802.11ax前瞻6：802.11ax（WiFi-6）要解决的问题，目标，以及如何技术革新

序言

笔者在学习802.11ax过程中，发现有一些英文blog的内容总结还是不错的，所以笔者简单翻译一下，大家可以学习一下。本文参考自：

How Does 802.11ax Address Common Problems With Wi-Fi?
What Are The Goals of The 802.11ax Standard?
What Does 802.11ax Change About The WLAN Standard?

802.11ax如何解决Wi-Fi的常见问题？

802.11n和802.11ac通过引入PHY（物理层）和MAC（媒介访问层）的一些新技术，提供了更高的无线接入速率。实质上，这些技术是建造了更宽的"高速公路"和更快的"汽车"。

但它导致了一些问题。下一代Wi-Fi系统面临的问题涉及由于密集部署和由于具有优势的小数据帧（例如，Wi-Fi语音）的网络流量而导致的系统效率降低。随着使用Wi-Fi的设备数量不断增加以及物联网的出现，Wi-Fi网络需要更好地管理密集的客户端环境，增加数据流量以及各种不同的应用程序和服务组合QoS要求。

但是这些设计会导致一些问题，进而导致网络系统效率降低。当新的WiFi标准被建立时，其就需要解决问题，比如节点的密集部署和QoS优先级高的短数据帧（比如VoWiFi语音流量）。

随着IoT物联网的不断发展，WiFi设备的数量是不断增加的。对于WiFi网络而言，就需要更好的对密集终端场景进行控制与优化，提升数据流量的传输质量，以及针对不同QoS要求的应用程序流量做进一步的优化适配，以提升整体网络质量。

正如之前我们所述，过去Wi-Fi协议的发展主要集中在提供更高的峰值速率（理论）。然而，面对现实世界中大量的用户数，以及各种各样的需求，WiFi协议需要不断的基于用户的实际体验，而不断被改进。问题不在于WiFi的峰值速率有多快，但是WiFi网络需要有足够的容量，从保障在终端的数量增长的时候，以及多种多样的服务场景下网络的质量。

802.11ax与以前的802.11性能改进相比带来了巨大变化。其最新的802.11ax修正案的标题也暗示了这一点，因为它使用了"高效率"这一术语，相比802.11ax以前的版本则是强调"高吞吐量"。802.11ax通过引入一些新技术，大幅提升传输容量，提供更好覆盖能力，以及减少拥塞的技术来改善Wi-Fi网络。为用户提供更好的使用体验。

802.11ax标准的设计目标是让Wi-Fi适应密集型的场景，比如数十台终端同时与一个无线接入点（AP）无线电通信。在传统的WiFi技术基础上，借鉴了移动蜂窝通信技术中的创新技术，802.11ax标准将会将系统容量提升多达4倍。这些提升不仅仅是通过提升传输速率提升的，更进一步是提高传输效率。并且802.11ax兼容2.4GHz和5GHz两个频段，这为其在各种环境下部署提供了便利，比如家用，学校，企业，热点，机场等。

802.11ax标准的目标是什么？

在进一步了解802.11ax之前，我们需要回顾一些基本知识。提示一下，由于无线射频传输（RF）是基于半双工的，这意味着在任何时间只有一个终端可以在信道上传输。每个终端需要通过轮流一个个进行传输，如果多个人同时进行传输，那么会造成冲突，从而任何一个人的数据都没有办法正常的传输。

此外，我们需要知道WiFi传输速率不等于TCP连接的吞吐量。通常WiFi设备的速率表上宣称速率，永远不会与您的无线接入点（AP）真实传输时的吞吐量相匹配。 其中MAC层采用的CSMA/CA这种竞争协议会耗费大量的信道带宽，这种开销我们称为"竞争开销"。竞争开销和一些其他的传输开销导致传统的802.11a/b/g网络中，平均的TCP连接吞吐量大约是WiFi宣称速率的40%-50%。在802.11n/ac中，引入了聚合帧，其TCP连接吞吐量会提升到60%-70%。以上我们讨论的还都是比较理想的情况下。

在802.11的产生的冲突，以及竞争所需要花费的竞争开销，都意味着MAC层的传输效率下降。当WiFi网络中，待传输的数据帧比较小（比如小于256 Bytes），那么会加剧传输效率的下降。此外，在密集部署的场景中，由于重叠BSS的部署，会造成一些额外的冲突（比如隐藏和暴露终端），造成彼此间的传输被不必要的归纳绕。

所以，目前802.11ax协议专注于高效率。其通过改善PHY和MAC层的管理功能，优化所有类型待传的数据帧。

802.11ax任务组的目标包括：

• 提升在2.4Ghz和5GHz频段上的协议运行（对比802.11ac，其只运行在5GHz频段）
• 在密集部署的场景下，提升每个无线接入点（AP）至少4倍的平均吞吐量
  • 对比802.11ac进一步规范总的吞吐量
  • 对室内和室外环境的WiFi同步提升速率
  • 保持并进一步提升终端传输的能耗效率
• 最重要的是，提升WiFi节点在各种环境下，对流量的管理能力以及效率

802.11ax如何改变WLAN标准？

在802.11ac中引入的MU-MIMO技术，其理论上允许访问接入点(AP)使用多个射频天线(RF)在同一信道上，同一时间向多个下行终端进行传输，从而提高传输效率。在802.11ax中，协议进一步要求在下行和上行链路中都需要MU-MIMO，最高达到8x8x8的MU-MIMO，这意味着AP可以同时为多达8个用户终端提供服务，从而显着提升容量。在802.11ac的下行MU-MIMO中，我们遇到了一些问题：

• 大部分终端设备都是单天线的。于此同时，许多双天线的终端为了防止干扰，其实际工作在DL MU-MIMO的单流模式下，也等价于单天线模式。
• 为了执行MU-MIMO的预编码，用户的需要连续发送信道探测帧，这个探测过程有较高的信道资源开销

其实上行链路MU-MIMO最初在11ac中已经被考虑，但由于实现问题，802.11ac版本最终放弃了这项设计。因为以上的问题，802.11ax进一步重点增强了MU-MIMO技术，包括多用户间的信道探测帧，数据帧等等，其能够减少信道开销并加强上行链路的反抗。但是就像802.11ac没有完全实现MU-MIMO一样，只有时间才能够证明802.11ax是否真能将MU-MIMO技术很好的应用到现实无线网络中。

802.11ax中另外一个改良是QAM调制技术。如果您回想一下802.11ac，其引入了256-QAM。256-QAM相当于每个symbol中，其一个星座点的位置可以传递8位bit信息。在802.11ax中，QAM调制提升到了1024-QAM，其相当于每个symbol的星座点可以传递10bit信息。利用1024-QAM可以将物理数据速率提高25％。1024-QAM基于相同频谱下，利用更有效的数据封装来实现的。这类似于使用双层巴士代替单层巴士，从而更充分利用公交车道，提高整条公路的运输效率。

802.11ax中下一项改良为OBSS-Overlapping，即重叠覆盖的基本服务集。为了提高空间复用效率和性能，11ax根据BSS的"颜色"自适应调整载波侦听的操作。根据生成流量的BSS不同，终端使用不同的灵敏度阈值（即载波监听的阈值）来检测信道，判断当前是可以传输还是需要延迟。通过这项技术，提升多覆盖情况下整体的性能。

802.11ax还引入了更长的OFDM符号。其采用了4倍的OFDM符号时间（即更小的子载波间隔），提高了频谱效率并且还提高了鲁棒性，这项技术尤其适用于室外场景下的传输。

802.11ax还进一步修改了帧格式。在802.11中，所有的帧之前都包含了一个前导码(Preamble)，其作为物理层头部(PHY)的一部分。前导码用于发送终端和接收终端之间的射频同步环节，包含了帧同步，载波同步，符号同步。前导码由两部分组成：Legacy（与传统802.11前导的兼容部分）和High Efficiency（高效率，专用于802.11ax）部分。前部分前导码为了让传统的终端可以识别，从而实现协议向后兼容的目的。

在节能方面，802.11ax引入了目标唤醒时间（Target Wake Time，TWT）技术。 TWT允许AP设置一系列时间间隔，当终端等待到预定的时间间隔后，其会被"唤醒"并进行交换数据帧。该TWT技术使得终端可以"睡眠"更长的时间，从而降低能耗。这项技术对于所有移动设备，尤其是物联网IoT设备而言是尤其重要的。

最后，802.11ax还引入了正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)。有关该项技术我们后续会展开讨论。

802.11ax任务组的启动时间为2014年5月，项目组一直在努力工作，目的使802.11ax尽快成为现实。项目组通过指定标准的草案，不过其批准日期，以及该802.11ax标准与实际商业市场结合以及最终演变成终端还有较长的路要走。让我们拭目以待。