802.11ac知識整合

時間 2019-11-11

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802.11ac知識整合

1、802.11ac簡介

　　IEEE 802.11工做組在2013年發佈了802.11ac的標準，802.11ac（VHT，Very High Throughput）是基於5G頻段的802.11n（HT, High Throughput）技術的演進版本，經過物理層、MAC層一系列技術更新實現對1Gbps以上傳輸速率的支持，它的最高速率可達6.9Gbps，而且支持諸如MU-MIMO這樣高價值的技術。html

　　802.11ac是802.11n的繼承者。它採用並擴展了源自802.11n的空中接口（air interface）概念，包括：更寬的RF帶寬（提高至160MHz），更多的MIMO空間流（增長到 8），下行多用戶的 MIMO（最多至4個），以及高密度的調變（達到 256QAM）。網絡

　　2013年推出的第一批802.11ac產品稱爲Wave1，2016年推出的較新的高帶寬產品稱爲Wave2。併發

2、名詞解釋

　　VHT（Very High Throughput）：極高吞吐量，即採用802.11ac引入的調製編碼方式傳輸，提升了傳輸速率性能

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：正交多載波調製學習

　　MCS（Modulation and Coding Scheme）：調製編碼表，就是規定了空間流數目、編碼、調製方式和傳輸速率的一組方案編碼

　　QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：正交振幅調製spa

　　NSS（Spatial Streams）：空間流設計

　　PHY（Port Physical Layer）：端口物理層/物理接口收發器3d

　　MAC（Multiple Access Channel）：多址接入信道/以太網媒體接入控制器orm

　　SISO（Single-Input Single-Output）：單入單出

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）：多入多出

　　MU（Multi-User）：多用戶

　　RTS/CTS協議（Request To Send/Clear To Send）：請求發送/容許發送協議

　　MSDU（MAC Service Data Unit）：MAC服務數據單元，可理解爲傳輸的有效數據，MAC幀的data部分

　　MPDU（MAC Protocol Data Unit）：MAC協議數據單元，可理解爲通過MAC協議封裝的幀，包括MAC幀頭

　　A-MSDU/MPDU（Aggregate MSDU/MPDU）：MSDU/MPDU幀聚合

　　IFS（Inter Frame Space）：幀間間隔。全部的站在完成發送後，必須在等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送下一幀，這段時間的稱爲幀間間隔

　　PLCP（Physical Layer Convergence Protocol)：物理層會聚協議，是映射ATM信元到物理媒體的規範，定義特定的管理信息。可理解爲PHY層的編碼和封包過程

　　PPDU（Presentation Protocol Data Unit）：表示協議數據單元，是OSI中表示層數據包的格式。可理解爲PHY層封裝的幀，包括PHY幀頭和MAC幀

　　NDPA（Null Data Packet Announcement）：空數據包聲明

　　NDP（Neighbor Discovery Protocol）：IPV6鄰居發現協議

　　Beamforming/Beamformer/Beamformee：波束成形技術/發送端/接收端

3、802.11標準演進

　　802.11ac的物理層是對802.11n標準的延續，並且要知足後向兼容。理論上802.11n在使用了40MHz帶寬和4個空間流能夠達到最高600Mbps的數據速率。對於802.11ac來講，理論上使用160MHz帶寬，8個空間流，MCS9編碼，256QAM調製，最高速率能達到6.93Gbps。而真正可使用的數據速率大概是1.56Gbps。圖3-1爲802.11ac的歷史演變過程，圖3-2爲802.11ac與802.11n的主要區別。

圖3-1 802.11ac演變過程

圖3-2 802.11ac與802.11n的主要區別

4、802.11ac的關鍵技術

　　802.11n在MAC層已經很優異了，802.11ac在MAC層上的改進並很少，主要經過PHY層來提高其基礎速率。802.11ac主要經過三個技術手段來實現：更高的信道帶寬（80MHz、160MHz）、更高的速率調製方式（256-QAM）和更多的空間流NSS（8 Spatial Streams)。

4.1 PHY層

4.1.1 調製模式

　　802.11n協議中定義了77個MCS，而且和信道帶寬、空間流綁定；而802.11ac協議進行了簡化處理，只支持10個MCS（0-9），而且再也不與信道帶寬、空間流綁定。如圖4-1，是802.11ac中的MCS設置：

圖4-1 802.11ac中的MCS設置

　　802.11ac繼續採用802.11a中OFDM調製方法，其主要思想是：將一個寬的帶寬正交分割成幾個小的子載波（子信道），將高速數信息流串並變換，轉換成多路並行的低速子數據流，每路低速的數據流使用一個子載波調製。正交信號能夠經過在接收端使用相關技術來分開，這樣能夠減小子信道之間的相互干擾(ISI)。每一個子信道上的信號帶寬小於信道的相關帶寬，所以每一個子信道上能夠當作平坦性衰落，從而能夠消除碼間串擾，並且因爲每一個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

　　同時，802.11ac支持使用256階正交振幅調製（256-QAM），每一個Symbol能夠攜帶8bit數據，而802.11n最高支持64階正交振幅調製（64-QAM），每一個Symbol能夠攜帶6bit數據，這樣在調製方式上能夠將數據速率提升33%，具體數據見圖4-2。

圖4-2 MCS與頻寬對傳輸速率的影響

　　同時，256-QAM對干擾更加敏感，適合於信噪比高的環境，所以256階正交調幅主要在64階正交調幅已經可靠覆蓋的範圍內纔有幫助。雖然256-QAM提供了更高的速率，可是它並無增長有效的覆蓋距離。

　　並且，在相對較差的環境下，這種高調製會因爲誤碼率的增長而達不到預期的效果，因此256-QAM要求射頻具有更高的靈敏度和更小的干擾，須要在信道條件好的情況下使用。

4.1.2 信道帶寬

　　在802.11n協議中，能夠將兩個相鄰的20MHz子信道綁定在一塊兒做爲40MHz信道使用，經過這種簡單的方法得到兩倍於單個信道的效果。而802.11ac進一步擴展了此機制：兩個相鄰的20MHz子信道綁定爲一個40MHz的信道，兩個相鄰的40MHz子信道綁定爲一個80MHz的信道，兩個80MHz子信道綁定爲一個160MHz的信道（160MHz和80MHz+80MHz）。其中經過非連續的80MHZ合併得來的160MHZ就是80+80模式，如圖4-3：

圖4-3 信道化示意圖

　　頻寬的提高帶來了可用數據子載波的增長。80MHZ可用的子載波數量達到234個，而40MHZ只有108個，這樣80MHZ就能夠帶來2.16倍的增速。反作用就是：須要將相同的傳輸的功率分隔到多出來的子載波上，從而致使信號的覆蓋範圍會略微減少。

　　信道綁定須要足夠的頻譜資源，因此802.11ac只工做在5GHz頻段，而且信道綁定的前提是要符合當地的頻譜管制，例如中國，爲了適應802.11ac的信道帶寬綁定機制，新開放了5150-5350MHz(Channel 36-64)頻段，加上原來的5735-5835MHz(Channel 149-165)頻段，能夠提供3個80MHz信道。

圖4-4 中國802.11ac可用信道

在802.11ac中，準確描述一個設備的工做信道模式須要以下四個要素：當前工做帶寬、當前工做中心頻率一、當前工做中心頻率2（僅限於80+80模式）和當前的工做信道（即主信道，802.11ac中主信道、輔信道的設定和802.11n是一致的）；對比於802.11n，沒有了信道向上、向下綁定的概念，而是以中心頻率代替。可是因爲802.11ac是兼容802.11n的，因此若是在網絡中使用的是40M帶寬，例如，一個802.11n的客戶端鏈接在了802.11ac的射頻上，那麼對於客戶端來講，仍是有信道綁定方向的，並且也必須符合802.11n協議的要求，這一點並不衝突。

4.1.3 空間流

　　802.11ac協議引進了8x8 MIMO的概念，也就是說最多支持8條空間流。而在802.11n協議中最大支持的是4x4 MIMO（目前主流實現是2x2 MIMO），所以802.11ac在設備的發送/接收空間流上有了很大的提高。

　　可是，咱們須要正確認識NSS=8的意義，由於無線終端STA的天線數量每每是有限的，好比Phone/Pad，大多一根天線；USB無線卡/部分PCIE無線網卡，可能只有2根天線；其餘高性能無線網卡3-4根天線。因此，單純增長AP側的天線和支持的空間流數量，是沒有意義的。802.11ac的8條流，須要和802.11ac中的另外一個重要改進MU-MIMO組合在一塊兒，才能真正發揮做用。

4.1.4 波束成形

　　Beamforming（波束成形）簡單的說就是一種能夠將無線信號定向集中在客戶端所在方位的一種技術，可以提高信噪比，下降對其餘方向的干擾。

　　任何使用多天線的設備都可以在任意時間內對任何其餘設備進行波速成形，但因爲實現相對複雜，不少802.11n產品都選擇不實現任何一種。802.11ac爲了不這種狀況，簡化了Beamforming的機制，定義了一種探測協議（VHT Sounding protocol），該協議可讓接收端更好地進行波速成形工做另外，但不與802.11n兼容。該協議規定：

　　Beamformer（波速成形發送端）經過發送NDPA（空數據包通告）來初始化波速成形序列。在NDPA中，Beamformer在NDPA中爲每一個Beamformee（波速成形接收端）添加了STA信息字段，同時在該STA信息字段設置了相應STA的AID信息，這是爲了讓每一個Beamformee可以準備接受壓縮的VHT波束成形幀。NDPA幀至少包含一個STA信息字段。VHT-NDP報文會緊跟着NDPA發送，中間僅僅間隔一個SIFS。NDPA後除了是SIFS+VHT-NDP幀，不能是其它幀。若是NDPA包含不止1個STA字段，那麼NDPA必須以廣播方式發送，即RA（Receiver Address）必須是廣播地址，不然以單播發送，RA爲接受端地址。

　　每一個預約的接受者使用VHT-NDP的前導符測量從無線接入點到本身的射頻信道，並壓縮信道。第一個預約接受者馬上使用VHT壓縮波速成形幀內的壓縮信道信息進行響應，其它預約接受者等待輪詢響應。

　　同時，802.11ac要求Beamformer和Beamformee都須要支持Beamforming特性，一個設備能夠同時做爲Beamformer和Beamformee。圖4-5是簡化的交互過程，Beamformer要發送數據，因而先發送幀測量信道信息，根據測量結果來調整波形。

圖4-5 Beamforming的工做過程

　　Beamforming依賴信道校準過程來發現如何把信號集中到一個特定方向，同時減弱無關區域的信號，這個過程在協議中稱爲Channel Sounding。其基本步驟簡單描述以下：

　　一、Beamfomer傳輸一個NDPA幀來獲取信道和探測Beamformee，Beamformee會響應NDP幀；

　　二、Beamformer緊隨NDP通告幀傳輸一個空數據幀，Beamformee能夠分析OFDM的訓練域並計算信道響應和「Steering Matrix」；

　　三、Beamformee分析收到的NDP，並回饋本身計算的「Matrix」；

　　四、Beamformer收到NDP並計算出去往Beamformee方位的「Steering Matrix」。

　　有了「Steering Matrix」（簡單的理解就是：Beamforming技術經過信道測量獲得的如何向接收方定向傳送數據的機制，即如何調整、組合發送方的天線參數可以使傳輸的方向更加精確，傳輸的距離更遠），Beamformer就能夠發送出通過調整的波形。Channel Sounding功能須要佔用必定的介質時間，若是Beamforming帶來的增益不能彌補信道偵測帶來的開銷，那麼就會下降網路的效率。

　　802.11n支持的SU-Beamforming工做過程如圖4-6所示：

圖4-6 單用戶信道校準流程

　　802.11ac中，MU-Beamforming的信道探測流程過程如圖4-7所示：

圖4-7 多用戶信道校準流程

　　從圖示中咱們能夠看出，在802.11ac中主要作了以下改變：

　　一、第一個Beamformee不須要 Beamforming Report Poll來獲取Feedback Matrices，第二個和第三個必需要用。收到多個響應後，Beamformer生成「Steering Matrix」。

　　二、相比單用戶Beamforming，多用戶Beamforming中STA Info字段能夠有多個，接收地址是廣播地址。

　　爲了支持MU-MIMO，在原有802.11n的基礎上還有一些細節的改變，如PLCP層改變了VHT-SIG-A字段的格式，以標識到每一個客戶端的具體流數，Compressed Beamforming Action幀中使用擴展信息標示了一些比SU-MIMO多出的必要的信息等等，這裏就不遂一介紹實現細節了。

4.1.5 MU-MIMO技術

　　MU-MIMO技術是802.11ac中最具價值特性，在此以前先介紹一下MIMO技術：

　　MIMO 的應用始於802.11n。MIMO天線技術在鏈路的發送端和接收端都採用多副天線，搭建多條通道，並行傳遞多條空間流，從而能夠在不增長信道帶寬的狀況下，成倍提升通訊系統的容量和頻譜利用率。MIMO 天線如圖4-8 所示，經常使用M×N:n來表述，其中M 指的是發射天線個數，N 表示接收天線個數，均爲設備外觀所能看見的天線個數，n 表示支持的空間流數（NSS）。空間流數與天線數能夠一致，也能夠不一致，可是天線數必須不小於空間流數。

　　802.11ac最多支持8條空間流，最多併發向4個Station發送數據，每一個Station最多發送4條空間流。向不一樣的Station發送時，可使用不一樣的流數、編碼方式，但必須使用相同的MCS。

圖4-8 MIMO技術

　　MU-MIMO（多用戶多入多出）是802.11ac提出的一項新技術，即一個802.11ac AP能夠同時與多個支持MU-MIMO的用戶終端通訊，這裏的同時是絕對時間點上的同時，數據是並行的。簡單的說就是設備依賴於預先學習到的信道情況信息，精確的進行數據發送，在同一時刻經過不一樣的Stream（天線），向不一樣的無線終端併發的發送數據，各個接收終端感知不到其它終端數據的干擾，都可以同時接收。MU-MIMO技術意味着在802.11ac網絡中，多個用戶能夠同時進行接收，若是單個2×2的Station速率爲866.7Mbps，採用MU-MIMO技術後，8根天線同時向4個Station發送數據，則等效速率866.7×4=3.46Gbps，對比於802.11n的SU-MIMO(Single User-MIMO)提升了4倍。

　　同時，MU-MIMO容許在傳輸高優先級報文的時候「搭車」傳輸低優先級報文給不一樣的接收端。例如，MU-MIMO容許AP向一部手機傳輸語音流的同時，向其餘設備發送低優先級數據流。

　　以上涉及到MU-MIMO的應答機制與隊列控制，詳細內容可見連接/附件，這裏不作過多介紹。

4.2 MAC層

　　802.11協議每次技術升級都會涉及到PHY層和MAC的改變，但802.11n到802.11ac MAC層的改變相對較少。

4.2.1 A-MPDU幀聚合

　　在802.11n協議中：

　　一、定義了兩種報文聚合方式：A-MSDU和A-MPDU；

　　二、在進行報文傳輸的時候能夠聚合，也能夠不聚合；

　　三、聚合報文長度是隨機的，經過Duration字段來限定。

　　而在802.11ac協議中，全部的報文傳輸都走聚合流程，每一個PPDU的傳輸都是一個A-MPDU，即便這個A-MPDU中只包含了一個MPDU，這樣就不用再區分報文是否聚合，簡化了流程，咱們能夠稱這種實現爲802.11ac增強的A-MPDU流程。

　　同時，802.11n單個A-MPDU聚合幀的大小最大隻有64KB（65,535字節），而802.11ac將上限提升至了1MB（1,048,575字節），這樣就可以更好的配合802.11ac的物理層高速傳輸，802.11ac每次傳輸報文的長度強制要求爲OFDM Symbol攜帶的bit數的整數倍，若是不知足要求，則使用Null Frame填充最後一個OFDM Symbol。

4.2.2 RTS/CTS機制

　　在802.11n協議中，設備依靠發送RTS/CTS幀來宣告傳輸的意向，經過此機制讓附近的WLAN設備感知到信道正在使用中，從而避免衝突。而在802.11ac中，因爲可使用更大的頻寬，便可用的信道數量很是有限，因此如何發現輔信道上存在的隱藏節點變得更加劇要。

　　爲了解決這個問題，802.11ac協議定義了加強的RTS/CTS機制，用來檢測任何一個輔信道是否被不一樣的數據傳輸所佔用，即RTS和CTS支持「動態頻寬」模式。在此模式下，假如部分頻帶已被佔用則只在主用信道上回應CTS幀，發送RTS幀的客戶端（STA）則能夠回落到一個較低的頻寬模式。簡單來講就是：若是接收端發現一些信道特別忙，那麼將會告知發送者不要用這些信道，發送端動態地回落到低一級的頻寬模式上，這將對下降隱藏節點的影響有所幫助。不管怎樣，最終的傳輸頻寬老是包括主用信道在內。

　　802.11ac協議規定，使用RTS評估帶寬的時候，須要改變傳送報文的地址域中的TA域的我的/組位，將此位從0變爲1。如圖4-9所示：一個802.11ac的設備佔用80MHz的帶寬，在數據傳輸以前須要確認這個80MHz的帶寬是可用的，因而在其工做的主信道161上發送RTS幀，同時在其餘三個20MHz子信道14九、153和157發送此RTS的複製幀（若是是160MHz的帶寬，RTS將有7個複製版本）。接收方會根據本身信道的實際狀況來回應CTS幀，這樣設備就會知道信道的使用狀況，從而決定數據傳輸應該使用的實際帶寬，即80MHz-40MHz-20MHz-退避。圖示中第一個設備會使用80MHz帶寬，而第二個則會下降帶寬到40MHz來傳輸數據。

圖4-9 802.11ac帶寬預定

　　在802.11n中，一些看起來比較有用，可是實際可能因爲實現起來比較複雜、或者帶來的增益有限、或者有更好的方案替代等，總之沒有或者不多在實際中被普遍應用的特性，在802.11ac中都被捨棄了，例如RIFS、L-SIG TXOP保護、PCO操做、Dual CTS等。

5、802.11ac網絡的部署

5.1 信道規劃

　　因爲802.11ac擴展的信道綁定機制，決定了咱們在使用802.11ac網絡的時候須要更好的規劃信道。一個802.11ac的設備在選擇發送帶寬時會先嚐試以高帶寬來發送數據，若是高帶寬的Secondary Channel忙，則用較低帶寬Primary Channel發送，若是Primary信道忙，則沒法調整帶寬，只能進行退避，即下降帶寬發送，原則爲80MHz-40MHz-20MHz，或者退避等待；同時，802.11ac協議提升了80MHz（160MHz）帶寬狀況下的信道CCA閾值，保證了檢測更加嚴格。這樣咱們就能夠實現設備在相互重疊的信道內使用不一樣的主信道傳送數據。

　　例如，兩個設備（AP）工做在80MHz模式（信道149-161），信道重疊（一個主信道是149，一個設備主信道是157），這樣對於鏈接在兩個設備上的802.11n終端（40MHz），就能夠無影響的傳輸數據，而對於802.11ac終端（80MHz），能夠根據實際使用狀況來選擇合適的帶寬，使用80MHz或者下降帶寬到40MHz模式無影響的傳輸數據，可見圖5-1：

圖5-1 802.11ac重疊信道使用

5.2 兼容性

　　802.11ac協議實現了徹底向下兼容，即在802.11ac網絡中，各類類型的終端均可以正常的工做而不會相互影響，這得益於802.11ac協議定義的幀格式。見圖5-2，802.11ac PPDU的PLCP頭，是802.11ac爲了徹底兼容以前的802.11a、802.11n而設計的（可以被各類類型的終端所識別），而且只有這一種格式。

圖5-2 VHT PPDU格式

　　由於前導碼的兼容，對於802.11ac設備，在傳輸數據以前，並不須要先傳輸RTS/CTS和CTS-to-Self幀。相似於存在802.11b設備時，發送802.11g數據包的低效率問題，已經徹底在5GHz避免了。