新興機(jī)制802.11ax為何能成為高效率無線標(biāo)準(zhǔn)？

概覽

802.11ax，也稱為高效無線(HEW)，的目標(biāo)是在密集用戶環(huán)境中將用戶的平均吞吐量提高至少4倍，這一目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性。 這一新標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于實(shí)現(xiàn)機(jī)制，旨在在多用戶環(huán)境中為更多用戶提供一個(gè)一致、可靠的數(shù)據(jù)流（平均吞吐量）。 本文將探討新興的機(jī)制，使廣受歡迎的802.11ax標(biāo)準(zhǔn)成為高效無線的標(biāo)題。

在密集用戶環(huán)境中提高用戶吞吐量1引言

2015年，著名的汽車制造商法拉利發(fā)布了新版本的入門級(jí)車型： the Ferrari California T. 這款時(shí)尚跑車配備3.9升渦輪增壓V8發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠產(chǎn)生超過412千瓦（553馬力）的動(dòng)力，可在3.6秒鐘內(nèi)從零加速至100公里/小時(shí)（0至62英里/小時(shí)），這簡直是工程界的一大奇跡。 [1]

法拉利的設(shè)計(jì)師考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)、車身和內(nèi)飾的許多細(xì)節(jié)，使這款車輛成為日常車型，同時(shí)以驚人的速度提供最精確的處理、流體運(yùn)動(dòng)和性能。這個(gè)偉大設(shè)計(jì)將大大縮短了每天上下班的時(shí)間。 然而，在大城市大部分時(shí)間停停走走的擁擠交通狀況下，紅色法拉利敞篷車又能如何發(fā)揮作用呢？

今天很多人發(fā)現(xiàn)自己處于這種情況。駕駛意大利跑車可能不是特權(quán)，但是卻能夠享受快速的無線連接鏈路。第一個(gè)802.11b Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)（1999年）的最高鏈路速率為11 Mbps。這是很好的開始，但明顯慢于有線連接。幾年后，隨著正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的出現(xiàn)，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)（2003年）將速度提高到54Mbps。

接下來的鏈路速度提高歸功于802.11n（2009年），為用戶提供高達(dá)150 Mbps的單流鏈路。802.11ac標(biāo)準(zhǔn)（2013年）提供了更寬的信道（160MHz）和更高階的調(diào)制（256-QAM），使得單個(gè)空間流的鏈路速度達(dá)到866Mbps成為可能。如果使用規(guī)定的最高8個(gè)空間流，這一工程奇跡的最高速度理論上將達(dá)到6.97 Gbps。理論上，使用802.11ac相當(dāng)于用一臺(tái)加強(qiáng)馬力的法拉利來替代自行車，甚至是替代家庭轎車。

然而，接近7Gbps的速度可能只能在RF實(shí)驗(yàn)室的受控跑到環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，當(dāng)用戶使用忙碌的機(jī)場(chǎng)終端的公共Wi-Fi查看電子郵件時(shí)，數(shù)據(jù)流量通常會(huì)令人沮喪。IEEE 802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——802.11ax——新修訂的版本正是為了改善這一狀況。

802.11ax，也稱為高效無線(HEW)，的目標(biāo)是在密集用戶環(huán)境中將用戶的平均吞吐量提高至少4倍，這一目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性。這一新標(biāo)準(zhǔn)提供了超過802.11ac的原始鏈路速度，實(shí)現(xiàn)了多種機(jī)制，可以在擁擠的無線環(huán)境中為更多的用戶提供一致且可靠的數(shù)據(jù)吞吐量。

2主要特點(diǎn)和應(yīng)用

高效無線包括以下主要功能：

高效無線還適用于以下目標(biāo)應(yīng)用：

圖 1. 802.11ax要部署的場(chǎng)景示例包括具有高用戶密度和混合環(huán)境的體育場(chǎng)

• 向后兼容802.11a/b/g/n/ac

• 在高密度情景下，如火車站、機(jī)場(chǎng)和體育館，將用戶平均吞吐量提高4倍。

• 與802.11ac類似的數(shù)據(jù)速率和信道寬度，但采用基于1024-QAM的新調(diào)制方案和編碼集（MCS 10和11）。

• 通過MU-MIMO和正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)指定下行鏈路和上行鏈路多用戶操作。

• 更大型的OFDM FFT（大4倍）、較窄的子載波間隔（近4倍）和更長的符號(hào)時(shí)間（4倍），以提高多徑衰落環(huán)境和室外的魯棒性和性能。

• 優(yōu)化了流量和信道訪問

• 更好的電源管理，延長電池使用壽命

• 移動(dòng)數(shù)據(jù)卸載： 到2020年，每月將產(chǎn)生38.1埃字節(jié)的Wi-Fi卸載流量，而且將持續(xù)超過預(yù)計(jì)的每月移動(dòng)/蜂窩流量（30.6埃字節(jié)）。 [2]這

• 相當(dāng)于每分鐘通過這些網(wǎng)絡(luò)傳輸6000多部藍(lán)光電影。

• 具有多個(gè)接入點(diǎn)的環(huán)境和具有異構(gòu)設(shè)備的高集中用戶（機(jī)場(chǎng)Wi-Fi≠家庭Wi-Fi）

• 室內(nèi)/戶外混合環(huán)境

3當(dāng)前密集環(huán)境下的Wi-Fi吞吐量挑戰(zhàn)

802.11協(xié)議使用載波偵聽多路訪問(CSMA)方法，其中無線站(STA) 首先感測(cè)信道，并且僅當(dāng)它們感知信道空閑時(shí)才會(huì)發(fā)射信號(hào)，以避免沖突。空閑是指無線站沒有檢測(cè)到任何802.11信號(hào)。當(dāng)一個(gè)STA檢測(cè)到另一信道時(shí)，它會(huì)在隨機(jī)時(shí)間段內(nèi)等待此STA停止傳輸，而后再次監(jiān)聽此信道是否將進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)STA能夠傳輸時(shí)，他們會(huì)傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)。

Wi-Fi STA可以使用請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)調(diào)解對(duì)共享媒體的訪問。接入點(diǎn)(AP)每次僅為一個(gè)站點(diǎn)簽發(fā)一個(gè)CTS數(shù)據(jù)包，反過來，STA會(huì)將其整幀發(fā)送至該AP。 然后，STA等待來自AP的確認(rèn)字符（ACK），表示已正確接收該數(shù)據(jù)包。 如果STA沒能及時(shí)接收ACK，它將假設(shè)此ACK數(shù)據(jù)包與某個(gè)傳送中的數(shù)據(jù)包相撞，這時(shí)該STA將被移入二進(jìn)制指數(shù)退避階段。 它會(huì)嘗試訪問媒體并在退避計(jì)數(shù)器失效時(shí)重新傳輸數(shù)據(jù)包。

圖 2. 空閑信道評(píng)估協(xié)議

在沖突域范圍內(nèi)所有參與者公平共享信道方面，此空閑信道評(píng)估和防沖突協(xié)議發(fā)揮了良好的作用，但當(dāng)參與者數(shù)量大幅增長時(shí)，傳輸效率就會(huì)下降。 另一個(gè)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率低下的因素是存在眾多帶有重疊服務(wù)區(qū)的AP。 圖3中左圖描繪了一個(gè)從屬于基本服務(wù)集（BSS，指一組與某AP相關(guān)聯(lián)的無線客戶）的用戶（用戶1）。 用戶1將與另一個(gè)BSS集中的用戶爭奪媒體接入權(quán)，然后與其AP交換數(shù)據(jù)。 但是，此用戶仍能夠監(jiān)聽來自右側(cè)重疊BSS的通信量。

圖 3. 因重疊BSS造成的媒體訪問效率低下

在這種情況下，來自O(shè)BSS的流量將觸發(fā)用戶1的避退程序。這類情況會(huì)造成用戶必須等待更長時(shí)間才能獲得傳輸機(jī)會(huì)，大大降低了它們的平均數(shù)據(jù)吞吐量。

第三個(gè)需要考慮的因素是更寬信道的共享。例如，北美地區(qū)的802.11ac運(yùn)營只有一條160MHz的可用信道，歐洲僅有兩條可用信道。

4. 5GHz頻段的802.11ax信道分配示例

因此，在信道數(shù)量減少的情況下，密集覆蓋的規(guī)劃變得非常困難。 如缺乏準(zhǔn)確和審慎的功率管理，用戶將會(huì)遭遇同信道干擾，這會(huì)降低性能，抵消來自更寬信道的大部分預(yù)期增益。 這種情況更易出現(xiàn)在MCS 8、9、10和11的最高數(shù)據(jù)速率情況下，因?yàn)榇怂俾矢资艿叫旁氡鹊挠绊憽?同時(shí)，一個(gè)用戶使用與80 MHz信道重疊的20 MHz信道傳輸，基本上都會(huì)導(dǎo)致80MHz信道無效。 在高度密集網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行802.11ac的信道共享會(huì)損害用于20 MHz信道傳輸?shù)?0MHz信道增益。

4高效PHY機(jī)制

PHY變化規(guī)范為本標(biāo)準(zhǔn)的物理層帶來了重大變化。 但該規(guī)范仍可向后兼容802.11a/b/g/n和/ac設(shè)備，因此802.11ax STA可以與傳統(tǒng)STA相互發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。 802.11ax STA傳輸時(shí)，這些傳統(tǒng)客戶還能夠解調(diào)和解碼802.11 ax數(shù)據(jù)包（但并非整個(gè)802.11ax數(shù)據(jù)包）報(bào)頭和退避。 下表通過與現(xiàn)行802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行相對(duì)比，突出強(qiáng)調(diào)了802.11ax標(biāo)準(zhǔn)此次修訂中最重要的變更。

下表通過與現(xiàn)行802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行相對(duì)比，突出強(qiáng)調(diào)了802.11ax標(biāo)準(zhǔn)此次修訂中最重要的變更。

表1. 802.11ac與802.11ax比較

注意，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)將在2.4GHz和5GHz帶寬下運(yùn)行。 此標(biāo)準(zhǔn)明確定義了四倍大的FFT，乘以副載波的數(shù)量。 但是，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)提供的一個(gè)重要變化是副載波間隔減少到此前802.11修訂版中副載波間隔的四分之一，同時(shí)保留了現(xiàn)有的信道帶寬（圖4）。

圖 5. 較窄的副載波間隔

OFDM（正交頻分多路復(fù)用）符號(hào)持續(xù)時(shí)間和循環(huán)前綴也增長了四倍，原始鏈接數(shù)據(jù)率保持與802.11ac相同，但提高了在室內(nèi)/戶外及混合環(huán)境下的效率和穩(wěn)健性。 但此標(biāo)準(zhǔn)的確規(guī)定了室內(nèi)環(huán)境下的1024-QAM和更低的循環(huán)前綴比率，這將提升最大數(shù)據(jù)速率。

波束形成802.11ax將采用類似于802.11ac的顯式波束成形過程。 在該過程下，波束形成器利用空數(shù)據(jù)包啟動(dòng)信道探測(cè)程序。 波束形成器會(huì)測(cè)量信道并使用包含壓縮反饋矩陣的波束形成反饋幀進(jìn)行響應(yīng)。 波束形成器使用該信息來計(jì)算信道矩陣H， 然后使用該信道矩陣將RF能量聚焦到每個(gè)用戶。

多用戶操作： MU-MIMO和OFDMA

802.11ax標(biāo)準(zhǔn)有兩種工作模式：單用戶： 在這種順序模式中，無線STA在安全訪問媒介后一次發(fā)送和接收一個(gè)數(shù)據(jù)，如上所述。

多用戶： 此模式允許同時(shí)運(yùn)行多個(gè)非AP STA。 該標(biāo)準(zhǔn)將此模式進(jìn)一步分為下行和上行多用戶模式。

• 下行多用戶是指接入點(diǎn)同時(shí)為多個(gè)相關(guān)無線STA提供的數(shù)據(jù)。 現(xiàn)有的802.11ac標(biāo)準(zhǔn)也包含了此功能。

• 上行多用戶模式是指數(shù)據(jù)從多個(gè)STA到AP的同步傳輸。 這是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的新增功能，以往任何版本的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)皆不具備這項(xiàng)功能。

在多用戶操作模式下，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了兩種能夠在一定區(qū)域內(nèi)多路傳輸更多用戶的方式： 多用戶MIMO和正交頻分多址(OFDMA)。 在這兩種方法中，AP作為中央控制器控制多用戶操作的各個(gè)方面，這與LTE蜂窩基站控制多個(gè)用戶的多路復(fù)用相似。 802.11ax AP還可將MU-MIMO與OFDMA操作結(jié)合起來。

多用戶MIMO802.11ax設(shè)備借鑒了802.11ac的部署經(jīng)驗(yàn)，將使用波束成形技術(shù)同步將數(shù)據(jù)包發(fā)送至不同空間的用戶（圖5）。 換言之，AP會(huì)計(jì)算每個(gè)用戶的信道矩陣，并同時(shí)將波束導(dǎo)向不同的用戶——每路波束包含針對(duì)其目標(biāo)用戶的特定數(shù)據(jù)包。 802.11ax一次可支持8個(gè)多用戶MIMO傳輸包的發(fā)送，而802.11ac一次可支持4個(gè)MIMO數(shù)據(jù)包。 而且，每次MU-MIMO傳輸都可能有自己的調(diào)制和解碼集（MCS）和不同數(shù)量的空間串流。 以此類推，當(dāng)使用MU-MIMO空間復(fù)用時(shí)，接入點(diǎn)會(huì)與以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行比較，將沖突域從大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)縮小至單個(gè)端口。

作為MU-MIMO上行方向的新增功能，AP將通過一個(gè)觸發(fā)幀從每個(gè)STA發(fā)起上行同步傳輸。 當(dāng)多個(gè)用戶及其數(shù)據(jù)包同時(shí)響應(yīng)時(shí)，AP將信道矩陣應(yīng)用于所接收的波束并將每個(gè)上行波束包含的信息分開， 同時(shí)它還可能發(fā)起上行多用戶傳輸，從而接收來自所有參與STA的波束形成反饋信息（圖7）。

圖 6. AP使用MU-MIMO波束成形為坐落在不同空間位置的多個(gè)用戶服務(wù)

圖 7. 波束成形AP請(qǐng)求MU-MIMO操作的信道信息

多用戶OFDMA802.11ax標(biāo)準(zhǔn)借鑒4G蜂窩技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步，在相同信道帶寬中服務(wù)更多用戶的另一技術(shù)是： 正交頻分多址（OFDMA）。 基于802.11ac已經(jīng)使用的現(xiàn)有正交頻分多路復(fù)用(OFDM)數(shù)字調(diào)制方案，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步將特定的子載波集分配給個(gè)體用戶， 即，它將現(xiàn)有的802.11信道（20、40、80和160MHz頻寬）分為帶有預(yù)定義數(shù)量的副載波的更小子信道。 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)還借用現(xiàn)代LTE術(shù)語，將最小子信道稱為資源單元(RU)，最少包含26個(gè)副載波。

AP依據(jù)多個(gè)用戶的通信需求決定如何分配信道，始終在下行方向分配所有可用的資源單元。 它可能一次將整個(gè)信道僅分配給一個(gè)用戶——與802.11ac當(dāng)前功能相同——或者它可能對(duì)其進(jìn)行分區(qū)，以便同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶（圖8）。

圖 8. 使用信道的單個(gè)用戶與使用正交頻分多址的同信道中的多類用戶

在密集用戶環(huán)境下，許多用戶通常無力爭奪信道的使用機(jī)會(huì)，現(xiàn)在正交頻分多址使用更小巧——但更具專用性的子信道同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶，因此提升了每個(gè)用戶的平均數(shù)據(jù)吞吐量。 802.11ax系統(tǒng)可能通過不同的資源單元規(guī)模實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用（圖9）。 注意，對(duì)于每20MHz帶寬，信道的最小部分可容納9個(gè)用戶。 [4]

圖 9. 使用多種資源單元規(guī)模細(xì)分Wi-Fi信道

下表顯示當(dāng)802.11ax AP和各STA協(xié)調(diào)用于MU-OFDMA操作時(shí)當(dāng)前能夠獲得頻率多路復(fù)用訪問權(quán)的用戶數(shù)量。

表2. 不同信道帶寬的RU總數(shù)量

多用戶上行操作為了協(xié)調(diào)上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸，AP需向所有用戶發(fā)送一個(gè)觸發(fā)幀。 此幀顯示了空間流的數(shù)量和/或每個(gè)用戶的OFDMA分配（頻率和資源單元的大?。?它還包含功率控制信息，因此個(gè)人用戶能夠提高或降低他們的傳輸功率，以便均分AP從所有上行用戶接收的功率并提升來自較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的各幀的接收。 AP還通知所有用戶傳輸開始和結(jié)束的時(shí)間。 AP向所有用戶發(fā)送一個(gè)多用戶上行觸發(fā)幀（圖10），用于指示整體開始傳輸?shù)拇_切時(shí)間以及各幀的確切持續(xù)時(shí)間，以確保各用戶同時(shí)完成傳輸。 AP接收到來自所有用戶的幀后，會(huì)向用戶返回一個(gè)塊確認(rèn)以結(jié)束操作。

圖 10. 協(xié)調(diào)上行多用戶操作

802.11ax的主要目標(biāo)之一是在密集用戶環(huán)境下將當(dāng)前平均每位用戶的數(shù)據(jù)吞吐量提升三倍。 基于這一目標(biāo)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定者已明確指出802.11ax設(shè)備支持下行和上行MU-MIMO操作，MU-OPDMA操作，或更大數(shù)量并發(fā)用戶的MU-MIMO操作和MU-OPDMA操作。

5高效MAC機(jī)制

基于色碼的空間復(fù)用為了改善密集部署場(chǎng)景中的系統(tǒng)層級(jí)性能以及頻譜資源的使用效率，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了空間重用技術(shù)。 STA可以識(shí)別來自重疊基本服務(wù)集(BSS)的信號(hào)，并根據(jù)這項(xiàng)信息來做出媒體競爭和干擾管理決策。

當(dāng)正在主動(dòng)收聽媒體的STA偵測(cè)到802.11ax訊框時(shí)，它就會(huì)檢查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表頭文件中的MAC地址。 如果所偵測(cè)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)中的BSS色彩與所關(guān)聯(lián)AP已公布的色彩相同，STA就會(huì)將該幀視為Intra-BSS幀。

然而，如果所偵測(cè)幀的BSS色彩不同，STA就會(huì)將該幀視為來自重疊BSS的Inter-BSS幀。 在這之后，只有在需要STA驗(yàn)證幀是否是Inter-BSS幀期間，STA才將媒體當(dāng)成忙碌中(BUSY)。不過，這段期間不會(huì)超過指定的幀負(fù)載時(shí)間長度。

盡管標(biāo)準(zhǔn)仍需定義某些機(jī)制來忽略來自重疊BSS的流量，在實(shí)現(xiàn)上，則可包含提高Inter-BSS幀的空閑信道評(píng)估信號(hào)檢測(cè)(SD)閾值，并同時(shí)為Intra-BSS流量維持較低的閾值(圖11)。 這樣一來，來自相鄰BSS的通信量就不會(huì)產(chǎn)生不必要的信道訪問權(quán)競爭。

圖 11. 使用色碼進(jìn)行空閑通道評(píng)估

當(dāng)802.11ax STA使用基于顏色代碼的CCA規(guī)則時(shí)，也可以調(diào)整OBSS信號(hào)檢測(cè)閾值以及發(fā)射功率控制。 這種調(diào)整提高了系統(tǒng)級(jí)性能和頻譜資源的使用。 此外，802.11ax STA可以調(diào)整CCA參數(shù)，例如能量檢測(cè)級(jí)別和信號(hào)檢測(cè)級(jí)別。

除了使用CCA來幫助當(dāng)前幀確定媒體的忙閑狀態(tài)之外，802.11標(biāo)準(zhǔn)采用網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV)來為STA指示媒體傳輸當(dāng)前幀所需的時(shí)間,以及嘗試下一次傳輸之前需等待的時(shí)間，NAV是一種預(yù)測(cè)未來流量的定時(shí)器機(jī)制。 NAV充當(dāng)虛擬載波偵聽，確保為對(duì)于802.11協(xié)議操作（例如控制幀、RTS/CTS交換之后的數(shù)據(jù)和ACK）至關(guān)重要的幀保留媒體。

圖 12. MU PPDU交換和NAV設(shè)定范例

負(fù)責(zé)開發(fā)高效率無線標(biāo)準(zhǔn)的802.11工作團(tuán)隊(duì)可能會(huì)在802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中包含不止一個(gè)NAV字段,很可能采用兩個(gè)不同的NAV。 同時(shí)擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不僅可協(xié)助STA預(yù)測(cè)自身BSS內(nèi)的流量，還能讓它們?cè)诘弥丿B流量狀態(tài)時(shí)自由傳輸。

通過目標(biāo)喚醒時(shí)間省電802.11ax AP可以和參與其中的STA協(xié)調(diào)目標(biāo)喚醒時(shí)間(TWT)功能的使用，以定義讓個(gè)別基站訪問媒體的特定時(shí)間或一組時(shí)間。 STA和AP會(huì)交換信息，包括預(yù)計(jì)的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間。 如此一來，AP就可控制需要訪問媒體的STA之間的競爭和重疊情況。 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(jìn)入睡眠狀態(tài)。 另外，AP還可另外設(shè)定時(shí)間計(jì)劃并將TWT值提供給STA，這樣一來，雙方之間就不需要存在獨(dú)立的TWT協(xié)議。 標(biāo)準(zhǔn)將此過程稱為"廣播目標(biāo)喚醒時(shí)間操作"（見圖13）。

圖 13. 廣播目標(biāo)喚醒時(shí)間操作示例

6802.11ax測(cè)試挑戰(zhàn)

更嚴(yán)格的EVM要求802.11ax標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在要求1024-QAM支持。 另外，子載波彼此之間的間隔只有78.125KHz。 這意味著802.11ax設(shè)備需要具有更低相位噪聲的振蕩器，且RF前端具有更好的線性度。 測(cè)量DUT行為的測(cè)試儀器反過來要求其EVM本底噪聲明顯低于DUT。

下表列出了符合802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可能必須滿足的EVM級(jí)別。

表3. 802.11ax EVM要求

NI WLAN測(cè)試系統(tǒng)將RF矢量信號(hào)收發(fā)器(VST)與NI WLAN測(cè)量套件相結(jié)合，以支持802.11ax信號(hào)的生成和分析。 該軟件支持從BPSK (MCS0)到1024-QAM （MCS10和MCS11）的波形。 此外，NI VST硬件始終為RF特性分析和生產(chǎn)測(cè)試需求提供出色的EVM本底噪聲測(cè)量。

絕對(duì)和相對(duì)頻率誤差OFDMA系統(tǒng)對(duì)頻率和時(shí)鐘偏移具有非常高的靈敏性。 因此，802.11ax多用戶OFDMA性能需要非常嚴(yán)格的頻率同步和時(shí)鐘偏移校正。 這確保所有STA在其分配的子信道內(nèi)精確地操作，最大程度減少頻譜泄漏。 另外，嚴(yán)格的時(shí)序要求保證了所有STA在響應(yīng)AP的MU觸發(fā)幀時(shí)同時(shí)發(fā)送。

對(duì)于4G LTE系統(tǒng)，基站的一大優(yōu)勢(shì)是采用GPS馴服時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)所有相關(guān)設(shè)備的同步。 然而，802.11ax AP可能不會(huì)這樣奢侈，它們必須使用其內(nèi)置振蕩器作為參考時(shí)鐘來保持系統(tǒng)同步。 然后，STA從AP獲取的觸發(fā)幀中提取偏移信息來調(diào)整其內(nèi)部時(shí)鐘和頻率參考。

802.11ax設(shè)備的頻率和時(shí)鐘偏移測(cè)試將涉及以下測(cè)試：絕對(duì)頻率誤差： DUT發(fā)送802.11ax幀，測(cè)試儀器根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考值測(cè)量頻率和時(shí)鐘偏移。 這將與當(dāng)前802.11ac規(guī)范的規(guī)定類似，限制值約為±20ppm。

圖 14. 簡單的絕對(duì)頻率誤差測(cè)量裝置

相對(duì)頻率誤差： 用于測(cè)試參與上行鏈路多用戶傳輸?shù)姆茿P STA將其頻率調(diào)整為與AP的頻率一致的能力。 測(cè)試過程分為兩個(gè)步驟。 首先，測(cè)試儀器向DUT發(fā)送觸發(fā)幀。 DUT根據(jù)從觸發(fā)幀導(dǎo)出的頻率和時(shí)鐘信息調(diào)整自身的頻率和時(shí)鐘。 然后DUT通過頻率校正幀進(jìn)行響應(yīng)。 測(cè)試儀器測(cè)量的是這些幀的頻率誤差。 經(jīng)過載波頻率偏移和定時(shí)補(bǔ)償之后，這些誤差的上下限嚴(yán)格保持在大約350 Hz和±0.4μs附近（相對(duì)于AP的觸發(fā)幀）。

圖 15. 相對(duì)頻率誤差測(cè)量裝置

STA電源控制與降低頻率和時(shí)鐘誤差要求類似，對(duì)于所有用戶，AP在上行鏈路多用戶傳輸期間接收的功率不應(yīng)有很大的差異。 這要求AP控制每個(gè)STA的發(fā)射功率。 AP可以使用包含每個(gè)STA的發(fā)射功率信息的觸發(fā)幀來進(jìn)行控制。 開發(fā)人員可以通過兩個(gè)步驟測(cè)試此功能，方法與頻率誤差測(cè)試類似。

接入點(diǎn)接收機(jī)靈敏度由于AP用作為時(shí)鐘和頻率參考，測(cè)試802.11ax AP的接收機(jī)靈敏度會(huì)存在額外的挑戰(zhàn)。因此，在向AP發(fā)送數(shù)據(jù)包已進(jìn)行數(shù)據(jù)包誤碼率靈敏性測(cè)試之前，測(cè)試儀器必須鎖定到AP。

當(dāng)AP發(fā)送觸發(fā)幀開始啟動(dòng)時(shí)，測(cè)試儀器會(huì)調(diào)整其頻率和時(shí)鐘以匹配AP，然后按照預(yù)期的配置，發(fā)送預(yù)定數(shù)量的數(shù)據(jù)包來響應(yīng)AP DUT。

挑戰(zhàn)來自于802.11ax的嚴(yán)格相對(duì)頻率誤差上下限。 測(cè)試儀器必須從AP發(fā)送的觸發(fā)幀中得到非常精確的頻率和時(shí)鐘信息。 這可能需要對(duì)多個(gè)觸發(fā)幀執(zhí)行此計(jì)算，以確保正確的頻率和時(shí)鐘同步。 因此，該過程可能會(huì)給測(cè)試程序帶來顯著的延遲。

加速測(cè)試程序的一個(gè)解決方法是讓AP導(dǎo)出其參考時(shí)鐘，以便測(cè)試設(shè)備可以將其時(shí)鐘鎖定到參考時(shí)鐘。 這避免了基于觸發(fā)幀的初始同步過程，從而縮短AP接收機(jī)靈敏度測(cè)試時(shí)間。

上行帶內(nèi)輻射當(dāng)STA在MU-OFDMA模式下工作時(shí)，根據(jù)AP定義的RU分配向AP發(fā)送數(shù)據(jù)包。 也就是說，STA只使用了通道的一部分。 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)對(duì)上行鏈路帶內(nèi)輻射測(cè)試進(jìn)行規(guī)定，以分析和測(cè)量發(fā)射機(jī)僅使用部分頻率分配時(shí)產(chǎn)生的輻射。

圖 16. 上行帶內(nèi)輻射測(cè)試的部分掩模

多用戶和更高階的MIMO使用MIMO測(cè)試具有多達(dá)8個(gè)天線的802.11ax設(shè)備所得到的結(jié)果可能會(huì)與按順序分別地測(cè)試每個(gè)信號(hào)鏈的結(jié)果截然不同。 例如，每個(gè)天線的信號(hào)可能相互破壞性地干擾并影響功率和EVM性能，而且可能吞吐量產(chǎn)生顯著的不良影響。

測(cè)試儀器必須能夠支持每個(gè)信號(hào)鏈中本地振蕩器的亞納秒同步，以確保多個(gè)通道的正確相位對(duì)齊和MIMO性能。 NI測(cè)試解決方案基于NI VST，使用獲得專利的硬件和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有高達(dá)8、16個(gè)甚至64個(gè)同步通道的靈活大規(guī)模MIMO配置。

7結(jié)論

802.11ax有望在密集環(huán)境中將用戶平均數(shù)據(jù)吞吐量提高4倍。這種效率最大的推動(dòng)因素之一是多用戶技術(shù)，包括MU-MIMO和MU-OFDMA。在擁擠的環(huán)境中頻譜利用率的改進(jìn)可能會(huì)使802.11ax以比以往任何標(biāo)準(zhǔn)都更快地被市場(chǎng)接受。然而，實(shí)現(xiàn)這一功能將給負(fù)責(zé)讓這些工程奇跡變成現(xiàn)實(shí)的科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員帶來全新的挑戰(zhàn)。

NI的靈活和模塊化平臺(tái)提供了具有干凈振蕩器低本底EVM的高性能硬件，采用1024-QAM測(cè)量技術(shù)，副載波間隔減小了僅4倍。 WLAN測(cè)量套件可以適應(yīng)最新的802.11ax標(biāo)準(zhǔn)，以幫助您設(shè)計(jì)、表征、驗(yàn)證和測(cè)試802.11ax設(shè)備，并為多用戶革命做好準(zhǔn)備。

8關(guān)于NI和802.11ax標(biāo)準(zhǔn)

NI是基于平臺(tái)的系統(tǒng)的提供商，致力于幫助工程師和科學(xué)家解決世界上最嚴(yán)峻的工程挑戰(zhàn)。 NI與標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)和領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司合作開發(fā)相關(guān)的系統(tǒng)和工具，以設(shè)計(jì)、表征、驗(yàn)證和測(cè)試最新的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE 802.11ax (draft 0.1)高效無線草案標(biāo)準(zhǔn)。

圖 17. 基于WLAN測(cè)量套件和VST的NI 802.11測(cè)試系統(tǒng)

NI WLAN測(cè)量套件和PXI RF VST相結(jié)合，為802.11ax設(shè)備提供強(qiáng)大的模塊化測(cè)試解決方案。 WLAN測(cè)量套件為研究人員、工程師和技術(shù)專家提供了所需的功能和靈活性來生成和分析802.11a/b/g/n/j/p/ac/ah/af等各種802.11波形。 隨著該測(cè)量套件專門針對(duì)802.11ax進(jìn)行了更新，這些用戶將可大幅加快其802.11ax設(shè)備的研發(fā)工作。 軟件支持802.11ax的主要特性，包括更窄的子載波間隔、1024-QAM和多用戶正交頻分多址接入(OFDMA）。 升級(jí)版的測(cè)量套件還包含了LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件范例代碼，以幫助工程師更快速、更輕松地實(shí)現(xiàn)WLAN測(cè)量自動(dòng)化。