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802.11ax 技术白皮书 Copyright 2019 新华三技术 有限公司 版权所有，保留一切权利。 非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。 除新华三技术有限公司的商标外，本手册中出现的其它公司的商标、产品标识及商品名称，由各自权利人拥有。 本文档中的信息可能变动，恕不另行通知。i 目 录 1 概述 1 1.1 产 生背景 1 1.2 技 术优点 1 2 关键 技术介 绍 2 2.1 更高 的速 率 2 2.2 OFDMA 技术 5 2.2.1 下行 OFDMA 技术 8 2.2.2 上行 OFDMA 技术 9 2.3 MU-MIMO 技术 10 2.3.1 下行 MU-MIMO 技术 10 2.3.2 上行 MU-MIMO 技术 11 2.4 空 间复用 （Spatial Reuse ） 11 2.5 Target Wake Times 13 3 总结 13 3.1 更 适合高 密场景 13 3.2 更 可靠的 室外传 输 13 3.3 更 高的节 电效率 13 4 缩 略语 131 1 概 述 1.1 产生背景 回顾整个 802.11 协 议标准 的 发展 历程 ， 每一 代新 的协议 都在 传输 速 率和 数据 吞吐 率方面 有着 较大 的提升 ， 尤其 是 演 进到 802.11ac 协议 后，无 线网 络带 宽 与有 线差 距越 来越 小， 基 本可 以满 足大部 分应用 的需求 。 尽管 802.11ac 协 议中 的 理 论速率 已经 高达 6.9Gbps ， 但这只 是实 验室 理想 环境 下测出 来的 理论 值， 而实际 应用 环 境远 比实 验室 复杂 ， 信号 干扰 以及冲突 也比 较 多。 同时，由 于 实际的 业务 报文 以 短包 为 主， 物理 层的 聚合 效果也 并 不理 想， 因此 实际 能 达到的 有效 带宽 也会 远远 低于上 述理论 值， 且并 发用户 数越多 ， 实际 的有 效吞吐 率就 会越 低。 802.11ac 及之 前的 协议， 无线局 域网 重点 关注 的还 是如何 提升 “最 高传 输” 速度而 忽略 网络 容量 的 影响 。 随着 无线 终端 和无线 应 用的 普及， 接入 无线网 络 的无 线设 备越 来越 多， 狭小 空间 里需 要争 抢 无 线 网络 资源 的终 端用 户越 来 越多， 让无 线局 域网络 标 准开 始重 视网 络容 量， 即对 服务 设备 数量 的 顾及 。 因此 802.11ax 的诞 生就是 为了 解决 多用 户并 发问题 ， 通 过一 系列 新技术 和 优化 手段 的加 入， 使无线 网络 在速 率、 接 入 密度、 覆盖 距离 上都带 来 了相应 的提 升， 能够满 足 诸如网 页浏 览、 即时通 信、AR/VR 、高 清影 视等多 元 化场 景应 用的 需求 。 1.2 技术优点 802.11ax 的 关键 字是 高效率 无 线标 准（HEW ，High-Efficiency Wireless ） ，该协 议 通过 对 物理 层和 链路层 的优 化实 现了 多用 户并发 效率 的改 进 ， 解决了 有 效吞 吐率 低的 问题， 其最终 目 标是 支持 室内 室外场 景、 提高 频谱 效率 和密集 用户 环境 下 4 倍实 际吞吐 量的 提升 。 表1 11ax 与 11ac 协议 主要 参 数对比 参数描述 802.11ac 802.11ax 频段 5G 5G 和2.4G 信道带宽 20MHz ， 40MHz ， 80MHz ， 160MHz ， 80+80MHz 20MHz ， 40MHz ， 80MHz ， 160MHz ， 80+80MHz 调制方式 OFDM ，最高支持256-QAM OFDMA，最高支持1024-QAM 子载波数 64（20MHz 带宽） 256（20MHz 带宽） 帧保护间隔 400ns ，800ns 800ns ，1600ns ，3200ns 最大速率 6.9Gbps （目前产品1.7Gbps ） 9.6Gbps （目前产品4.8Gbps ） 最大聚合长度 1048575字节 4194303字节 空间复用技术 不支持 支持 OFDMA 技术 不支持 支持 MU-MIMO 只支持下行 下行、上行都支持 TWT 技术 不支持 支持2 为了实现上述惊人的性能提升，802.11ax 引进或者改进了多项新技术，例如更高的调制阶数 （1024QAM）、 上 下行 OFDMA 技 术、 上下 行 MU-MIMO 技 术（ 其中 下行 MU-MIMO 在 802.11ac 时引入 ） 、 空 间复 用技 术等。 更高阶 的调 制技 术（1024-QAM ） ：最高 速率 可达 9.6Gbps （160MHz 带宽，8 条流） 。 OFDMA 正交 频分 多址 接入 ： 增 加全 新的 OFDMA 机 制， 上下 行都 可 支持， 减少多 用户 之间 退 避导致 的延 时， 提高 多用 户并发 的效 率。 上 下行 MU-MIMO ： 在 802.11ac 协议 的基 础上， 新支 持上行 MU-MIMO 功能， 可以 和 OFDMA 技术共 用， 进一 步提 升多 用户并 发效 率。 空间复 用（SR ）&BSS Color 着色 机制 ：802.11ax 通过 BSS Color 着色 机制 实现 空 间重 用， 达到信 道资 源的 共享 利用 ，提高 信道 整体 的使 用效 率。 Target Wake Times ：通过支 持 AP 与 STA 协商 休眠与 唤 醒时 间， 减少 STA 不必 要 的唤 醒， 达到节 能的 目的 。 2 关键技 术介绍 2.1 更高的速率 802.11ax 协议 主要 解决 了 多用户 并发 性能 的问题 ，同时在速 率上 也 比 802.11ac 有了 更进 一步 的提 升，最 大 理论 速率 可达 9.6Gbps ， 主要 体现 在以 下两 个方面 ： 1. 调制方 式的 升级 802.11ac 协议 采用 最高 256-QAM 正交 幅度 调制 ， 即每个 符号 可以 传输 8bit 数据，而 802.11ax 协 议采 用最高 1024-QAM 正 交幅度 调制 ，即 每个 符号 可以传 输 10bit 数据 ，10bit/8bit=1.25 ， 因此相 对于 802.11ac 来 说，802.11ax 的速率 会提升 25% 。 图1 不同调 制方 式星 座对 比图 802.11ac 协 议最 大理 论速率 为 6.9Gbps ，6.9Gbpsx1.25=8.625Gbps ，而 802.11ax 协议 最大 理论 速 率为 9.6Gbps，那 么额外 的这 1Gbps 提升 又来 自 于哪里 呢， 我们 在下 文中 将给出 详细 的分 析。3 2. 子载波 划分 方式 的变 化 在 相 同带 宽、 流数 及编 码方式 的 情况 下， 802.11ax 比 802.11ac 的理 论物理 速率 更高，下 面 以 20MHz 带宽速 率为 例进 行说 明。 数据子 载波 （即有 效载 波数 ） 的个 数由 52 增 加到了 234 ， 虽然 OFDMA Symbol 变 长为 4 倍， 但 子 载波有 效数 据利 用率 更高 ，因此 在相 同带 宽、 流数 及编码 方式 的情 况下 ，速率 也 有所 提升 。 图2 802.11ac 20MHz 带宽 1 条流的 速率 表4 图3 802.11ax 20MHz 带宽 1 条流的 速率 表 R ：编码率 N BPCS ： 每个子载波编码bit 数 N SD ： 数据子载波的个数 N SP ： 前导子载波的个数 N CBPS ： 每个symbol 携带的bit 数 N SS ： 流数 N DBPS ： 每个symbol 携带数据信息bit 数 N ES ：BCC 编码器的个数 N CBPS=N BPSCS x N SD x N SS N DBPS=N CBPS x R GI ：保护间隔 以 MCS8 为 例， 看看 802.11ac 和 802.11ax 在 哪些方 面 发生 了变 化。 MCS8 Modulatin R NBPCS NSD NCBPS NDBPS GI （ns ） Data Rate （Mbps ） 802.11ac 256-QAM 3/4 8 52 416 312 800 78 802.11ax 256-QAM 3/4 8 234 1872 1404 800 103.2 (1) 从表中 可以 看出 数据 子载 波( 即有 效载 波数) 的 个数由 52 增加 到了 234， 这是由 于 802.11ax 的 OFDM Symbol 变为了 802.11ac 的 4倍 ，因 此 20MHz 带 宽 下子 载波 的个 数也由 64 增 加到 256 ， 如图 4 所示 。5 图4 20MHz 带宽信 道 RU 示意图 所以 802.11ac 的子 载波 有效 利 用率为 52/64=0.8125 ，而 802.11ax 是 234/256=0.9140625。 因此虽 然 OFDM Symbol 变长， 但其 子载 波的 有效 利用率 也变 得更 高。 (2) 在 GI 同为 800ns 的 情况下 ， 802.11ac 每个 Symbol 的传 输时 间为(3.2+0.8)=4.0us， 有效 数据 传 输 时间 占比为 3.2/4.0=0.8，而 802.11ax 每个 Symbol 的传 输时 间为(12.8+0.8)=13.6us，有 效数据 传输 时间 占比 为 12.8/13.6=0.94 。 由于 802.11ax 的 Symbol变 长 ，而 GI 不变 的 情况 下， GI 所占总传 输时 间的 比例 也就减 少了 ，有 效数 据传 输的时间 占 比 例就 会增 多。 2.2 OFDMA 技术 OFDMA （Orthogonal Frequency Division Multiple Access ， 正交频分多址接入） 是 以 OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing ， 正 交频分 复用 ）为基 础，利用 OFDM 对信 道进 行 父载波 化后 ， 再通过 不同子 载 波同 时为 不同 用户 传输 数 据的 一种 多路 访问 技术 。 与 OFDM 技术 不同 的是，OFDMA 将同一个 带宽下的所 有子载 波划 分 成若干个子 载波组 ，每一 个组被 称 作一个 RU （Resouce Unit ，资源单元） ，可以同时分配给不 同的用户使 用，这样就提高了用户数 据速率并减 少了延 迟， 特别 适用 于大 量具有 短帧 或低 数据 速率 要求的 设备 ，如 物联 网设 备。6 图5 OFDM 与 OFDMA 工 作模式 对 比图 在 OFDMA 中， 一个 信号是 由 多个 子载 波组 成， 这些 子 载波 就组 成了 一个 用户 自 己的 带宽，每 个 用 户 可 分配的 RU 大小 可以是 不 同的 。 子载波 分为 以下 几种 类型 ： Data 子 载波 ：用 来传 输数 据的； pilot 子 载波 ：用 来传 输相位 和 轨迹 参数 的； unused 子载 波： 无用 的载波 ， 什么 都不 传输 ，一 般用 来 做边 界保 护。 每 一个 RU 里都 会同 时包含 data 子载 波和 pilot 子 载波， 如最 小的 26-tone RU 是由 24 个 data 子载 波和 2 个子 载波 pilot 组 成，52-tone 的 RU 则包 含 48 个 data 和 4 个 pilot 子 载波 ， 其他 详细 信息 请 参见 协议 的详 细介 绍。 如 图 6 所示 ， 以 20MHz 带 宽为 例 可以 看到， 20MHz 带宽 下 共有 6 个 26-tone RU，其 中 -69 、 -3+3 、 +69 这些子 载波 属于 空的 不传 输任何 东西 ， 同 时在 两侧 还有 11 个边 缘保护。 t f 信 道 带 宽 单位时长 OFDM User 1 User 2 User 3 User 4 t f OFDMA RU7 图6 RU Locations in a 20MHz HE PPDU 上下行 传输 都支 持 26-tone RU ， 52-tone RU ， 106-tone RU ， 242-tone RU ， 484-tone RU ， 996-tone RU 和 2x996-tone RU 。下 面以 20MHz 和 40MHz 带宽为例 ，看 一 下 RU 是如何 分 布的 。 图7 Subcarrier indices for RUs in a 20MHz HE PPDU8 图8 Subcarrier indices for RUs in a 40MHz HE PPDU 通过上 图不 难看 出， 不同 带宽下 对 RU 边界 的划 分 是不同 的，20MHz 带 宽下的 26-tone 和 40MHz 带宽下 的 26-tone 边界 并 不是对 齐的 ，所 以如 果两 种带宽 下混 合使 用会 出现 信号能 量重叠 的问 题， 为了改 善这 种情 况， 一些 和其他 带宽 下有 冲突 的 20MHz 带宽下 的 RU 在 40 、80、160 和 80+80 下 不可以 使用 ，例如 26-tone RU 在 40MHz 带宽 下，RU5 和 RU14 不可 以使 用。 2.2.1 下行OFDMA 技术 通过对 比图 来更 加直 观的 看一 下 OFDMA 与非 OFDMA 的 不同 。 图9 非 OFDMA 方式 下行 多用 户交互 时序 图 AP STA1 STA2 STA3 STA1 send BA In full band STA2s end BA In full band STA3 send BA In full band SIFS AP send PPDU to STA2 in full band AP send PPDU to STA1 in full band AP send PPDU to STA3 in full band SIFS SIFS DIFS DIFS 非OFDMA9 图10 OFDMA 下行 多用 户交互 时序图 AP STA1 STA2 STA3 AP Send PPDU to STA1 in RU1 AP Send PPDU to STA2 in RU2 AP Send PPDU to STA3 in RU3 STA1 send BA in RU1 STA2 send BA in RU2 STA3 send BA in RU3 SIFS OFDMA 通过上 述过 程可 以看 到， 在同样 的带 宽下 ， 使 用 OFDMA 方 式的 情况 下， AP 可 以 在一次 TXOP （发 送机会 ）中， 同时 使用 不同 的 RU 向 多个 用户 传输报文， 而使 用 OFDM 方 式则 需要 3 次。 2.2.2 上行OFDMA 技术 通过下 面的 时序 图再 来了 解一下 上行 MU OFDMA 过程。 (1) STA 不 会主 动发 一个 HE trigger-based PPDU ， AP 通过 发送 Tigger frame 来 发起 一次 UL MU 交互。 (2) 在 一个 SIFS 时 间之 后，STA 根据 Trigger frame 中指定 的 方式 发送 HE trigger-based PPDU ； (3) AP 对接 收到的 PPDU 在一 个 SIFS 时间 之后 （ 忽略 当前媒 介 busy/idle 状 态） ， 回复 BA 报文 进 行 结果 确认， 可以 通过在 每 一个 RU 内向 各个 STA 发 送单 独的 BA ， 也可以 使用 Multi-STA BA 一起 回复 。 图11 上行 MU OFDMA 多 用户交 互 时序图 1 AP STA1 STA2 STA3 HE Trigger-based PPDU in RU1 HE Trigger-based PPDU in RU2 HE Trigger-based PPDU in RU3 BA to STA1 in RU1 BA to STA2 in RU2 BA to STA3 in RU3 SIFS SIFS Trigger Frame To all STAs In full band TXOP10 图12 上行 MU OFDMA 多 用户交 互 时序图 2 AP STA1 STA2 STA3 HE Trigger-based PPDU in RU1 HE Trigger-based PPDU in RU2 HE Trigger-based PPDU in RU3 SIFS SIFS Trigger Frame To all STAs in full band Multi-STA BA In full band TXOP 通过上 述流 程对 比可 以看 出， 在 多用 户并 发的 时候 使用 OFDMA 的 方式， 大 大减少 了多 用户 竞争 退 避导致 的空 口延 时， 增加 了空口 效率 。 2.3 MU-MIMO 技术 在 802.11ac 协议 中只 支持下行 MU-MIMO ， 实现 了对 多用户 下行 并发 场景 性能 的提升 ， 而 802.11ax 协议在 支持 下行 MU-MIMO 的基础 上又 新增 支持 了 上行 MU-MIMO ， 并且 MU-MIMO 与 OFDMA 技 术一起 使用 ，可 以使 多用 户并发 性能进 一步 得到 提升 。 2.3.1 下行MU-MIMO 技术 下行 MU-MIMO 的工作 方式 与 802.11ac 大致 相同， 不同点 是 802.11ax 最大支持 的 用户 数由 4 个提 升到 8 个，且 允许 同时 使用 OFDMA 和 MU-MIMO 技术。 在信 道评 估阶 段， 使用 OFDMA 机制 中的 trigger 方式 来完 成 AP 收集 各 STA 的 信道 CBF （Compressed Beamforming Feedback，压 缩波 束 成形反馈 信息 ） 信息， 进 行信道 质量 评估 ， 交互 过程 如图 13 所示 。 与 802.11ac 最大 的不 同就 是使 用 OFDMA 在 一次 发送 机会 内 将多个 STA 的 CBF 信息全 部收 集到 ， 收集 完 CBF 信 息之 后， 后续 的 数据报 文交 互阶段与 802.11ac 类似 。11 图13 MU OFDMA 方式 信道 评估 交互时序 图 AP STA1 STA2 STA3 STA1 CBF STA2 CBF STA3 CBF SIFS SIFS SIFS Trigger NDP NDPA 2.3.2 上行MU-MIMO 技术 上行 MU-MIMO 中 STA 收集 完 AP 的 CBF 信息 之后 ， 会 通 过一个 trigger 报文 来发 起 上行 MU-MIMO ， 后续与 上行 MU OFDMA 方式类 似， 如 2.2.2 (3) 图 11 和 2.2.2 (3) 图 12 所示 。 2.4 空间复用（Spatial Reuse ） OBSS(Overlapping Basic Service Sets)_PD-based spatial reuse， 这 是一 个空间 重 用的 技术， 通过 识 别 非关联 BSS 报文 同时 控制调 整发 射功 率， 来解 决同信 道干 扰问 题， 以达 到空间 重用 的效 果。 802.11ax 协议 在物 理头 HE-SIG-A 中加 入了 一个 BSS Color 信 息， 取值 范围为 1 63 ，BSS color 是 用 来协助 STA 辨别 接收到 PPDU 的 BSS 信 息。 如果 HE STA 接收 到的 PPDU 中的 BSS_COLOR 与关联 AP 的 BSS Color 相同， 对于 STA 来 说该 BSS 是一个 Intra-BSS，否 则是 Inter-BSS。当 BSS_COLOR 相同 时， 则以 MAC address 判断 （此 处可以 看 出 BSS Color 是要 优于 MAC address 判断的 ） 。 对于 STA 来说 ， 实际上 只 需要 接收 intra-BSS 的报 文， 而忽略 inter-BSS 的报 文， 通过 调 整 OBSS_PD level 以及 发送 功 率可 以提 升当 前信 道的 整体吞 吐量以及 空间 复用，如 图 14 所示。12 图14 信道复 用 OBSS_PD 级 别及 功 率调 整示 意图 下 面以 20MHz 带 宽为 例 ，说明 一下 各参 数的 含义 及其取 值， 更高 的带 宽只 是在数 值上 会有 差异 ， 原理是 相同 的。 (1) OBSS_PD level 定义的 是 一个接 收到 报文 所携 带功 率的一 个级 别， OBSS_PDmin_default=82 dBm ，OBSS_PDmax_default=62 dBm. (2) TX_PWR 是 STA 发送 时 需要使 用的 功率 值。TXPWRref=21 dBm (3) 当 STA 选定 一个 OBSS_PD level 之 后，STA 发送 报 文的功 率需 要调 整到 低于 使用该 OBSS_PD level 算出来 的 TX_PWR 。 所以， 对 于 STA 来讲 ， 来自 Inter-BSS 的 PPDU 是 并不需 要去 处理 的， 当接 收到来 自 Inter-BSS 的 报文 RSSI 值低 于 OBSS_PD Level 的最 大值 ， 则 STA 可以 完全 忽略 该报 文， 并且将 自己 的发 送 功 率 调 整至 合适 的值， 那么就 可 以达 到空间 复用 了。 在 使 用空 间复 用技 术时 的时 候， 每个 报文 都需 要 计算保 留两 个 NAV ，分 别是 inter-bss 与 intra-bss 的。 图15 空间复 用技 术示 意图 ： STA1 STA2 BSS1 BSS2 如图 15 所 示， 实 线圈 表示各 STA 无线 信号 发射 可以达 到 的范 围，STA2 在 BSS2 上 线， 对于 STA2 来说来 自 BSS1 的报文 并 不需要 关心 ， 但由 于双 方 信号有 交集 ， 在发 报文 的 时候彼 此之 间都 会产 生 退避行 为， 造成 不必 要的 浪费。 因此 当 STA2 将功 率调低 至虚 线圈 的覆 盖范 围， 两 个 BSS 彼此 之间 就不存 在上 述问 题， 同时 也并不 影 响 STA2 与 BSS2 的正常 数据 交互 ，达 到 空间复 用的效 果。13 2.5 Target Wake Times TWT （Target Wake Times， 目标 唤醒 时间 ）技 术，允 许 AP 对 STA 的唤 醒与休 眠 进行 统一 调度 安 排，不 仅可 以减 少 STA 之间 的 冲突 ，更 减少了 STA 不必要 的唤 醒次 数， 达到 节能的 目的 。 在之前 几代的 802.11 协议中 ， 对于 需要 节能 的 STA 需要每 隔固 定时 间醒来 侦听 Beacon ，以 确认 是 否需 要进 行报 文接 收，有 报文 接收 则继 续保 持唤醒 状态 等待 接收 ， 无 报文接 收则 继续 休眠 。在 802.11ax 协议 中引 入了 TWT 的节能 机制 ，允 许 STA 不再 需要 侦听 Beacon ，可 以与 AP 协商 在特 定时间 唤醒 以获取 空口 资源 ，这 样就 可以 做到 只 有 STA 需要 报文 交互 的时 候才 被唤醒 。 3 总结 通过上 述关 键技术 介绍 我们 可 以看 出， 802.11ax 与 以往的 协议 相比 在如 下场 景应用 中将 会有 更好 的 表现。 3.1 更适合高密场景 无 论是 OFDMA 技 术、 空间 重 用以 及更 全面 MU-MIMO 功能的 支持 ， 都 可以 为多用 户并 发性 能带 来 巨大的 提升 ，因 此 802.11ax 未来 在机 场、 会展 以及 商场等 高密 场景 中一 定将 会大放 异彩 。 3.2 更可靠的室外传输 802.11ax 中 将子 载波 重新作 了 更小 的划 分， 不 仅能够 更 好的 支持 OFDMA 技 术， 还附 带获 得了 更高 速率的 效果 （相 同带 宽、 流数及 编码 方式 下， 比 802.11ac 的速 率更 高） ， 同时 由于相 对带 宽变 的更 窄，因 此传 输距 离也 会比 802.11ac 更远 、干扰 更少， 再 加上 更大 的帧 间隔 保护 ，802.11ax 在 室外 无线覆 盖的 范围 、效 率以 及 可 靠性 也将比 802.11ac 更加优 秀。 3.3 更高的节电效率 TWT 技术的 引入 可以 使客户 端 被唤 醒的 次数 大大 减少 ， 同时空 间重 用技 术中 ， 客户端 可以 根据 使用 需求来 调整 自身 的发 射功 率，不 仅可 以解 决同 信道 干扰问 题， 也可 以带 来更佳 的节 能效 果。 4 缩略语 表2 缩略语 清单 缩略语 英文全名 中文解释 OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access 正交频分多址接入 HE Hight Efficiency 高效率 PPDU physical layer (PHY) protocol data unit 物理层协议数据单元 RU Resource Unit 资源单元 OBSS Overlapping Basic Service Sets 重叠基本服务集 SR Spatial Reused 空间重用14 缩略语 英文全名 中文解释 TWT Target Wake Times 目标唤醒时间 TXOP Transmission Opportunity 发送机会