802.11ax技術標準 值得期待但無需等待

本文轉載自微信公眾號“ 無線CCIE的那些事兒”(ID：passcciew)，作者：謝清。
      802.11ax 要解決什麼問題?802.11協議族發展至今也有小20年的歷史了，在過去，Wi-Fi的發展主要集中在提升資料連線速率以實現更高的峰值(理論)資料速度上。但現實是在實際設計和部署中，簡單的提升速度不是萬能藥，只靠粗暴地提升速度是無法解決我們面臨的問題的。這就像您開著一輛時速可以達到300公里以上的豪華跑車在北京早晚高峰的二環或者三環路上的感受。

在現實世界中，不同的使用者需求不同，有的需要低延遲低抖動支撐語音通訊、對頻寬要求不高，有的則需要高頻寬，但是對延遲和抖動不敏感。所以當設計一個無線網路以便為所有使用者提供好的體驗，問題不在於Wi-Fi可以傳多快，而是讓Wi-Fi網路有足夠的能力來應對不斷增長的不同連線需求的裝置、應用和服務，這也是我們常說的系統容量。

802.11ax，也稱為高效無線網路(High-EfficiencyWireless - HEW)，透過一系列系統特性和多種機制來增加系統容量，實現更好的一致覆蓋和減少空口介質擁塞來改善Wi-Fi網路的工作方式，使使用者獲得更好的體驗，尤其是在密集使用者環境中，為更多的使用者提供一致和可靠的資料吞吐量，其目標是將使用者的平均吞吐量提高至少4倍。也就是說基於802.11ax的Wi-Fi網路意味著前所未有的高容量和高效率。

如何實現既定目標?

目前看802.11ax技術確認無疑地是會支援更多的傳送和接收的天線以及更多的空間流，同時還會支援更密集的調製模式(802.11ac為256QAM，802.11ax為1024QAM)。大家可能覺得說，這個套路不就是以往我們從11n到11ac，從第一代802.11ac到第二代802.11ac所做的一樣嘛?確實是!

下圖為802.11ax單空間流可以建立的資料連線速率：

但是前面講了，其實我們很多使用者已經在實際的使用過程中發現這樣的一個不斷提速、道路越修越寬的套路已經遠遠不能適應很多場景下的需求了。這有點像我們北京的交通，以往大家認為把路越修越寬，我們的交通狀況就會越來越好。但是經過實踐我們發現這種方式並不能夠從根本上去緩解交通狀況。所以現在的思路是“打通毛細血管”的方式，充分利用衚衕、小區的道路，透過這種微觀的調控來改善我們的交通的狀況。其實對於802.11ax技術本身來講，它的很多亮點也體現在這方面。

下圖是802.11ax技術增強的構成示意圖：

總結來講，802.11ax從兩個大方面實現自己的既定目標。

1. 物理層增強與高效，主要包括：

● 上行和下行方向正交分頻多重進接(OFDMA)

● 上行和下行方向多使用者-多輸入多輸出(MU-MIMO)

● 上行鏈路資源排程

● 最多8個傳送天線和8個接收天線，8個空間流

● 更高的調製方式，1024QAM

2. MAC層增強與高效，主要包括：

● 基本服務集著色(BSS Coloring)

● 雙NAV機制

● 目標喚醒時間(Target Wakeup Time - TWT)

OFDMA

802.11ax借鑑了正交分頻多重進接(OFDMA)這一成熟有效的4G蜂窩技術，在相同的通道頻寬中複用多個使用者。以往我們熟悉的802.11a/g/n/ac技術使用的是正交分頻多工(OFDM)調製方式，其原理是將通道切分為子載波，但是主要是為了防止干擾，單一通道內的子載波必須同時使用。

802.11ax標準則更進一步，將現有的802.11通道(20、40、80和160MHz寬度)劃分成具有預定數量子載波的較小子通道，並將特定子載波集進一步指派給個別使用者。此外，802.11ax標準也仿效LTE專有名詞，將最小的子通道稱為“資源單位”(RU)，每個RU當中至少包含26個子載波。

基於多使用者流量需求，無線接入點將決定如何分配通道，持續分配下行鏈路上所有可用的RU。它可以一次只將整個通道分配給一個使用者，就像802.11 a/g/n/ac當前一樣，或者將其切分以便同時為需要不同頻寬的多個使用者服務。

尤其是在高密度接入環境中，以往單一通道在同一時間內只能由唯一的使用者使用， OFDMA機制可以同時為多個使用者提供較小(但專屬)的子通道，進而改善每位使用者的平均傳輸率。下圖說明了802.11ax系統如何使用不同大小的RU進行通道頻分多工。最小的通道可在每20MHz的頻寬中同時支援容納多達9名使用者。

下表顯示了當802.11ax 無線接入點和無線客戶端協調進行MU-OFDMA操作時，可享有分頻多重進接的使用者人數。

舉個淺顯的例子，OFDM就像用卡車運貨，每個使用者需要運輸的貨物或多或少，但是每個使用者必須用一輛卡車運輸，這會造成資源的浪費。OFDMA可以實現合理的貨物裝配，讓一輛卡車為多個使用者同時運輸。

MU-MIMO

MU-MIMO已經是802.11ac規範的一部分，但它是可選的，這意味著只有第二代802.11ac無線接入點和客戶端裝置才支援它，同時802.11ac MU-MIMO也僅支援作用於下行方向。而MU-MIMO對於802.11ax來說是強制性功能，並同時支援在下行鏈路和上行鏈路中啟用。利用下行鏈路MU-MIMO，無線接入點裝置可以同時向多個接收裝置傳送，使用上行鏈路MIMO-MIMO，無線接入點裝置可以同時從多個發射裝置接收。而OFDMA將接收機分離到不同的RU，透過MU-MIMO，裝置被分離成不同的空間流。

在MU-MIMO方面，802.11ax與802.11ac的操作一樣，裝置使用波束成形技術將封包導向位於不同空間的使用者。也就是說，無線接入點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MCS資料速率以及不同數量的空間串流。

上行MU-MIMO是802.11ax的新特性。無線接入點將透過傳送觸發管理幀的方式啟動來自每個客戶端的同步上行傳輸。當多個使用者的響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波束，並區分每通道上行波束包含的資訊。另外，如圖所示，無線接入點也能啟動上行多使用者傳輸，以接收來自所有參與客戶端的波束成形反饋資訊。

為了啟用上行鏈路多使用者傳輸，無線接入點可以透過傳送一種新的稱之為觸發(Trigger)的控制幀來排程空口，其包含排程資訊(用於客戶端的RU分配，以及每個客戶端可能的調製和編碼方案(MCS))。 此外，Trigger還提供上行鏈路傳輸的同步，因為傳輸在觸發結束後的短幀間隔(SIFS)後啟動。

MU-MIMO和OFDMA，高效的上行鏈路資源排程

在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技術可以分別使用。在多使用者作業模式中，標準會根據情況指定兩種方式來為特定區域內更多使用者進行多工操作：即多使用者-多輸入多輸出(MU-MIMO)或正交分頻多重進接 (OFDMA)，無論為上述何種方式，無線接入點都會充當多使用者作業的中央控制器，這點與LTE基站用來控制多使用者多工的方式相似。

透過了解他們的工作機制您可以看到，OFDMA增加了空口效率，這大大減少了應用的延遲，它在可工作的訊雜比範圍之內對於小資料包的傳輸效率更高、效果更好，極其適合無線語音或者類似應用的場景。而MU-MIMO提升的是系統容量，在高訊雜比條件下傳輸大資料包時效率更高，適合影片、Web瀏覽、辦公場景和應用。

當然，802.11ax 無線接入點也可將MU-MIMO和OFDMA作業結合在一起。為了協調上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸，無線接入點將傳送觸發管理幀給所有使用者。該管理幀會指出每位使用者的空間串流數量和/或OFDMA配置(頻率和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，進而平衡無線接入點從所有上行使用者接收到的功率，同時改善較遠節點的幀接收情況。無線接入點也會指示所有使用者何時可以開始和結束傳輸。如同下圖所示，無線接入點傳送多使用者上行觸發管理幀，告知所有使用者何時可以一起開始傳輸，以及所屬幀的持續時間，以確保彼此能夠同時結束傳輸。一旦無線接入點收到了所有使用者的幀，就會回傳Block ACK以結束作業。

在競爭環境中，使用者無需互相競爭在上行鏈路中傳送資料，而是由802.11ax無線接入點協同安排，以免彼此衝突。這種管理方法將實現更好的資源利用和效率提高。

BSS Coloring

為了改善密集接入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標準還採用了空間複用技術。STA可以識別來自重疊基本服務組(BSS)的訊號，並根據資訊來做出介質競爭和干擾管理的決策。

BSS著色機制使裝置能夠區分自己網路中的傳輸與鄰近網路中的傳輸。自適應功率和靈敏度閾值允許動態調整發射功率和訊號檢測閾值以增加空間重用效率。

沒有空間重用能力的裝置在檢測到其他鄰近網路中正在進行傳輸時會拒絕同時傳送。透過著色機制，無線傳輸在其開始時就被標記，這會幫助周圍其它裝置決定是否允許無線介質被同時使用。即使來自相鄰網路的檢測訊號電平超過傳統訊號檢測閾值，只要適當地減小新傳輸的發射功率，就允許將無線介質視為空閒並開始新的傳輸。

其實所謂的BSS著色機制要達到的目標就是在儘可能的情況下最大地去減少同頻干擾。

當正在主動監聽的STA偵測到802.11ax資料幀時，它會檢查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表標頭檔案中的MAC地址。如果所偵測的協議資料單元(PPDU)中的BSS色彩與所關聯無線接入點已發表的色彩相同，STA就會將該資料幀視為Intra-BSS的資料幀。如果BSS色彩不同，STA就會將該其視為來自重疊的Inter-BSS資料幀。只有在資料幀被驗證為來自Inter-BSS，STA才將介質當成忙碌(BUSY)狀態。

儘管標準仍需定義某些機制來忽略來自重疊BSS的流量，在實作操作中，可以提高檢測Inter-BSS資料幀的空閒通道評估訊號偵測門坎值，並同時降低Intra-BSS流量的門坎值。如此一來，來自鄰近BSS 的流量就不會造成不必要的介質訪問競爭。

雙NAV (Network Allocation Vector)

802.11標準除了使用CCA這一物理機制來判斷當前通道是否為閒置或忙碌中，也採用了網路配置向量(Network Allocation Vector - NAV)這一虛擬載波檢測機制來預測介質忙碌的時間。

但是在密集接入部署情況下，由一個網路發起的幀設定的NAV值會非常容易地被由來自另一個網路的幀重置，這將導致不當的行為和介質衝突。為了避免這種情況，802.11ax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。每個802.11ax STA將維護兩個單獨的NAV - 一個NAV由從STA相關聯的網路發起的幀來修改，另一個NAV由來自重疊網路的幀修改。

同時擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSSNAV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進行自由傳輸。

TWT(Target Wakeup Time)

目標喚醒時間(TWT)是11ax支援的另一個重要的資源排程功能，它借鑑於802.11ah標準。它允許裝置協商他們什麼時候和多久會喚醒傳送或接收資料，允許裝置於信標傳輸週期的其他時間段喚醒。此外，無線接入點可以將客戶端裝置分組到不同的TWT週期，從而減少喚醒後同時競爭無線介質的裝置數量。TWT還增加了裝置睡眠時間，從而大大提高了電池壽命。

802.11ax 無線接入點可以和客戶端協調目標喚醒時間(TWT)功能的使用，無線接入點和無線客戶端會互相交換資訊，當中將包含預計的活動持續時間，以定義讓客戶端訪問介質的特定時間或一組時間。如此一來，無線接入點就可控制需要訪問介質的客戶端之間的競爭和重疊情況。802.11ax 客戶端可以使用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，無線接入點還可另外設定編排議程並將TWT值提供給客戶端，這樣一來，雙方之間就不需要存在個別的TWT協議，此操作稱為 “廣播TWT作業”(見下圖)。

802.11ax還帶來了一些其他改進，應該有助於範圍和響應。 802.11ac只支援5GHz頻段，並使路由器回到802.11n標準，以支援2.4GHz連線，例如802.11ax在5GHz和2.4GHz頻段上執行。 2.4GHz頻譜通常更加擁擠，但也透過牆壁更容易透過，並提供比5GHz連線更好的範圍。並且目標喚醒時間(TWT)允許路由器和無線客戶端就設定的將來時間和一段時間達成一致以進行連線，從而允許路由器最小化需要常規但不連續網路連線的裝置的重疊。定期檢查更新或其他資訊的智慧裝置可以利用此功能來最大限度地減少網路擁塞。

802.11ax標準化現狀

802.11ax無疑是繼802.11ac技術之後最有潛力的寬頻無線通訊技術，就在今年2月，高通剛剛釋出了802.11ax商用晶片，為該技術進入實際商用奏響了進行曲。

但是創新的同時802.11ax也面臨著商業化的挑戰，在2016年12月1日至2017年1月8日的IEEE 802.11 WG會議上，802.11ax的第一版草案投票失敗，只有58%的專家同意批准該草案。與此同時，TGax收到了7,418條評論意見。由於需要解決這些大量的意見，TGax需要花費大量的時間和精力，目前估計802.11ax草案2.0的批准將被推遲到2017年9月。因此，802.11ax修正案的正式公佈可能預計將推遲到2019年。

我們需要坐等802.11ax嗎?

我接觸的一些使用者本身對技術比較瞭解，對於802.11ax技術也有比較深入的瞭解，一些聲音認為我們無需從第一代802.11ac過渡到第二代802.11ac再到802.11ax，而是應該跨過第二代802.11ac，直接一步到位。

我想說的是，這本身無可厚非，如果您的無線網路已經在近期建成，並且支撐您的關鍵業務系統的無線網路只需要第一代802.11ac或者甚至802.11n就能滿足，那麼您儘可以靜觀其變。

而如果您無線網路早已建成並且老式無線網路(例如802.11a/g/n)已經無法滿足您的業務需求，不妨現在就部署基於第二代802.11ac技術的無線網路。我們無需等待802.11ax，隨其自然就好!

這就像您的日常生活和工作如果需要一臺膝上型電腦，您肯定不會因為兩年以後還會有更新更強大型號的膝上型電腦上市就停止現在購買的計劃。