802.11ac wave2的前世今生

2017-08-13 16:43:00
admin
原创
252

2015年下半年,高通、博通、RTL等芯片厂商相继发布了满足802.11ac wave2要求的芯片,WLAN及终端厂商也迅速跟进推出相应的产品和终端。802.11ac wave2在多方推动下于2015年底实现了商用,标志着802.11ac进入了新的发展阶段。


突破多用户并发能力瓶颈


自1997年至今,IEEE组织在16年间陆续制定发布了5代Wi-Fi技术标准/协议,对Wi-Fi进行了持续的技术升级和性能提升,同时还与Wi-Fi联盟协作极大地推动了Wi-Fi的普及和应用。


从802.11发展到802.11n,理论的数据传输速率的提升极为显著,从2Mbps到11Mbps、54Mbps,再到450Mbps,而在802.11ac(wave1)中,理论传输速率更是达到了1.3Gbps,相比最初已翻了650倍。但在实际应用中,能够达到的实际吞吐量却无法让人满意。对于一台802.11ac wave1 AP(最高速率1.3Gbps),在单用户情况下,网络效率(实际吞吐量和理论传输速率的比值)为70%左右(实际吞吐量910Mbps);在多用户情况下,涉及到更多的空口开销,AP吞吐量将随着接入用户数量的增多而逐渐下降,到30个用户时网络效率已下降至38%(实际吞吐量350Mbps)。


可以说,Wi-Fi技术的瓶颈已不在于如何继续提升最大传输速率,而在于如何提升多用户数据并发处理能力和网络效率。随着802.11ac wave2引入MU-MIMO技术之后,这个困扰Wi-Fi多年的问题终于找到了答案。


MU-MIMO是多用户-多输入多输出的英文缩写,其采用显式波束成形(Explicit Beamforming)技术,实现信号的传播方向和接收控制,向多个终端发送数据,同时保证终端彼此不受干扰。相比传统的MIMO(又称为SU-MIMO,单用户-多输入多输出),在对下行数据的处理上类似于以太网中的Switch和Hub之间的关系,即Hub(SU-MIMO)同时只能向一个端口发送数据,而Switch(MU-MIMO)可以同时向多个端口发送数据。同样道理,在SU-MIMO模式,AP同时只能向一个终端发送数据;而在MU-MIMO模式,AP则可同时向4个终端发送数据。



802.11ac wave2引入MU-MIMO之后,可以将AP空间流灵活分配给多个终端进行数据传送,缓解了AP和终端空间流能力不匹配的问题,充分发挥了AP的性能。实测数据显示:1台802.11ac wave2 AP下挂3台支持MU-MIMO的小米NOTE(高配版、单空间流),在SU-MIMO模式下(AP关闭MU-MIMO),3台NOTE整体下载速率为330Mbps;而在MU-MIMO模式下,3台NOTE整体下载速率可达800Mbps,也就是说AP开启MU-MIMO之后性能提升到240%。



在现网环境下,802.11n或者802.11ac wave1的AP通常支持3空间流,而手机和PAD等终端由于设备尺寸和芯片成本的原因,主要采用单天线、单空间流设计,因此AP和终端通信过程中只能工作在单空间流模式,由于空间流数不匹配,AP经常处于轻载状态,导致性能无法充分发挥。802.11ac wave2则可以借助MU-MIMO提升用户并发处理能力,充分发挥AP的性能和效率。



引入新技术,性能全面提升


除了MU-MIMO之外,802.11ac wave2还引入了更高效的信号调制方式,并支持更高的频宽,整体性能从802.11ac wave1的1.3Gbps提升至3.47Gbps。


支持160MHz频宽,相比80MHz速率提升100%,但实际意义不大


在信道频谱宽度方面,802.11ac wave2新增支持160MHz(连续160MHz,或者2个非连续的80MHz组成),信道组合更为灵活,对无线频谱资源也提出了更高的要求。


5GHz频段,160MHz频宽信道属于稀缺资源

虽然802.11ac wave2新增了对160MHz频宽的支持,在理论上确实可以带来更高的传输速率(160MHz、单空间流速率可达866Mbps),但可用160MHz频宽信道太少,大大限制了它的使用,因此在现网应用中并没有太大的实际意义。


以信道资源最为丰富的北美为例(见图2),5GHz频谱包括U-NII1(36~48)、U-NII2(52~64)、U-NII2 extended(100~144)和U-NII3/ISM(149~165)共4个波段,有2个连续的160MHz频宽的信道(6个80MHz频宽信道)。

5GHz频谱资源划分示意图


而在中国,自2012年工业和信息化部开放5150~5350MHz(36~64)频谱在室内环境下的使用权限后,国内在5GHz频段互不干扰的信道(20MHz)从原来的5735M~5835MHz(149~165)的5个增加至13个,但只有1个连续的160MHz频宽信道(3个80MHz频宽信道)。



现网160MHz部署难度较大,80MHz和40MHz更为适合


由于5GHz频段160MHz频宽的信道数量较少,因此网络规划时不建议采用160MHz频宽,除非是在孤立的无线环境区域(热点)。



80MHz频宽可以考虑使用在诸如办公室、会议厅和礼堂等区域,此类区域大多为客户自建无线网络,无线环境相对可控,80MHz频宽的信道数量(大于3个)可以通过频率复用实现较大范围的连续覆盖,同时有效控制信号干扰。



40MHz频宽预计将成为更主流的选择,例如商业中心、火车站、候机厅和展览中心等无线公共区域,此类区域同时存在多个WLAN网络(运营商、第三方自建等),无线环境更为复杂,若采用80MHz部署,有限的信道会造成彼此间的干扰,最终导致所有的WLAN网络都不好用甚至不能用;因此采用40MHz频宽的信道进行网络规划是个更好的选择,可有效规避WLAN系统间的信号干扰。



采用256QAM调制,单空间流速率提升至433Mbps



802.11ac wave2支持更高效率的256QAM(8bit)调制技术,相比802.11n采用的64QAM(6bit),调制效率提升33%([8-6]bit/6bit)。



在40MHz频宽下,802.11ac wave2单空间流传输速率从802.11n的150Mbps提升至200Mbps;在80MHz频宽下,802.11ac wave2单空间流传输速率提升至433Mbps。



空间流数量从3条提升至4条,80MHz频宽最大速率提升至1.73Gbps



在空间流数方面,802.11ac wave2增加到了4条空间流(802.11ac wave1和802.11n都为3条),80MHz频宽最大速率提升至1.73Gbps,160MHz频宽最大速率达到3.47Gbps。



除了传输速率提升之外,802.11ac wave2支持4空间流,采用4根收发天线,带来更多的分集增益,提高无线传输的可靠性和容错能力,提高终端的覆盖范围和质量,进而带来传输性能的提升。



802.11ac wave2部署建议


802.11ac wave2相比wave1,更适合部署在以移动终端(手机、电子书和PAD等低空间流设备)接入为主的高密场景,例如机场、车站、商场、礼堂、会议厅和展览馆等各类场所,可以提供更高的用户并发处理能力,这也是wave2真正的价值所在。



【802.11ac wave2热点问答】


问题1. 什么是MIMO?什么是空间流?


答:MIMO是多输入多输出的英文缩写,表示发送端和接收端分别用多根天线发送和接收数据,提升通信质量和传输容量。通过空间分集技术,接收端可以从不同的天线接收数据信号,从而获得更高的接收可靠性,提高通信质量;通过空间复用技术,发送端将需发送的串行数据映射为并行数据,分别在不同的天线上发送出去,在不增加频谱资源的情况下增加了通信容量(并行的空间通道就叫做空间流,一般情况下空间流数和天线数量对应)。



问题2. 802.11ac传输速率如何得出?


答:Wi-Fi从诞生以来,传输速率一直在稳步提升,但每次载波信号传输时间始终为4微妙。以802.11a/g为例,20MHz频宽(48个数据子载波)下、采用64QAM调制(6bit信息)、编码效率为3/4,则传输速率为54Mbps(1秒/4微秒×6bit×48×3/4);802.11n优化了调制和编码技术,引入信道捆绑、Short-GI和MIMO等技术,从而将单空间流传输速率提升至150Mbps。


802.11ac采用256QAM调制,在40MHz频宽下,单空间流速率提升至200Mbps;在80MHz频宽下,数据传输子载波提升至234个(是40MHz的2.16倍),单空间流速率提升至433Mbps(200Mbps×2.16);在160MHz频宽下,单空间流速率翻倍提升至866Mbps。



问题3. 什么是显式波束成形?


答:显式波束成形的工作原理是:AP将信道评估帧发送给终端,终端将收到的信道评估帧相关信息反馈给AP,AP据此对下行信道进行评估,最后根据评估结果对下行数据处理后再发送,提高信号传输质量。显式波束成形其实在802.11n中就已经出现,但仅作为可选项,且没有统一实现机制,因此不同厂商芯片的设备互通会存在问题;而在802.11ac wave2中其属于必选功能项,并制定了统一的实现机制,使得基于不同厂商芯片的设备互通成为了可能。



问题4. 802.11ac wave2是否兼容现有802.11ac wave1和其它5G终端?


答:802.11ac wave2可以前向兼容现网的802.11ac wave1和802.11n标准的Wi-Fi终端;存量终端无法实现wave2的最新特性(MU-MIMO、256QAM、160MHz频宽等),但通过802.11ac wave2 AP设备,可借助4根收发天线提升网络覆盖质量和终端整体性能。



问题5. MU-MIMO对终端有什么要求?


答:MU-MIMO的实现需要AP和终端双方都支持,目前支持802.11ac wave2的终端有华为Mate8/P9、小米MI4系列/MI Note Pro、乐视LeMAX/LePro1、谷歌Nexus 5X、微软Lumia 950/950XL、HTC One M8、中兴Nubia Z9系列/AXON7、宏Aspire系列笔记本和戴尔Allienware13/15/17笔记本等。



问题6. MU-MIMO只对下行数据有效么?


答:是的。目前MU-MIMO是基于下行流量的空间流分配,符合当前网络以下行流量为主的数据模型;基于上行流量的空间流分配已经纳入802.11ac后续升级版——802.11ax标准,届时可以实现AP与多终端用户双向数据通信,乐观估计该标准将会在2019年前后发布。



问题7. 802.11ac wave1是否可以软件升级以支持802.11ac wave2?


答:不可以。由于802.11ac wave2相关特性需要硬件支持(例如MU-MIMO和256QAM等),因此现网802.11ac wave1无法通过软件升级的方式支持802.11ac wave2。

    文章分类
    联系我们
    联系人: 牟经理
    电话: 028-85666248
    传真: 028-85666248-8008
    Email: business@cd-dxt.com
    QQ: 489323802
    微信: cddxt
    旺旺: dreamsilcon
    地址: 成都市大件路白家段280号(空港国际城)7栋4单元
    购买咨询:销售咨询 技术咨询:技术咨询 阿里旺旺:点击这里给我发消息 网络发烧友:网络发烧友