它到AP之间的路径损耗以及上行的发送功率，然后终端在它的上行发送的信息中同样指明了它所支持的发送功率以及当前MCS（Modulation and Coding Scheme）情况下的发射功率。

AP可以根据终端的性能调整对应的RU资源的分配或发射功率。例如，在下行方向传输数据的时候，如果有些终端的性能较低，AP可以通过对性能较好的终端降低发射功率，然后对性能较低的终端增强对应的RU资源的发射功率，从而提升整个下行的吞吐量。对于上行来说，通常无线终端的发送功率是低于AP的，这种不对称的发射功率会降低整个上行的吞吐量以及BSS服务的范围。而上行的OFDMA的方式可以弥补这种发射功率的非对称性，AP能够对上行发射功率较弱的无线终端重新调整RU资源的分配来改进无线终端在上行的性能，从而让AP在上行获得整体上更高的信噪比。如图2所示。

2.1.4 802.11ax的OFDMA与传统的多终端信道竞争机制的关系

传统的Wi-Fi标准是基于EDCA（Enhanced Distributed Channel Access）或 者DCF（Distributed Coordination Function），在有多个终端存在的无线网络中，如果要发送Triggerframe，则AP需要在发送过程中竞争信道的访问权限。当AP获得信道访问权限的时候，它就给终端发送Trigger frame来分配RU资源。如果AP的Triggerframe能够及时获得竞争窗口，则各个终端可以尽早使用OFDMA的方式进行通信，从而提高系统的吞吐量。在802.11ax中，为了与传统的终端共存，AP可以为支持802.11ax的终端单独设置EDCA的CWmin和CWmax的参数值，使AP消息的发送能够获得竞争窗口的最大权限。

另外AP在Triggerframe中可以设置终端在进行OFDMA数据传输之前是否需要进行载波检测。如果需要载波检测，则终端至少在包含子载波的20MHz的信道上进行虚拟载波或者物理载波检测。如果物理载波检测过程中发现部分或全部的子信道处于忙碌状态，即终端在子信道上检测到较高能量的信号，则终端就取消上行的发送。另外，如果终端发现上行数据发送的持续时间超过了Triggerframe中定义的持续时间，终端也会取消上行数据的发送。

2.2 802.11ax的物理帧（PHY）格式的改进

802.11ax的物理帧格式在定义的时候既考虑了对传统的无线终端的兼容性，又着重关注物理层传输的效率。参考图3，在上下行的MIMO多用户传输的物理层格式中，包含了各个终端的共同的帧前导。例如在当前所传输的80Mhz带宽中，每个20MHz的信道传输中都复制了相同的帧前导。每个802.11ax的帧前导由两部分组成，即传统的帧前导和802.11ax的新的帧前导，各个20MHz信道中重复的部分指的是传统的帧前导和802.11ax帧前导中的HE-SIG-A字段域。保留传统的帧前导是为了802.11ax设备的前向兼容性，而新的802.11ax的帧前导是为了支持新的802.11ax的设备。

在802.11ax的帧前导的结构中，首先是传统的帧前导的L-SIG字段域，然后802.11ax增加的HE-SIG-A字段域提供了传输所需要的MCS、带宽等参数信息，同时HE-SIG-A也包含了BSScolor、传输时长TXOP（Transmit Opportunity）、上行或下行方向的说明、空分信息等。可以看到HE-SIG-A已经包含了原先传统MAC层中部分相关的信息，带来的好处是在处理完整数据帧之前就已经在物理层上提供了相关信息处理的机制，提高了接收方解码的效率。

在下行的多用户传输中，除了公共的OFDMA资源分配，也有不同用户的传输所特有的RU资源的信息，例如空分数据流等，HE-SIG-B就是为提供这些信息而增加的字段域。

HE-STF和HE-LTF是MIMO技术所需要的字段域。HE-STF是在MIMO传输中用于自动增益控制的估计，HE-LTF是在传输中根据星座映射以及接收处理之间对MIMO的信道估计。

2.3 802.11ax的MAC层技术

除了在物理层上实现OFDMA的信道复用方式，以及新的物理层格式的变化，802.11ax继续在MAC层上做优化，提升高密集无线终端的网络中的数据处理的效率和性能。主要的变化如下：

2.3.1 新的RTS/CTS的处理方式来提高网络传输效率

802.11ax工作组提出了新的RTS/CTS的处理方式，能有效处理隐藏节点的冲突，并且减少网络中高密集网络中多终端之间的冲突的时间和网络的开销。传统的RTS/CTS的使用是根据传输数据的长度来决定的，如果数据的帧长超过了RTS门限，则在传输数据之前首先进行RTS/CTS的握手机制。但是帧长并不是对网络传输效率的最佳判断，因为在较高速率的MCS情况下，即使是较长的数据帧也能很快被传输出去。新802.11ax的RTS/CTS的机制就不再依据帧的长度，而是利用传输的时长（TXOP）来处理RTS/CTS的握手机制，它可能反映网络的实际拥塞情况。

基于时长的RTS/CTS是由AP来控制，AP可以根据网络情况来调整所连接的终端的门限。如果在终端密集使用的环境中有隐藏节点的干扰，则AP可以降低时长的门限，允许RTS/CTS机制发挥作用；否则提高时长的门限，这样可以减少传输吞吐量的开销，优化网络资源。

2.3.2 在高密集网络中扩展BSScolor的适用性

BSScolor是BSS（BasicServiceSet）的标识，它是包含在帧前导中进行传送，是用来区分数据帧来自于哪个BSS。通过这种方式，不需要对整个数据帧进行解码就能判断BSS来源。BSS color的定义最初是来自802.11ah规范，长度是3比特，它的主要作用是为了节能和提高帧处理的效率，例如接收方发现到来的帧不是自己的BSS，则停止把帧上传到MAC层进行处理。BSS color数值是AP随机选择的，为了避免和临近的BSS发送冲突，801.11ax工作组把BSS color的长度从3比特增长到6比特。如果仍然出现冲突，AP所连接的终端可以发出冲突的消息，使得AP能及时更新BSS color的数值。AP通过beacons消息来通告将要更新的BSScolor的值的信息，所有的STA都能收到这样的变化的信息。

2.3.3 更新的网络分配向量（NAV，Network Allocation Vector）机制

在传统的Wi-Fi网络中，NAV是终端在MAC帧的头部来指明后续的帧传输需要占用信道的时间。当其它终端收到相关的MAC帧之后，会根据收到NAV的值来设置自己的数值，并判断信道的忙碌程度。在高密集的用户环境中，终端可能收到来自其它BSS的NAV，导致对信道的状态产生误判，从而产生传输的冲突。在802.11ax的新规范中，终端必须支持两种NAV，分别是自己所属的BSS的NAV，以及其它BSS的NAV，它们可以分别被修改和更新。支持两种NAV对于AP来说是可选的功能。

2.3.4 静默时间（QTP，QuietTimePeriod）

在802.11ax新的规范讨论中，提出了对于Ad hoc或者终端间的两两直接通信的改进措施，因为在高密集网络中，这样的通信模式可能会对整个网络产生很大的性能影响。具体的建议是终端能够向AP发出QTP请求，要求给adhoc传输或者终端间的两两直接通信预留一系列的时间间隔，使得其它终端在这个期间不能访问信道进行通信。在实际场景中QTP带来的改进效果还有待验证。

2.3.5 灵敏度门限控制（DSC，Dynamic Sensitivity Control）和传输功率的自适应调整

灵敏度或载波门限是终端来判断信道是否忙碌的条件，在高密集用户环境中，信道的忙碌程度是不断在发生变化，通过对这样门限的动态地调整，可以让终端自适应地决定是否可以进行传输，以及采用合适的功率进行发送。

3 结束语

802.11ax引入了蜂窝网络的OFDMA技术，但相比移动通信采用授权的频谱以及相同大小的资源块分配，802.11ax在较小空间区域中要处理更多的不可预知的干扰信号，要有更细致的算法来处理不同类型终端的RU资源的分配等，802.11ax在Wi-Fi标准的演进过程中有更多的技术挑战需要妥善解决。

802.11ax在电源节能方面也有新的改进措施，例如只有当前进行发送和接收数据的终端才处于激活状态，而其它终端则可以关闭无线模块，具体的技术有Microsleep模式、从802.11ah中借鉴的Target Wakeup Time（TWT）机制等。

虽然802.11ax的标准制定已经趋于稳定，但在各个厂家的产品的具体实现中，必然还有具体的场景需求需要反复验证和性能提升。例如，AP对于各个终端的OFDMA的传输参数的调度，它的灵活性和效率将对网络的性能有很大的影响；动态调整灵敏度门限和发射功率在实际场景中的应用必然带来实现上的复杂性和测试结果的不确定性等。新的标准在解决已有的问题的同时，在应用中必将带来新的话题要探讨和研究。802.11规范的制定是借鉴了移动通信技术和融合了其它已有的Wi-Fi标准，在无线局域网上的多用户密集部署的效率和性能上的发展，这是前面二十多年来Wi-Fi技术演进的新的重点，可以预计在Wi-Fi标准802.11ax之后还会在这个方向上继续拓展和增强。

在业界已经有很多厂商在积极开发802.11ax的路由器和AP。例如华为发布了基于802.11ax的X-Gen方案，即AP7060DN的无线接入点AP，它支持8x8 MU-MIMO技术、OFDMA空分复用技术和1024QAM调制解调，将现有AP的无线带宽提升3倍，并发用户数量提升4倍。在2018年12月，网络解决方案提供商Aruba推出了基于802.11ax标准的物联网无线AP及为802.11ax优化的接入交换机。

提高用户使用Wi-Fi的体验，增强密集用户下的Wi-Fi传输的效率和性能，这是Wi-Fi技术在演进过程中的重点关注领域，预计在2020年以后802.11ax必然成为Wi-Fi应用的主要技术标准。