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802.11ac Wave 2技术介绍

2016/4/22    来源:h3c    作者:郭强      
关键字:802.11ac  802.11ac Wave 2  WLAN标准  
Wi-Fi之父Vic Hayes以这项产品的应用技术为基础,创建和主导了IEEE(国际电机电子工程学会)802.11无线局域网标准的制定工作,并于1997年推出第一个标准。自此之后,越来越多的无线应用需求促使WLAN标准取得长足发展。
       在导入计算机应用之前,无线传输技术的发展已经有数十年历史。而无线局域网(Wireless Local Area Network;WLAN)技术,源自于1991年NCR与AT&T双方为一家荷兰银行开发的无线收银系统。Wi-Fi之父Vic Hayes以这项产品的应用技术为基础,创建和主导了IEEE(国际电机电子工程学会)802.11无线局域网标准的制定工作,并于1997年推出第一个标准。自此之后,越来越多的无线应用需求促使WLAN标准取得长足发展,表1概括了WLAN主要标准的演进过程。

     WLAN主要标准演进过程

表1 WLAN主要标准演进过程


       2009年发布的IEEE802.11n标准使WLAN传输突破百兆速率,强劲地推动了WLAN的发展。在此基础上,IEEE802.11ac标准的出现使得WLAN网络进入了千兆时代,并在提高性能基础上给终端用户带来了更佳的应用体验。

       ·通过带宽(最高160MHz)、空间流数(最高8条)和调制方式等方面的改善,可以支持更高的性能,进一步满足激增用户对WLAN数据的需求。

       ·此外,IEEE802.11ac工作在5GHz频段,有更多的信道可以使用,随着支持的接入点和终端的普及推广,WLAN网络避开了繁忙的2.4GHz频段,将应用引到相对干净的空间媒介,减少了WLAN设备相互间的干扰,从而提高WLAN网络的稳定性。

       802.11ac第一波(Wave 1)技术通过支持80MHz带宽、以及3条空间流使得物理速率可达到1.3Gbps,相对802.11n产品,性能提升3倍。而802.11ac 第二波(Wave 2)技术相比第一波在如下方面进一步增强:

       ·支持4条空间流,物理速率可以达到1.7Gbps。

       ·部分厂商支持160MHz带宽,但此模式下只能支持2条空间流,总体性能依然是1.7Gbps。

       ·支持多用户多入多出(MU-MIMO,Multi-User Multiple Input Multiple Output),无线接入点同时可以和多个用户进行通信。

       其中MU-MIMO技术突破了无线接入点同时只能和一个用户通信的限制,更充分地利用频谱资源,属于Wave 2的核心技术。

       一、Wave 2的核心技术简介

       随着WLAN网络以及智能终端的普及,越来越多的人开始习惯于使用智能手机和平板电脑进行工作,。根据IDC发布的统计数据显示,2014年智能手机和平板电脑的出货量已经占据83%的上网设备市场份额。智能手机和平板电脑由于受体积、功耗等方面的制约,绝大多数只支持1-2个空间流,而传统的单用户多入多出(SU-MIMO,Single-User Multiple Input Multiple Output)技术要求同一时刻AP只能跟一个客户端单播通信,所以AP上3-4个空间流的性能并不能够完全发挥出来。比如,一台3条流的802.11ac wave 1AP支持的理论物理速率是1.3Gbps,但是当它跟一个普通的1条流的手机或者平板通信时最大只能使用433Mbps的物理速率,总性能的三分之二就被浪费掉了。而802.11ac第二波(Wave 2)产品在发送波束成型(TxBF,Transmit Beamforming)基础上通过引入多用户多入多出(MU-MIMO,Multi-User Multiple Input Multiple Output)技术,使得AP同时可以和多个用户进行通信,从而带来更高的网络性能。

       1、TxBF

       TxBF是802.11n协议里就可选支持的一种用来提高报文传送可靠性的技术,发送端根据评估得到的到接收端的信道状况调整WLAN信号的发射方式,使其“瞄准”接收天线,在接收端到达时信号最强,从而提高无线链路的发送成功率和吞吐量。802.11n协议中支持的TxBF包括简单的“隐式”TxBF和复杂的“显式”TxBF两种。

       “隐式”TxBF处理过程如图1所示。发送端首先向接收端发起信道评估请求,接收端响应请求发送信道评估帧,发送端收到信道评估帧后,从中提取出信道状态信息(CSI,Channel State Information)就是自己到接收端的信道状态信息,并依据此信息调整信号发射方式发送处理过的数据帧。

“隐式”TxBF处理过程

图1 “隐式”TxBF处理过程


       “显式”TxBF处理过程如图2所示。发送端首先向接收端发送信道评估帧,接收端收到信道评估帧后从中提取出CSI信息并在报文里将CSI信息携带传给发送端,发送端接收后便可以知道自己到接收端的CSI信息,并依据此信息调整信号发射方式发送处理过的数据帧。

“显式”TxBF处理过程

图2 “显式”TxBF处理过程


       从上面介绍可以看出无论“隐式”TxBF还是“显式”TxBF都需要接收端的配合,区别在于“显式”TxBF的信道状态信息就是发送端到接收端的信道状况;而“隐式”TxBF将接收端到发送端的信道状态信息认为是发送端到接收端的信道状态,而通常信道并不是对称的,所以“隐式”TxBF精确度要差一些。

       802.11n标准除了定义两种TxBF方式外,“显式”TxBF中接收端给发送端返回的CSI信息的方式也有好几种方式,有太多实现方式可以选择,导致各个厂家实现互不相同,无法互通。802.11ac协议吸取了802.11n的教训,明确定义了一种“显式”的TxBF,从而避免了互通问题。

       2、MU-MIMO

       在TxBF基础上,802.11ac Wave 2中进一步引入了MU-MIMO技术,支持向多个接收端同时发送单播报文,如图3所示。首先AP发送端分别和各个接收端进行交互获取信道状态信息,之后综合这些信道状态信息并据此调整报文发送方式,使给特定接收端的信息到达其它接收端时信号最小甚至感知不到,比如给接收端1的信息在接收端2和接收端3处感知不到,然后将给多个接收端的报文同时从空口发出,各个接收端分别接收属于自己的信息。

 MU-MIMO发送示意图

图3 MU-MIMO发送示意图


       MU-MIMO与SU-MIMO比较差异如图4所示,SU-MIMO方式下每个接收端的信息轮流发送,WLAN网络性能就是1条流的性能;而MU-MIMO方式下多个接受端的报文一起发送,WLAN网络性能成倍提升。当然图中所示是理想情况,实际上MU-MIMO由于有TxBF以及Block ACK等协议报文带来的开销,真实性能约是SU-MIMO的2.5倍左右。

 MU-MIMO和SU-MIMO性能比较

图4 MU-MIMO和SU-MIMO性能比较


       802.11ac通过MU-MIMO消除了AP和客户端支持空间流不对称的问题,进一步提升WLAN整网性能;由于多个客户端同时发送提升了频谱使用效率,更加适用于高密覆盖场景;此外它降低了每个客户端的等待时间从而减少网络延迟,更加适应时间敏感性的应用,比如语音等;而且,由于发送效率的提升使得网络有更多的空余时间给其它客户端,甚至不支持MU-MIMO的客户端都可以从中受益。

       二、Wave 2芯片成熟引发新商战

       今年支持802.11ac的无线设备在整体WLAN设备销量的占比将会突破50%。802.11ac Wave 2相关产业链也已经快速成熟,高通、博通、联发科等主流WLAN芯片供应商都已发布对应芯片组。为了抢占市场,网络设备供应商以及终端厂商也纷纷推出各自支持802.11ac Wave 2的产品,如表2所示。

支持802.11ac Wave 2 主流设备列表

表2 支持802.11ac Wave 2 主流设备列表


       可以预见,未来的802.11ac Wave 2之战,又会像之前Wave 1新品大爆发般,在市场上掀起一波新的高潮。
责任编辑:赵蔓
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