802.11ax技術淺析

邱豐

摘 要：802.11ax標準又稱為高效率無線標準，旨在實現一項極具挑戰性的目標：將用戶密集環境中的每位用戶平均傳輸率提升至4倍以上。這項全新標準著重于機制的實作，以期在人潮眾多的環境下，為更多使用者提供一致且穩定的數據流。本文主要對該項新技術的技術進行初步研究。

關鍵詞：WIFI；波束成形；多用戶作業；空間復用

1 現有Wi-Fi機制不利高密度傳輸

802.11通訊協議采用了載波感測多路存取（CSMA）方式，在此一方式中，無線基地臺（STA）會先感測通道，而且只會在感測到通道閑置時進行傳輸，藉此嘗試避免沖突（圖2-1）。如果任一STA聽到有其他STA存在，就會在再次收聽前等候一段時間，以待對方停止傳輸并釋放通道。當STA可進行傳輸時，將會傳輸完整的封包數據。空閑通道評估和沖突預防通訊協議雖有助于將信道平均分配給沖突網域中的所有參與者，但如果參與者數量過于龐大，分配效率會隨之下降；多個AP服務區域重迭，則是造成網絡效率不彰的另一原因。使用較少的通道規劃密集的涵蓋范圍變得十分困難，而此一現象也迫使網絡管理員必須重復使用附近基地臺中的信道。如果沒有注意且刻意進行電源管理，使用者將會遇到同通道干擾，除了會減損效能之外，還會將通道較寬的既定優勢一筆勾銷。

2 802.11ax PHY變更

802.11ax標準在物理層導入了多項大幅變更。然而，它依舊可向下兼容于802.11a/b/g/n與ac裝置。正因如此，802.11ax STA能與舊有STA進行數據傳送和接收，舊有客戶端也能解調和譯碼802.11ax封包表頭檔（雖然不是整個802.11ax封包），并于802.11ax STA傳輸期間進行輪詢。請注意，802.11ax標準將在2.4GHz和5GHz頻帶運作。此規格定義了4倍大的FFT，以及數量更多的子載波。不過，802.11ax也涵蓋了一項重大變更：將子載波間距縮減到先前802.11標準的四分之一，以保留現有的通道帶寬OFDM符碼持續期間和循環前綴區段（Cyclic Prefix， CP）也提高4倍，一邊維持與802.11ac相同的原始鏈接數據速率，一邊提升室內/室外和混合式環境的效率及穩固性。不過，ax標準會于室內環境中指定1024-QAM和較低的循環式前置區段比，以利實現最高的數據速率。

3 波束成形

802.11ax將采用與802.11ac相似的明確波束成形程序。在這個程序中，波束成形器會使用Null數據封包啟動信道探測程序，而波束成形接收端則會量測通道，并使用波束成形反饋架構（當中包含壓縮的反饋矩陣）做出回應。波束成形器將使用這項信息來運算信道矩陣H。隨后，波束成形接收端就能使用這個通道矩陣，將射頻能量運用在每位使用者身上。

4 多用戶作業：MU-MIMO與OFDMA

802.11ax標準采用了兩種作業模式，分別是單一使用者與多使用者。在單一用戶序列模式中，只要無線STA一取得媒體存取權，就會每次進行一個數據傳送和接收作業。在多用戶模式下，可同步進行多個非AP STA作業。標準會將此一模式進一步劃分成下鏈和上鏈多使用者。下鏈多使用者是指由AP同時提供給多個相關無線STA的數據。現有的802.11ac已具備這項功能。上鏈多使用者則涉及同時從多個STA傳輸數據至AP。這是802.11ax標準的新功能，且不存在于任何舊版Wi-Fi標準中。MU-MIMO作為802.11ax核心技術，此處只是略作介紹，將另開專題單獨說明。

5 802.11ax MAC機制變更

為了改善密集部署情境中的系統層級效能以及頻譜資源的使用效率，802.11ax標準實作了空間重復使用技術。STA可以識別來自重迭基本服務組（BSS）的訊號，并根據這項信息來做出媒體競爭和干擾管理決策。負責開發高效率無線標準的802.11工作團隊可能會在802.11ax標準中包含多個NAV字段，也就是采用兩個不同的NAV。同時擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不僅可協助STA預測自身BSS內的流量，還能讓它們在得知重迭流量狀態時自由傳輸

6 總結

本文簡明總結了802.11ax的工作原理及核心技術。詳細介紹了現有環境下的WIFI機制的處境及使用了802.11ax技術的路由器能夠大幅改變現有WIFI路由器的處境的內容。由于802.11ax的路由器擁有MU-MIMO技術，使其能夠超越現有路由器。