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【全面】解析第六代Wi-Fi 802.11ax 射頻技術的先進之處

 

當我們還在糾結是否換掉家用老式無線路由器的時候，無線技術卻在加速演進中。在以高通、博通、Quantenna等芯片廠商為首的上游企業帶動下，支持下一代無線標準的802.11ax無線芯片紛紛亮相，甚至支持該無線制式的路由器也已出爐，都讓WLAN（無線局域網）標準向第六代演進的路徑變得更為明晰與真切起來。

802.11g/n助Wi-Fi稱霸 

WiFi/802.11技術演進時間表

根據2017年6月7日IDC公布的WLAN（無線局域網）市場調研數據顯示，802.11ac已成為2017年季度消費級WLAN市場的一大亮點，收入和出貨量同比分別增長了17.6%和48.5%。

即便在企業級無線AP上，搭載802.11ac標準的AP出貨量也達到了70.9%，收益占比達到84.7%，成為取代802.11n標準的新動力，而有預測稱802.11n將會在2018年年底*被淘汰掉。

那么在性能表現似乎已經相當不錯的802.11ac之后，還會有哪種無線標準能給Wi-Fi帶來質的新飛躍呢？

答案只有802.11ax了。

作為接棒802.11ac的下一代Wi-Fi，802.11ax在理論無線速率方面的平均吞吐量能達到802.11ac標準的4倍。

802.11ax理論吞吐量可達802.11ac的4倍

802.11ax又稱為「率無線標準」(High-Efficiency Wireless, HEW)，旨在實現一項挑戰性的目標：將用戶密集環境中的每位用戶平均傳輸率提升至4倍以上。這項全新標準著重于機制的實作，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數據流(平均傳輸率)。本文將帶領各位探索802.11ax 標準「率無線標準」各項嶄新機制。

2013年推出的802.11ac標準不僅可在單一空間串流中實現近866Mbit/s的鏈接速度，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(標準的數量上限)，此一技術將可成就高達6.97Gbit/s的理論速度值。只是，正如同法拉利只能在管制賽道上發揮實力一樣，除非您身處射頻實驗室，否則很難使用到7Gbit/s的高速無線網絡。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，往往會因牛步般的網絡速度而備感挫折。

IEEE 802.11無線LAN標準的修正802.11ax將能有效解決此一問題。802.11ax又稱為「率無線標準」(HEW)，旨在實現一項挑戰性的目標：將用戶密集環境中的每位用戶平均傳輸率提升至4倍以上。

強化高密度使用情境網絡表現

率無線標準具有下列重要功能：

向下兼容于802.11a/b/g/n/ac。

將火車站、機場等高人口密度地點的每位用戶平均傳輸率提升4倍。

數據速率和信道寬度與802.11ac相似，但可搭配1024-QAM提供新的調變和編碼組合(MCS 10和11)。

透過MU-MIMO和正交頻分多任務存取(OFDMA)技術，進行的下鏈和上鏈多用戶作業。

提供四倍大的OFDM FFT、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和性能。

改善流量和通道存取情形。

電源管理更為出色，可帶來更長效的電池續航力。

率無線標準也可滿足下列目標應用的需求：

行動數據卸除：在2020年，每個月產生的Wi-Fi卸除流量將來到38.1Exabyte，并持續超越每月的行動流量(30.6EB)預估值。此一數字相當于每分鐘在這些網絡中移動超過6,000部藍光電影。

具備眾多存取點，且有高密度用戶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。

現有Wi-Fi機制不利高密度傳輸

802.11通訊協議采用了載波感測多路存取(CSMA)方式，在此一方式中，無線基地臺(STA)會先感測通道，而且只會在感測到通道閑置時進行傳輸，藉此嘗試避免沖突(圖1)。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，以待對方停止傳輸并釋放通道。當STA可進行傳輸時，將會傳輸完整的封包數據。

圖1、空閑通道評估通訊協議

Wi-Fi STA可藉由RTS/CTS封包來調停共享媒體的存取。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沖突，并進入二進制指數輪詢期間。在輪詢計數到期后，STA將試圖存取媒體并重新傳輸封包。

此空閑通道評估和沖突預防通訊協議雖有助于將信道平均分配給沖突網域中的所有參與者，但如果參與者數量過于龐大，分配效率會隨之下降；多個AP服務區域重迭，則是造成網絡效率不彰的另一原因。圖2中的某位使用者(使用者1)隸屬于左側的基本服務組(BSS，一組與AP產生關聯的無線客戶端)。使用者1會與自身BSS內的其他用戶一同競爭媒體存取權，接著再與其AP交換數據。不過，這位使用者仍然可以聽到來自右側重迭BSS的流量。

圖2、BSS重迭所造成的媒體存取效率不彰

在這個案例中，來自OBSS的流量會觸發用戶1的輪詢程序，導致用戶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數據傳輸率。

第三個有待考慮的因素則為較寬通道的共享。舉例來說，北美地區的802.11ac只有一個可用的160MHz通道，而歐洲則有兩個(圖3)。

圖3、5GHz頻帶的802.11ax信道配置范例

使用較少的通道規劃密集的涵蓋范圍變得十分困難，而此一現象也迫使網絡管理員必須重復使用附近基地臺中的信道。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，除了會減損性能之外，還會將通道較寬的既定優勢一筆勾銷。在調變和編碼模式(MCS)8、9、10和11以高數據速率傳送數據時，特別容易遇到低訊噪比的情況，因此格外容易使網絡性能受到影響。此外，在現有的802.11 網絡實作中，如果20MHz信道與80MHz信道重迭，不僅會造成80MHz通道無法使用，用戶也會以較窄的通道進行傳輸。也就是說，在高密度網絡中實作802.11ac的通道共享，將損及80MHz通道的優勢，并以20MHz通道進行傳輸。

802.11ax PHY變更

802.11ax標準在物理層導入了多項大幅變更。然而，它依舊可向下兼容于802.11a/b/g/n與ac裝置。正因如此，802.11ax STA能與舊有STA進行數據傳送和接收，舊有客戶端也能解調和譯碼802.11ax封包表頭檔(雖然不是整個802.11ax封包)，并于802.11ax STA傳輸期間進行輪詢。表1顯示此一標準修正重要的變更以及與現行802.11ac的對照。

表1

請注意，802.11ax標準將在2.4GHz和5GHz頻帶運作。此規格定義了4倍大的FFT，以及數量更多的子載波。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標準的四分之一，以保留現有的通道帶寬(圖4)。

圖4、更窄的子載波間距

OFDM符碼持續期間和循環前綴區段(Cyclic Prefix, CP)也提高4倍，一邊維持與802.11ac相同的原始鏈接數據速率，一邊提升室內/室外和混合式環境的效率及穩固性。不過，ax標準會于室內環境中1024-QAM和較低的循環式前置區段比，以利實現高的數據速率。

波束成形

802.11ax將采用與802.11ac相似的明確波束成形程序。在這個程序中，波束成形器會使用Null數據封包啟動信道探測程序，而波束成形接收端則會測量通道，并使用波束成形反饋架構(當中包含壓縮的反饋矩陣)做出回應。波束成形器將使用這項信息來運算信道矩陣H。隨后，波束成形接收端就能使用這個通道矩陣，將射頻能量運用在每位使用者身上。

多用戶作業：MU-MIMO與OFDMA

802.11ax標準采用了兩種作業模式，分別是單一使用者與多使用者。在單一用戶序列模式中，只要無線STA一取得媒體存取權，就會每次進行一個數據傳送和接收作業。在多用戶模式下，可同步進行多個非AP STA作業。標準會將此一模式進一步劃分成下鏈和上鏈多使用者。

下鏈多使用者是指由AP同時提供給多個相關無線STA的數據。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傳輸數據至AP。這是802.11ax標準的新功能，且不存在于任何舊版Wi-Fi標準中。

在多用戶作業模式中，標準也會兩種方式來為特定區域內更多用戶進行多任務：多使用者MIMO(MU-MIMO)和正交頻分多任務存取(OFDMA)。無論為上述何種方式，AP都會充當多用戶作業內的中央控制器，這點與LTE基地臺用來控制多使用者多任務的方式相似。此外，802.11ax AP也可將MU-MIMO和OFDMA作業結合在一起。

在MU-MIMO方面，802.11ax裝置會效法802.11ac實作，使用波束成形技術將封包同步導向位于不同空間的使用者。換言之，AP將為每位用戶計算通道矩陣，然后將同步波束導向不同用戶，而每道波束都會包含適用于所屬目標用戶的特定封包。802.11ax每次多可傳送8個多使用者MIMO傳輸，遠高于802.11ac的4個。此外，每個MU-MIMO傳輸都具備專屬的MCS以及不同數量的空間串流。打個比方，使用MU-MIMO空間多任務時，AP的角色就等同于以太網絡交換器，能減少自大型計算機網絡至單一端口的網域沖突。

MU-MIMO上鏈導向提供了一項新功能：AP將透過觸發訊框的方式啟動來自每個STA的同步上鏈傳輸。當多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，并區分每道上鏈波束包含的信息。另外，如圖5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的波束成形反饋信息。

圖5、波束成形器(AP)要求信道信息以進行MU-MIMO作業

在MU-OFMDA部分，為了讓相同通道帶寬的更多用戶進行多任務，802.11ax標準采用了4G行動技術領域中的正交頻分多任務存取(OFDMA)。802.11ax標準以802.11ac所用的正交頻分多任務(OFDM)數字調變架構為基礎，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和160MHz寬)畫分成較小的子通道。此外，802.11ax標準也仿效現代化的LTE專有名詞，將小的子信道稱為「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信道，持續指派下鏈中所有可用的RU。它可能會將整個信道一次配置給一名用戶，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(圖6)。

圖6、單一用戶使用通道，與使用OFDMA多任務相同通道中的不同用戶

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，OFDMA機制會同時為多使用者提供較小(但專屬)的子通道，進而改善每位用戶平均傳輸率。圖7說明了802.11ax系統如何使用不同大小的RU進行通道多任務。請注意，小的通道可在每20MHz的帶寬中容納多達9名使用者。

圖7、使用不同大小的資源單位來細分Wi-Fi信道

表2顯示當802.11ax AP和STA協調進行MU-OFDMA作業時，可享有分頻多任務存取的使用者人數。

多用戶上鏈作業

為了協調上鏈MU-MIMO或上鏈OFDMA傳輸，AP會將一個觸發訊框傳送給所有使用者。這個訊框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信息，好讓個別用戶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訊框接收情況。AP也會指示所有使用者何時可以開始和結束傳輸。如同圖8所示，AP會傳送多使用者上鏈觸發訊框，告知所有使用者何時可以一起開始傳輸，以及所屬訊框的持續時間，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訊框，就會回傳區塊ACK以結束作業。

圖8、協調上鏈多用戶作業

802.11ax的主要設計目標之一，就是在使用者密集的環境中提供4倍以上的單一使用者傳輸率。為了實現此一目標，這項標準的設計人員802.11ax裝置必須支持下鏈和上鏈MU-MIMO作業、MU-OFDMA作業，或是同時支持兩者，以應對規模更大的同時用戶數量。

802.11ax MAC機制變更

為了改善密集部署情境中的系統層級性能以及頻譜資源的使用效率，802.11ax標準實作了空間重復使用技術。STA可以識別來自重迭基本服務組(BSS)的信號，并根據這項信息來做出媒體競爭和干擾管理決策。

當正在主動收聽媒體的STA偵測到802.11ax訊框時，它就會檢查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表頭文件中的MAC地址。如果所偵測的協議數據單元(PPDU)中的BSS色彩與所關聯AP已發表的色彩相同，STA就會將該訊框視為Intra-BSS訊框。 然而，如果所偵測訊框的BSS色彩不同，STA就會將該框架視為來自重迭BSS的Inter-BSS框架。在這之后，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，這段期間不會超過的訊框酬載時間。

盡管標準仍需定義某些機制來忽略來自重迭BSS的流量，在實作上，則可包含提高Inter-BSS訊框的空閑信道評估信號偵測(SD)門坎值，并同時降低Intra-BSS流量的門坎(圖9)。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9、使用色碼進行空閑通道評估

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信號偵測門坎。這項調整可望改善系統層級性能以及頻譜資源的使用效率。除此之外，802.11ax STA也可調整CCA參數，例如能量偵測層級和信號偵測層級。

除了使用CCA來判斷目前通道是否為閑置或忙碌中，802.11標準也采用了網絡配置矢量(NAV)，這個時間機制會保持未來流量的預測，以供STA指出緊接在目前訊框后的訊框需要多少時間。NAV可做為虛擬載波感測，用來為802.11通訊協議作業至關重要的訊框確保媒體預約(例如控制框架以及RTS/CTS交換后的數據和ACK)。

負責開發率無線標準的802.11工作團隊可能會在802.11ax標準中包含多個NAV字段，也就是采用兩個不同的NAV。同時擁有Intra-BSS NAV和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迭流量狀態時自由傳輸(圖10)。

圖10、MU PPDU交換和NAV設定范例

透過目標喚醒時間省電

802.11ax AP可以和參與其中的STA協調目標喚醒時間(TWT)功能的使用，以定義讓個別基地臺存取媒體的特定時間或一組時間。STA和AP會交換信息，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的STA間的競爭和重迭情況。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還可另外設定排程并將TWT值提供給STA，這樣一來，雙方之間就不需要存在個別的TWT協議。本標準將此程序稱為「廣播TWT作業」(圖11)。

圖11、目標喚醒時間廣播作業范例

802.11ax帶來六大測試挑戰

由于導入許多先進射頻技術與訪問控制機制，802.11ax系統的測試與設計驗證將面臨六大挑戰，分別出現在誤差矢量幅度(EMV)、頻率錯誤、STA功率控制、存取點接收器靈敏度、上鏈帶內散射與MIMO測試上。

更嚴格的EVM規定

現在802.11ax會托管1024-QAM的相關支持。此外，子載波之間的間隔只有78.125kHz。這意味著802.11ax裝置需要相位噪聲性能更出色的振蕩器，以及線性能力更優異的射頻前端。而測量待測物(DUT)動作的測試儀器則會要求其EVM噪聲水平應遠低于DUT。

表3列出了802.11ax兼容裝置所應符合的EVM等級。

表3

與相對頻率錯誤

OFDMA系統對頻率和頻率偏移有著*的磁化率。因此，802.11ax多使用者OFDMA性能需要極為密切的頻率同步化和頻率偏移修正。此要求將確保所有STA都能在所配置的子頻道中運作，并將頻譜泄漏的情況減至低。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，以響應AP的MU觸發訊框。

以4G LTE系統來說，基站會利用GPS授時頻率來同步所有相關裝置。然而，802.11ax AP不僅與這項優勢無緣，還需要使用內建的振蕩器充當維護系統同步化的參考依據。之后，STA會自AP的觸發訊框擷取偏移信息，并據此調整內部的頻率和頻率參考。

802.11ax裝置的頻率和頻率偏移測試將涉及下列測試：

頻率錯誤：DUT會傳送802.11ax訊框，而測試儀器則會使用標準參考來測量頻率和頻率偏移。結果將與目前802.11ac規格的所述數據相似，限制約為±20ppm。

相對頻率錯誤：這將測試不屬于AP的STA參與上鏈多用戶傳輸以鏈接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將依照取自于觸發訊框的頻率和頻率信息進行自適應。接著，DUT會使用已修正頻率的框架做出回應，而測試儀器則會測量這些框架的頻率錯誤。在載波頻率偏移和時序補償完成后，這些限制將密切維持在相對于AP觸發訊框僅不到350 Hz和±0.4微秒的程度(圖12)。

圖12、相對頻率錯誤測量的設定

STA功率控制

與降低頻率和頻率錯誤需求一樣，AP于上鏈多使用者傳輸期間接收的功率，不應出現多個使用者之間功率差異過大的情況。因此，AP必須控制每個獨立STA的傳輸功率。AP可以使用觸發訊框，并于當中包含各STA的傳輸功率信息。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

鑒于AP會充作頻率和頻率參考之用，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。

在傳送觸發訊框以啟動AP之后，測試儀器會配合AP調整自身的頻率和頻率，然后透過使用預期設定的封包(數量已預先定義)回應AP DUT。

802.11ax采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傳送的觸發訊框擷取極為的頻率和頻率信息。儀器可能需要針對多個觸發框架執行這項計算，以確保頻率和頻率同步化順暢無礙。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匯出其頻率參考，好讓測試設備能據此鎖定自身頻率。如此即可跳過根據觸發訊框進行的初期同步化程序，并縮短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配置來上傳數據至AP。也就是說，STA只會使用通道的一部分。802.11ax標準可能會上鏈帶內散射測試，以描述和測量在傳輸器只使用部分頻率配置期間所發生的散射(圖13)。

圖13、潛在上鏈帶內散射測試屏蔽

多使用者和更高階次的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信號鏈大不相同。舉例來說，來自各個天線的信號可能會對彼此造成負面干擾，并影響到功率和EVM性能，進而對傳輸率帶來負面且顯著的影響。

測試儀器需要支持每個信號鏈的局部振蕩器亞毫微秒同步化，以確保多個通道的相位微調和MIMO性能不會發生問題。

應對802.11ax新挑戰

802.11ax可將密集環境的每位用戶平均數據傳輸率提升4倍，而MU-MIMO和MU-OFDMA等形式在內的多使用者技術，則是促成此一效率的大幕后功臣之一。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的采用。然而，此一功能的實作也會為負責實現上述工程奇跡的科學家、工程師和技術人員帶來全新的挑戰。

彈性十足且模塊化的平臺，提供了備有簡潔振蕩器與低EVM準位的高性能硬件，可用來進行子載波間距密度為以往4倍的1024-QAM測量。WLAN Measurement Suite走在802.11ax標準的發展，可協助開發人員設計、描述、驗證和測試802.11ax裝置，做好萬全準備，以迎接多使用者革命的到來。