802.11ax采用了怎样的射频技术？

802.11ax又称为「高效率无线标准」(High-Efficiency Wireless, HEW)，旨在实现一项极具挑战性的目标：将用户密集环境中的每位用户平均传输率提升至4倍以上。这项全新标准着重于机制的实作，以期在人潮众多的环境下，为更多使用者提供一致且稳定的数据流(平均传输率)。本文件将带领各位探索可赋予常见802.11标准「高效率无线标准」美称的各项崭新机制。
2013年推出的802.11ac标准不仅可在单一空间串流中实现近866Mbit/s的链接速度，还能提供更宽的通道(160MHz)以及更高的调变阶次(256-QAM)。只要使用8个空间串流(标准指定的数量上限)，此一技术将可成就高达6.97Gbit/s的理论速度值。只是，正如同法拉利只能在管制赛道上发挥实力一样，除非您身处射频实验室，否则很难使用到7Gbit/s的高速无线网络。在现实世界中，每当使用者试图在繁忙的机场航厦中使用公共Wi-Fi查看电子邮件，往往会因牛步般的网络速度而备感挫折。
IEEE 802.11无线LAN标准的最新修正802.11ax将能有效解决此一问题。802.11ax又称为「高效率无线标准」(HEW)，旨在实现一项极具挑战性的目标：
将用户密集环境中的每位用户平均传输率提升至4倍以上
强化高密度使用情境网络表现
高效率无线标准具有下列重要功能：
．向下兼容于 802.11a/b/g/n/ac。
．将火车站、机场等高人口密度地点的每位用户平均传输率提升4倍。
．数据速率和信道宽度与802.11ac相似，但可搭配1024-QAM提供新的调变和编码组合(MCS 10和11)。
．透过MU-MIMO和正交频分多任务存取(OFDMA)技术，进行指定的下链和上链多用户作业。
．提供四倍大的OFDM FFT、更窄的子载波间距(密度为4倍)以及更长的符码时间(4倍)，进而改善多路径衰减环境以及室外的稳固性和效能。
．改善流量和通道存取情形。
．电源管理更为出色，可带来更长效的电池续航力。
高效率无线标准也可满足下列目标应用的需求：
．行动数据卸除：在2020年，每个月产生的Wi-Fi卸除流量将来到38.1Exabyte，并持续超越每月的行动流量(30.6EB)预估值。此一数字相当于每分钟在这些网络中移动超过6,000部蓝光电影。
．具备众多存取点，且有高密度用户持有异质装置的环境(机场Wi-Fi≠家用Wi-Fi)。
．室外或混合室外的环境。
现有Wi-Fi机制不利高密度传输
802.11通讯协议采用了载波感测多路存取(CSMA)方式，在此一方式中，无线基地台(STA)会先感测通道，而且只会在感测到通道闲置时进行传输，藉此尝试避免冲突(图1)。如果任一STA听到有其他STA存在，就会在再次收听前等候一段时间，以待对方停止传输并释放通道。当STA可进行传输时，将会传输完整的封包数据。

图1　空闲通道评估通讯协议

Wi-Fi STA可藉由RTS/CTS封包来调停共享媒体的存取。存取点(AP)每次只会将一个CTS封包发给一个STA，而对方则会将完整的框架送回AP。接着，STA会等候AP用来告知封包已正确接收的确认封包(ACK)。如果STA没有及时收到ACK，就会假设封包与其他传输产生冲突，并进入二进制指数轮询期间。在轮询计数到期后，STA将试图存取媒体并重新传输封包。
此空闲通道评估和冲突预防通讯协议虽有助于将信道平均分配给冲突网域中的所有参与者，但如果参与者数量过于庞大，分配效率会随之下降；多个AP服务区域重迭，则是造成网络效率不彰的另一原因。图2中的某位使用者(使用者1)隶属于左侧的基本服务组(BSS，一组与AP产生关联的无线客户端)。使用者1会与自身BSS内的其他用户一同竞争媒体存取权，接着再与其AP交换数据。不过，这位使用者仍然可以听到来自右侧重迭BSS的流量。

图2　BSS重迭所造成的媒体存取效率不彰

在这个案例中，来自OBSS的流量会触发用户1的轮询程序，导致用户必须历经更长的等待才能得到传输机会，进而大幅拉低他们的平均数据传输率。
第三个有待考虑的因素则为较宽通道的共享。举例来说，北美地区的802.11ac只有一个可用的160MHz通道，而欧洲则有两个(图3)。

图3　5GHz频带的802.11ax信道配置范例

使用较少的通道规划密集的涵盖范围变得十分困难，而此一现象也迫使网络管理员必须重复使用附近基地台中的信道。如果没有注意且刻意进行电源管理，使用者将会遇到同通道干扰，除了会减损效能之外，还会将通道较宽的既定优势一笔勾销。在调变和编码模式(MCS)8、9、10和11以最高数据速率传送数据时，特别容易遇到低讯噪比的情况，因此格外容易使网络效能受到影响。此外，在现有的802.11 网络实作中，如果20MHz信道与80MHz信道重迭，不仅会造成80MHz通道无法使用，用户也会以较窄的通道进行传输。也就是说，在高密度网络中实作802.11ac的通道共享，将损及80MHz通道的优势，并以20MHz通道进行传输。
802.11ax PHY变更
802.11ax标准在物理层导入了多项大幅变更。然而，它依旧可向下兼容于802.11a/b/g/n与ac装置。正因如此，802.11ax STA能与旧有STA进行数据传送和接收，旧有客户端也能解调和译码802.11ax封包表头档(虽然不是整个802.11ax封包)，并于802.11ax STA传输期间进行轮询。表1显示此一标准修正最重要的变更以及与现行802.11ac的对照。

请注意，802.11ax标准将在2.4GHz和5GHz频带运作。此规格定义了4倍大的FFT，以及数量更多的子载波。不过，802.11ax也涵盖了一项重大变更：将子载波间距缩减到先前802.11标准的四分之一，以保留现有的通道带宽(图4)。

图4　更窄的子载波间距

OFDM符码持续期间和循环前缀区段(Cyclic Prefix, CP)也提高4倍，一边维持与802.11ac相同的原始链接数据速率，一边提升室内/室外和混合式环境的效率及稳固性。不过，ax标准会于室内环境中指定1024-QAM和较低的循环式前置区段比，以利实现最高的数据速率。
波束成形
802.11ax将采用与802.11ac相似的明确波束成形程序。在这个程序中，波束成形器会使用Null数据封包启动信道探测程序，而波束成形接收端则会量测通道，并使用波束成形反馈架构(当中包含压缩的反馈矩阵)做出回应。波束成形器将使用这项信息来运算信道矩阵H。随后，波束成形接收端就能使用这个通道矩阵，将射频能量运用在每位使用者身上。
多用户作业：MU-MIMO与OFDMA
802.11ax标准采用了两种作业模式，分别是单一使用者与多使用者。在单一用户序列模式中，只要无线STA一取得媒体存取权，就会每次进行一个数据传送和接收作业。在多用户模式下，可同步进行多个非AP STA作业。标准会将此一模式进一步划分成下链和上链多使用者。
．下链多使用者是指由AP同时提供给多个相关无线STA的数据。现有的802.11ac已具备这项功能。
．上链多使用者则涉及同时从多个STA传输数据至AP。这是802.11ax标准的新功能，且不存在于任何旧版Wi-Fi标准中。
在多用户作业模式中，标准也会指定两种方式来为特定区域内更多用户进行多任务：多使用者MIMO(MU-MIMO)和正交频分多任务存取(OFDMA)。无论为上述何种方式，AP都会充当多用户作业内的中央控制器，这点与LTE基地台用来控制多使用者多任务的方式相似。此外，802.11ax AP也可将MU-MIMO和OFDMA作业结合在一起。
在MU-MIMO方面，802.11ax装置会效法802.11ac实作，使用波束成形技术将封包同步导向位于不同空间的使用者。换言之，AP将为每位用户计算通道矩阵，然后将同步波束导向不同用户，而每道波束都会包含适用于所属目标用户的特定封包。802.11ax每次最多可传送8个多使用者MIMO传输，远高于802.11ac的4个。此外，每个MU-MIMO传输都具备专属的MCS以及不同数量的空间串流。打个比方，使用MU-MIMO空间多任务时，AP的角色就等同于以太网络交换器，能减少自大型计算机网络至单一端口的网域冲突。
MU-MIMO上链导向提供了一项新功能：AP将透过触发讯框的方式启动来自每个STA的同步上链传输。当多使用者的响应与自身的封包一致时，AP就会将通道矩阵套用至已接收的波束，并区分每道上链波束包含的信息。另外，如图5所示，AP也能启动上链多使用者传输，以接收来自所有参与STA的波束成形反馈信息。

图5　波束成形器(AP)要求信道信息以进行MU-MIMO作业

在MU-OFMDA部分，为了让相同通道带宽的更多用户进行多任务，802.11ax标准采用了4G行动技术领域中的正交频分多任务存取(OFDMA)。802.11ax标准以802.11ac所用的正交频分多任务(OFDM)数字调变架构为基础，会将特定子载波集进一步指派给个别使用者。这表示它会使用数量已预先定义的子载波，将现有的802.11通道(20、40、80和160MHz宽)画分成较小的子通道。此外，802.11ax标准也仿效现代化的LTE专有名词，将最小的子信道称为「资源单位」(RU)，而当中至少包含26个子载波。
AP会根据多使用者的流量需求来判断如何配置信道，持续指派下链中所有可用的RU。它可能会将整个信道一次配置给一名用户，如同现行的802.11ac，也有可能将通道进行分配，以便同时服务多使用者(图6)。

图6　单一用户使用通道，与使用OFDMA多任务相同通道中的不同用户。

在使用者密集环境中，许多使用者通常会透过成效不彰的方式争取使用通道的机会，现在，OFDMA机制会同时为多使用者提供较小(但专属)的子通道，进而改善每位用户平均传输率。图7说明了802.11ax系统如何使用不同大小的RU进行通道多任务。请注意，最小的通道可在每20MHz的带宽中容纳多达9名使用者。

图7　使用不同大小的资源单位来细分Wi-Fi信道

表2显示当802.11ax AP和STA协调进行MU-OFDMA作业时，可享有分频多任务存取的使用者人数。

多用户上链作业
为了协调上链MU-MIMO或上链OFDMA传输，AP会将一个触发讯框传送给所有使用者。这个讯框会指出每位使用者的空间串流数量和/或OFDMA配置(频率和RU大小)。此外，当中也会包含功率控制信息，好让个别用户可以调高或调低其传输功率，进而平衡AP自所有上链使用者接收到的功率，同时改善较远节点的讯框接收情况。AP也会指示所有使用者何时可以开始和结束传输。如同图8所示，AP会传送多使用者上链触发讯框，告知所有使用者何时可以一起开始传输，以及所属讯框的持续时间，以确保彼此能够同时结束传输。一旦AP收到了所有使用者的讯框，就会回传区块ACK以结束作业。

图8　协调上链多用户作业

802.11ax的主要设计目标之一，就是在使用者密集的环境中提供4倍以上的单一使用者传输率。为了实现此一目标，这项标准的设计人员指定802.11ax装置必须支持下链和上链MU-MIMO作业、MU-OFDMA作业，或是同时支持两者，以因应规模更大的同时用户数量。
802.11ax MAC机制变更
为了改善密集部署情境中的系统层级效能以及频谱资源的使用效率，802.11ax标准实作了空间重复使用技术。STA可以识别来自重迭基本服务组(BSS)的讯号，并根据这项信息来做出媒体竞争和干扰管理决策。
当正在主动收听媒体的STA侦测到802.11ax讯框时，它就会检查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表头文件中的MAC地址。如果所侦测的协议数据单元(PPDU)中的BSS色彩与所关联AP已发表的色彩相同，STA就会将该讯框视为Intra-BSS讯框。 然而，如果所侦测讯框的BSS色彩不同，STA就会将该框架视为来自重迭BSS的Inter-BSS框架。在这之后，只有在需要STA验证框架是否来自Inter-BSS期间，STA才将媒体当成忙碌中(BUSY)。不过，这段期间不会超过指定的讯框酬载时间。
尽管标准仍需定义某些机制来忽略来自重迭BSS的流量，在实作上，则可包含提高Inter-BSS讯框的空闲信道评估讯号侦测(SD)门坎值，并同时降低Intra-BSS流量的门坎(图9)。如此一来，来自邻近BSS 的流量就不会造成不必要的通道存取竞争。

图9　使用色码进行空闲通道评估

当802.11ax STA使用色码架构的CCA规则时，它们也允许搭配传输功率控制来一同调整OBSS讯号侦测门坎。这项调整可望改善系统层级效能以及频谱资源的使用效率。除此之外，802.11ax STA也可调整CCA参数，例如能量侦测层级和讯号侦测层级。
除了使用CCA来判断目前通道是否为闲置或忙碌中，802.11标准也采用了网络配置向量(NAV)，这个时间机制会保持未来流量的预测，以供STA指出紧接在目前讯框后的讯框需要多少时间。NAV可做为虚拟载波感测，用来为802.11通讯协议作业至关重要的讯框确保媒体预约(例如控制框架以及RTS/CTS交换后的数据和ACK)。
负责开发高效率无线标准的802.11工作团队可能会在802.11ax标准中包含多个NAV字段，也就是采用两个不同的NAV。同时拥有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不仅可协助STA预测自身BSS内的流量，还能让它们在得知重迭流量状态时自由传输(图10)。

图10　MU PPDU交换和NAV设定范例

透过目标唤醒时间省电
802.11ax AP可以和参与其中的STA协调目标唤醒时间(TWT)功能的使用，以定义让个别基地台存取媒体的特定时间或一组时间。STA和AP会交换信息，而当中将包含预计的活动持续时间。如此一来，AP就可控制需要存取媒体的STA间的竞争和重迭情况。802.11ax STA可以使用TWT来降低能量损耗，在自身的TWT来临之前进入睡眠状态。另外，AP还可另外设定排程并将TWT值提供给STA，这样一来，双方之间就不需要存在个别的TWT协议。本标准将此程序称为「广播TWT作业」(图11)。

图11　目标唤醒时间广播作业范例

802.11ax带来六大测试挑战
由于导入许多先进射频技术与访问控制机制，802.11ax系统的测试与设计验证将面临六大挑战，分别出现在误差向量幅度(EMV)、频率错误、STA功率控制、存取点接收器灵敏度、上链带内散射与MIMO测试上。
更严格的EVM规定
现在802.11ax会托管1024-QAM的相关支持。此外，子载波之间的间隔只有78.125kHz。这意味着802.11ax装置需要相位噪声效能更出色的振荡器，以及线性能力更优异的射频前端。而量测待测物(DUT)动作的测试仪器则会要求其EVM噪声水平应远低于DUT。
表3列出了802.11ax兼容装置所应符合的EVM等级。

国家仪器(National Instruments, NI)的WLAN测试系统将射频向量讯号收发器(VST)和NI WLAN Measurement Suite合而为一，以支持802.11ax讯号的产生和分析。该软件可支持自二元相位键移(MCS0)至1024-QAM(MCS10与 MCS11)之间的波形。此外，NI的VST硬件可持续提供同级最佳的EVM准位量测，以满足射频特性参数描述和生产作业需求。
绝对与相对频率错误
OFDMA系统对频率和频率偏移有着极高的磁化率。因此，802.11ax多使用者OFDMA效能需要极为密切的频率同步化和频率偏移修正。此要求将确保所有STA都能在所配置的子频道中运作，并将频谱泄漏的情况减至最低。此外，这项严格的时序需求也可确保所有STA都将同时进行传输，以响应AP的MU触发讯框。
以4G LTE系统来说，基地台会利用GPS授时频率来同步所有相关装置。然而，802.11ax AP不仅与这项优势无缘，还需要使用内建的振荡器充当维护系统同步化的参考依据。之后，STA会自AP的触发讯框撷取偏移信息，并据此调整内部的频率和频率参考。
802.11ax装置的频率和频率偏移测试将涉及下列测试：
．绝对频率错误：DUT会传送802.11ax讯框，而测试仪器则会使用标准参考来量测频率和频率偏移。结果将与目前802.11ac规格的所述数据相似，限制约为±20ppm。
．相对频率错误：这将测试不属于AP的STA参与上链多用户传输以链接AP频率的能力。测试程序包含两个步骤。首先，测试仪器会将触发框架传送给DUT。
DUT将依照取自于触发讯框的频率和频率信息进行自适应。接着，DUT会使用已修正频率的框架做出回应，而测试仪器则会量测这些框架的频率错误。在载波频率偏移和时序补偿完成后，这些限制将密切维持在相对于AP触发讯框仅不到 350 Hz和±0.4微秒的程度(图12)。

图12　相对频率错误量测的设定

STA功率控制
与降低频率和频率错误需求一样，AP于上链多使用者传输期间接收的功率，不应出现多个使用者之间功率差异过大的情况。因此，AP必须控制每个独立STA的传输功率。AP可以使用触发讯框，并于当中包含各STA的传输功率信息。开发人员只需使用与频率错误测试相似的两步骤程序，即可完成这项功能的测试。
存取点接收器灵敏度
鉴于AP会充作频率和频率参考之用，测试802.11ax AP的接收器灵敏度成为一大挑战。正因如此，测试仪器需要在传送封包至AP之前锁定AP，以利封包错误率灵敏度测试的进行。
在传送触发讯框以启动AP之后，测试仪器会配合AP调整自身的频率和频率，然后透过使用预期设定的封包(数量已预先定义)回应AP DUT。
802.11ax采用的相对频率错误限制相当严格，这也正是难题所在。测试仪器需要自AP传送的触发讯框撷取极为精确的频率和频率信息。仪器可能需要针对多个触发框架执行这项计算，以确保频率和频率同步化顺畅无碍。因此，这项程序可能会大幅延误测试程序的进度。
若要加快测试程序的脚步，其中一个可行的解决方案便是让AP汇出其频率参考，好让测试设备能据此锁定自身频率。如此即可跳过根据触发讯框进行的初期同步化程序，并缩短AP接收器灵敏度测试的所需时间。
上链带内散射
在STA以MU-OFDMA模式运作期间，它们会使用由AP决定的RU配置来上传数据至AP。也就是说，STA只会使用通道的一部分。802.11ax标准可能会指定上链带内散射测试，以描述和量测在传输器只使用部分频率配置期间所发生的散射(图13)。

图13　潜在上链带内散射测试屏蔽

多使用者和更高阶次的MIMO
若在MIMO作业中使用多达8个天线测试802.11ax装置，其结果可能会与个别及连续测试每个讯号链大不相同。举例来说，来自各个天线的讯号可能会对彼此造成负面干扰，并影响到功率和EVM效能，进而对传输率带来负面且显著的影响。
测试仪器需要支持每个讯号链的局部振荡器亚毫微秒同步化，以确保多个通道的相位微调和MIMO效能不会发生问题。NI的测试解决方案是以NI VST为基础所建置而成，采用了专利的软硬件技术，可提供灵活、大规模的MIMO设定，搭配使用多达8个、16个甚或64个同步通道。
备妥量测仪器　因应802.11ax新挑战
802.11ax可将密集环境的每位用户平均数据传输率提升4倍，而MU-MIMO和MU-OFDMA等形式在内的多使用者技术，则是促成此一效率的最大幕后功臣之一。针对人口密集环境做出的此一频谱使用改善，可望以前所未见的速度推广802.11ax的采用。然而，此一功能的实作也会为负责实现上述工程奇迹的科学家、工程师和技术人员带来全新的挑战。
弹性十足且模块化的平台，提供了备有简洁振荡器与低EVM准位的高效能硬件，可用来进行子载波间距密度为以往4倍的1024-QAM量测。WLAN Measurement Suite走在802.11ax标准的最新发展尖端，可协助开发人员设计、描述、验证和测试802.11ax装置，做好万全准备，以迎接多使用者革命的到来。