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Wi-Fi6技术白皮书 - 浏览文件 - 07011211.pdf

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.68M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    无线 www.ruijie.com.cn 下一代无线Wi-Fi 6（802.11ax) 锐捷网络无线技术白皮书 如有疑问 扫一扫在线咨询
    概要 802.11ax技术的由来 IEEE 802.11是IEEE中负责无线局域网的协议标准的工作组。该组织先后制定了数个成功的 WLAN协议，如11g、11n及11ac。 802.11 Wireless Standards IEEE Standard Year Adopted Frequency 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 802.11ac 1999 5 Ghz 1999 2003 2009 2014 2.4 Ghz 2.4 Ghz 2.4/5 Ghz 5 Ghz Max,Data,Rate 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps 600 Mbps 1 Gbps 802.11ac将WLAN的数据链接速率突破了1Gbps的关口。但随着WLAN应用的普及，AP和终端 的数量越来越多，设备间的冲突、干扰可能导致整网的效率不理想；新增的应用场景，如视频、生 产网、自动化技术等，也在吞吐、稳定性、传输时延方面对WLAN提出了更高的要求。 为了应对新的挑战，802.11工作组在2013年成立HEW（High Efficiency Wireless）研究组，并 于2014年转为正式的11ax任务组，在802.11-2012标准基础上开发11ax协议。 11ax工作组当前进展1 May 2014 工作组正式成立 November 2016 Draft 1.0版本 September 2017 Draft 2.0版本 May 2018 Draft 3.0版本 January 2019 Draft 4.0 版本 July 2019 发起最终投票（计划） January 2020 Final 802.11 Approval（计划） 802.11ax的技术目标 根据11ax技术组的计划2，11ax技术的主要改进目标有： 1. System performance：在高密部署场景中提升至少4倍的每用户平均吞吐性能，并改善终端 设备的电力消耗；降低通信延迟以满足高密场景的QoS应用需求。 2. Spectrum Efficiency：提高无线频谱资源的利用效率，并提供管理临近设备的干扰的能力，以 改善高密部署中的性能。 3. Bands of Operation：规定11ax工作的频段在1Ghz~6Ghz之间。即，包含传统的2GHz和 5GHz频段，以及新增的6Ghz频段。 可以看到，在11ax的目标中没有对最大链接速率的要求，而是高密、多用户、效率等关键字。这 一代协议将朝着更实用、更贴近用户场景的方向迈进。 1 11ax工作组截止2019年5月的进展，http://www.ieee802.org/11/Reports/tgax_update.htm 2 https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/14/11-14-1009-02-00ax-proposed-802-11ax-functional-requirements.doc -1- 与场景亲密接触 做方案创新专家
    802.11ax与Wi-Fi 6 802.11ax是IEEE 802.11标准组织对新一代WLAN标准的命名，在标准文档内部则以HE（High Efficiency）来称呼该技术。 Wi-Fi 6是由WFA（Wi-Fi Alliance，Wi-Fi联盟是一个非盈利性组织，旨在推广Wi-Fi技术并 对Wi-Fi产品进行标准化认证）提出的对于Wi-Fi的新命名方式，以便于Wi-Fi新技术的推广。其 中，Wi-Fi 5对应802.11ac；Wi-Fi 6对应802.11ax。 ≈6 802.11ax 802.11ax新技术 更快 人们对于单纯速度的追求，一直贯穿802.11的整个发展历程。随着无线及芯片技术的不断成熟， 以前难以做到或成本过高的技术在现在变成了可能。在11ax中，也有一部分新特性提升了物理层 链接速率。 1024QAM QAM（正交幅度调制），通过叠加两个正交的同频载波，携带双倍的数据，提高频谱的利用率。 QAM在Wi-Fi及蜂窝网等通信技术中有广泛的应用。 在数字通信领域，通常用星座图直观的表示信号以及信号之间的关系。QAM是一种结合幅度和相 位变化的调制方式，即通过信号的不同相位和幅度组合表示不同的信息。如下图16QAM的星座 图，信息“1100”即为相位225°，幅值25%的组合来表示。16QAM的1个单位信号可表示4bit （16种）的信息。 Q 1011 1001 0010 0011 Phase° 1010 1000 0000 0001 I 25% 50% 75% 1101 1100 0100 0110 1111 1110 0101 0111 Amp Phase Date 25% 225° 1100 在11ac时代最大支持256QAM。11ax引入了更高阶的编码即1024QAM，单位信号可以表达 10bit（1024种）的信息，相比256QAM性能提升了25%。 -2- 与场景亲密接触 做方案创新专家
    由于1024QAM信息密度的增加，携带不同编码的信号之间的区别也更小，对信号质量的要求也更 高。因此该技术在无线环境较好、距离较近的场景中才能充分发挥优势，如信号良好小型的办公 室、会议室等。 Long OFDM Symbol 11ax中采用了更长的OFDM码元，其作用有三个方面3： 1. 提高室外通信的健壮性 2. 增强对UL MU-MIMO及OFDMA通信时的时延抖动的容忍度 3. 提高室内通信时的效率（更低的GI时间占比），即本节要讨论的对于速率的提升作用。 在Wi-Fi的OFDM编码过程中，信息被分为多个小的OFDM Symbol(码元，即下图中蓝色部分)。 码元之间插入了GI（保护间隙，即图中红色部分）以减少码元之间的相互影响。11ax中采用了更 长的码元时长，降低了GI的占比，从而提升了性能。 保护间隙 码元（实际数据） 11ac 11ax 11ax 拥有更大的码元对间隙占比，从而提高了性能 以典型室内放装部署为例，11ac网络中GI为0.4us或0.8us，码元长度为3.2us，即代为长度的有 效载荷占比80%；11ax网络中，GI为0.8us，码元长度为12.8us，有效载荷占比94%。因此在同 样QAM调试方式下，HE（11ax）速率会有14%的速率提升。 同时，从MCS1到MCS11的各档HE速率都存在该性能增益，所以用户不论在什么环境下使用何 种速率，都可以享受长码元带来的性能增益。 8x8 MIMO 尽管在11ac协议中已经提到8x8 MIMO空间流的支持，但是在11ac时代未出现成熟的商业应用。 随着技术的进步，在11ax时代已经可以看到成熟的8x8商业产品出现。这不仅提升了单用户的最 大吞吐性能，同时也支持更多用户的MU-MIMO，提升多用户并发的吞吐性能。 3 参考IEEE 802.11-15/0099 -3- 与场景亲密接触 做方案创新专家
    更高效 历代的Wi-Fi协议把重心放在物理链接速率的提升方面。11ax除了前述的链接速率的改进，更多的 革新体现在了对多用户高密场景下的支持。 由于Wi-Fi的通信基础是EDCA的竞争模型，因此每个终端需要在相同的信道媒介上相互竞争，其 中有很多退避和等待的时间浪费。随着终端数量的增加，竞争的开销也越来越明显。OFDMA、 MU-MIMO和SR等技术就是为了减少这种浪费而导入的技术。 DL/UL OFDMA OFDMA技术不能提升物理速率，而是通过在频域上向多个用户并发，提升多用户通信时的效率。 该技术在LTE等标准中有过成功的应用，理论上相对于MU-MIMO技术在实际场景中稳定性更 好，因此在11ax标准中被寄予厚望。 OFDM基础知识 为了介绍OFDMA的基本原理，首先需要了解OFDM技术。OFDM（正交频分复用）应用在 11a、11g、11n及11ac中。 与单载波调制方式不同，OFDM将整个载波频段切分成大量紧邻的子频段（子载波），每个子载 波采用传统的调制方案，进行低符号率调制。 单载波调制 OFDM调制 频 域 频 域 时 间 时 间 以11ac 20Mhz带宽为例，子载波的频宽为312.5Khz，子载波数量为64个。每个子载波上，被切 分为一个个3.2us的码元+0.8us的保护间隔。然后，64个子载波通过反向傅里叶变换生成时域的 信号进行发送。接收端通过傅里叶变换将信号分解为64个子载波，解调每个子载波的数据，通过 重新组合得到发送的数据。 OFDM方式有频谱效率高，带宽扩展性强，抗多径衰落等优点，因此广泛应用于无线通信领域。 OFDMA OFDMA（正交频分多址），是OFDM技术的演进。OFDM技术中，一个报文中的所有的子载波 -4- 与场景亲密接触 做方案创新专家
    都用于和单一用户通信；OFDMA中，一个报文中不同的子载波可以分配给不同的用户进行并发的 通信。 P r e a m e DL Data b (STA 1) l P r e a m e UL BA b (STA 1) l OFDM P r e a m e UL BA b (STA 2) l P r e a m e UL BA b (STA 2) l P r e a m e UL Data b (STA 3) l P r e a m e UL BA b (STA 3) l SIFS Contention SIFS Contention SIFS t f OFDMAA P r e a m b e l DL Data (STA 1) DL Data (STA 2) DL Data (STA 3) P r e a m b e l MU-BAR P r e a m b e l UL BA (STA 1) UL BA(STA 2) UL BA(STA 3) SIFS SIFS t 如图所示，OFDMA方式减少了帧前导（Preamble）和帧间隙（SIFS等）及终端之间竞争退避 （Contention）的时间消耗，从而提升了多用户并发场景的通信效率。 子载波与RU 11ax协议中将子载波定义划分了几种不同的用途： ● Data子载波：用于传输数据。 ● Pilot子载波：分布在Data子载波内部，辅助Data子载波做同步相位等。 ● Unused子载波：又分为DC载波、Guard band子载波，Null子载波。这些子载波也起到辅助 和保护的作用。 其中，协议规定了几种不同大小的Data子载波集合，即可分配给单个用户的子载波集合，称为RU （Resource Unit）。 ● 26-tone with 2 pilots ● 52-tone with 4 pilots ● 106-tone with 4 pilots ● 242-tone with 8 pilots ● 484-tone with 16 pilots ● 996-tone with 16 pilots （注：tone即为子载波，26-tone就是26个子载波组成的RU，11ax中每个子载波频宽为 78.125KHz，26-tone约为2MHz，是单个用户可分配的最小单位；pilot子载波占据响应数量的子 载波，所以26-tone with 2 pilots实际的数据子载波为24个） 6 Edge 1 26 26 1 26 26 6 Edge 1 52 1 52 6 Edge 102+4 pilots 13 13 13 7 D C 7 D C 7 D C 6 Edge 242+3 DC 13 26 26 52 13 13 1 1 26 26 1 5 Edge 52 1 5 Edge 102+4 pilots 5 Edge 5 Edge Figure 4 20MHz频宽下的不同大小的RU基本组合 上图中列出了4中基本的RU组合： 1. 9x 26-tone，即单个报文的子载波平分给9个终端（中间的一个RU被DC切开） 2. 4x 52-tone + 1x 26-tone，共5个终端 3. 2x 102-tone + 1x 26-tone，共3个终端 4. 1x 242-tone，1个终端独占所有子载波 -5- 与场景亲密接触 做方案创新专家
    下表列出了各频宽下不同大小的RU的最大数量。 RU type CBW20 CBW40 CBW80 CBW80+80 and CBW160 26-tone RU 52-tone RU 106-tone RU 242-tone RU 484-tone RU 996-tone RU 2×996-tone RU 9 4 2 1 N/A N/A N/A 18 8 4 2 1 N/A N/A 37 16 8 4 2 1 N/A 74 32 16 8 4 2 1 可以看到，在典型的80Mhz频宽下可以实现37或16终端的大容量并发，这在一些典型的高密并发 场景可以带来明显的增益。 HE PPDU OFDMA为了实现在单个报文中分配RU给不同的终端，需要怎么样特殊的帧结构来支撑呢？终端 如何知道哪些频段的子载波是分配给自己的？ 要回答这个问题，需要了解11ax的新增的HE PPDU格式，共有4种： ● HE SU PPDU：用于向单个终端发送报文。 ● HE Extended Range PPDU：为了向远距离的单终端发包而设计。只在主20Mhz下发送，只 用1条空间流和MCS0~2。同时Preamble部分有针对性的加强。 ● HE MU PPDU：用于向一个或多个终端发送数据。用于OFDMA和HE MU-MIMO报文 的发送。 ● HE Trigger-based PPDU：用于上行的OFDMA或MU-MIMO，由AP发送的Trigger报 文触发。 HE_SU GI2 LTS LTS 1-8 HE-LTFs L-STF L-LTF L-SIG R-SIG HE-SIG-A HE-STF L-LTF L-LTF Data PE 2 Symbol 8μs 2 Symbol 8μs 1 Symbol 1 Symbol 4μs 4μs 2 Symbol 8μs 1 Symbol 1 Symbol 1 Symbol 4μs 4/7.2/8/16μs 4/7.2/8/16μs HE_MU GI2 LTS LTS 13.8/14.4/ 16 μs per Symbol Packet Extension 0/4/8/12/16 μs 1-8 HE-LTFs L-STF L-LTF L-SIG R-SIG HE-SIGA HE- SIG-B HE-STF L-LTF L-LTF Data PE 2 Symbol 8μs 2 Symbol 8μs 1 Symbol 1 Symbol 4μs 4μs 2 Symbol 8μs ...16 symbol ... 64μs (4 μs per Symbol) 1 Symbol 4μs 1 Symbol 7.2/8/16μs 1 Symbol 7.2/8/16μs 13.8/14.4/ 16 μs per Symbol Packet Extension 0/4/8/12/16 μs HE_EXT_SU GI2 LTS LTS 1-8 HE-LTFs L-STF L-LTF L-SIG R-SIG HE-SIGA-A HE-STF L-LTF L-LTF Data PE 2 Symbol 8μs 2 Symbol 8μs 1 Symbol 1 Symbol 4μs 4μs 4 Symbol 16 μs 1 Symbol 4μs 1 Symbol 7.2/8/16μs 1 Symbol 4/7.2/8/16μs 13.8/14.4/ 16 μs per Symbol Packet Extension 0/4/8/12/16 μs HE_TRIG GI2 LTS LTS 1-8 HE-LTFs L-STF L-LTF L-SIG R-SIG HE-SIGA-A HE-STF L-LTF L-LTF Data PE 2 Symbol 8μs 2 Symbol 8μs 1 Symbol 1 Symbol 4μs 4μs 2 Symbol 8 μs 2 Symbol 8μs 1 Symbol 1 Symbol 4.8/7.2 /8/16μs 4.8/7.2 /8/16μs 13.8/14.4/ 16 μs per Symbol Packet Extension 0/4/8/12/16 μs -6- 与场景亲密接触 做方案创新专家
    字段 L-STF L-LTF L-SIG RL-SIG HE-SIG-A HE-SIG-B HE-STF HE-LTF Data PE 说明 Legacy Short Training Field，兼容non-HT设备的字段 Legacy Long Training Field，兼容non-HT的字段 Legacy Signal Field，兼容non-HT设备的字段 Repeated Legacy Signal Field，兼容non-HT设备的字段 HE Signal A Field，新增的信息字段A HE Signal B Field，新增的信息字段B HE Short Training Field，新增的短训练字段 HE Long Training Field，新增的长训练字段 Data，数据部分 Packet Extension Field，报文结尾的补齐和信息字段 字段HE-SIG-B可以回答本节开头的问题。 HE-SIG-B field Common field User Specific field Common Bits+CRC+Tail 2 Users+CRC+Tail 2 Users+CRC+Tail (1 or 2 Users) +CRC+Tail Padding 1 User Block field 1 User Block field last User Block field HE-SIG-B为可变长的字段，分为Common部分和per-user部分。其中， ● Common字段中RU Allocation子字段决定了RU分配的方案和user的数量。 ● Per-user字段中描述了每个终端的STA-ID、MCS、编码等关键信息。同时，user排列的顺 序也决定了占用的RU位置和大小。 终端在收到该字段后，就可以得知该报文是否发送给自己，且对应的RU位置和大小，即可以正确 的解调发送给自己的RU的内容。 Trigger报文和上行OFDMA 和AP发送的下行OFDMA报文的原理类似，上行OFDMA在发送时，多个终端分别用不同的RU在 不同的子频段发送报文。 为了让终端能够协同一致的发送上行OFDMA报文，AP需要发送一个名为trigger报文的控制报 文。STA在接收到trigger报文后，会在一个SIFS间隔后一同发送HE TB（Trigger Based） PPDU，即上行的OFDMA报文。 -7- 与场景亲密接触 做方案创新专家
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