下一代 Wi-Fi 802.11ax 的五个关键技术问题

[导读] Wi-Fi 最初只是 1x1 连接(单个数据流,单个客户端与路由器通信),但现在它已演进为一种 8x8 MIMO(多输入/多输出)解决方案,多个客户端同时与路由器进行通信。当前的Wi-Fi 标准 802.11ac 在 2013 底全面发布,它在家庭环境中的使用效果非常好。但是,与以前的Wi-Fi 标准一样,它也将在 2022 年左右达到极限,据经济合作与发展组织 (OECD) 估计,届时一个家庭可能会有多达 50 个节点。

Wi-Fi 最初只是 1×1 连接(单个数据流,单个客户端与路由器通信),但现在它已演进为一种 8×8 MIMO(多输入/多输出)解决方案,多个客户端同时与路由器进行通信。当前的Wi-Fi 标准 802.11ac 在 2013 底全面发布,它在家庭环境中的使用效果非常好。但是,与以前的Wi-Fi 标准一样,它也将在 2022 年左右达到极限,据经济合作与发展组织 (OECD) 估计,届时一个家庭可能会有多达 50 个节点。

802.11Ax 是 IEEE 802.11 Wi-Fi 标准的下一个演进版本,它将在人口非常密集的环境中得到广泛应用,例如城区公寓综合楼、大学校园、音乐会场地、体育馆等,在这些场所,很多客户端都将通过 Wi-Fi 访问互联网。这个 IEEE 标准目前正在开发,预期将于 2019 年公开发布。

下面,我们将介绍读者应该了解的关于下一代 Wi-Fi 802.11ax 的五个关键问题。

802.11ac 和 802.11ax 的关键区别是什么?

• 上行链路 MIMO:802.11ac 支持多用户 MIMO,但只是在下行链路模式下。相反,802.11ax 增加了上行链路功能,因此多个用户可以同时上传视频。

• 调制:802.11ax 拥有更高的调制方案,从 256 QAM 升级至 1024 QAM,这样可以达到更高的吞吐量,将容量提高 25%,每个符号传输 10 位数据。

• 容量和效率改进:802.11ax 使用 OFDMA 调制,而非 OFDM 调制,这样可以实现 FDD,从而取代 TDD,还能实现特定带宽内部的资源单元分配。它还可将子载波间隔减小至 78.125 kHz,仅为 802.11ac 间隔的 25%,符号比后者长 4 倍。所有这些变化结合在一起,意味着系统更加高效,能够同时上传或下载多个数据包,而不是一次只传输一个数据包。

• 基于调度而非资源争抢:在 802.11ax 中,接入点决定设备何时工作,因而能够更加高效地处理客户端。资源调度还能显著减少休眠期间的能耗,从而延长客户端的电池续航时间。

有关 802.11ac 和 802.11ax 的更多差异,请参见下表。

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802.11ac 承诺了 6.9 Gbps 的网络速度,但公共 Wi-Fi 却无法达到这样的速度。802.11ax 将会解决这个问题吗?

6.9 Gbps 的速度在家庭或公共 Wi-Fi 网络上是不可能实现的。这些理论上的速度永远不会出现在百思买、沃尔玛或其他大型商店的货架上的路由器包装盒上。

家庭网络的最大限制因素是互联网服务提供商的连接,这是为家庭提供互联网接入的管道。如果路由器能够支持 1.6 Gbps,但家庭连接速度仅为 100 Mbps,那么客户端永远无法实现从广域网 (WAN) 进行下载的更高速度。

进入家庭和接入点的数据流将确定初始互联网带宽基准。在这些位置,其他一些因素可能减慢网络速度:

1、客户端和接入点之间的距离

2、相同频率的其他客户端带来的干扰

3、固有的 Wi-Fi 资源开销,包括确认、传输、空闲通道评估

802.11ax 接入点将提供更高效的环境,从而消除 Wi-Fi 开销问题。换言之,与通信相关的固定“成本”再也不是数据传输的一部分。802.11ax 将通过不同方式消除开销,调度设备的工作时间,更高效地处理信息和客户端。

此外,高级滤波技术将会实现更好地共存,提升带缘性能。这样可以产生两个结果:

1、让更宽的频谱充分发挥作用

2、改进以前受到限制的带缘通道中的服务质量和范围

总而言之,经过改进的频率和滤波将帮助 802.11ax 达到比 802.11ac 更快的速度。

OFDMA 如何创建更高效的有效载荷传输系统?

从 802.11a 到 802.11ac 的各个标准都使用了 OFDM(正交频分复用)技术来传输 Wi-Fi 数据包。在 OFDM 中,无论是通过 Wi-Fi 网络来传输视频,或者只是发送简单的文本消息,设备都使用固定的 20 MHz 或 40 MHz 带宽来传输数据包。

但是,802.11ax 使用了 OFDMA(正交频分多址接入)技术,它让资源单元 (RU) 能够根据客户端的需求来划分带宽,为多个用户提供相同的客户体验,而且连接速度更快。

下面,我们以卡车做一个简单的比喻,来说明两者之间的差异。如下图所示,每辆卡车都在搬运有效载荷,也就是用户数据,例如一位用户正在网上冲浪,另一位用户正在上传足球游戏的视频,第三位用户则在发送文本消息。在 OFDM 中,设备必须使用相同大小的三辆卡车来发送数据,而无论这些卡车是空载,还是装满了货物。换言之,OFDM 使用带宽的效率低下,留下了大量的空白空间。相反,OFDMA 让设备能够使用 RU(即数据)来装满整辆卡车。这种有效载荷传输模式的带宽利用效率要高得多。

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802.11ax 支持 1024 QAM,这种更高调制方案会产生什么影响?

使用 1024 QAM 调制后,每个符号传输 10 位数据,而非 256 QAM 中的 8 位数据。更多的位数就等于更多的数据,因而它的数据有效载荷传输更加高效,如同有了一辆更大的卡车。

同时,OFDMA 还减小了子载波之间的间隔,从而将更多资源单元装载到卡车中。

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但是,随着数据速率增加,RF 前端的误差矢量幅度 (EVM) 也变得很大。在 802.11ax 中有 1024 个子载波,星座将会非常密集,系统必须将各个星座点区分开。这需要一个非常先进的系统来对这些星座点进行解码或解调,还需要设备具有更好的 EVM。

802.11ac 要求 PA EVM 达到 -35 dB,802.11ax 则要求 PA EVM 达到 -47 dB。更高的调制方案要求更好的 EVM,让设备能够达到更高的数据包传输效率。

相比于接入点,对于手机或其他客户端而言,802.11ax 会带来哪些差异?

正如上文所述,802.11ax 将 EVM 要求降低至 -47 dB,接入点和客户端都必须达到相同的规格。这方面没有任何差异,但功率水平可能有很大差异。接入点或用户端设备 (CPE) 的工作功率通常远高于客户端。前者的功率为 24 dBm,而移动手机的功率为 14-20 dBm。最终,更高的功率意味着设备必须驱散更多的热量,因此连接解决方案可能需要比移动解决方案更加严格的散热要求。

要认识到,802.11ax 规范仍然处于不断变动中,在一定时间内不会最终确定。随着下一代 Wi-Fi 标准的继续演进,我们要不断进行调整。

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