《電子技術(shù)應(yīng)用》
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802.11ax憑什么戰(zhàn)勝了802.11ad?

2018-10-12
作者:王偉
關(guān)鍵詞: WiFi 802.11ax

  在確定第六代的WiFi協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候,有一段時(shí)間,大家都認(rèn)為會(huì)是802.11ad協(xié)議。802.11ad Wi-Fi的數(shù)據(jù)吞吐量最高為4600Mbps,比當(dāng)時(shí)的802.11ac快四倍。802.11ad 并非由 IEEE 發(fā)布,而是由WiGig聯(lián)盟創(chuàng)建。  802.11ad在2009年正式宣布,然后于2011年與IEEE合作進(jìn)入草案階段,最后在WiGig聯(lián)盟與WiFi聯(lián)盟在2013年合并后正式成為官方WiFi標(biāo)準(zhǔn)。

  與此前所有的 WiFi 標(biāo)準(zhǔn)都不同,802.11ad采用了全新的頻段。802.11b/g/n/ac 采用的是 2.4GHz 或 5GHz 的頻段,而802.11ad采用的是60GHz的頻段,技術(shù)嚴(yán)格來(lái)說(shuō), 802.11ad使用的頻帶在57和66GHz之間,這取決于你居住在世界的哪個(gè)部分。60GHz意味著可以傳輸更多的數(shù)據(jù),但也存在一些缺點(diǎn)。

  最大的問(wèn)題是,頻率越高或波長(zhǎng)越短,吸收率就越大。在真空中這不是問(wèn)題,但在現(xiàn)實(shí)世界中我們卻有木地板和磚墻,這樣高頻波在遠(yuǎn)距離傳輸上會(huì)遇到困難。這就是為什么諸如無(wú)線電和電視的長(zhǎng)波長(zhǎng)(即低頻)信號(hào)可以傳輸很遠(yuǎn)的距離,而諸如可見(jiàn)光的短波長(zhǎng)信號(hào)會(huì)被大多數(shù)材料吸收。

  至于WiFi,它的所有頻率都屬于微波類別,從30000MHz到300GHz之間,波長(zhǎng)分別為1米到1毫米。2.4GHz的老式WiFi標(biāo)準(zhǔn)(a/b/g)的波長(zhǎng)足夠低,具有良好的穿透能力,可以很快地通過(guò)人、門和墻壁。對(duì)于802.11n/ac的5GHz頻率,其可用范圍會(huì)減小,這也是為什么許多路由器支持2.4GHz和5GHz網(wǎng)絡(luò)(以及向后兼容性)的原因,但5GHz頻段在很大程度上只可用于小型家庭。

  對(duì)802.11ad來(lái)說(shuō),信號(hào)甚至無(wú)法穿透單一的磚墻,即便是簡(jiǎn)單的木門也會(huì)對(duì)傳輸帶來(lái)極大的影響。因此,802.11ad的確可以提供非常快的速度,前提是你與路由器在同一個(gè)房間。一旦你走出房間,甚至遠(yuǎn)離路由器的“視線范圍”之外,信號(hào)就會(huì)丟失。

  這也就不難理解,802.11ad最終不敵802.11ax,錯(cuò)失第六代WiFi標(biāo)準(zhǔn)寶座的原因。

  802.11ax可以認(rèn)為是802.11ac的繼續(xù)演進(jìn)。早在2013年IEEE就開(kāi)始了802.11ax的研究,并且在2014年正式成立了ax工作組(Task Group 11ax)。曾在2016年11月和2017年9月分別提出了第一版和第二版標(biāo)準(zhǔn)草案,然而均未能獲得802.11ax工作小組75%以上成員投票認(rèn)可,目前的第三版,也就是3.0版本草案仍在商討中,預(yù)計(jì)會(huì)在2019年完成正式標(biāo)準(zhǔn)化。雖然正式標(biāo)準(zhǔn)化并未完成,但是并不影響802.11ax的技術(shù)發(fā)展。

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  與前代相比(802.11ac),802.11ax主要目標(biāo)是在密集用戶環(huán)境中將用戶的平均吞吐量提高至少4倍。這自然就需要在技術(shù)能力上有足夠的提升,這主要涉及MU-MIMO、OFDMA、MCS三個(gè)方面。

  (一)MU-MIMO技術(shù)

  MU-MIMO即多用戶輸入輸出技術(shù),也是主要應(yīng)用于802.11ac WAVE2的技術(shù)。相較應(yīng)用在802.11n上的MIMO(多天線傳輸)技術(shù)而言,主要改善了路由器天線閑置的情況,允許路由器分割天線,獨(dú)立地為不同的設(shè)備傳輸。

  2015年推出的802.11ac Wave 2一個(gè)主要特性是應(yīng)用了MU-MIMO技術(shù),使得其AP節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)向多個(gè)支持MU-MIMO的客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包,解決了無(wú)線路由器之前一次只能和一個(gè)終端通信的問(wèn)題。802.11ac Wave 2當(dāng)時(shí)支持的最大規(guī)格是4×4 MU-MIMO,可以同時(shí)向4個(gè)終端共享下行的MU-MIMO數(shù)據(jù)包。

  相較而言,802.11ax擁有8×8 MU-MIMO,可以同時(shí)向8個(gè)終端共享上行、下行的MU-MIMO數(shù)據(jù)包。另外,采用802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備從AP向終端發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí),一個(gè)數(shù)據(jù)包可以面向多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送,而且這幾個(gè)終端節(jié)點(diǎn)也能夠協(xié)調(diào),同時(shí)向AP端、網(wǎng)絡(luò)上行發(fā)送數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)AP,AP也可以解碼、同時(shí)接收所有的數(shù)據(jù)包,因此效率就有所提高。

 ?。ǘ㎡FDMA技術(shù)

  802.11ac及之前WiFi標(biāo)準(zhǔn)采用的都是OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制方式,是多載波傳輸方案實(shí)現(xiàn)方式之一。采用該方式的設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中在同一幀里只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包,傳給客戶端的時(shí)候不管幀的大小,從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的角度來(lái)看,在信道發(fā)送方面額外的系統(tǒng)開(kāi)銷都是一樣的。另外,在OFDM系統(tǒng)中,用戶占用了整個(gè)信道,隨著用戶數(shù)量的增多,用戶之間的數(shù)據(jù)請(qǐng)求會(huì)發(fā)生沖突,從而導(dǎo)致當(dāng)這些用戶發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí),服務(wù)質(zhì)量較差。

  802.11ax采用的是OFDMA(正交頻分多址)調(diào)制方式,該技術(shù)是OFDM技術(shù)的演進(jìn)。OFDMA如今已經(jīng)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中普遍應(yīng)用,其可以把各種大小的數(shù)據(jù)包從調(diào)制的角度組合在一起,系統(tǒng)開(kāi)銷可以通過(guò)共享而降低,并能同時(shí)支持上行和下行,因而效率得到提高。同時(shí),OFDMA的符號(hào)的長(zhǎng)度也得以增長(zhǎng),每一個(gè)調(diào)制信號(hào)的符號(hào)長(zhǎng)度變成802.11ac的4倍。調(diào)制的長(zhǎng)度越長(zhǎng),在多路徑的情況下,AP端、客戶端就能有更多的機(jī)會(huì)可以充分利用多路徑,通過(guò)更寬的窗口把不同角度反射過(guò)來(lái)的信號(hào)組合在一起。這就讓實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,特別是遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臅r(shí)候,在多路徑比較強(qiáng)的情況下,解碼能力增強(qiáng),接受的穩(wěn)定性也更大了。

 ?。ㄈ㎝CS(調(diào)制與編碼策略)的提升

  這里涉及到的是QAM,即正交振幅調(diào)制,正交振幅調(diào)制正交載波調(diào)制技術(shù)與多電平振幅鍵控的結(jié)合。802.11ac最高只支持256-QAM,802.11ax可以支持到1024-QAM。由于調(diào)制碼的密度越大,承載的數(shù)據(jù)量也就越大,802.11ax相較802.11ac在承載數(shù)據(jù)量的能力上提高了2到3倍。如果從數(shù)據(jù)角度來(lái)看,單條空間流80M帶寬的關(guān)聯(lián)速率從433Mbps提升到了600.4Mbps,理論最大關(guān)聯(lián)速率(160M帶寬,8條空間流)從6.9Gbps提升到9.6Gbps左右。

  802.11ax也稱為高效無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(High-Efficiency Wireless - HEW),通過(guò)一系列系統(tǒng)特性和多種機(jī)制增加系統(tǒng)容量,通過(guò)更好的一致覆蓋和減少空口介質(zhì)擁塞來(lái)改善Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的工作方式,使用戶獲得最佳體驗(yàn);尤其在密集用戶環(huán)境中,為更多的用戶提供一致和可靠的數(shù)據(jù)吞吐量,其目標(biāo)是將用戶的平均吞吐量提高至少4倍。也就是說(shuō)基于802.11ax的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)意味著前所未有的高容量和高效率。


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