802.11ax​高​效率​无线​标准​介绍

概览

802.11ax,​也​称为​高效​无线​(HEW),​的​目标​是在​密集​用户​环境​中将​用户​的​平均​吞吐量​提高​至少​4​倍,​这​一​目标​极​具​挑战​性。 这​一新​标准​侧重​于​实现​机制,​旨​在​在​多​用户​环境​中​为​更多​用户​提供​一个​一致、​可靠​的​数据​流​(平均​吞吐量)。 本文​将​探讨​新兴​的​机制,​使​广​受欢迎​的​802.11ax​标准​成为​高效​无线​的​标题。

 

内容

在​密集​用户​环境​中​提高​用户​吞吐量

引言

2015​年,​著名​的​汽车​制造​商​法拉​利​发布​了​新​版本​的​入门​级​车​型: the Ferrari California T.  这​款​时尚​跑车​配备​3.9​升​涡轮​增​压​V8​发动​机,​能够​产生​超过​412​千瓦​(553​马力)​的​动力,​可在​3.6​秒​钟​内​从​零​加速​至​100​公里/​小时​(0​至​62​英里/​小时),​这​简直​是​工程​界​的​一大​奇迹。 [1]

法拉​利​的​设计​师​考虑​了​发动​机、​车身​和​内​饰​的​许多​细节,​使​这​款​车辆​成为​日常​车​型,​同时​以​惊人​的​速度​提供​最​精确​的​处理、​流体​运动​和​性能。​这个​伟大​设计​将​大大​缩短​了​每天​上​下班​的​时间。 ​然而,​在​大​城市​大部分​时间​停停​走走​的​拥挤​交通​状况​下,​红色​法拉​利​敞篷车​又能​如何​发挥​作用​呢?

今天​很多​人​发现​自己​处于​这种​情况。​驾驶​意大利​跑车​可能​不是​特权,​但是​却​能够​享受​快速​的​无线​连接​链​路。​第​一个​802.11b Wi-​Fi​标准​(1999​年)​的​最高​链​路​速率​为​11 Mbps。​这​是​很好​的​开始,​但​明显​慢​于​有线​连接。​几年​后,​随着​正交​频​分​复​用​(OFDM)​技术​的​出现,​802.11a/​g​标准​(2003​年)​将​速度​提高​到​54Mbps。

接​下来​的​链​路​速度​提高​归功​于​802.11n(2009​年),​为​用户​提供​高达​150 Mbps​的​单​流​链​路。​802.11ac​标准​(2013​年)​提供​了​更宽​的​信道​(160MHz)​和​更​高阶​的​调制​(256-​QAM),​使得​单​个​空间​流​的​链​路​速度​达到​866Mbps​成为​可能。​如果​使用​规定​的​最高​8​个​空间​流,​这​一​工程​奇迹​的​最高​速度​理论​上​将​达到​6.97 Gbps。​理论​上,​使用​802.11ac​相当​于​用​一台​加强​马力​的​法拉​利​来​替代​自行​车,​甚至​是​替代​家庭​轿车。

然而,​接近​7Gbps​的​速度​可能​只能​在​RF​实验​室​的​受​控​跑到​环境​中​实现。​实际​上,​当​用户​使用​忙碌​的​机场​终端​的​公共​Wi-​Fi​查看​电子​邮件​时,​数据​流量​通常​会​令人​沮丧。​IEEE 802.11​无线​局​域​网​标准​——​802.11ax​——​新​修订​的​版本​正是​为了​改善​这​一​状况。

802.11ax,​也​称为​高效​无线​(HEW),​的​目标​是在​密集​用户​环境​中将​用户​的​平均吞吐量提高​至少​4​倍,​这​一​目标​极​具​挑战​性。​这​一新​标准​提供​了​超过​802.11ac​的​原始​链​路​速度,​实现​了​多种​机制,​可以​在​拥挤​的​无线​环境​中​为​更多​的​用户​提供​一致​且​可靠​的​数据​吞吐量。

 

主要​特点​和​应用

高效​无线​包括​以下​主要​功能:

  • 向后​兼容​802.11a/​b/​g/​n/​ac
  • 在​高密度​情景​下,​如火​车站、​机场​和​体育​馆,​将​用户​平均​吞吐量​提高​4​倍。
  • 与​802.11ac​类似​的​数据​速率​和​信道​宽度,​但​采用​基于​1024-​QAM​的​新​调制​方案​和​编码​集​(MCS 10​和​11)。
  • 通过​MU-​MIMO​和​正交​频​分​多​址​(OFDMA)​技术​指定​下​行​链​路​和​上​行​链​路​多​用户​操作。
  • 更​大型​的​OFDM FFT(大​4​倍)、​较​窄的​子​载波​间隔​(近​4​倍)​和​更​长​的​符号​时间​(4​倍),​以​提高​多​径​衰落​环境​和​室外​的​鲁​棒​性​和​性能。
  • 优​化​了​流量​和​信道​访问
  • 更好​的​电源​管理,​延长​电池​使用​寿命

 

高效​无线​还​适用​于​以下​目标​应用:

  • 移动​数据​卸​载: 到​2020​年,​每月​将​产生​38.1​埃​字​节​的​Wi-​Fi​卸​载​流量,​而且​将​持续​超过​预计​的​每月​移动/​蜂​窝​流量​(30.6​埃​字​节)。 [2]​这​相当​于​每​分钟​通过​这些​网络​传输​6000​多​部​蓝​光​电影。
  • 具有​多个​接​入​点​的​环境​和​具有​异​构​设备​的​高​集中​用户​(机场​Wi-​Fi≠​家庭​Wi-​Fi)
  • 室内/​户外​混合​环境

图 1. 802.11ax​要​部署​的​场景​示例​包括​具有​高​用户​密度​和​混合​环境​的​体育场

 

当前​密集​环境​下​的​Wi-​Fi​吞吐量​挑战

802.11​协议​使用​载波​侦听​多​路​访问​(CSMA)​方法,​其中​无线​站​(STA) 首先​感​测​信道,​并且​仅​当​它们​感知​信道​空闲​时​才​会​发射​信号,​以​避免​冲突。​空闲​是​指​无线​站​没有​检测​到​任何​802.11​信号。​当​一个​STA​检测​到​另一​信道​时,​它​会​在​随机​时间​段​内​等待​此​STA​停止​传输,​而后​再次​监听​此​信道​是否​将​进入​空闲​状态。​当​STA​能够​传输​时,​他们​会​传输​整个​数据​包​的​数据。

Wi-​Fi STA​可以​使用​请求​发送/​清除​发送​(RTS/​CTS)​调解​对​共享​媒体​的​访问。​接​入​点​(AP)​每次​仅​为​一个​站​点​签发​一个​CTS​数据​包,​反过来,​STA​会​将​其​整​帧​发送​至​该​AP。 然后,​STA​等待​来自​AP​的​确认​字符​(ACK),​表示​已​正确​接收​该​数据​包。 如果​STA​没能​及时​接收​ACK,​它​将​假设​此​ACK​数据​包​与​某​个​传送​中的​数据​包​相撞,​这时​该​STA​将​被​移入​二​进制​指数​退避​阶段。 它​会​尝试​访问​媒体​并​在​退避​计数​器​失效​时​重新​传输​数据​包。

 

图 2. 空闲​信道​评估​协议

 

在​冲突​域​范围​内​所有​参与​者​公平​共享​信道​方面,​此​空闲​信道​评估​和​防​冲突​协议​发挥​了​良好​的​作用,​但​当​参与​者​数量​大幅​增长​时,​传输​效率​就​会​下降。 另​一个​导致​网络​效率​低下​的​因素​是​存在​众多​带有​重叠​服务​区​的​AP。 图​3​中​左​图​描绘​了​一个​从​属于​基本​服务​集​(BSS,​指​一​组​与​某​AP​相关​联​的​无线​客户)​的​用户​(用户​1)。 用户​1​将与​另​一个​BSS​集中​的​用户​争夺​媒体​接​入​权,​然后​与其​AP​交换​数据。 但是,​此​用户​仍​能够​监听​来自​右侧​重叠​BSS​的​通信​量。

 

图 3. 因​重叠​BSS​造成​的​媒体​访问​效率​低下

 

在​这种​情况​下,​来自​OBSS​的​流量​将​触发​用户​1​的​避​退​程序。​这类​情况​会​造成​用户​必须​等待​更​长​时间​才能​获得​传输​机会,​大大​降低​了​它们​的​平均​数据​吞吐量。

第三个​需要​考虑​的​因素​是​更宽​信道​的​共享。​例如,​北美​地区​的​802.11ac​运营​只有​一条​160MHz​的​可用​信道,​欧洲​仅​有​两​条​可用​信道。

 

图 4. 5GHz​频​段​的​802.11ax​信道​分配​示例

 

因此,​在​信道​数量​减少​的​情况​下,​密集​覆盖​的​规划​变得​非常​困难。 如​缺乏​准确​和​审慎​的​功率​管理,​用户​将会​遭遇​同​信道​干扰,​这​会​降低​性能,​抵消​来自​更宽​信道​的​大部分​预期​增益。 这种​情况​更易​出现​在​MCS 8、​9、​10​和​11​的​最高​数据​速率​情况​下,​因为​此​速率​更易​受到​信​噪​比​的​影响。 同时,​一个​用户​使用​与​80 MHz​信道​重叠​的​20 MHz​信道​传输,​基本上​都会​导致​80MHz​信道​无效。 在​高度​密集​网络​中​执行​802.11ac​的​信道​共享​会​损害​用于​20 MHz​信道​传输​的​80MHz​信道​增益。

 

高效​PHY​机制

 

PHY​变化

规范​为​本​标准​的​物理​层​带来​了​重大​变化。 但​该​规范​仍​可向​后​兼容​802.11a/​b/​g/​n​和/​ac​设备,​因此​802.11ax STA​可以​与​传统​STA​相互​发送​或​接收​数据。 802.11ax STA​传输​时,​这些​传统​客户​还能够​解调​和​解码​802.11 ax​数据​包​(但​并非​整个​802.11ax​数据​包)​报头​和​退避。 下表​通过​与​现行​802.11ac​标准​的​执行​相对​比,​突出​强调​了​802.11ax​标准​此次​修订​中​最​重要​的​变更。

下表​通过​与​现行​802.11ac​标准​的​执行​相对​比,​突出​强调​了​802.11ax​标准​此次​修订​中​最​重要​的​变更。

 

802.11ac

802.11ax

频段

5 GHz

2.4 GHz和​5 GHz

信道​带宽

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

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

FFT​大小

64, 128, 256, 512

256, 512, 1024, 2048

副​载波​间隔

312.5 kHz

78.125 kHz

OFDM​符号​持续​时间

3.2 us + 0.8/0.4 us CP

12.8 us + 0.8/1.6/3.2 us CP

最高​阶​调制

256-​QAM

1024-​QAM

数据​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​与​802.11ax​比较

 

注意,​802.11ax​标准​将​在​2.4GHz​和​5GHz​带​宽​下​运行。 此​标准​明确​定义​了​四​倍​大​的​FFT,​乘​以​副​载波​的​数量。 但是,​802.11ax​标准​提供​的​一个​重要​变化​是​副​载波​间隔​减少​到此​前​802.11​修订​版​中​副​载波​间隔​的​四分之一,​同时​保留​了​现有​的​信道​带​宽​(图​4)。

 

图 5. 较​窄的​副​载波​间隔

 

OFDM(正交​频​分​多​路​复​用)​符号​持续​时间​和​循环​前​缀​也​增长​了​四​倍,​原始​链​接​数据​率​保持​与​802.11ac​相同,​但​提高​了​在​室内/​户外​及​混合​环境​下​的​效率​和​稳健​性。 但​此​标准​的确​规定​了​室内​环境​下​的​1024-​QAM​和​更低​的​循环​前​缀​比率,​这​将​提升​最大​数据​速率。

 

波束​形成

802.11ax​将​采用​类似​于​802.11ac​的​显​式​波束​成形​过程。 在​该​过程​下,​波束​形成​器​利用​空​数据​包​启动​信道​探测​程序。 波束​形成​器​会​测量​信道​并​使用​包含​压缩​反馈​矩阵​的​波束​形成​反馈​帧​进行​响应。 波束​形成​器​使用​该​信息​来​计算​信道​矩阵H, 然后​使用​该​信道​矩阵​将​RF​能量​聚焦​到​每​个​用户。

 

多​用户​操作: MU-​MIMO​和​OFDMA

802.11ax​标准​有​两​种​工作​模式:

单​用户: 在​这种​顺序​模式​中,​无线​STA​在​安全​访问​媒介​后​一次​发送​和​接收​一个​数据,​如上所述。

多​用户: 此​模式​允许​同时​运行​多个​非​AP STA。 该​标准​将​此​模式​进一步​分为​下​行​和​上​行​多​用户​模式。

  • 下​行​多​用户​是​指​接​入​点​同时​为​多个​相关​无线​STA​提供​的​数据。 现有​的​802.11ac​标准​也​包含​了​此​功能。
  • 上​行​多​用户​模式​是​指​数据​从​多个​STA​到​AP​的​同步​传输。 这​是​802.11ax​标准​的​新增​功能,​以往​任何​版本​的​Wi-​Fi​标准​皆​不​具备​这项​功能。

 

在​多​用户​操作​模式​下,​该​标准​还​规定​了​两​种​能够​在​一定​区域​内​多​路​传输​更多​用户​的​方式: 多​用户​MIMO​和​正交​频​分​多​址​(OFDMA)。 在​这​两​种​方法​中,​AP​作为​中央​控制器​控制​多​用户​操作​的​各个​方面,​这​与​LTE​蜂​窝​基​站​控制​多个​用户​的​多​路​复​用​相似。 802.11ax AP​还​可​将​MU-​MIMO​与​OFDMA​操作​结合​起来。

 

多​用户​MIMO

802.11ax​设备​借鉴​了​802.11ac​的​部署​经验,​将​使用​波束​成形​技术​同步​将​数据​包​发送​至​不同​空间​的​用户​(图​5)。 换​言​之,​AP​会​计算​每​个​用户​的​信道​矩阵,​并​同时​将​波束​导​向​不同​的​用户​——​每​路​波束​包含​针对​其​目标​用户​的​特定​数据​包。 802.11ax​一次​可​支持​8​个​多​用户​MIMO​传输​包​的​发送,​而​802.11ac​一次​可​支持​4​个​MIMO​数据​包。 而且,​每次​MU-​MIMO​传输​都​可能​有​自己​的​调制​和​解码​集​(MCS)​和​不同​数量​的​空间​串​流。 以此​类推,​当​使用​MU-​MIMO​空间​复​用​时,​接​入​点​会​与​以太​网​交换​机​进行​比较,​将​冲突​域​从​大型​计算​机​网络​缩小​至​单​个​端​口。

作为​MU-​MIMO​上​行​方向​的​新增​功能,​AP​将​通过​一个​触发​帧​从​每​个​STA​发起​上​行​同步​传输。 当​多个​用户​及其​数据​包​同时​响应​时,​AP​将​信道​矩阵​应用​于​所​接收​的​波束​并​将​每​个​上​行​波束​包含​的​信息​分开, 同时​它​还​可能​发起​上​行​多​用户​传输,​从而​接收​来自​所有​参与​STA​的​波束​形成​反馈​信息​(图​7)。

 

图 6. AP​使用​MU-​MIMO​波束​成形​为​坐落​在​不同​空间​位置​的​多个​用户​服务

 

 

图 7. 波束​成形​AP​请求​MU-​MIMO​操作​的​信道​信息

 

多​用户​OFDMA

802.11ax​标准​借鉴​4G​蜂​窝​技术​的​技术​进步,​在​相同​信道​带​宽​中​服务​更多​用户​的​另一​技术​是: 正交​频​分​多​址​(OFDMA)。 基于​802.11ac​已经​使用​的​现有​正交​频​分​多​路​复​用​(OFDM)​数字​调制​方案,​802.11ax​标准​进一步​将​特定​的​子​载波​集​分配​给​个体​用户, 即,​它​将​现有​的​802.11​信道​(20、​40、​80​和​160MHz​频宽)​分为​带有​预​定义​数量​的​副​载波​的​更​小子​信道。 802.11ax​标准​还​借用​现代​LTE​术语,​将​最小​子​信道​称为​资源​单元​(RU),​最少​包含​26​个​副​载波。

AP​依据​多个​用户​的​通信​需求​决定​如何​分配​信道,​始终​在​下​行​方向​分配​所有​可用​的​资源​单元。 它​可能​一次​将​整个​信道​仅​分配​给​一个​用户​——​与​802.11ac​当前​功能​相同​——​或者​它​可能​对​其​进行​分​区,​以便​同时​服务​多个​用户​(图​8)。

 

图 8. 使用​信道​的​单​个​用户​与​使用​正交​频​分​多​址​的​同​信道​中的​多​类​用户

 

在​密集​用户​环境​下,​许多​用户​通常​无力​争夺​信道​的​使用​机会,​现在​正交​频​分​多​址​使用​更​小巧​——​但​更​具​专用​性的​子​信道​同时​服务​多个​用户,​因此​提升​了​每​个​用户​的​平均​数据​吞吐量。 802.11ax​系统​可能​通过​不同​的​资源​单元​规模​实现​信道​的​多​路​复​用​(图​9)。 注意,​对于​每​20MHz​带​宽,​信道​的​最小​部分​可​容纳​9​个​用户。 [4]

 

图 9. 使用​多种​资源​单元​规模​细​分​Wi-​Fi​信道

 

下表​显示​当​802.11ax AP​和​各​STA​协调​用于​MU-​OFDMA​操作​时​当前​能够​获得​频率​多​路​复​用​访问​权​的​用户​数量。

RU​类型

CBW20

CBW40

CBW80

CBW160​和​CBW80+80

26​副​载波​RU

9

18

37

74

52​副​载波​RU

4

8

16

32

106​副​载波​RU

2

4

8

16

242​副​载波​RU

1-​SU/​MU-​MIMO

2

4

8

484​副​载波​RU

N/A

1-​SU/​MU-​MIMO

2

4

996​副​载波​RU

N/A

N/A

1-​SU/​MU-​MIMO

2

2x996​副​载波​RU

N/A

N/A

N/A

1-​SU/​MU-​MIMO

 

表​2. 不同​信道​带​宽的​RU​总​数量

 

多​用户​上​行​操作

为了​协调​上​行​MU-​MIMO​或​上​行​OFDMA​传输,​AP​需​向​所有​用户​发送​一个​触发​帧。 此​帧​显示​了​空间​流​的​数量​和/​或​每​个​用户​的​OFDMA​分配​(频率​和​资源​单元​的​大小)。 它​还​包含​功率​控制​信息,​因此​个人​用户​能够​提高​或​降低​他们​的​传输​功率,​以便​均​分​AP​从​所有​上​行​用户​接收​的​功率​并​提升​来自​较​远​节点​的​各​帧​的​接收。 AP​还​通知​所有​用户​传输​开始​和​结束​的​时间。 AP​向​所有​用户​发送​一个​多​用户​上​行​触发​帧​(图​10),​用于​指示​整体​开始​传输​的​确切​时间​以及​各​帧​的​确切​持续​时间,​以​确保​各​用户​同时​完成​传输。 AP​接收​到​来自​所有​用户​的​帧​后,​会​向​用户​返回​一个​块​确认​以​结束​操作。

 

图 10. 协调​上​行​多​用户​操作

 

802.11ax​的​主要​目标​之一​是在​密集​用户​环境​下​将​当前​平均​每位​用户​的​数据​吞吐量​提升​三倍。 基于​这​一​目标,​该​标准​的​制定​者​已​明确​指出​802.11ax​设备​支持​下​行​和​上​行​MU-​MIMO​操作,​MU-​OPDMA​操作,​或​更大​数量​并发​用户​的​MU-​MIMO​操作​和​MU-​OPDMA​操作。

 

高效​MAC​机制

 

基于​色​码​的​空间​复用

为了​改善​密集​部署​场景​中的​系统​层​级​性能​以及​频​谱​资源​的​使用​效率,​802.11ax​标准​实现​了​空间​重用​技术。 STA​可以​识别​来自​重叠​基本​服务​集​(BSS)​的​信号,​并​根据​这项​信息​来​做出​媒体​竞争​和​干扰​管理​决策。

当​正在​主动​收听​媒体​的​STA​侦测​到​802.11ax​讯​框​时,​它​就​会​检查​BSS​色彩​位​(Color Bit)​或​MAC​表​头​文件​中的​MAC​地址。 如果​所​侦测​的​协议​数据​单元​(PPDU)​中的​BSS​色彩​与​所​关联​AP​已​公布​的​色彩​相同,​STA​就​会​将​该​帧​视为​Intra-​BSS​帧。

然而,​如果​所​侦测​帧​的​BSS​色彩​不同,​STA​就​会​将​该​帧​视为​来自​重叠​BSS​的​Inter-​BSS​帧。 在​这​之后,​只有​在​需要​STA​验证​帧​是否​是​Inter-​BSS​帧​期间,​STA​才将​媒体​当成​忙碌​中​(BUSY)。​不过,​这​段​期间​不会​超过​指定​的​帧​负载​时间​长度。

尽管​标准​仍​需​定义​某些​机制​来​忽略​来自​重叠​BSS​的​流量,​在​实现​上,​则​可​包含​提高​Inter-​BSS​帧​的​空闲​信道​评估​信号​检测​(SD)​阈​值,​并​同时​为​Intra-​BSS​流量​维持​较​低​的​阈​值​(图​11)。 这样​一​来,​来自​相邻​BSS​的​通信​量​就​不会​产生​不必要​的​信道​访问​权​竞争。

图 11. 使用​色​码​进行​空闲​通道​评估

 

当​802.11ax STA​使用​基于​颜色​代码​的​CCA​规则​时,​也可以​调整​OBSS​信号​检测​阈​值​以及​发射​功率​控制。 这种​调整​提高​了​系统​级​性能​和​频​谱​资源​的​使用。 此外,​802.11ax STA​可以​调整​CCA​参数,​例如​能量​检测​级别​和​信号​检测​级别。

除了​使用​CCA​来​帮助​当前​帧​确定​媒体​的​忙​闲​状态​之外,​802.11​标准​采用​网络​分配​向量​(NAV)​来​为​STA​指示​媒体​传输​当前​帧​所需​的​时间,​以及​尝试​下​一次​传输​之前​需​等待​的​时间,​NAV​是​一种​预测​未来​流量​的​定​时​器​机制。 NAV​充当​虚拟​载波​侦听,​确保​为​对于​802.11​协议​操作​(例如​控制​帧、​RTS/​CTS​交换​之后​的​数据​和​ACK)​至​关​重要​的​帧​保留​媒体。

图 12. MU PPDU​交换​和​NAV​设定​范例

 

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​不止​一个​NAV​字​段,​很可能​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​重叠​流量​状态​时​自由​传输。

 

通过​目标​唤醒​时间​省电

802.11ax AP​可以​和​参与​其中​的​STA​协调​目标​唤醒​时间​(TWT)​功能​的​使用,​以​定义​让​个别​基​站​访问​媒体​的​特定​时间​或​一​组​时间。 STA​和​AP​会​交换​信息,​包括​预计​的​活动​持续​时间。 如此​一​来,​AP​就​可​控制​需要​访问​媒体​的​STA​之间​的​竞争​和​重叠​情况。 802.11ax STA​可以​使用​TWT​来​降低​能量​损耗,​在​自身​的​TWT​来临​之前​进入​睡眠​状态。 另外,​AP​还​可​另外​设定​时间​计划​并​将​TWT​值​提供​给​STA,​这样​一​来,​双方​之间​就​不需要​存在​独立​的​TWT​协议。 标准​将​此​过程​称为"广播​目标​唤醒​时间​操作"(见​图​13)。

 

图 13. 广播​目标​唤醒​时间​操作​示例

 

802.11ax​测试​挑战

 

更​严格​的​EVM​要求

802.11ax​标准​现在​要求​1024-​QAM​支持。 另外,​子​载波​彼此​之间​的​间隔​只有​78.125KHz。 这​意味​着​802.11ax​设备​需要​具有​更低​相位​噪声​的​振荡​器,​且​RF​前端​具有​更好​的​线性​度。 测量​DUT​行为​的​测试​仪器​反过来​要求​其​EVM​本​底​噪声​明显​低于​DUT。

下表​列出​了​符合​802.11ax​标准​的​设备​可能​必须​满足​的​EVM​级别。

 

16-​QAM

64-​QAM

256-​QAM

1024-​QAM

802.11ax EVM​要求

-19 dB

-27 dB

-32 dB

-35 dB

 

表​3. 802.11ax EVM​要求

 

NI WLAN​测试​系统​将​RF​矢量​信号​​收​发​器​(VST)​与​NI WLAN​测量​套​件​相​结合,​以​支持​802.11ax​信号​的​生成​和​分析。 该​软件​支持​从​BPSK (MCS0)​到​1024-​QAM (MCS10​和​MCS11)​的​波形。 此外,​NI VST​硬件​始终​为​RF​特性​分析​和​生产​测试​需求​提供​出色​的​EVM​本​底​噪声​测量。

 

绝对​和​相对​频率​误差

OFDMA​系统​对​频率​和​时钟​偏移​具有​非常​高​的​灵敏​性。 因此,​802.11ax​多​用户​OFDMA​性能​需要​非常​严格​的​频率​同步​和​时钟​偏移​校正。 这​确保​所有​STA​在​其​分配​的​子​信道​内​精确​地​操作,​最大​程度​减少​频​谱​泄漏。 另外,​严格​的​时序​要求​保证​了​所有​STA​在​响应​AP​的​MU​触发​帧​时​同时​发送。

对于​4G LTE​系统,​基​站​的​一大​优势​是​采用​GPS​驯服​时钟​来​实现​所有​相关​设备​的​同步。 然而,​802.11ax AP​可能​不会​这样​奢侈,​它们​必须​使用​其​内​置​振荡​器​作为​参考​时钟​来​保持​系统​同步。 然后,​STA​从​AP​获取​的​触发​帧​中​提取​偏移​信息​来​调整​其​内部​时钟​和​频率​参考。

802.11ax​设备​的​频率​和​时钟​偏移​测试​将​涉及​以下​测试:

  • 绝对​频率​误差: DUT​发送​802.11ax​帧,​测试​仪器​根据​标准​参考​值​测量​频率​和​时钟​偏移。 这​将与​当前​802.11ac​规范​的​规定​类似,​限制​值​约​为​±20ppm。

 

图 14. 简单​的​绝对​频率​误差​测量​装置

 

  • 相对​频率​误差: 用于​测试​参与​上​行​链​路​多​用户​传输​的​非​AP STA​将​其​频率​调整​为​与​AP​的​频率​一致​的​能力。 测试​过程​分为​两​个​步骤。 首先,​测试​仪器​向​DUT​发送​触发​帧。 DUT​根据​从​触发​帧​导出​的​频率​和​时钟​信息​调整​自身​的​频率​和​时钟。 然后​DUT​通过​频率​校正​帧​进行​响应。 测试​仪器​测量​的是​这些​帧​的​频率​误差。 经过​载波​频率​偏移​和​定​时​补偿​之后,​这些​误差​的​上​下限​严格​保持​在​大约​350 Hz​和​±0.4μs​附近​(相​对于​AP​的​触发​帧)。

 

图 15. 相对​频率​误差​测量​装置

 

STA​电源​控制

与​降低​频率​和​时钟​误差​要求​类似,​对于​所有​用户,​AP​在​上​行​链​路​多​用户​传输​期间​接收​的​功率​不​应有​很大​的​差异。 这​要求​AP​控制​每​个​STA​的​发射​功率。 AP​可以​使用​包含​每​个​STA​的​发射​功率​信息​的​触发​帧​来​进行​控制。 开发​人员​可以​通过​两​个​步骤​测试​此​功能,​方法​与​频率​误差​测试​类似。

 

接​入​点​接收​机​灵敏度

由于​AP​用​作为​时钟​和​频率​参考,​测试​802.11ax AP​的​接收​机​灵敏​度会​存在​额外​的​挑战。​因此,​在​向​AP​发送​数据​包​已​进行​数据​包​误​码​率​灵敏​性​测试​之前,​测试​仪器​必须​锁定​到​AP。

当​AP​发送​触发​帧​开始​启动​时,​测试​仪器​会​调整​其​频率​和​时钟​以​匹配​AP,​然后​按照​预期​的​配置,​发送​预定​数量​的​数据​包​来​响应​AP DUT。

挑战​来自于​802.11ax​的​严格​相对​频率​误差​上​下限。 测试​仪器​必须​从​AP​发送​的​触发​帧​中​得到​非常​精确​的​频率​和​时钟​信息。 这​可能​需要​对​多个​触发​帧​执行​此​计算,​以​确保​正确​的​频率​和​时钟​同步。 因此,​该​过程​可能​会​给​测试​程序​带来​显​着​的​延迟。

加速​测试​程序​的​一个​解决​方法​是​让​AP​导出​其​参考​时钟,​以便​测试​设备​可以​将​其​时钟​锁定​到​参考​时钟。 这​避免​了​基于​触发​帧​的​初始​同步​过程,​从而​缩短​AP​接收​机​灵敏​度​测试​时间。

 

上​行​带​内​辐射

当​STA​在​MU-​OFDMA​模式​下​工作​时,​根据​AP​定义​的​RU​分配​向​AP​发送​数据​包。 也就是说,​STA​只​使用​了​通道​的​一部分。 802.11ax​标准​可能​会对​上​行​链​路​带​内​辐射​测试​进行​规定,​以​分析​和​测量​发射​机​仅​使用​部分​频率​分配​时​产生​的​辐射。

 

图 16. 上​行​带​内​辐射​测试​的​部分​掩模

 

多​用户​和​更​高阶​的​MIMO

使用​MIMO​测试​具有​多​达​8​个​天线​的​802.11ax​设备​所​得到​的​结果​可能​会​与​按​顺序​分别​地​测试​每​个​信号​链​的​结果​截然不同。 例如,​每​个​天线​的​信号​可能​相互​破坏​性​地​干扰​并​影响​功率​和​EVM​性能,​而且​可能​吞吐量​产生​显著​的​不良​影响。

测试​仪器​必须​能够​支持​每​个​信号​链​中​本地​振荡​器​的​亚​纳​秒​同步,​以​确保​多个​通道​的​正确​相位​对​齐​和​MIMO​性能。 NI​测试​解决​方案​基于​NI VST,​使用​获得​专利​的​硬件​和​软件​技术,​实现​了​具有​高达​8、​16​个​甚至​64​个​同步​通道​的​灵活​大规模​MIMO​配置。

 

结论

802.11ax​有望​在​密集​环境​中将​用户​平均​数据​吞吐量​提高​4​倍。​这种​效率​最大​的​推动​因素​之一​是​多​用户​技术,​包括​MU-​MIMO​和​MU-​OFDMA。​在​拥挤​的​环境​中​频​谱​利用​率​的​改进​可能​会​使​802.11ax​以​比​以往​任何​标准​都​更​快​地​被​市场​接受。​然而,​实现​这​一​功能​将给​负责​让​这些​工程​奇迹​变成​现实​的​科学​家、​工程​师​和​技术​人员​带来​全新​的​挑战。

NI​的​灵活​和​模​块​化​平台​提供​了​具有​干净​振荡​器​低​本​底​EVM​的​高性能​硬件,​采用​1024-​QAM​测量​技术,​副​载波​间隔​减小​了​仅​4​倍。 WLAN​测量​套​件​可以​适应​最新​的​802.11ax​标准,​以​帮助​您​设计、​表征、​验证​和​测试​802.11ax​设备,​并​为​多​用户​革命​做好​准备。

 

关于​NI​和​802.11ax​标准

NI​是​基于​平台​的​系统​的​提供​商,​致力​于​帮助​工程​师​和​科学​家​解决​世界上​最​严峻​的​工程​挑战。 NI​与​标准​制定​机构​和​领先​的​半导体​公司​合作​开发​相关​的​系统​和​工具,​以​设计、​表征、​验证​和​测试​最新​的​无线​通信​标准,​包括​IEEE 802.11ax (draft 0.1)​高效​无线​草案​标准。

 

图 17. 基于​WLAN​测量​套​件​和​VST​的​NI 802.11​测试​系统

 

NI WLAN​测量​套​件​和​PXI RF VST​相​结合,​为​802.11ax​设备​提供​强大​的​模​块​化​测试​解决​方案。 WLAN​测量​套​件​为​研究​人员、​工程​师​和​技术​专家​提供​了​所需​的​功能​和​灵活​性​来​生成​和​分析​802.11a/​b/​g/​n/​j/​p/​ac/​ah/​af​等​各种​802.11​波形。 随着​该​测量​套​件​专门​针对​802.11ax​进行​了​更新,​这些​用户​将​可​大幅​加快​其​802.11ax​设备​的​研发​工作。 软件​支持​802.11ax​的​主要​特性,​包括​更​窄的​子​载波​间隔、​1024-​QAM​和​多​用户​正交​频​分​多​址​接​入​(OFDMA)。 升级​版​的​测量​套​件​还​包含​了​LabVIEW​系统​设计​软件​范​例​代码,​以​帮助​工程​师​更​快速、​更​轻松​地​实现​WLAN​测量​自动​化。

 

参考文献

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