IEEE 802.11ax High-Efficiency WLANs

一、基本信息

题目：IEEE 802.11ax: High-Efficiency WLANs∗

作者：Boris Bellalta(Universitat Pompeu Fabra, Barcelona)

本文回顾了预期的未来WLAN场景和用例；概述了一组可能包含在IEEE 802.11ax-2019修订版中的新技术特性，并描述了它们的优点和缺点；讨论了在下一代无线局域网中完全改善用户体验所需要的一些网络级功能，并指出了它们与其他正在进行的IEEE 802.11修订的关系

二、介绍

IEEE 802.11n-2009采用了单用户多输入多输出(SU-MIMO)、信道bonding和分组聚合技术。这些机制在IEEE 802.11ac-2013中得到了进一步的扩展，该协议还引入了下行多用户(MU) MIMO传输。

下一代无线局域网面临两大挑战：

1. 他们必须解决密集的场景，这是由不断部署新的接入点(ap)的动机，以覆盖新的地区，提供更高的传播率。
2. 当前互联网使用向实时高清音频和视频内容的演变，也将在未来几年显著增加用户的吞吐量需求。

本文描述了IEEE 802.11ax-2019一些新的增强功能，并描述了每种增强功能的潜在优点和缺点。这些增强主要分为四个主要类别：空间复用、时间效率、频谱共享和多天线技术。

三、场景、用例和需求

无线局域网最具代表性的特点之一是采用载波侦听多址接入(CSMA/CA)作为MAC协议，它提供了性能、健壮性和实现成本之间的合理权衡。

1 密集的WLAN场景

在WLAN用户密度非常高的场景下(如一平方米就有一个用户)，需要部署多个ap，且ap之间的距离很近(如5 ~ 10m)，才能提供高的数据传输速率。

在密集的场景中，干扰问题是一个需要时刻关注的点。因为干扰会增加包错误率，并通过阻止相邻wlan访问信道来减少给定区域内并发传输的数量。此外，在同一区域的许多站(STAs)的存在增加了两个或多个STAs的后退计数器同时达到零的机会，这导致碰撞。

下图是3个常见的密集WLAN场景：a)体育馆；b)火车；c)公寓。

1. 在体育馆中，多人的存在导致了STA的高密度，需要部署许多AP来提供满意的服务。在这些场景中，一个基本的挑战是部署、优化和协调如此大量的AP和STAs。
2. 火车这类的场景非常常见，往往一个平方有几个人，用户密度非常高。智能AP协调可以帮助提高空间重用，并且使用高效的媒体访问协议可以帮助支持许多同时的竞争者。
3. 公寓楼中，可以看到多个自治的异构wlan重叠，在这种场景下，每个WLAN的配置主要是独立于其他WLAN的，其中信道选择、信道宽度和传输功率是随机设置的或只是预先设置的值。因此，自治无线局域网必须能够实现智能分散的自配置和自适应机制，以最大限度地减少彼此之间的干扰。

2 需求

IEEE 802.11ax-2019修订版有四个关键需求。

1. 共存：在ISM(工业、科学和医疗)频段中，wlan作为未经许可的设备运行。因此，IEEE 802.11ax-2019修正案必须包括所需的机制，以与其他无线网络同时运行，并与许可设备共存。
2. 更高的吞吐量：提高系统和用户吞吐量需要改进通道资源的使用，IEEE 802.11ax-2019的目标是将吞吐量提高4倍。为了实现这一目标，一些新的无线技术4，如动态CCA, OFDMA(正交频分多址)和先进的多天线技术可能被使用。
3. 能源效率：考虑到前面提到的4倍吞吐量的增加，需要新的低功耗硬件架构和新的低功耗PHY/MAC功能。
4. 向后兼容性：由于实现IEEE 802.11ax-2019的WLAN还必须支持使用任何以前的IEEE 802.11 PHY/MAC修订的设备，因此必须实现机制使其向后兼容，这显然会导致效率低下。

四、新特性和新概念

1 空间复用

在密集的场景中，结合使用CSMA/CA、保守的CCA和高传输功率可能会导致空间重用有限的场景。CCA和传输功率水平的保守配置将无线局域网之间的干扰降到最低，从而支持更高的传输速率。但是，减少了并发传输的数量，可能会降低可达到的区域吞吐量。

图(a)是三个相邻的无线局域网(三个AP在其他AP的载波感知范围内，如果其他两个AP有一个传输，则会暂停它们的后退)。图(b)是这三个局域网使用的信道，可以看出WLAN C的信道分别与WLAN A 和WLAN B存在重叠，这也是为什么在图©中WLAN C的吞吐量最低。

为了减少相邻WLAN的影响区域并增加每个WLAN的传输机会，WLAN中的节点可能会增加它们的CCA级别，因此需要更高的信道能量级别来认为它已被占用并暂停backoff倒计时。虽然通过调优多小区WLAN场景中的CCA级别，可以获得显著的吞吐量增益，但是增加CCA级别的缺点是节点可能遭受的更高的干扰，这在某些情况下可能是有害的

2 时间效率

后退计时、包报头、帧空间、碰撞和重传是CSMA/CA信道访问方案的固有组成部分，但它们显著地减少了节点每次访问信道时传输数据的有效时间。

1. 控制包：交换控制包所消耗的时间可能会导致巨大的开销，特别是因为它们通常以较低的速率传输。
2. 报文聚合：通过将短报文组合成长报文来减少时间开销。通过报文聚合，可以通过单个backoff、DIFS、SIFS、PHY头和ACK来传输多个报文。支持可变大小的报头和对每个包只使用最小要求的字段来减少包报头开销。
3. 高效重发：包错误也是开销的一个来源，因为它们目前需要完全重传数据包。进一步使用基于增量冗余的ARQs可以减少重传所花费的时间，尽管这意味着在发送端和接收端固件中都有一些额外的复杂性。
4. Simultaneous Transmit and Receive：通过允许AP和STA同时发送和接收(STR)，即通常所说的全双工通信，信道容量理论上可以翻倍。STR能力可以允许WLAN将CSMA/CA的碰撞避免(CA)功能替换为碰撞检测(CD)功能，因为碰撞可以及时检测和解决。

3 频谱共享

无规划的wlan部署会导致混乱和碎片化的频谱占用，导致相邻的WLAN之间低效和不良的交互。为了提高频谱利用率，IEEE 802.11ax-2019主要考虑两种方法:动态信道bonding和OFDMA

Dynamic Channel Bonding

为了适应瞬时信道占用，引入了动态带宽信道接入(DBCA)方案。使用DBCA，在每次传输时只使用可用的信道宽度，这使无线局域网能够适应瞬时频谱占用。这种机制有助于填补大部分频谱差距，并在相邻的WLAN之间公平地共享它们。

OFDMA

OFDMA的使用通过将信道宽度划分为多个窄信道，为频谱资源的使用增加了新的灵活性。可以使用这些窄通道在并行中向多个用户传输。无线局域网中OFDMA的一个基本实现可以简单地考虑使用多个独立的20MHz信道。

4 多天线

在AP和sta上使用多天线的空间复用仍然是实现wlan高吞吐量的关键技术之一。

多用户MU-MIMO技术

多用户MIMO允许AP在下行链路上，同步向多个不同的STA传输数据。在下行链路中IEEE 802.11ax-2019面临的一个挑战是减少信道探测开销。

IEEE 802.11ac-2013中提出了显示方法，但是该方法造成的开销取决于信道探测速率和探测STA的数量，在多STA的情况下可能会造成不可接受的开销。因此在IEEE 802.11ax-2019中，要想减少如此巨大的开销，除了用更有效的解决方案取代当前的信道探测协议外，还需要使用智能调度器、考虑当前的流量模式和用户的服务质量(QoS)要求(以决定何时需要请求CSI，以及从哪些STA请求。)

下图展示了3个STA在无线局域网下行和上行MU-MIMO传输情况。左边是三个下行的MU-MIMO传输，指向STA A、B和C的SU-MIMO空间流分别是4条、2条和1条。在AP开始下行传输时，会全方位地发送PHY报头(包括被选中STA的信息以及其SU-MIMO空间流的数量)。

右侧是上行传输，由于多个STA不太可能同时完成后退倒计时，AP会使用一个特殊的RTS包(包含可以并行传输的STA的信息)启动上xing的MU-MIMO传输。

**Massive MIMO **

大规模MIMO指的是AP比STAs拥有更多的天线，并使用它们创建与活跃STA数量几乎相同数量的点对点链路

Network MIMO

在WLAN协同部署中，网络MIMO可以最大限度地减少不同ap同时传输的干扰。网络MIMO背后的思想是，不同的ap可以协调传输，就像它们是一个大的天线阵列，这减少了传输间的干扰，增加了空间重用。

五、结论

在IEEE 802.11ax-2019下一代无线局域网修正案中包含的部分技术选项中，所有这些解决方案都通过提高空间重用和频谱利用率来提高性能，但是当几种解决方案结合起来并同时使用时，对实际性能的提高是否有效还存在疑问。