802.11ax 高​效率​無線​標準​簡介

綜覽

802.11ax 又​稱為​「高​效率​無線​標準」​(High-​Efficiency Wireless,​HEW),​旨​在​實現​一項​極具​挑戰​性的​目標:​將​使用者​密集​環境​中的​每位​使用者​平均​傳輸​率​提升​至 4 倍​以上。​這項​全新​標準​著重於​機制​的​實作,​以期​在​人潮​眾多​的​環境​下,​為​更多​使用者​提供​一致​且​穩定​的​資料​流 (平均​傳輸​率)。​本​文件​將​帶領​各位​探索​可​賦予​常見 802.11 標準​「高​效率​無線​標準」​美​稱​的​各項​嶄新​機制。

 

內容

提升​使用者​密集​環境​中的​使用者​傳輸率

簡介

在 2015 年,​知名​汽車​製造商​法拉​利​為​旗下​入門​級​車​系​推出​了​嶄新​車​款:​Ferrari California T。​這​輛​時尚​跑車​採用​的 3.9 公升​渦輪​增壓 V8 引擎,​可​產生​超過 412 千瓦 (553 馬力) 的​動力,​只需​短短 3.6 秒​就​能將​時速​從​零​加速​至 100 公里 (0 到 62 mph),​而​時速​最高​甚至​可達 315 公里 (196 mph)。 [1]

無論​是​引擎、​車身​還是​內​裝,​處處​皆可​看出​法拉​利​設計​人員​的​多項​巧思。​這​款​跑車​不僅​適用於​日常​代步,​還能​在​驚人​的​速度​下​實現​無比​精準​的​駕馭、​流體​運動​與​性能,​勢必​可為​車主​帶來​大幅​縮短​卻​令人​愉悅​的​日常​通勤​體驗。​只是,​如果​身處​路​況​壅塞​不堪、​車​流​走走停停​的​大​都會​中,​就算是​這​款​鮮紅​的​法拉​利​跑車,​也​只怕​毫無​用武之地。

而​此一​情況​正是​現代​人的​最佳​寫照。​許多​人​雖然​與​義大利​高級​跑車​無緣,​卻​坐​擁​疾​速​的​無線​連線​能力。​舉例來說,​全球​第​一個 802.11b Wi-​Fi 標準 (1999 年) 的​最高​連接​速度​為 11 Mbps。​雖然​這項​標準​為​當時​的​一大​創舉,​速度​卻​遠​落於​有線​連線​之後。​數​年後,​802.11a/​g 修正 (2003) 應運而生,​透過​導入​正交​頻​分​多​工 (OFDM) 技術,​將​速度​提升到 54 Mbps。

接著,​802.11n (2009 年) 又​再度​提升​了​連結​速度,​為​使用者​帶來​高達 150 Mbps 的​單一​串​流​連結。​802.11ac 標準​修正 (2013 年) 的​推出​不僅​可在​單一​空間​串​流​中​實現​近 866 Mbps 的​連結​速度,​還能​提供​更寬​的​通道 (160MHz) 以及​更高​的​調​變​階​次 (256-​QAM)。​只要​使用 8 個​空間​串​流 (指定​的​數量​上限),​此一​技術​將可​成就​高達 6.97 Gbps 的​理論​速度​值。​也就是說,​若​使用 802.11ac,​就好​比​以​馬力​強大​的​法拉​利​取代​自家​自行車​或​家用​轎車​一般。

只是,​正如​同​法拉​利​只能​在​管制​賽​道上​發揮​實力​一樣,​除非​您​身處 RF 實驗室,​否則​終究​與​近 7 Gbps 的​高速​無緣。​在​現實​世界中,​每當​使用者​試圖​在​繁忙​的​機場​航​廈​中​使用​公共 Wi-​Fi 查看​電子郵件,​往往會​因​牛步​般​的​資料​傳輸​速度​而​備​感​挫折。​IEEE 802.11 無線 LAN 標準​的​最新​修正 (802.11ax) 則​能​有效​因應​此一​情況

802.11ax 又​稱為​「高​效率​無線​標準」​(HEW),​旨​在​實現​一項​極具​挑戰​性的​目標:​將​使用者​密集​環境​中的​每位​使用者​平均傳輸率提升​至 4 倍​以上。​這項​嶄新​標準​超越​了 802.11ac 的​原始​連結​速度,​可於​人潮​洶湧​的​環境​下​運用​多項​機制,​為​更多​使用者​提供​一致​且​穩定​的​資料​流。

 

重要​功能​與​應用

高​效率​無線​標準​具有​下列​重要​功能:

  • 向下​相容​於 802.11a/​b/​g/​n/​ac。
  • 將​火車站、​機場​與​體育館​等​高​人口密度​地點​的​每位​使用者​平均​傳輸​率​提升 4 倍。
  • 資料​速率​與​通道​寬度​與 802.11ac 相似,​但​可​搭配 1024-​QAM 提供​新的​調​變​與​編碼​組合 (MCS 10 與 11)。
  • 透過 MU-​MIMO 與​正交​頻​分​多​工​存取 (OFDMA) 技術,​進行​指定​的​下​鏈​與​上​鏈​多​使用者​作業。
  • 提供​更大​的 OFDM FFT (4 倍​大)、​更​窄的​子​載​波​間距 (密度​為 4 倍) 以及​更​長​的​符碼​時間 (4 倍),​進而​改善​多​路徑​衰減​環境​以及​室外​的​穩固​性​與​效能。
  • 改善​流量​與​通道​存取​情形。
  • 電源​管理​更為​出色,​可​帶來​更​長​效​的​電池​續航力。

 

高​效率​無線​標準​也​可​滿足​下列​目標​應用​的​需求:

  • 行動​數據​卸載:​在 2020 年,​每個​月​產生​的 Wi-​Fi 卸載​流量​將來​到 38.1 Exabyte,​並​持續​超越​每月​的​行動​流量 (30.6 Exabyte) 預估​值。​[2] 此一​數字​相當於​每分鐘​在​這些​網路​中​移動​超過 6,000 部​的​藍光​電影。
  • 具備​眾多​存取​點,​且​有​高密度​使用者​持有​異質​裝置​的​環境 (機場 Wi-​Fi ≠ 家用 Wi-​Fi)。
  • 室外​或​混合​室外​的​環境。

圖 1. 體育​場​情境​範例:​使用者​密度​高​且​為​混合​式​環境,​適合​做為 802.11ax 佈署​目標

 

密集​環境​中的 Wi-​Fi 傳輸​率​正​面臨著​哪些​挑戰

802.11 通訊​協定​採用​了​載​波​感​測​多​路​存取 (CSMA) 方式,​在此​一​方式​中,​無線​基地​台 (STA) 會​先​感​測​通道,​而且​只會​在​感​測​到​通道​閒置​時 (也就是​沒有​偵測​到​任何 802.11 訊號​時) 進行​傳輸,​藉此​嘗試​避免​衝突。​如果​任​一 STA 聽到​有​其他 STA 存在,​就會​在​再次​收聽​前​等候​一段​時間 (長度​隨機),​以​待​對方​停止​傳輸​並​釋放​通道。​當 STA 可​進行​傳輸​時,​將會​傳輸​完整​的​封包​資料。

Wi-​Fi STA 可​使用​傳送​要求 (RTS)/​清除,​以​傳送 (CTS) 調停​共用​媒體​的​存取。​存取​點 (AP) 每次​只​會將​一個 CTS 封包​發給​一個 STA,​而​對方​則​會將​完整​的​框架​送​回 AP。​接著,​STA 會​等候 AP 用來​告知​封包​已​正確​接收​的​確認​封包 (ACK)。​如果 STA 沒有​及時​收到 ACK,​就會​假設​封包​與​其他​傳輸​產生​衝突,​並​進入​二進位​指數​輪​詢​期間。​在​輪​詢​計數​到期​後,​STA 將​試圖​存取​媒體​並​重新​傳輸​封包。

 

圖 2. 空閒​通道​評估​通訊​協定

 

此​空閒​通道​評估​與​衝突​預防​通訊​協定​雖​有助於​將​通道​平均​分​配給​衝突​網域​中的​所有​參與​者,​但​如果​參與​者​數量​過於​龐大,​分配​效率​會​隨​之​下降。​而​多個 AP 發生​服務​區域​重疊​則是​造成​網路​效率​不​彰​的​另一​原因。​圖 3 中的​某位​使用者 (使用者 1) 隸屬於​左側​的​基本​服務​組 (BSS,​一組​與 AP 產生​關聯​的​無線​用戶​端)。​使用者 1 會與​自身 BSS 內​的​其他​使用者​一同​競爭​媒體​存取​權,​接著​再​與其 AP 交換​資料。​不過,​這位​使用者​仍然​可以​聽到​來自​右側​重疊 BSS 的​流量。

 

圖 3. BSS 重疊​所​造成​的​媒體​存取​效率​不彰

 

在​這個​案例​中,​來自 OBSS 的​流量​會​觸發​使用者 1 的​輪​詢​程序。​這類​型​的​情況​會​導致​使用者​必須​歷經​更​長​的​等待​才能​得到​傳輸​機會,​進而​大幅​拉​低​他們​的​平均​資料​傳輸​率。

第三​個​有待​考量​的​因素​則為​較​寬​通道​的​共用。​舉例來說,​北美​地區​的 802.11ac 作業​只有​一個​可用​的 160 MHz 通道,​而​歐洲​則​只有​兩個。

 

圖 4. 5GHz 頻帶​的 802.11ax 通道​配置​範例

 

使用​較​少​的​通道​規劃​密集​的​涵​蓋​範圍​變得​十分​困難,​而​此一​現象​也​迫使​網路​管理​員​必須​重複​使用​附近​基地​台中​的​通道。​如果​沒有​注意​且​刻意​進行​電源​管理,​使用者​將會​遇到​同​通道​干擾,​除了​會​減損​效能​之外,​還會​將​通道​較​寬​的​既定​優勢​一筆勾銷。​由於 MCS 8、​9、​10 與 11 的​最高​資料​速率​特別​容易​遇到​低​訊​噪​比,​因此​格外​容易​發生​上述​情況。​此外,​在​現有​的 802.11 網路​實作​中,​如果 20 MHz 通道​與 80 MHz 通道​互相​重疊,​不僅​會​造成 80 MHz 通道​無法​使用,​使用者​也會​以​較​窄的​通道​進行​傳輸。​也就是說,​在​高密度​網路​中​實作 802.11ac 的​通道​共用,​將​損​及 80 MHz 通道​的​優勢,​並​以 20 MHz 通道​進行​傳輸。

 

實現​高​效率​的 PHY 機制。

 

PHY 變更

802.11ax 規格​在​標準​的​實體​層​導入​了​多項​大幅​變更。​然而,​它​依舊​可​向下​相容​於 802.11a/​b/​g/​n and /​ac 裝置。​正因​如此,​802.11ax STA 能​與​舊有 STA 進行​資料​傳送​與​接收,​這些​舊有​用戶​端​也能​解​調​與​解碼 802.11ax 封包​表​頭​檔 (雖然​不是​整個 802.11ax 封包),​並於 802.11ax STA 傳輸​期間​進行​輪​詢。

下表​顯示​了​此一​標準​修正​最​重要​的​變更,​以及​與​現行 802.11ac 的​對照:

 

802.11ac

802.11ax

頻帶

5 GHz

2.4 GHz 與 5 GHz

通道​頻寬

20 MHz、​40 MHz、​80 MHz、​80+80 MHz 與 160 MHz

20 MHz、​40 MHz、​80 MHz、​80+80 MHz 與 160 MHz

FFT 大小

64, 128, 256, 512

256, 512, 1024, 2048

子​載​波​間距

312.5 kHz

78.125 kHz

OFDM 符碼​持續​期間

3.2 us + 0.8/0.4 us CP

12.8 us + 0.8/1.6/3.2 us CP

最高​調變

256-​QAM

1024-​QAM

資料​速率

433 Mbps (80 MHz,​1 SS)

6933 Mbps (160 MHz,​8 SS)

600.4 Mbps (80 MHz,​1 SS)

9607.8 Mbps (160 MHz,​8 SS)

 

表 1: 802.11ac 與 802.11ax

 

請​注意,​802.11ax 標準​將​以 2.4 GHz 與 5 GHz 頻帶​運作。​此​規格​定義​了 4 倍​大​的 FFT,​並​乘​以​子​載​波​數。​不過,​802.11ax 也​涵​蓋​了​一項​重大​變更:​將​子​載​波​間距​縮減​到​先前 802.11 修正​的​四分之一,​以​保留​現有​的​通道​頻寬。

 

圖 5. 更​窄的​子​載​波​間距

 

OFDM 符碼​持續​期間​與​循環​式​前​置​區段 (Cyclic Prefix) 也​提高​了 4 倍,​一邊​維持​與 802.11ac 相同​的​原始​連結​資料​速率,​一邊​提升​室內/​室外​與​混合​式​環境​的​效率​及​穩固​性。​只是,​這項​標準​會於​室內​環境​中​指定 1024-​QAM 與​較低​的​循環​式​前​置​區段​比,​以​利​實現​最高​的​資料​速率。

 

波束​賦形

802.11ax 將​採用​與 802.11ac 相似​的​明確​波束​賦​形​程序。​在​這個​程序​中,​波束​賦​形​器​會​使用 Null 資料​封包​啟動​通道​探測​程序,​而​波束​賦​形​接收​端​則會​量​測​通道,​並​使用​波束​賦​形​反饋​架構 (當中​包含​壓縮​的​反饋​矩陣) 做出​回應。 波束​賦​形​器​將​使用​這項​資訊,​來​運算​通道​矩陣 H。​隨後,​波束​賦​形​接收​端​就​能​使用​這個​通道​矩陣,​將 RF 能量​運用​在​每位​使用者​身上。

 

多​使用者​作業:

802.11ax 標準​採用​了​兩種​作業​模式:

單一​使用者:​在​這個​序列​模式​中,​只要​無線 STA 一​取得​媒體​存取​權,​就會​每次​進行​一個​資料​傳送​與​接收​作業 (如同​本​文件​先前​所述)。

多​使用者:​這個​模式​可​用來​同步​進行​多個​非 AP STA 作業。​標準​會將​此一​模式​進一步​劃分​成​下​鏈​與​上​鏈​多​使用者。

  • 下​鏈​多​使用者​是​指​由 AP 同時​提供​給​多個​相關​無線 STA 的​資料。​現有​的 802.11ac 已​具備​這項​功能。
  • 上​鏈​多​使用者​則​涉及​同時​從​多個 STA 傳輸​資料​至 AP。​這是 802.11ax 標準​的​新​功能,​且​不存在​於​任何​舊​版 Wi-​Fi 標準​中。

 

在​多​使用者​作業​模式​中,​標準​也會​指定​兩種​方式​來​為​特定​區域​內​更多​使用者​進行​多​工:​多​使用者 MIMO 與​正交​頻​分​多​工​存取 (OFDMA)。​無論​為​上述​何種​方式,​AP 都會​充當​多​使用者​作業​內​的​中央​控制器,​這點​與 LTE 行動​電話​基地​台​用來​控制​多​使用者​多​工​的​方式​相似。​此外,​802.11ax AP 也​可​將 MU-​MIMO 與 OFDMA 作業​結合​在一起。

 

多​使用者 MIMO

802.11ax 裝置​會​效法 802.11ac 實作,​使用​波束​賦​形​技術​將​封包​同步​導向​位於​不同​空間​的​使用者。​也就是說,​AP 將為​每位​使用者​計算​通道​矩陣,​然後​將​同步​波束​導向​不同​使用者,​而​每​道​波束​都會​包含​適用於​所屬​目標​使用者​的​特定​封包。​802.11ax 每次​最多​可​傳送 8 個​多​使用者 MIMO 傳輸,​遠​高於 802.11ac 的 4 個。​此外,​每個 MU-​MIMO 傳輸​都​具備​專屬​的​調​變​與​編碼​組合 (MCS) 以及​不同​數量​的​空間​串​流。​打個​比​方,​使用 MU-​MIMO 空間​多​工​時,​AP 的​角色​就​等同於​乙太網路​交換​器,​能​減少​自​大型​電腦​網路​至​單一​連接​埠​的​網域​衝突。

MU-​MIMO 上​鏈​導向​提供​了​一項​新​功能:​AP 將​透過​觸發​框架​的​方式​啟動​來自​每個 STA 的​同步​上​鏈​傳輸。​當​多​使用者​的​回應​與​自身​的​封包​一致​時,​AP 就​會將​通道​矩陣​套用​至​已​接收​的​光束,​並​區分​每​道上​鏈​光束​包含​的​資訊。​另外,​如圖 7 所​示,​AP 也能​啟動​上​鏈​多​使用者​傳輸,​以​接收​來自​所有​參與 STA 的​波束​賦​形​反饋​資訊。

 

圖 6. AP 使用 MU-​MIMO 波束​賦​形​服務​位於​不同​空間​位置​的​多​使用者

 

 

圖 7. 波束​賦​形​器 (AP) 要求​通道​資訊​以​進行 MU-​MIMO 作業

 

多​使用者 OFDMA

為了​讓​相同​通道​頻寬​的​更多​使用者​進行​多​工,​802.11ax 標準​採用​了 4G 行動​技術​領域​的​其中​一項​技術​改進:​802.11ax 標準​使用​廣​為 802.11ac 所用​的​正交​頻​分​多​工 (OFDM) 數位​調​變​架構​為​基礎,​會將​特定​子​載​波​集​進一步​指派​給​個別​使用者。​這​表示,​它​會​使用​數量​已​預先​定義​的​子​載​波,​將​現有​的 802.11 通道 (20、​40、​80 與 160 MHz 寬) 劃分​成​較小​的​子​通道。​此外,​802.11ax 標準​也​仿效​現代化​的 LTE 專有名詞,​將​最小​的​子​通道​稱為​「資源​單位」​(RU),​而​當中​至少​包含 26 個​子​載​波。

AP 會​根據​多​使用者​的​流量​需求​來​判斷​如何​配置​通道,​持續​指派​下​鏈​中​所有​可用​的 RU。​它​可能​會將​整個​通道​一次​配置​給​一名​使用者 (如同​現行​的 802.11ac),​也有​可能​將​通道​進行​分配,​以便​同時​服務​多​使用者 (請​參閱​圖 8)。

 

圖 8. 單一​使用者​使用​通道,​與​使用 OFDMA 多​工​相同​通道​中的​不同​使用者

 

在​使用者​密集​環境​中,​許多​使用者​通常​會​透過​成效​不​彰​的​方式​爭取​使用​通道​的​機會,​現在,​此一 OFDMA 機制​會​同時​為​多​使用者​提供​較小 (但​專屬) 的​子​通道,​進而​改善​每位​使用者​平均​傳輸​率。​圖 9 說明​了 802.11ax 系統​如何​使用​不同​大小​的 RU 進行​通道​多​工。​請​注意,​最小​的​通道​可在​每 20MHz 的​頻寬​中​容納​多​達 9 名​使用者。 [4]

 

圖 9. 使用​不同​大小​的​資源​單位​來​細分 Wi-​Fi 通道

 

下表​顯示​了​當 802.11ax AP 與 STA 協調​進行 MU-​OFDMA 作業​時,​可​享有​頻率​多​工​存取​的​使用者​人數。

RU 類型

CBW20

CBW40

CBW80

CBW160 與 CBW80+80

26 子​載​波 RU

9

18

37

74

52 子​載​波 RU

4

8

16

32

106 子​載​波 RU

2

4

8

16

242 子​載​波 RU

1-​SU/​MU-​MIMO

2

4

8

484 子​載​波 RU

N/A

1-​SU/​MU-​MIMO

2

4

996 子​載​波 RU

N/A

N/A

1-​SU/​MU-​MIMO

2

2x996 子​載​波 RU

N/A

N/A

N/A

1-​SU/​MU-​MIMO

 

表 2: 依​通道​頻寬​的 RU 總數

 

多​使用者​上​鏈​作業

為了​協調​上​鏈 MU-​MIMO 或​上​鏈 OFDMA 傳輸,​AP 會將​一個​觸發​框架​傳送​給​所有​使用者。​這個​框架​會​指出​每位​使用者​的​空間​串​流​數量​與/​或 OFDMA 配置 (頻率​與 RU 大小)。​此外,​當中​也會​包含​功率​控制​資訊,​好​讓​個別​使用者​可以​調​高​或​調低​其​傳輸​功率,​進而​平衡 AP 自​所有​上​鏈​使用者​接收​到​的​功率,​同時​改善​較​遠​節點​的​框架​接收​情況。​AP 也會​指示​所有​使用者​何時​可以​開始​與​結束​傳輸。​如同​圖 10 所​示,​AP 會​傳送​多​使用者​上​鏈​觸發​框架,​告知​所有​使用者​何時​可以​一起​開始​傳輸,​以及​所屬​框架​的​持續​時間,​以​確保​彼此​能夠​同時​結束​傳輸。​一旦 AP 收到​了​所有​使用者​的​框架,​就會​回​傳​區塊 ACK 以​結束​作業。

 

圖 10. 協調​上​鏈​多​使用者​作業

 

802.11ax 的​其中​一個​主要​目標,​就是​在​使用者​密集​的​環境​中,​提供 4 倍​以上​的​每位​使用者​傳輸​率。​為了​實現​此一​目標,​這項​標準​的​設計​人員​指定 802.11ax 裝置​必須​支援​下​鏈​與​上​鏈 MU-​MIMO 作業、​MU-​OFDMA 作業,​或是​同時​支援​兩者,​以​因應​規模​更大​的​同時​使用者​數量。

 

實現​高​效率​的 MAC 機制

 

透過​色​碼​實現​空間​重複​使用

為了​改善​密集​部署​情境​中的​系統​層​級​效能​以及​頻譜​資源​的​使用​效率,​802.11ax 標準​實作​了​空間​重複​使用​技術。​STA 可以​識別​來自​重疊​基本​服務​組 (BSS) 的​訊號,​並​根據​這項​資訊​來​做出​媒體​競爭​與​干擾​管理​決策。

當​正在​主動​收聽​媒體​的 STA 偵測​到 802.11ax 框架​時,​它​就會​檢查 BSS 色彩​深度​或 MAC 表​頭​檔​中的 MAC 位址。​如果​所​偵測 PPDU 中的 BSS 色彩​與​所​關聯 AP 已​發表​的​色彩​相同,​STA 就​會將​該​框架​視為 Intra-​BSS 框架。

然而,​如果​所​偵測​框架​的 BSS 色彩​不同,​STA 就​會將​該​框架​視為​來自​重疊 BSS 的 Inter-​BSS 框架。​在​這​之後,​只有​在​需要 STA 驗證​框架​是否​來自 Inter-​BSS 期間,​STA 才將​媒體​當成​忙碌​中 (BUSY)。​不過,​這段​期間​不會​超過​指定​的​框架​酬​載​時間。

儘管​標準​仍​需​定義​某些​機制​來​忽略​來自​重疊 BSS 的​流量,​在​實作​上,​則​可​包含​提高 Inter-​BSS 框架​的​空閒​通道​評估​訊號​偵測 (SD) 門檻​值,​並​同時​降低 Intra-​BSS 流量​的​門檻 (請​參閱​圖 11)。​如此一來,​來自​鄰近 BSS 的​流量​就不會​造成​不必要​的​通道​存取​競爭。

圖 11. 使用​色​碼​進行​空閒​通道​評估

 

當 802.11ax STA 使用​色​碼​架構​的 CCA 規則​時,​它們​也​允許​搭配​傳輸​功率​控制​來​一同​調整 OBSS 訊號​偵測​門檻。​這項​調整​可望​改善​系統​層​級​效能​以及​頻譜​資源​的​使用​效率。​除此之外,​802.11ax STAs 也​可​調整 CCA 參數,​例如​能量​偵測​層​級​與​訊號​偵測​層​級。

除了​使用 CCA 來​判斷​在​目前​框架​中,​媒體​是否​為​閒置​或​忙碌​中 802.11 標準​也​採用​了​網路​配置​向量 (NAV),​這個​時間​機制​會​保持​未來​流量​的​預測,​以供 STA 指出​緊接​在​目前​框架​後​的​框架​需要​多少​時間。​NAV 可​做為​虛擬​載​波​感​測,​用來​為 802.11 通訊​協定​作業​至​關​重要​的​框架​確保​媒體​預約 (例如​控制​框架,​以及 RTS/​CTS 交換​後​的​資料​與 ACK)。

圖 12. MU PPDU 交換​與 NAV 設定​範例

 

負責​開發​高​效率​無線​標準​的 802.11 工作​團隊​可能會​在 802.11ax 標準​中​包含​多個 NAV 欄位,​也就是​採用​兩個​不同​的 NAV。​同時​擁有 Intra-​BSS NAV 與 Inter-​BSS NAV 不僅​可​協助 STA 預測​自身 BSS 內​的​流量,​還能​讓​它們​在​得知​重疊​流量​狀態​時​自由​傳輸。

 

透過​目標​喚醒​時間​省電

802.11ax AP 可以​與​參與​其中​的 STA 協調​目標​喚醒​時間 (TWT) 功能​的​使用,​以​定義​讓​個別​基地​台​存取​媒體​的​特定​時間​或​一組​時間。​STA 與 AP 會​交換​資訊,​而​當中​將​包含​預計​的​活動​持續​時間。​如此一來,​AP 就​可​控制​需要​存取​媒體​之 STA 的​競爭​與​重疊​情況。​802.11ax STA 可以​使用 TWT 來​降低​能量​損耗,​在​自身​的 TWT 來臨​之前​進入​睡眠​狀態。​另外,​AP 還可​另外​設定​排​程​並將 TWT 值​提供​給 STA,​這樣一來,​雙方​之間​就​不需要​存在​個別​的 TWT 協定。​本​標準​將​此​程序​稱為​「廣播 TWT 作業」​(請​參閱​圖 13)。

 

圖 13. 目標​喚醒​時間​廣播​作業​的​範例

 

802.11ax 測試​作業​的​挑戰

 

更​嚴格​的 EVM 規定

現在 802.11ax 會​託管 1024-​QAM 的​相關​支援。​此外,​子​載​波​之間​的​間隔​只有 78.125 KHz。​這​意味著,​802.11ax 裝置​需要​相位​雜訊​效能​有​更​出色​的​震盪​器,​以及​線​性​能力​更​優異​的 RF 前端。​而​量​測 DUT 動作​的​測試儀​器​則會​要求​其 EVM 雜訊​水平​應​遠​低於 DUT。

下表​列出​了 802.11ax 相容​裝置​所​應​符合​的 EVM 等級。

 

16-​QAM

64-​QAM

256-​QAM

1024-​QAM

802.11ax EVM 規定

-19 dB

-27 dB

-32 dB

-35 dB

 

表 3. 802.11ax EVM 規定

 

National Instruments WLAN 測試​系統​將 RF 向量​訊號​收發​器 (VST) 與 NI WLAN Measurement Suite 合而為一,​以​支援 802.11ax 訊號​的​產生​與​分析。​該​軟體​可​支援​自​二元​相位​鍵​移 (MCS0) 至 1024-​QAM (MCS10 與 MCS11) 之間​的​波形。​此外,​NI 的 VST 硬體​可​持續​提供​同級​最佳​的 EVM 準​位​量​測,​以​滿足 RF 特性​參數​描述​與​生產​作業​需求。

 

絕對​與​相對​頻率​錯誤

OFDMA 系統​對​頻率​與​時脈​偏移​有著​極高​的​磁化​率。​因此,​802.11ax 多​使用者 OFDMA 效能​需要​極為​密切​的​頻率​同步​化​與​時脈​偏移​修正。​此舉​將​確保​所有 STA 都能​在​所​配置​的​子​頻道​中​運作,​並將​頻譜​洩漏​的​情況​減至​最低。​此外,​這項​嚴格​的​時序​需求​也​可​確保​所有 STA 都​將​同時​進行​傳輸,​以​回應 AP 的 MU 觸發​框架。

以 4G LTE 系統​來說,​基地​台​會​利用 GPS 授​時​時脈​來​同步​所有​相關​裝置。​然而,​802.11ax AP 不僅​與​這項​優勢​無緣,​還​需要​使用​內建​的​震盪​器​充當​維護​系統​同步​化​的​參考​依據。​之後,​STA 會​自 AP 的​觸發​框架​擷取​偏移​資訊,​並​據此​調整​內部​的​時脈​與​頻率​參考。

802.11ax 裝置​的​頻率​與​時脈​偏移​測試​將​涉及​下列​測試:

  • 絕對​頻率​錯誤:​DUT 會​傳送 802.11ax 框架,​而​測試儀​器​則會​使用​標準​參考​來​量​測​頻率​與​時脈​偏移。​結果​將與​目前 802.11ac 規格​的​所述​數據​相似,​限制​約為 ±20ppm。

 

圖 14. 絕對​頻率​錯誤​量​測​的​簡單​設定

 

  • 相對​頻率​錯誤:​這​將​測試​不​屬於 AP 的 STA 參與​上​鏈​多​使用者​傳輸​以​連結 AP 頻率​的​能力。​測試​程序​包含​兩個​步驟。​首先,​測試儀​器​會將​觸發​框架​傳送​給 DUT。​DUT 將​依照​取自​於​觸發​框架​的​頻率​與​時脈​資訊​進行​自我​調整。​接著,​DUT 會​使用​已​修正​頻率​的​框架​做出​回應,​而​測試儀​器​則會​量​測​這些​框架​的​頻率​錯誤。​在​載​波​頻率​偏移​與​時序​補償​完成​後,​這些​限制​將​密切​維持​在​相​對於 AP 觸發​框架​僅​不到 350 Hz 與 ±0.4 微秒​的​程度。

 

圖 15. 相對​頻率​錯誤​量​測​的​設定

 

STA 功率​控制

與​降低​頻率​與​時脈​錯誤​需求​一樣,​AP 於​上​鏈​多​使用者​傳輸​期間​接收​的​功率,​不應​在​使用者​之間​發生​差異​過大​的​情況。​因此,​AP 必須​控制​每個​獨立 STA 的​傳輸​功率。​AP 可以​使用​觸發​框架,​並於​當中​包含​各個 STA 的​傳輸​功率​資訊。​開發​人員​只需​使用​與​頻率​錯誤​測試​相似​的​兩​步驟​程序,​即可​完成​這項​功能​的​測試。

 

存取​點​接收​器​靈敏度

鑑於 AP 會​充​作​時脈​與​頻率​參考​之​用,​測試 802.11ax AP 的​接收​器​靈敏度​成為​一大​挑戰。​正因​如此,​測試儀​器​需要​在​傳送​封包​至 AP 之前​鎖定 AP,​以​利​封包​錯誤​率​靈敏度​測試​的​進行。

在​傳送​觸發​框架​以​啟動 AP 之後,​測試儀​器​會​配合 AP 調整​自身​的​頻率​與​時脈,​然後​透過​使用​預期​設定​的​封包 (數量​已​預先​定義) 回應 AP DUT。

802.11ax 採用​的​相對​頻率​錯誤​限制​相當​嚴格,​這​也​正是​難題​所在。​測試儀​器​需要​自 AP 傳送​的​觸發​框架​擷取​極為​精確​的​頻率​與​時脈​資訊。​儀器​可能​需要​針對​多個​觸發​框架​執行​這項​計算,​以​確保​頻率​與​時脈​同步​化​順暢​無礙。​因此,​這項​程序​可能會​大幅​延誤​測試​程序​的​進度。

若要​加快​測試​程序​的​腳步,​其中​一個​可行​的​解決​方案​便是​讓 AP 匯出​其​時脈​參考,​好​讓​測試​設備​能​據此​鎖定​自身​時脈。​如此​即可​跳過​根據​觸發​框架​進行​的​初期​同步​化​程序,​並​縮短 AP 接收​器​靈敏度​測試​的​所需​時間。

 

上​鏈​帶​內​散射

在 STA 以 MU-​OFDMA 模式​運作​期間,​它們​會​使用​由 AP 決定​的 RU 配置​來​向上​傳輸​至 AP。​也就是說,​STA 只會​使用​通道​的​一部分。​802.11ax 標準​可能會​指定​上​鏈​帶​內​散射​測試,​以​描述​與​量​測​在​傳輸​器​只​使用​部分​頻率​配置​期間​所​發生​的​散射。

 

圖 16. 潛在​上​鏈​帶​內​散射​測試​遮罩

 

多​使用者​與​更高​階​次​的 MIMO

若​在 MIMO 作業​中​使用​多​達 8 個​天線​測試 802.11ax 裝置,​其​結果​可能會​與​個別​及​連續​測試​每個​訊號​鏈​大不相同。​舉例來說,​來自​各個​天線​的​訊號​可能​會對​彼此​造成​負面​干擾,​並​影響​到​功率​與 EVM 效能,​進而​對​傳輸​率​帶來​負面​且​相當​顯著​的​影響。

測試儀​器​需要​支援​每個​訊號​鏈​的​局部​震盪​器​亞​毫​微秒​同步​化,​以​確保​多個​通道​的​相位​微調​與 MIMO 效能​不會​發生​問題。​NI 的​測試​解決​方案​是以 NI VST 為​基礎​所​建​置​而​成,​當中​採用​了​專利​的​軟​硬體​技術,​可​提供​靈活、​大規模​的 MIMO 設定,​搭配​使用​多​達 8 個、​16 個,​甚或 64 個​同步​通道。

 

結論

802.11ax 可​將​密集​環境​的​每位​使用者​平均​資料​傳輸​率​提升 4 倍,​而​涵​蓋 MU-​MIMO 與 MU-​OFDMA 等​形式​在內​的​多​使用者​技術,​則是​促成​此一​效率​的​最大​幕後​功臣​之一。​針對​人口​密集​環境​做出​的​此一​頻譜​使用​改善,​可望​以​前所未見​的​速度​推廣 802.11ax 的​採用。​然而,​此一​功能​的​實作​也會​為​負責​實現​上述​工程​奇蹟​的​科學家、​工程師​與​技術​人員​帶來​全新​的​挑戰。

NI 彈性​十足​且​模組化​的​平台,​提供​了​備有​簡潔​震盪​器​與​低 EVM 準​位​的​高效能​硬體,​可​用來​進行​子​載​波​間距​密度​為​以往 4 倍​的 1024-​QAM 量​測。​WLAN Measurement Suite 走在 802.11ax 標準​的​最新​發展​尖端,​可​協助​您​設計、​描述、​驗證​與​測試​旗下​的 802.11ax 裝置,​做好​萬全​準備,​以​迎接​多​使用者​革命​的​到來。

 

關於 NI 與 802.11ax 標準

NI 為​平台​架構​系統​供應​商,​致力於​協助​工程師​與​科學家​解決​全球​最​艱鉅​的​工程​挑戰。​NI 會與​標準​機構​及​半導體​領導​廠商​攜手​合作,​針對​包含 IEEE 802.11ax (Draft 0.1) 高​效率​無線​草擬​標準​在內​的​最新​無線​通訊​標準,​開發​適用於​設計、​描述、​驗證​與​測試​的​系統​與​工具。

 

圖 17. NI 802.11 測試​系統​以及 WLAN Measurement Suite 與 VST

 

National Instruments 的 WLAN Measurement Suite 與 PXI RF VST 可​結合​運用,​為 802.11ax 裝置​提供​模組化​且​強大​的​測試​解決​方案。​WLAN Measurement Suite 可為​研究​人員、​工程師​與​技術​人員​帶來​所需​動力​與​彈性,​以​利​產生​與​分析​各種 802.11 波形,​例如 802.11a/​b/​g/​n/​j/​p/​ac/​ah/​af。​現在,​由於​量​測​組合​的​最近​期​更新​著眼​於 802.11ax,​其​使用者​便能​加快 802.11ax 裝置​的​開發​作業。​這個​軟體​可​支援 802.11ax 的​多項​重要​功能,​包括​更​窄的​子​載​波​間距、​1024-​QAM,​與​多​使用者 OFDMA。​更新​過​的​量​測​套​件​也​納入 LabVIEW 系統​設計​軟體​的​範例​程式碼,​能​協助​工程師​快速​且​輕鬆​地​自動化 WLAN 量​測。

 

參考​資料

  • [1] http://​auto.ferrari.com/​en_US/​sports-​cars-​models/​car-​range/​california-​t/​#specifications。​存取​日期:​2016 年 4 月 29 日
  • [2] https://​newsroom.cisco.com/​press-​release-​content?​articleId=1741352。​存取​日期:​2016 年 5 月 1 日
  • https://​newsroom.cisco.com/​press-​release-​content?​articleId=1741352
  • [4] IEEE 802.11-15/0132r16,​規格​架構​文件

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