概览
802.11ax，也称为高效无线(HEW)，的方针是在密布用户环境中将用户的均匀吞吐量进步至少4倍，这一方针极具应战性。 这一新规范侧重于完结机制，旨在在多用户环境中为更多用户供给一个共同、牢靠的数据流(均匀吞吐量)。 本文将讨论新式的机制，使广受欢迎的802.11ax规范成为高效无线的标题。
在密布用户环境中进步用户吞吐量
1. 导言
2015年，闻名的轿车制造商法拉利发布了新版别的入门级车型： the Ferrari California T. 这款时髦跑车装备3.9升涡轮增压V8发动机，能够发生超越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观。 [1]
法拉利的规划师考虑了发动机、车身和内饰的许多细节，使这款车辆成为日常车型，一起以惊人的速度供给最准确的处理、流体运动和功用。这个巨大规划将大大缩短了每天上下班的时刻。 可是，在大城市大部分时刻停停逛逛的拥堵交通状况下，赤色法拉利敞篷车又能怎么发挥效果呢?
今日很多人发现自己处于这种状况。驾驭意大利跑车或许不是特权，可是却能够享用快速的无线衔接链路。第一个802.11b Wi-Fi规范(1999年)的最高链路速率为11 Mbps。这是很好的开端，但明显慢于有线衔接。几年后，跟着正交频分复用(OFDM)技能的呈现，802.11a/g规范(2003年)将速度进步到54Mbps。
接下来的链路速度进步归功于802.11n(2009年)，为用户供给高达150 Mbps的单流链路。802.11ac规范(2013年)供给了更宽的信道(160MHz)和更高阶的调制(256-QAM)，使得单个空间流的链路速度到达866Mbps成为或许。假如运用规矩的最高8个空间流，这一工程奇观的最高速度理论大将到达6.97 Gbps。理论上，运用802.11ac相当于用一台加强马力的法拉利来代替自行车，乃至是代替家庭轿车。
可是，挨近7Gbps的速度或许只能在RF实验室的受控跑到环境中完结。实际上，当用户运用繁忙的机场终端的公共Wi-Fi查看电子邮件时，数据流量一般会令人懊丧。IEEE 802.11无线局域网规范——802.11ax——新修订的版别正是为了改善这一状况。
802.11ax，也称为高效无线(HEW)，的方针是在密布用户环境中将用户的均匀吞吐量进步至少4倍，这一方针极具应战性。这一新规范供给了超越802.11ac的原始链路速度，完结了多种机制，能够在拥堵的无线环境中为更多的用户供给共同且牢靠的数据吞吐量。
2. 首要特点和运用
高效无线包含以下首要功用：
向后兼容802.11a/b/g/n/ac
在高密度情形下，如火车站、机场和体育馆，将用户均匀吞吐量进步4倍。
与802.11ac相似的数据速率和信道宽度，但选用依据1024-QAM的新调制方案和编码集(MCS 10和11)。
经过MU-MIMO和正交频分多址(OFDMA)技能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)、较窄的子载波距离(近4倍)和更长的符号时刻(4倍)，以进步多径式微环境和室外的鲁棒性和功用。
优化了流量和信道拜访
更好的电源办理，延伸电池运用寿命
高效无线还适用于以下方针运用：
移动数据卸载： 到2020年，每月将发生38.1埃字节的Wi-Fi卸载流量，并且将继续超越估计的每月移动/蜂窝流量(30.6埃字节)。 [2]这
相当于每分钟经过这些网络传输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会集用户(机场Wi-Fi≠家庭Wi-Fi)
室内/野外混合环境
图 1. 802.11ax要布置的场景示例包含具有高用户密度和混合环境的体育场
3. 当时密布环境下的Wi-Fi吞吐量应战
802.11协议运用载波侦听多路拜访(CSMA)办法，其间无线站(STA) 首要感测信道，并且仅当它们感知信道闲暇时才会发射信号，以防止抵触。闲暇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，它会在随机时刻段内等候此STA中止传输，然后再次监听此信道是否将进入闲暇状况。当STA能够传输时，他们会传输整个数据包的数据。
Wi-Fi STA能够运用恳求发送/铲除发送(RTS/CTS)调停对同享媒体的拜访。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等候来自AP的承认字符(ACK)，表明已正确接纳该数据包。 假如STA没能及时接纳ACK，它将假定此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。 它会测验拜访媒体并在退避计数器失效时从头传输数据包。
图 2. 闲暇信道评价协议
在抵触域范围内一切参加者公正同享信道方面，此闲暇信道评价和防抵触协议发挥了杰出的效果，但当参加者数量大幅增加时，传输功率就会下降。 另一个导致网络功率低下的要素是存在很多带有堆叠服务区的AP。 图3中左图描绘了一个从属于根本服务集(BSS，指一组与某AP相相关的无线客户)的用户(用户1)。 用户1将与另一个BSS会集的用户抢夺媒体接入权，然后与其AP交流数据。 可是，此用户仍能够监听来自右侧堆叠BSS的通讯量。
图 3. 因堆叠BSS构成的媒体拜访功率低下
在这种状况下，来自OBSS的流量将触发用户1的避退程序。这类状况会构成用户有必要等候更长时刻才干取得传输时机，大大下降了它们的均匀数据吞吐量。
第三个需求考虑的要素是更宽信道的同享。例如，北美区域的802.11ac运营只要一条160MHz的可用信道，欧洲仅有两条可用信道。
4. 5GHz频段的802.11ax信道分配示例
因而，在信道数量削减的状况下，密布掩盖的规划变得十分困难。 如缺少准确和审慎的功率办理，用户将会遭受同信道搅扰，这会下降功用，抵消来自更宽信道的大部分预期增益。 这种状况更易呈现在MCS 8、9、10和11的最高数据速率状况下，因为此速率更易遭到信噪比的影响。 一起，一个用户运用与80 MHz信道堆叠的20 MHz信道传输，根本上都会导致80MHz信道无效。 在高度密布网络中履行802.11ac的信道同享会危害用于20 MHz信道传输的80MHz信道增益。
4. 高效PHY机制
PHY改变
规范为本规范的物理层带来了严重改变。 但该规范仍可向后兼容802.11a/b/g/n和/ac设备，因而802.11ax STA能够与传统STA彼此发送或接纳数据。 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。 下表经过与现行802.11ac规范的履行相比照，杰出强调了802.11ax规范此次修订中最重要的改变。
下表经过与现行802.11ac规范的履行相比照，杰出强调了802.11ax规范此次修订中最重要的改变。
表1. 802.11ac与802.11ax比较
留意，802.11ax规范将在2.4GHz和5GHz带宽下运转。 此规范清晰界说了四倍大的FFT，乘以副载波的数量。 可是，802.11ax规范供给的一个重要改变是副载波距离削减到此前802.11修订版中副载波距离的四分之一，一起保存了现有的信道带宽(图4)。
图 5. 较窄的副载波距离
OFDM(正交频分多路复用)符号继续时刻和循环前缀也增加了四倍，原始链接数据率坚持与802.11ac相同，但进步了在室内/野外及混合环境下的功率和稳健性。 但此规范确实规矩了室内环境下的1024-QAM和更低的循环前缀比率，这将进步最大数据速率。
波束构成
802.11ax将选用相似于802.11ac的显式波束成形进程。 在该进程下，波束构成器运用空数据包发动信道勘探程序。 波束构成器会丈量信道并运用包含紧缩反应矩阵的波束构成反应帧进行呼应。 波束构成器运用该信息来核算信道矩阵H， 然后运用该信道矩阵将RF能量聚集到每个用户。
多用户操作： MU-MIMO和OFDMA
802.11ax规范有两种作业形式：
单用户： 在这种次序形式中，无线STA在安全拜访前言后一次发送和接纳一个数据，如上所述。
多用户： 此形式答应一起运转多个非AP STA。 该规范将此形式进一步分为下行和上行多用户形式。
下行多用户是指接入点一起为多个相关无线STA供给的数据。 现有的802.11ac规范也包含了此功用。
上行多用户形式是指数据从多个STA到AP的同步传输。 这是802.11ax规范的新增功用，以往任何版别的Wi-Fi规范皆不具备这项功用。
在多用户操作形式下，该规范还规矩了两种能够在必定区域内多路传输更多用户的办法： 多用户MIMO和正交频分多址(OFDMA)。 在这两种办法中，AP作为中心操控器操控多用户操作的各个方面，这与LTE蜂窝基站操控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设备学习了802.11ac的布置经历，将运用波束成形技能同步将数据包发送至不同空间的用户(图5)。 换言之，AP会核算每个用户的信道矩阵，并一起将波束导向不同的用户——每路波束包含针对其方针用户的特定数据包。 802.11ax一次可支撑8个多用户MIMO传输包的发送，而802.11ac一次可支撑4个MIMO数据包。 并且，每次MU-MIMO传输都或许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，当运用MU-MIMO空间复用时，接入点会与以太网交流机进行比较，将抵触域从大型核算机网络缩小至单个端口。
作为MU-MIMO上行方向的新增功用，AP将经过一个触发帧从每个STA建议上行同步传输。 当多个用户及其数据包一起呼应时，AP将信道矩阵运用于所接纳的波束并将每个上行波束包含的信息分隔， 一起它还或许建议上行多用户传输，然后接纳来自一切参加STA的波束构成反应信息(图7)。
图 6. AP运用MU-MIMO波束成形为坐落在不同空间方位的多个用户服务
图 7. 波束成形AP恳求MU-MIMO操作的信道信息
多用户OFDMA
802.11ax规范学习4G蜂窝技能的技能进步，在相同信道带宽中服务更多用户的另一技能是： 正交频分多址(OFDMA)。 依据802.11ac现已运用的现有正交频分多路复用(OFDM)数字调制方案，802.11ax规范进一步将特定的子载波集分配给单个用户， 即，它将现有的802.11信道(20、40、80和160MHz频宽)分为带有预界说数量的副载波的更小子信道。 802.11ax规范还借用现代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依据多个用户的通讯需求决议怎么分配信道，一直在下行方向分配一切可用的资源单元。 它或许一次将整个信道仅分配给一个用户——与802.11ac当时功用相同——或许它或许对其进行分区，以便一起服务多个用户(图8)。
图 8. 运用信道的单个用户与运用正交频分多址的同信道中的多类用户
在密布用户环境下，许多用户一般无力抢夺信道的运用时机，现在正交频分多址运用更细巧——但更具专用性的子信道一起服务多个用户，因而进步了每个用户的均匀数据吞吐量。 802.11ax体系或许经过不同的资源单元规划完结信道的多路复用(图9)。 留意，关于每20MHz带宽，信道的最小部分可包容9个用户。 [4]
图 9. 运用多种资源单元规划细分Wi-Fi信道
下表显现当802.11ax AP和各STA和谐用于MU-OFDMA操作时当时能够取得频率多路复用拜访权的用户数量。
表2. 不同信道带宽的RU总数量
多用户上行操作
为了和谐上行MU-MIMO或上行OFDMA传输，AP需向一切用户发送一个触发帧。 此帧显现了空间流的数量和/或每个用户的OFDMA分配(频率和资源单元的巨细)。 它还包含功率操控信息，因而个人用户能够进步或下降他们的传输功率，以便均分AP从一切上行用户接纳的功率并进步来自较远节点的各帧的接纳。 AP还告诉一切用户传输开端和完毕的时刻。 AP向一切用户发送一个多用户上行触发帧(图10)，用于指示全体开端传输确实切时刻以及各帧确实切继续时刻，以保证各用户一起完结传输。 AP接纳到来自一切用户的帧后，会向用户回来一个块承认以完毕操作。
图 10. 和谐上行多用户操作
802.11ax的首要方针之一是在密布用户环境下将当时均匀每位用户的数据吞吐量进步三倍。 依据这一方针，该规范的拟定者已清晰指出802.11ax设备支撑下行和上行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。
5. 高效MAC机制
依据色码的空间复用
为了改善密布布置场景中的体系层级功用以及频谱资源的运用功率，802.11ax规范完结了空间重用技能。 STA能够辨认来自堆叠根本服务集(BSS)的信号，并依据这项信息来做出媒体竞赛和搅扰办理决策。
当正在自动收听媒体的STA侦测到802.11ax讯框时，它就会查看BSS颜色位(Color Bit)或MAC表头文件中的MAC地址。 假如所侦测的协议数据单元(PPDU)中的BSS颜色与所相关AP已发布的颜色相同，STA就会将该帧视为Intra-BSS帧。
可是，假如所侦测帧的BSS颜色不同，STA就会将该帧视为来自堆叠BSS的Inter-BSS帧。 在这之后，只要在需求STA验证帧是否是Inter-BSS帧期间，STA才将媒体当成繁忙中(BUSY)。不过，这段期间不会超越指定的帧负载时刻长度。
虽然规范仍需界说某些机制来疏忽来自堆叠BSS的流量，在完结上，则可包含进步Inter-BSS帧的闲暇信道评价信号检测(SD)阈值，并一起为Intra-BSS流量坚持较低的阈值(图11)。 这样一来，来自相邻BSS的通讯量就不会发生不必要的信道拜访权竞赛。
图 11. 运用色码进行闲暇通道评价
当802.11ax STA运用依据颜色代码的CCA规矩时，也能够调整OBSS信号检测阈值以及发射功率操控。 这种调整进步了体系级功用和频谱资源的运用。 此外，802.11ax STA能够调整CCA参数，例如能量检测等级和信号检测等级。
除了运用CCA来帮忙当时帧确认媒体的忙闲状况之外，802.11规范选用网络分配向量(NAV)来为STA指示媒体传输当时帧所需的时刻,以及测验下一次传输之前需等候的时刻，NAV是一种猜测未来流量的守时器机制。 NAV充任虚拟载波侦听，保证为关于802.11协议操作(例如操控帧、RTS/CTS交流之后的数据和ACK)至关重要的帧保存媒体。
图 12. MU PPDU交流和NAV设定典范
担任开发高功率无线规范的802.11作业团队或许会在802.11ax规范中包含不止一个NAV字段,很或许选用两个不同的NAV。 一起具有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不仅可帮忙STA猜测本身BSS内的流量，还能让它们在得知堆叠流量状况时自在传输。
经过方针唤醒时刻省电
802.11ax AP能够和参加其间的STA和谐方针唤醒时刻(TWT)功用的运用，以界说让单个基站拜访媒体的特守时刻或一组时刻。 STA和AP会交流信息，包含估计的活动继续时刻。 如此一来，AP就可操控需求拜访媒体的STA之间的竞赛和堆叠状况。 802.11ax STA能够运用TWT来下降能量损耗，在本身的TWT降临之前进入睡觉状况。 别的，AP还可别的设守时刻方案并将TWT值供给给STA，这样一来，两边之间就不需求存在独立的TWT协议。 规范将此进程称为播送方针唤醒时刻操作(见图13)。
图 13. 播送方针唤醒时刻操作示例
6. 802.11ax测验应战
更严厉的EVM要求
802.11ax规范现在要求1024-QAM支撑。 别的，子载波彼此之间的距离只要78.125KHz。 这意味着802.11ax设备需求具有更低相位噪声的振荡器，且RF前端具有更好的线性度。 丈量DUT行为的测验仪器反过来要求其EVM本底噪声明显低于DUT。
下表列出了契合802.11ax规范的设备或许有必要满意的EVM等级。
表3. 802.11ax EVM要求
NI WLAN测验体系将RF矢量信号收发器(VST)与NI WLAN丈量套件相结合，以支撑802.11ax信号的生成和剖析。 该软件支撑从BPSK (MCS0)到1024-QAM (MCS10和MCS11)的波形。 此外，NI VST硬件一直为RF特性剖析和出产测验需求供给超卓的EVM本底噪声丈量。
肯定和相对频率差错
OFDMA体系对频率和时钟偏移具有十分高的灵敏性。 因而，802.11ax多用户OFDMA功用需求十分严厉的频率同步和时钟偏移校对。 这保证一切STA在其分配的子信道内准确地操作，最大程度削减频谱走漏。 别的，严厉的时序要求保证了一切STA在呼应AP的MU触发帧时一起发送。
关于4G LTE体系，基站的一大优势是选用GPS征服时钟来完结一切相关设备的同步。 可是，802.11ax AP或许不会这样奢华，它们有必要运用其内置振荡器作为参阅时钟来坚持体系同步。 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阅。
802.11ax设备的频率和时钟偏移测验将触及以下测验：
肯定频率差错： DUT发送802.11ax帧，测验仪器依据规范参阅值丈量频率和时钟偏移。 这将与当时802.11ac规范的规矩相似，约束值约为±20ppm。
图 14. 简略的肯定频率差错丈量设备
相对频率差错： 用于测验参加上行链路多用户传输的非AP STA将其频率调整为与AP的频率共同的才能。 测验进程分为两个进程。 首要，测验仪器向DUT发送触发帧。 DUT依据从触发帧导出的频率和时钟信息调整本身的频率和时钟。 然后DUT经过频率校对帧进行呼应。 测验仪器丈量的是这些帧的频率差错。 经过载波频率偏移和守时补偿之后，这些差错的上下限严厉坚持在大约350 Hz和±0.4μs邻近(相关于AP的触发帧)。
图 15. 相对频率差错丈量设备
STA电源操控
与下降频率和时钟差错要求相似，关于一切用户，AP在上行链路多用户传输期间接纳的功率不该有很大的差异。 这要求AP操控每个STA的发射功率。 AP能够运用包含每个STA的发射功率信息的触发帧来进行操控。 开发人员能够经过两个进程测验此功用，办法与频率差错测验相似。
接入点接纳机灵敏度
因为AP用作为时钟和频率参阅，测验802.11ax AP的接纳机灵敏度会存在额定的应战。因而，在向AP发送数据包已进行数据包误码率灵敏性测验之前，测验仪器有必要确定到AP。
当AP发送触发帧开端发动时，测验仪器会调整其频率和时钟以匹配AP，然后依照预期的装备，发送预订数量的数据包来呼应AP DUT。
应战来自于802.11ax的严厉相对频率差错上下限。 测验仪器有必要从AP发送的触发帧中得到十分准确的频率和时钟信息。 这或许需求对多个触发帧履行此核算，以保证正确的频率和时钟同步。 因而，该进程或许会给测验程序带来明显的推迟。
加速测验程序的一个处理办法是让AP导出其参阅时钟，以便测验设备能够将其时钟确定到参阅时钟。 这防止了依据触发帧的初始同步进程，然后缩短AP接纳机灵敏度测验时刻。
上行带内辐射
当STA在MU-OFDMA形式下作业时，依据AP界说的RU分配向AP发送数据包。 也就是说，STA只运用了通道的一部分。 802.11ax规范或许会对上行链路带内辐射测验进行规矩，以剖析和丈量发射机仅运用部分频率分配时发生的辐射。
图 16. 上行带内辐射测验的部分掩模
多用户和更高阶的MIMO
运用MIMO测验具有多达8个天线的802.11ax设备所得到的成果或许会与按次序别离地测验每个信号链的成果天壤之别。 例如，每个天线的信号或许彼此损坏性地搅扰并影响功率和EVM功用，并且或许吞吐量发生明显的不良影响。
测验仪器有必要能够支撑每个信号链中本地振荡器的亚纳秒同步，以保证多个通道的正确相位对齐和MIMO功用。 NI测验处理方案依据NI VST，运用取得专利的硬件和软件技能，完结了具有高达8、16个乃至64个同步通道的灵敏大规划MIMO装备。
7. 定论
802.11ax有望在密布环境中将用户均匀数据吞吐量进步4倍。这种功率最大的推进要素之一是多用户技能，包含MU-MIMO和MU-OFDMA。在拥堵的环境中频谱运用率的改善或许会使802.11ax以比以往任何规范都更快地被商场承受。可是，完结这一功用将给担任让这些工程奇观变成实际的科学家、工程师和技能人员带来全新的应战。
NI的灵敏和模块化渠道供给了具有洁净振荡器低本底EVM的高功用硬件，选用1024-QAM丈量技能，副载波距离减小了仅4倍。 WLAN丈量套件能够习惯最新的802.11ax规范，以帮忙您规划、表征、验证和测验802.11ax设备，并为多用户革新做好预备。
8. 关于NI和802.11ax规范
NI是依据渠道的体系的供给商，致力于帮忙工程师和科学家处理世界上最严峻的工程应战。 NI与规范拟定组织和抢先的半导体公司合作开发相关的体系和东西，以规划、表征、验证和测验最新的无线通讯规范，包含IEEE 802.11ax (draft 0.1)高效无线草案规范。
图 17. 依据WLAN丈量套件和VST的NI 802.11测验体系
NI WLAN丈量套件和PXI RF VST相结合，为802.11ax设备供给强壮的模块化测验处理方案。 WLAN丈量套件为研究人员、工程师和技能专家供给了所需的功用和灵敏性来生成和剖析802.11a/b/g/n/j/p/ac/ah/af等各种802.11波形。 跟着该丈量套件专门针对802.11ax进行了更新，这些用户将可大幅加速其802.11ax设备的研制作业。 软件支撑802.11ax的首要特性，包含更窄的子载波距离、1024-QAM和多用户正交频分多址接入(OFDMA)。 升级版的丈量套件还包含了LabVIEW体系规划软件典范代码，以帮忙工程师更快速、更轻松地完结WLAN丈量自动化。
