概括了802.11ax新版標準的變化，特別是在PHY層面的變化。并探討了新標準的雙操作模式（MU-MIMO和OFDMA模式）及多用戶操作的各個方面。

　　想像一下，當你正置身于人潮鼎沸的機場航站樓，等待你的航班開始登機，突然航空公司宣布你要搭乘的航班取消了。于是你立即使用移動設備查看其他選擇，試著重新安排日程。但是，由于幾乎每個人都在同一時間這樣做，造成航空公司網頁的加載可能需要很長的時間。

　　為什么會這樣？畢竟這是802.11ac網絡。從理論上講，它為80MHz信道提供的單個流速度大于400 Mb/s。

　　802.11ac當然提供了非常快速的鏈接，但這一性能通常對低密度用戶環(huán)境比較有效，即每個訪問點只有幾十個或更少的用戶時。在用戶非常密集的環(huán)境中，802.11ac能夠提供的實際數據吞吐量就會顯著降低。因此，在802.11ax標準中做出的新變化其目的就是要提高擁擠網絡空間中的數據吞吐量。

　　密集環(huán)境下數據吞吐量的挑戰(zhàn)

　　802.11協(xié)議使用了一種載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA）方法，使用這種方法時，無線工作站（STA）首先檢測信道并僅在檢測到信道將閑置時——即當它們未發(fā)現(xiàn)任何802.11信號時才嘗試避免傳輸沖突。當一個STA檢測到另一信道時，它會在隨機時間段內等待此STA停止傳輸，而后再次監(jiān)聽此信道是否將進入空閑狀態(tài)。當STA能夠傳輸時，他們會傳輸整個數據包的數據（圖1）。

　　圖1 空閑信道評估協(xié)議

　　Wi-Fi STA可以使用請求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS/CTS）調解對共享媒體的訪問。接入點（AP）每次僅為一個站點簽發(fā)一個CTS數據包，反過來，STA會將其整幀發(fā)送至該AP。然后，STA等待來自AP的確認字符（ACK），表示已正確接收該數據包。如果STA沒能及時接收ACK，它將假設此ACK數據包與某個傳送中的數據包相撞，這時該STA將被移入二進制指數退避階段。它會嘗試訪問媒體并在退避計數器失效時重新傳輸數據包。

　　在沖突域范圍內所有參與者公平共享信道方面，此空閑信道評估和防沖突協(xié)議發(fā)揮了良好的作用，但當參與者數量大幅增長時，傳輸效率就會下降。STA必須等待更長的時間才能獲取專門的傳輸或接收數據的信道使用權。

　　另一個導致網絡效率低下的因素是存在眾多帶有重疊服務區(qū)的AP。圖2左側描繪了一個從屬于基本服務集（BSS，指一組與某AP相關聯(lián)的無線客戶）的用戶（用戶1）。用戶1將與另一個BSS集中的用戶爭奪媒體接入權，然后與其AP交換數據。但是，此用戶仍能夠監(jiān)聽來自右側重疊BSS的通信量。

　　圖2 因重疊BSS造成的媒體訪問效率低下

　　在這種情況下，重疊BSS（OBSS）的通信量會觸發(fā)用戶1的退避程序。這類情況會造成用戶必須等待更長時間才能獲得傳輸機會，大大降低了它們的平均數據吞吐量。

　　第三個需要考慮的因素是更寬信道的共享（如圖3）。以北美地區(qū)的802.11ac執(zhí)行為例，只有一條160MHz可用信道，歐洲僅有兩條可用信道。

　　圖3 5GHz寬帶上的802.11 ax信道分配實例

　　因此，在信道數量減少的情況下，密集覆蓋的規(guī)劃變得非常困難。如缺乏準確和審慎的功率管理，用戶將會遭遇同信道干擾，這會降低性能，抵消來自更寬信道的大部分預期增益。

　　這種情況更易出現(xiàn)在MCS 8、9、10和11的最高數據速率情況下，因為此速率更易受到信噪比的影響。同時，一個用戶使用與80 MHz信道重疊的20 MHz信道傳輸，基本上都會導致80MHz信道無效。在高度密集網絡中執(zhí)行802.11ac的信道共享損害了用于20 MHz信道傳輸的80MHz信道增益。

　　高效PHY機制

　　規(guī)范為本標準的物理層帶來了重大變化。但該規(guī)范仍可向后兼容802.11a/b/g/n和/ac設備，因此802.11ax STA可以與傳統(tǒng)STA相互發(fā)送或接收數據。802.11ax STA傳輸時，這些傳統(tǒng)客戶還能夠解調和解碼802.11 ax數據包（但并非整個802.11ax數據包）報頭和退避。表1通過與現(xiàn)行802.11ac標準的執(zhí)行相對比，突出強調了802.11ax標準此次修訂中最重要的變更。

　　表1 802.11ac和802.11ax的主要PHY差異

　　注意，802.11ax標準將對2.4GHz和5GHz帶寬進行規(guī)范。此標準明確定義了四倍大的FFT，乘以副載波的數量。但是，802.11ax標準提供的一個重要變化是副載波間隔減少到此前802.11修訂版中副載波間隔的四分之一，同時保留了現(xiàn)有的信道帶寬（圖4）。

　　圖4 較狹窄的副載波間隔

　　OFDM（正交頻分多路復用）符號持續(xù)時間和循環(huán)前綴也增長了四倍，原始鏈接數據率保持與802.11ac相同，但提高了在室內/戶外及混合環(huán)境下的效率和穩(wěn)健性。但此標準的確規(guī)定了室內環(huán)境下的1024-QAM和更低的循環(huán)前綴比率，這將提升最大數據速率。

　　多用戶作業(yè)：MU-MIMO和OFDMA

　　802.11ax標準具備兩種作業(yè)模式：

　　1. 單用戶：在這個序列模式下，無線工作站（STA）在獲得媒體訪問權后一次發(fā)送并接收一個數據。

　　2. 多用戶：此模式允許多個非接入點STA的同時操作。該標準進一步將此模式分為下行和上行多用戶模式。

　　? 下行多用戶模式是指接入點同時為多個相關無線STA提供的數據?，F(xiàn)行802.11ac標準也包含此功能。

　　? 上行多用戶模式是指數據從多個STA到AP的同步傳輸。這是802.11ax標準的新增功能，以往任何版本的Wi-Fi標準皆不具備這項功能。

　　在多用戶操作模式下，該標準還規(guī)定了兩種能夠在一定區(qū)域內多路傳輸更多用戶的方式：多用戶MIMO和正交頻分多址（OFDMA）。在這兩種方法中，AP作為中央控制器控制多用戶操作的各個方面，這與LTE蜂窩基站控制多個用戶的多路復用相似。802.11ax AP還可將MU-MIMO與OFDMA操作結合起來。

　　多用戶MIMO

　　802.11ax設備借鑒了802.11ac的執(zhí)行經驗，將使用波束成形技術同步將數據包發(fā)送至不同空間的用戶（圖5）。換言之，AP會計算每個用戶的信道矩陣，并同時將波束導向不同的用戶——每路波束包含針對其目標用戶的特定數據包。802.11ax一次可支持8個多用戶MIMO傳輸包的發(fā)送，而802.11ac一次可支持4個MIMO數據包。而且，每次MU-MIMO傳輸都可能有自己的調制和解碼集（MCS）和不同數量的空間串流。

　　圖5 AP使用MU-MIMO波束成形為坐落在不同空間位置的多個用戶服務

　　作為MU-MIMO上行方向的新增功能，AP將通過一個觸發(fā)幀從每個STA發(fā)起上行同步傳輸。當多個用戶及其數據包同時響應時，AP將信道矩陣應用于所接收的波束并將每個上行波束包含的信息分開，同時它還可能發(fā)起上行多用戶傳輸，從而接收來自所有參與STA的波束形成反饋信息（圖6）。

　　圖6 波束成形AP請求MU-MIMO操作的信道信息

　　多用戶OFDMA

　　802.11ax所采用的在相同信道帶寬中服務更多用戶的另一執(zhí)行技術是OFD-MA?；?02.11ac已經使用的現(xiàn)有正交頻分多路復用（OFDM）數字調制方案，802.11ax標準進一步將特定的副載波集分配給個體用戶，即，它將現(xiàn)有的802.11信道（20、40、80和160MHz頻寬）分為帶有預定義數量的副載波的更小子信道。802.11ax標準將最小子信道稱為資源單元（RU），最少包含26個副載波。

　　AP依據多個用戶的通信需求決定如何分配信道，始終在下行方向分配所有可用的資源單元。它可能一次將整個信道僅分配給一個用戶——與802.11ac當前功能相同——或者它可能對其進行分區(qū)，以便同時服務多個用戶（圖7）。

　　圖7 使用信道的單個用戶VS使用正交頻分多址的同信道中的多類用戶

　　在密集用戶環(huán)境下，許多用戶通常無力爭奪信道的使用機會，現(xiàn)在正交頻分多址使用更小巧——但更具專用性的子信道同時服務多個用戶，因此提升了每個用戶的平均數據吞吐量。802.11ax系統(tǒng)可能通過不同的資源單元規(guī)模實現(xiàn)信道的多路復用（圖8）。注意，對于每一20MHz帶寬，信道的最小部分可容納9個用戶。

　　圖8 使用多種RU規(guī)模細分Wi-Fi信道

　　表2顯示當802.11ax AP和各STA協(xié)調用于MU-OFDMA操作時當前能夠獲得頻率多路復用訪問權的用戶數量。

　　表2 以信道帶寬為依據的資源單元總數

　　多用戶上行操作

　　要協(xié)調上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸，AP需向所有用戶發(fā)送一個觸發(fā)幀。此幀顯示了空間流的數量和/或每個用戶的OFDMA分配（頻率和資源單元的大小）。它還包含功率控制信息，因此個人用戶能夠提高或降低他們的傳輸功率，以便均分AP從所有上行用戶接收的功率并提升來自較遠節(jié)點的各幀的接收。AP還通知所有用戶傳輸開始和結束的時間。AP向所有用戶發(fā)送一個多用戶上行觸發(fā)幀（圖9），用于指示整體開始傳輸的確切時間以及各幀的確切持續(xù)時間，以確保各用戶同時完成傳輸。AP接收到來自所有用戶的幀后，會向用戶返回一個塊確認以結束操作。

　　圖9 協(xié)調上行多用戶操作

　　802.11ax的主要目標之一是在密集用戶環(huán)境下將當前平均每位用戶的數據吞吐量提升三倍。以這一目標為已任，該標準的制定者已明確指出802.11ax設備支持下行和上行MU-MIMO操作，MU-OPDMA操作，或更大數量并發(fā)用戶的MU-MIMO操作和MU-OPDMA操作。

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