《电子技术应用》

802.11ax凭什么战胜了802.11ad?

作者:王伟
2018/10/12 11:22:16

  在确定第六代的WiFi协议标准的时候,有一段时间,大家都认为会是802.11ad协议。802.11ad Wi-Fi的数据吞吐量最高为4600Mbps,比当时的802.11ac快四倍。802.11ad 并非由 IEEE 发布,而是由WiGig联盟创建。  802.11ad在2009年正式宣布,然后于2011年与IEEE合作进入草案阶段,最后在WiGig联盟与WiFi联盟在2013年合并后正式成为官方WiFi标准。

  与此前所有的 WiFi 标准都不同,802.11ad采用了全新的频段。802.11b/g/n/ac 采用的是 2.4GHz 或 5GHz 的频段,而802.11ad采用的是60GHz的频段,技术严格来说, 802.11ad使用的频带在57和66GHz之间,这取决于你居住在世界的哪个部分。60GHz意味着可以传输更多的数据,但也存在一些缺点。

  最大的问题是,频率越高或波长越短,吸收率就越大。在真空中这不是问题,但在现实世界中我们却有木地板和砖墙,这样高频波在远距离传输上会遇到困难。这就是为什么诸如无线电和电视的长波长(即低频)信号可以传输很远的距离,而诸如可见光的短波长信号会被大多数材料吸收。

  至于WiFi,它的所有频率都属于微波类别,从30000MHz到300GHz之间,波长分别为1米到1毫米。2.4GHz的老式WiFi标准(a/b/g)的波长足够低,具有良好的穿透能力,可以很快地通过人、门和墙壁。对于802.11n/ac的5GHz频率,其可用范围会减小,这也是为什么许多路由器支持2.4GHz和5GHz网络(以及向后兼容性)的原因,但5GHz频段在很大程度上只可用于小型家庭。

  对802.11ad来说,信号甚至无法穿透单一的砖墙,即便是简单的木门也会对传输带来极大的影响。因此,802.11ad的确可以提供非常快的速度,前提是你与路由器在同一个房间。一旦你走出房间,甚至远离路由器的“视线范围”之外,信号就会丢失。

  这也就不难理解,802.11ad最终不敌802.11ax,错失第六代WiFi标准宝座的原因。

  802.11ax可以认为是802.11ac的继续演进。早在2013年IEEE就开始了802.11ax的研究,并且在2014年正式成立了ax工作组(Task Group 11ax)。曾在2016年11月和2017年9月分别提出了第一版和第二版标准草案,然而均未能获得802.11ax工作小组75%以上成员投票认可,目前的第三版,也就是3.0版本草案仍在商讨中,预计会在2019年完成正式标准化。虽然正式标准化并未完成,但是并不影响802.11ax的技术发展。

1.png

  与前代相比(802.11ac),802.11ax主要目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量提高至少4倍。这自然就需要在技术能力上有足够的提升,这主要涉及MU-MIMO、OFDMA、MCS三个方面。

  (一)MU-MIMO技术

  MU-MIMO即多用户输入输出技术,也是主要应用于802.11ac WAVE2的技术。相较应用在802.11n上的MIMO(多天线传输)技术而言,主要改善了路由器天线闲置的情况,允许路由器分割天线,独立地为不同的设备传输。

  2015年推出的802.11ac Wave 2一个主要特性是应用了MU-MIMO技术,使得其AP节点可以同时向多个支持MU-MIMO的客户端发送数据包,解决了无线路由器之前一次只能和一个终端通信的问题。802.11ac Wave 2当时支持的最大规格是4×4 MU-MIMO,可以同时向4个终端共享下行的MU-MIMO数据包。

  相较而言,802.11ax拥有8×8 MU-MIMO,可以同时向8个终端共享上行、下行的MU-MIMO数据包。另外,采用802.11ax标准的设备从AP向终端发送数据包时,一个数据包可以面向多个终端节点发送,而且这几个终端节点也能够协调,同时向AP端、网络上行发送数据包。数据包同时到达AP,AP也可以解码、同时接收所有的数据包,因此效率就有所提高。

  (二)OFDMA技术

  802.11ac及之前WiFi标准采用的都是OFDM(正交频分复用)调制方式,是多载波传输方案实现方式之一。采用该方式的设备的网络中在同一帧里只有一个标准的数据包,传给客户端的时候不管帧的大小,从网络协议的角度来看,在信道发送方面额外的系统开销都是一样的。另外,在OFDM系统中,用户占用了整个信道,随着用户数量的增多,用户之间的数据请求会发生冲突,从而导致当这些用户发送请求数据时,服务质量较差。

  802.11ax采用的是OFDMA(正交频分多址)调制方式,该技术是OFDM技术的演进。OFDMA如今已经在蜂窝网络中普遍应用,其可以把各种大小的数据包从调制的角度组合在一起,系统开销可以通过共享而降低,并能同时支持上行和下行,因而效率得到提高。同时,OFDMA的符号的长度也得以增长,每一个调制信号的符号长度变成802.11ac的4倍。调制的长度越长,在多路径的情况下,AP端、客户端就能有更多的机会可以充分利用多路径,通过更宽的窗口把不同角度反射过来的信号组合在一起。这就让实际应用场景中,特别是远距离传输的时候,在多路径比较强的情况下,解码能力增强,接受的稳定性也更大了。

  (三)MCS(调制与编码策略)的提升

  这里涉及到的是QAM,即正交振幅调制,正交振幅调制正交载波调制技术与多电平振幅键控的结合。802.11ac最高只支持256-QAM,802.11ax可以支持到1024-QAM。由于调制码的密度越大,承载的数据量也就越大,802.11ax相较802.11ac在承载数据量的能力上提高了2到3倍。如果从数据角度来看,单条空间流80M带宽的关联速率从433Mbps提升到了600.4Mbps,理论最大关联速率(160M带宽,8条空间流)从6.9Gbps提升到9.6Gbps左右。

  802.11ax也称为高效无线网络(High-Efficiency Wireless - HEW),通过一系列系统特性和多种机制增加系统容量,通过更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi网络的工作方式,使用户获得最佳体验;尤其在密集用户环境中,为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量,其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4倍。也就是说基于802.11ax的Wi-Fi网络意味着前所未有的高容量和高效率。


继续阅读>>