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【网络老爬虫第9期-无线新技术专题】802.11ac技术解析

2017-12-05发布
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802.11ac技术解析 

文/聂树伟

——网络老爬虫(无线新技术专题) 


1      802.11ac标准

如今,用户使用自己的智能终端设备上传照片、视频、欣赏在线电影等,这样的需求推动了WLAN网络在带宽、容量、性能等各个方面都快速的发展。IEEE 802.11工作组在2013年发布了802.11ac的标准,802.11acVHTVery High Throughput)是基于5G频段的802.11n(HT, High Throughput)技术的演进版本,通过物理层、MAC层一系列技术更新实现对1Gbps以上传输速率的支持,它的最高速率可达6.9Gbps,并且支持诸如MU-MIMO这样高价值的技术,能够更好的满足用户的需求。实际在2013年以前,许多WLAN设备厂商已经基于802.11acDraft版本推出了相应的设备,802.11ac技术很早就得到了应用。


2      802.11ac对比802.11n,做了哪些改变?

802.11ac协议对比于802.11n,其关键技术的演进见图1所示:

                                                                                                     图1 802.11n802.11ac

1列出的,802.11ac对比于802.11n,在信道带宽、调制方式、空间流数目以及MIMO模式等都有了较大的改进,下面我们会详细介绍。


3      802.11ac实现高速的决定因素

802.11ac的最大特点就是发送速率快,理想条件下,可以达到6.9Gbps,而在一般条件下,80M带宽,单个VHT STA的性能可以大于500Mbps,多个VHT STA的性能可以大于1Gbps;为了实现如此高速,802.11ac主要通过三个技术手段来实现:更高的信道带宽(80MHz160MHz)、更高的速率调制方式(256-QAM)和更多的空间流NSS8 Spatial Streams)

3.1    802.11ac的信道绑定

802.11n协议中,可以将两个相邻的20MHz子信道绑定在一起作为40MHz信道使用,通过这种简单的方法获得两倍于单个信道的效果。而802.11ac进一步扩展了此机制:两个相邻的20MHz子信道绑定为一个40MHz的信道,两个相邻的40MHz子信道绑定为一个80MHz的信道,两个80MHz子信道绑定为一个160MHz的信道(160MHz80MHz+80MHz)。由此可见,信道绑定需要足够的频谱资源,所以802.11ac只工作在5GHz频段,并且信道绑定的前提是要符合当地的频谱管制,例如中国,为了适应802.11ac的信道带宽绑定机制,新开放了5150-5350MHz(Channel 36-64)频段,加上原来的5735-5835MHz(Channel 149-165)频段,可以提供380MHz信道。

                                                                                                  图2 802.11ac可用信道-中国

802.11ac中,准确描述一个设备的工作信道模式需要如下四个要素:当前工作带宽、当前工作中心频率1、当前工作中心频率2(仅限于80+80模式)和当前的工作信道(即主信道,802.11ac中主信道、辅信道的设定和802.11n是一致的);对比于802.11n,没有了信道向上、向下绑定的概念,而是以中心频率代替。但是由于802.11ac是兼容802.11n的,所以如果在网络中使用的是40M带宽,例如,一个802.11n的客户端连接在了802.11ac的射频上,那么对于客户端来说,还是有信道绑定方向的,而且也必须符合802.11n协议的要求,这一点并不冲突。

3.2 MCSModulation and Coding Scheme

MCS,即Modulation and Coding Scheme(调制编码表),在802.11n协议中定义了77MCS,并且和信道带宽、空间流数相绑定;而802.11ac协议进行了简化处理,只支持10MCS0-9),并且不再与信道带宽、空间流具有绑定关系。如图3,是802.11ac中的MCS设置:

                                                                                                    图3 802.11ac MCS编码率

802.11ac协议支持使用256阶正交振幅调制(256-QAM),每个Symbol可以携带8bit数据,而802.11n最高支持64阶正交振幅调制(64-QAM),每个Symbol可以携带6bit数据,这样在调制方式上可以将数据速率提高1.33倍。但是,在相对较差的环境下,这种高调制会由于误码率的增加而达不到预期的效果,所以256-QAM要求射频具备更高的灵敏度和更小的干扰,需要在信道条件好的状况下使用。

3.3    更多的空间流

802.11ac协议引进了8x8 MIMO的概念,也就是说最多支持8条空间流。 而在802.11n协议中最大支持的是4x4 MIMO(目前主流实现是2x2 MIMO),因此802.11ac在设备的发送/接收空间流上有了很大的提升。

但是,我们需要正确认识NSS=8的意义,因为无线终端STA的天线数量往往是有限的,比如Phone/Pad,大多一根天线;USB无线卡/部分PCIE无线网卡,可能只有2根天线;其他高性能无线网卡3- 4根天线。 所以,单纯增加AP侧的天线和支持的空间流数量,是没有意义的。802.11ac8条流,需要和802.11ac中的另一个重要改进MU-MIMO组合在一起,才能真正发挥作用,这一  点我们在下文的MU-MIMO中还会介绍。


4      802.11ac最有价值的特性:多用户传输

任何技术的发展都不是一蹴而就的,802.11ac也是这样,在其WAVE1版本中包含了一些基本技术,而在WAVE2版本中包含了一些增强功能,最激动人心的就是MU-MIMO了。MU-MIMOMulti-User MIMO),即多用户多入多出技术,即一个802.11ac AP可以同时与多个支持MU-MIMO的用户终端通信,这里的同时是绝对时间点上的同时,数据是并行的。

4.1    MU-MIMO

MU-MIMO,简单的说就是设备依赖于预先学习到的信道状况信息,精确的进行数据发送,在同一时刻通过不同的Stream(天线),向不同的无线终端并发的发送数据,各个接收终端感知不到其它终端数据的干扰,都能够同时接收。

MU-MIMO配合802.11ac支持的NSS=8,使得AP增加流数更具实际意义。如图4所示:

                                                                                       图4 MU-MIMOAP和多个STA同时通信

80M模式,2×2Station单个速率为866.7Mbps;如果采用MU-MIMO技术,8根天线同时向4Station发送数据,则等效速率866.7×4=3.46Gbps,对比于802.11nSU-MIMO(Single User-MIMO)提高了4倍。

802.11ac MU-MIMO,依赖于Beamforming来预先学习信道状况。802.11ac最多支持8条空间流,最多并发向4Station发送数据,每个Station最多发送4条空间流。向不同的Station发送时,可以使用不同的流数、编码方式,但必须使用相同的MCS

4.2    MU-MIMO的应答机制

802.11acMU-MIMO只工作在下行链路上,AP可以同时与几个Station通信,但是上行方向不允许使用MU-MIMO,只能独立地传输。802.11ac中传输的是聚合帧,使用BLOCK ACK进行确认。AP在竞争到信道后发送Multi-User数据帧,并向三个Station独立地请求BLOCK ACK确认及接收应答,图5所示(其中第一个Station可以直接进行BLOCK ACK的应答):

                                                                                                    图5 MU-MIMO的应答机制

4.3    MU-MIMO与队列控制

MU-MIMO对于802.11eWMM)的支持和802.11n是一样的,支持语音、视频、尽力而为和背景4种队列,但是MU-MIMO的排队机制更加复杂,因为MU-MIMO允许在传输高优先级报文的时候“搭车”传输低优先级报文给不同的接收端。例如,MU-MIMO允许AP向一部手机传输语音流的同时,向其他设备发送低优先级数据流。

AP竞争到介质后,就可以开始一次MU传输。在SU-MIMO中,向手机传输语音流的时候,其他的设备必须等待,在MU-MIMO中,可以同时向其他的设备传输低优先级报文。促使AP竞争到介质访问权的接入类(AC)叫做主AC,其他的AC就叫做二级AC,二级AC可以搭便车向其他接收端传输数据流。

如图6,假定四种AC中都有报文需要发送,语音队列中STA3的优先级最高,竞争到了信道,开始一次多用户传输。在SU-MIMO中,只有STA3的流可以发送。在MU-MIMO中,其他的二级AC,例如Video/BE/BK中的报文也可以搭车发送,前提是传输的时间不能超过主AC的时间。图中Video AC中的STA2的数据流加上BE ACSTA1的流量时间不超过主AC STA3的流量时间,可以搭便车发送。而BK AC中的STA4的队列,因为时间不够了,就不能搭便车。

                                                                                                      图6 MU-MIMO队列使用

4.4    MU-Beamforming

Beamforming简单的说就是一种可以将无线信号定向集中在客户端所在方位的一种技术,能够提升信噪比,降低对其他方向的干扰,如图7所示: 

                                                                                                   图7 Beamforming效果显示

Beamforming技术在802.11n之前就存在,802.11n协议将其引入并定义了几种复杂的模式,由于实现相对复杂,很多802.11n产品都选择不实现任何一种;802.11ac为了避免这种情况,简化了Beamforming的机制,只支持Null Data PacketNDPExplicit Beamforming这一种模式。由于802.11nSU-MIMO特性,我们称相对应的BeamformingSU-Beamforming,而在802.11ac中,我们称之为MU-Beamforming,是实现MU-MIMO的基础。

802.11ac采用Explicit方式的Beamforming,要求Beamformer(发送端)和Beamformee(接收端)都需要支持Beamforming特性,一个设备可以同时作为BeamformerBeamformee。下图是简化的交互过程,Beamformer要发送数据,于是先发送帧测量信道信息,根据测量结果来调整波形。

                                                                                                 图8 Beamforming的工作过程

Beamforming依赖信道校准过程来发现如何把信号集中到一个特定方向,同时减弱无关区域的信号,这个过程在协议中称为Channel Sounding。其基本步骤简单描述如下:

1Beamfomer传输一个Null Data Packet Announcement帧来获取信道和探测BeamformeeBeamformee会响应NDP帧。

2Beamformer紧随NDP通告帧传输一个空数据帧,Beamformee可以分析OFDM的训练域并计算信道响应和“Steering Matrix”。

3Beamformee分析收到的NDP,并回馈自己计算的“Matrix

4Beamformer收到NDP并计算出去往Beamformee方位的“Steering Matrix”。

有了“Steering Matrix”(简单的理解就是:Beamforming技术通过信道测量得到的如何向接收方定向传送数据的机制,即如何调整、组合发送方的天线参数能够使传输的方向更加精确,传输的距离更远),Beamformer就可以发送出经过调整的波形。Channel Sounding功能需要占用一定的介质时间,如果Beamforming带来的增益不能弥补信道侦测带来的开销,那么就会降低网路的效率。

802.11n支持的SU-Beamforming工作过程如图9所示:

                                                                                                      图9 单用户信道校准流程

802.11ac中,MU-BeamformingChannel Sounding流程过程如图10所示:

                                                                                                    图10 多用户信道校准流程

从图示中我们可以看出,在802.11ac中主要做了如下改变:

1、第一个Beamformee不需要 Beamforming Report Poll来获取Feedback Matrices,第二个和第三个必须要用。收到多个响应后,Beamformer生成“Steering Matrix”。

2、相比单用户Beamforming,多用户BeamformingSTA Info字段可以有多个,接收地址是广播地址。

当然,为了支持MU-MIMO,在原有802.11n的基础上还有一些细节的改变,如PLCP层改变了VHT-SIG-A字段的格式,以标识到每个客户端的具体流数,Compressed Beamforming Action帧中使用扩展信息标示了一些比SU-MIMO多出的必要的信息等,这里不一一介绍实现细节了。


5      802.11ac MAC层的改变

802.11协议每次技术升级都会涉及到物理层和MAC的改变,如802.11802.11n;本次从802.11n802.11ac也是如此,只不过MAC层的改变相对较少。

5.1    A-MPDU:所有的报文传输都走聚合流程

802.11n协议中定义了两种报文聚合方式:A-MSDUA-MPDU;同时在进行报文传输的时候可以聚合,也可以不聚合;聚合报文长度是随机的,通过Duration字段来限定。而802.11ac协议规定每个PPDU的传输都是一个A-MPDU,即使这个A-MPDU中只包含了一个MPDU,这样就不用再区分报文是否聚合,简化了流程,我们可以称这种实现为802.11ac加强的A-MPDU流程。

同时,802.11ac提高了单个A-MPDU聚合帧的大小到最大1,048,575字节(802.11n最大65,535字节),这样就能够更好的配合802.11ac的物理层高速传输,802.11ac每次传输报文的长度强制要求为OFDM Symbol携带的bit数的整数倍,如果不满足要求,则使用Null Frame填充最后一个OFDM Symbol

5.2    MAC层:Enhanced RTS/CTS

802.11n协议中,设备依靠发送RTS/CTS帧来宣告传输的意向,通过此机制让附近的WLAN设备感知到信道正在使用中,从而避免冲突。而在802.11ac中,由于可以使用更大的频宽,即可用的信道数量非常有限,所以如何发现辅信道上存在的隐藏节点变得更加重要;为了解决这个问题,802.11ac协议定义了增强的RTS/CTS机制,用来检测任何一个辅信道是否被不同的数据传输所占用,即RTSCTS支持“动态频宽”模式。在此模式下,假如部分频带已被占用则只在主用信道上回应CTS帧。发送RTS帧的客户端(STA)则可以回落到一个较低的频宽模式。这将对降低隐藏节点的影响有所帮助。无论怎样,最终的传输频宽总是包括主用信道在内。