802.11ac知识整合

本文主要包含802.11ac简介、名词解释、802.11标准演进、802.11ac的关键技术、802.11ac网络的部署以及参考链接

802.11ac知识整合

一、802.11ac简介

　　IEEE 802.11工作组在2013年发布了802.11ac的标准，802.11ac（VHT，Very High Throughput）是基于5G频段的802.11n（HT, High Throughput）技术的演进版本，通过物理层、MAC层一系列技术更新实现对1Gbps以上传输速率的支持，它的最高速率可达6.9Gbps，并且支持诸如MU-MIMO这样高价值的技术。

　　802.11ac是802.11n的继承者。它采用并扩展了源自802.11n的空中接口（air interface）概念，包括：更宽的RF带宽（提升至160MHz），更多的MIMO空间流（增加到 8），下行多用户的 MIMO（最多至4个），以及高密度的调变（达到 256QAM）。

　　2013年推出的第一批802.11ac产品称为Wave1，2016年推出的较新的高带宽产品称为Wave2。

二、名词解释

　　VHT（Very High Throughput）：极高吞吐量，即采用802.11ac引入的调制编码方式传输，提高了传输速率

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：正交多载波调制

　　MCS（Modulation and Coding Scheme）：调制编码表，就是规定了空间流数目、编码、调制方式和传输速率的一组方案

　　QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：正交振幅调制

　　NSS（Spatial Streams）：空间流

　　PHY（Port Physical Layer）：端口物理层/物理接口收发器

　　MAC（Multiple Access Channel）：多址接入信道/以太网媒体接入控制器

　　SISO（Single-Input Single-Output）：单入单出

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

　　MU（Multi-User）：多用户

　　RTS/CTS协议（Request To Send/Clear To Send）：请求发送/允许发送协议

　　MSDU（MAC Service Data Unit）：MAC服务数据单元，可理解为传输的有效数据，MAC帧的data部分

　　MPDU（MAC Protocol Data Unit）：MAC协议数据单元，可理解为经过MAC协议封装的帧，包括MAC帧头

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

　　IFS（Inter Frame Space）：帧间间隔。所有的站在完成发送后，必须在等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧，这段时间的称为帧间间隔

　　PLCP（Physical Layer Convergence Protocol)：物理层会聚协议，是映射ATM信元到物理媒体的规范，定义特定的管理信息。可理解为PHY层的编码和封包过程

　　PPDU（Presentation Protocol Data Unit）：表示协议数据单元，是OSI中表示层数据包的格式。可理解为PHY层封装的帧，包括PHY帧头和MAC帧

　　NDPA（Null Data Packet Announcement）：空数据包声明

　　NDP（Neighbor Discovery Protocol）：IPV6邻居发现协议

　　Beamforming/Beamformer/Beamformee：波束成形技术/发送端/接收端

三、802.11标准演进

　　802.11ac的物理层是对802.11n标准的延续，而且要满足后向兼容。理论上802.11n在使用了40MHz带宽和4个空间流可以达到最高600Mbps的数据速率。对于802.11ac来说，理论上使用160MHz带宽，8个空间流，MCS9编码，256QAM调制，最高速率能达到6.93Gbps。而真正可以使用的数据速率大概是1.56Gbps。图3-1为802.11ac的历史演变过程，图3-2为802.11ac与802.11n的主要区别。

图3-1 802.11ac演变过程

图3-2 802.11ac与802.11n的主要区别

四、802.11ac的关键技术

　　802.11n在MAC层已经很优异了，802.11ac在MAC层上的改进并不多，主要通过PHY层来提升其基础速率。802.11ac主要通过三个技术手段来实现：更高的信道带宽（80MHz、160MHz）、更高的速率调制方式（256-QAM）和更多的空间流NSS（8 Spatial Streams)。

4.1 PHY层

4.1.1 调制模式

　　802.11n协议中定义了77个MCS，并且和信道带宽、空间流绑定；而802.11ac协议进行了简化处理，只支持10个MCS（0-9），并且不再与信道带宽、空间流绑定。如图4-1，是802.11ac中的MCS设置：

图4-1 802.11ac中的MCS设置

　　802.11ac继续采用802.11a中OFDM调制方法，其主要思想是：将一个宽的带宽正交分割成几个小的子载波（子信道），将高速数信息流串并变换，转换成多路并行的低速子数据流，每路低速的数据流使用一个子载波调制。正交信号可以通过在接收端使用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

　　同时，802.11ac支持使用256阶正交振幅调制（256-QAM），每个Symbol可以携带8bit数据，而802.11n最高支持64阶正交振幅调制（64-QAM），每个Symbol可以携带6bit数据，这样在调制方式上可以将数据速率提高33%，具体数据见图4-2。

图4-2 MCS与频宽对传输速率的影响

　　同时，256-QAM对干扰更加敏感，适合于信噪比高的环境，因此256阶正交调幅主要在64阶正交调幅已经可靠覆盖的范围内才有帮助。虽然256-QAM提供了更高的速率，但是它并没有增加有效的覆盖距离。

　　而且，在相对较差的环境下，这种高调制会由于误码率的增加而达不到预期的效果，所以256-QAM要求射频具备更高的灵敏度和更小的干扰，需要在信道条件好的状况下使用。

4.1.2 信道带宽

　　在802.11n协议中，可以将两个相邻的20MHz子信道绑定在一起作为40MHz信道使用，通过这种简单的方法获得两倍于单个信道的效果。而802.11ac进一步扩展了此机制：两个相邻的20MHz子信道绑定为一个40MHz的信道，两个相邻的40MHz子信道绑定为一个80MHz的信道，两个80MHz子信道绑定为一个160MHz的信道（160MHz和80MHz+80MHz）。其中通过非连续的80MHZ合并得来的160MHZ就是80+80模式，如图4-3：

图4-3 信道化示意图

　　频宽的提升带来了可用数据子载波的增加。80MHZ可用的子载波数量达到234个，而40MHZ只有108个，这样80MHZ就可以带来2.16倍的增速。副作用就是：需要将相同的传输的功率分隔到多出来的子载波上，从而导致信号的覆盖范围会略微减小。

　　信道绑定需要足够的频谱资源，所以802.11ac只工作在5GHz频段，并且信道绑定的前提是要符合当地的频谱管制，例如中国，为了适应802.11ac的信道带宽绑定机制，新开放了5150-5350MHz(Channel 36-64)频段，加上原来的5735-5835MHz(Channel 149-165)频段，可以提供3个80MHz信道。

图4-4 中国802.11ac可用信道

在802.11ac中，准确描述一个设备的工作信道模式需要如下四个要素：当前工作带宽、当前工作中心频率1、当前工作中心频率2（仅限于80+80模式）和当前的工作信道（即主信道，802.11ac中主信道、辅信道的设定和802.11n是一致的）；对比于802.11n，没有了信道向上、向下绑定的概念，而是以中心频率代替。但是由于802.11ac是兼容802.11n的，所以如果在网络中使用的是40M带宽，例如，一个802.11n的客户端连接在了802.11ac的射频上，那么对于客户端来说，还是有信道绑定方向的，而且也必须符合802.11n协议的要求，这一点并不冲突。

4.1.3 空间流

　　802.11ac协议引进了8×8 MIMO的概念，也就是说最多支持8条空间流。而在802.11n协议中最大支持的是4×4 MIMO（目前主流实现是2×2 MIMO），因此802.11ac在设备的发送/接收空间流上有了很大的提升。

　　但是，我们需要正确认识NSS=8的意义，因为无线终端STA的天线数量往往是有限的，比如Phone/Pad，大多一根天线；USB无线卡/部分PCIE无线网卡，可能只有2根天线；其他高性能无线网卡3-4根天线。所以，单纯增加AP侧的天线和支持的空间流数量，是没有意义的。802.11ac的8条流，需要和802.11ac中的另一个重要改进MU-MIMO组合在一起，才能真正发挥作用。

4.1.4 波束成形

　　Beamforming（波束成形）简单的说就是一种可以将无线信号定向集中在客户端所在方位的一种技术，能够提升信噪比，降低对其他方向的干扰。

　　任何使用多天线的设备都能够在任意时间内对任何其他设备进行波速成形，但由于实现相对复杂，很多802.11n产品都选择不实现任何一种。802.11ac为了避免这种情况，简化了Beamforming的机制，定义了一种探测协议（VHT Sounding protocol），该协议可以让接收端更好地进行波速成形工作另外，但不与802.11n兼容。该协议规定：

　　Beamformer（波速成形发送端）通过发送NDPA（空数据包通告）来初始化波速成形序列。在NDPA中，Beamformer在NDPA中为每个Beamformee（波速成形接收端）添加了STA信息字段，同时在该STA信息字段设置了相应STA的AID信息，这是为了让每个Beamformee能够准备接受压缩的VHT波束成形帧。NDPA帧至少包含一个STA信息字段。VHT-NDP报文会紧跟着NDPA发送，中间仅仅间隔一个SIFS。NDPA后除了是SIFS+VHT-NDP帧，不能是其它帧。如果NDPA包含不止1个STA字段，那么NDPA必须以广播方式发送，即RA（Receiver Address）必须是广播地址，否则以单播发送，RA为接受端地址。

　　每个预定的接受者使用VHT-NDP的前导符测量从无线接入点到自己的射频信道，并压缩信道。第一个预定接受者立刻使用VHT压缩波速成形帧内的压缩信道信息进行响应，其它预定接受者等待轮询响应。

　　同时，802.11ac要求Beamformer和Beamformee都需要支持Beamforming特性，一个设备可以同时作为Beamformer和Beamformee。图4-5是简化的交互过程，Beamformer要发送数据，于是先发送帧测量信道信息，根据测量结果来调整波形。

图4-5 Beamforming的工作过程

　　Beamforming依赖信道校准过程来发现如何把信号集中到一个特定方向，同时减弱无关区域的信号，这个过程在协议中称为Channel Sounding。其基本步骤简单描述如下：

　　1、Beamfomer传输一个NDPA帧来获取信道和探测Beamformee，Beamformee会响应NDP帧；

　　2、Beamformer紧随NDP通告帧传输一个空数据帧，Beamformee可以分析OFDM的训练域并计算信道响应和“Steering Matrix”；

　　3、Beamformee分析收到的NDP，并回馈自己计算的“Matrix”；

　　4、Beamformer收到NDP并计算出去往Beamformee方位的“Steering Matrix”。

　　有了“Steering Matrix”（简单的理解就是：Beamforming技术通过信道测量得到的如何向接收方定向传送数据的机制，即如何调整、组合发送方的天线参数能够使传输的方向更加精确，传输的距离更远），Beamformer就可以发送出经过调整的波形。Channel Sounding功能需要占用一定的介质时间，如果Beamforming带来的增益不能弥补信道侦测带来的开销，那么就会降低网路的效率。

　　802.11n支持的SU-Beamforming工作过程如图4-6所示：

图4-6 单用户信道校准流程

　　802.11ac中，MU-Beamforming的信道探测流程过程如图4-7所示：

图4-7 多用户信道校准流程

　　从图示中我们可以看出，在802.11ac中主要做了如下改变：

　　1、第一个Beamformee不需要 Beamforming Report Poll来获取Feedback Matrices，第二个和第三个必须要用。收到多个响应后，Beamformer生成“Steering Matrix”。

　　2、相比单用户Beamforming，多用户Beamforming中STA Info字段可以有多个，接收地址是广播地址。

　　为了支持MU-MIMO，在原有802.11n的基础上还有一些细节的改变，如PLCP层改变了VHT-SIG-A字段的格式，以标识到每个客户端的具体流数，Compressed Beamforming Action帧中使用扩展信息标示了一些比SU-MIMO多出的必要的信息等等，这里就不遂一介绍实现细节了。

4.1.5 MU-MIMO技术

　　MU-MIMO技术是802.11ac中最具价值特性，在此之前先介绍一下MIMO技术：

　　MIMO 的应用始于802.11n。MIMO天线技术在链路的发送端和接收端都采用多副天线，搭建多条通道，并行传递多条空间流，从而可以在不增加信道带宽的情况下，成倍提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO 天线如图4-8 所示，常用M×N:n来表述，其中M 指的是发射天线个数，N 表示接收天线个数，均为设备外观所能看见的天线个数，n 表示支持的空间流数（NSS）。空间流数与天线数可以一致，也可以不一致，但是天线数必须不小于空间流数。

　　802.11ac最多支持8条空间流，最多并发向4个Station发送数据，每个Station最多发送4条空间流。向不同的Station发送时，可以使用不同的流数、编码方式，但必须使用相同的MCS。

图4-8 MIMO技术

　　MU-MIMO（多用户多入多出）是802.11ac提出的一项新技术，即一个802.11ac AP可以同时与多个支持MU-MIMO的用户终端通信，这里的同时是绝对时间点上的同时，数据是并行的。简单的说就是设备依赖于预先学习到的信道状况信息，精确的进行数据发送，在同一时刻通过不同的Stream（天线），向不同的无线终端并发的发送数据，各个接收终端感知不到其它终端数据的干扰，都能够同时接收。MU-MIMO技术意味着在802.11ac网络中，多个用户可以同时进行接收，如果单个2×2的Station速率为866.7Mbps，采用MU-MIMO技术后，8根天线同时向4个Station发送数据，则等效速率866.7×4=3.46Gbps，对比于802.11n的SU-MIMO(Single User-MIMO)提高了4倍。

　　同时，MU-MIMO允许在传输高优先级报文的时候“搭车”传输低优先级报文给不同的接收端。例如，MU-MIMO允许AP向一部手机传输语音流的同时，向其他设备发送低优先级数据流。

　　以上涉及到MU-MIMO的应答机制与队列控制，详细内容可见链接/附件，这里不做过多介绍。

4.2 MAC层

　　802.11协议每次技术升级都会涉及到PHY层和MAC的改变，但802.11n到802.11ac MAC层的改变相对较少。

4.2.1 A-MPDU帧聚合

　　在802.11n协议中：

　　1、定义了两种报文聚合方式：A-MSDU和A-MPDU；

　　2、在进行报文传输的时候可以聚合，也可以不聚合；

　　3、聚合报文长度是随机的，通过Duration字段来限定。

　　而在802.11ac协议中，所有的报文传输都走聚合流程，每个PPDU的传输都是一个A-MPDU，即使这个A-MPDU中只包含了一个MPDU，这样就不用再区分报文是否聚合，简化了流程，我们可以称这种实现为802.11ac加强的A-MPDU流程。

　　同时，802.11n单个A-MPDU聚合帧的大小最大只有64KB（65,535字节），而802.11ac将上限提高至了1MB（1,048,575字节），这样就能够更好的配合802.11ac的物理层高速传输，802.11ac每次传输报文的长度强制要求为OFDM Symbol携带的bit数的整数倍，如果不满足要求，则使用Null Frame填充最后一个OFDM Symbol。

4.2.2 RTS/CTS机制

　　在802.11n协议中，设备依靠发送RTS/CTS帧来宣告传输的意向，通过此机制让附近的WLAN设备感知到信道正在使用中，从而避免冲突。而在802.11ac中，由于可以使用更大的频宽，即可用的信道数量非常有限，所以如何发现辅信道上存在的隐藏节点变得更加重要。

　　为了解决这个问题，802.11ac协议定义了增强的RTS/CTS机制，用来检测任何一个辅信道是否被不同的数据传输所占用，即RTS和CTS支持“动态频宽”模式。在此模式下，假如部分频带已被占用则只在主用信道上回应CTS帧，发送RTS帧的客户端（STA）则可以回落到一个较低的频宽模式。简单来说就是：如果接收端发现一些信道特别忙，那么将会告知发送者不要用这些信道，发送端动态地回落到低一级的频宽模式上，这将对降低隐藏节点的影响有所帮助。无论怎样，最终的传输频宽总是包括主用信道在内。

　　802.11ac协议规定，使用RTS评估带宽的时候，需要改变传送报文的地址域中的TA域的个人/组位，将此位从0变为1。如图4-9所示：一个802.11ac的设备占用80MHz的带宽，在数据传输之前需要确认这个80MHz的带宽是可用的，于是在其工作的主信道161上发送RTS帧，同时在其他三个20MHz子信道149、153和157发送此RTS的复制帧（如果是160MHz的带宽，RTS将有7个复制版本）。接收方会根据自己信道的实际情况来回应CTS帧，这样设备就会知道信道的使用情况，从而决定数据传输应该使用的实际带宽，即80MHz-40MHz-20MHz-退避。图示中第一个设备会使用80MHz带宽，而第二个则会降低带宽到40MHz来传输数据。

图4-9 802.11ac带宽预约

　　在802.11n中，一些看起来比较有用，但是实际可能由于实现起来比较复杂、或者带来的增益有限、或者有更好的方案替代等，总之没有或者很少在实际中被广泛应用的特性，在802.11ac中都被舍弃了，例如RIFS、L-SIG TXOP保护、PCO操作、Dual CTS等。

五、802.11ac网络的部署

5.1 信道规划

　　由于802.11ac扩展的信道绑定机制，决定了我们在使用802.11ac网络的时候需要更好的规划信道。一个802.11ac的设备在选择发送带宽时会先尝试以高带宽来发送数据，如果高带宽的Secondary Channel忙，则用较低带宽Primary Channel发送，如果Primary信道忙，则无法调整带宽，只能进行退避，即降低带宽发送，原则为80MHz-40MHz-20MHz，或者退避等待；同时，802.11ac协议提高了80MHz（160MHz）带宽情况下的信道CCA阈值，保证了检测更加严格。这样我们就可以实现设备在相互重叠的信道内使用不同的主信道传送数据。

　　例如，两个设备（AP）工作在80MHz模式（信道149-161），信道重叠（一个主信道是149，一个设备主信道是157），这样对于连接在两个设备上的802.11n终端（40MHz），就可以无影响的传输数据，而对于802.11ac终端（80MHz），可以根据实际使用情况来选择合适的带宽，使用80MHz或者降低带宽到40MHz模式无影响的传输数据，可见图5-1：

图5-1 802.11ac重叠信道使用

5.2 兼容性

　　802.11ac协议实现了完全向下兼容，即在802.11ac网络中，各种类型的终端都可以正常的工作而不会相互影响，这得益于802.11ac协议定义的帧格式。见图5-2，802.11ac PPDU的PLCP头，是802.11ac为了完全兼容之前的802.11a、802.11n而设计的（能够被各种类型的终端所识别），并且只有这一种格式。