深入探究802.11ac技术

作者: David A. Hall, 资深射频产品经理, 美国国家仪器(NI)汤敏, 行业市场专员, 美国国家仪器 (NI)。

在最新的一项市场调查中，研究人员预计：到2015年，每年将有超过10亿台IEEE 802.11ac 无线通信设备投入使用。这是一个相当惊人的数字，特别是考虑到802.11ac尚未成为官方标准的前提下。所以你可能会问："什么是802.11ac协议，它跟当前的Wi-Fi有何区别？"
 

如果你还记得几年前，世界上最早出现的一些802.11n Wi-Fi产品曾被打上"草稿-n"的标签。这些路由器和接入节点被冠以"草稿-n"绰号，是有其特定的原因的：官方标准尚未形成。现在，802.11n产品已经无处不在，作为一种先进的Wi-Fi标准被广泛接受。然而，就如同大多802.11g产品已经移至802.11n一样，下一代的Wi-Fi将会基于802.11ac规范。

新802.11ac规范的初衷是考虑到更高数据吞吐量的要求。就如同我们已经看到Wi-Fi从802.11a/b发展至g再到n，802.11ac的超高吞吐量（very high throughput, VHT）规范可以实现极高的数据传输速率。在此，我们将探讨其物理层中一些主要的技术特性，以及它如何支持高数据吞吐量。此外，我们将特别分析一些不断演进的特性，例如应用更高的信道带宽、调制类型的改变、以及更多空间流(Spatial stream)的应用以实现更高的数据速率。

首先，我们比较一下过去的以及未来的Wi-Fi的基本的物理层规范，如图1所示。

图1. 新一代Wi-Fi中的物理层规范的技术演进

如图1所示，802.11n规范中最主要的新特性就是通过引入4x4 MIMO技术，使用了更多的空间流。发展至802.11ac后，可实现的最大的空间流可达8x8 MIMO。此外还有其它的重要改变，包括：可选的160 MHz信道带宽，以及引入了256-QAM调制机制。

使用更高的信道带宽

追溯至MIMO技术起源，Shannon-Hartley原理曾被认为是计算一个数字信道的数据吞吐量的主要理论模型。

公式1. 经典Shannon-Hartley信道吞吐量理论模型

根据这一理论，通过一个特定信道的数据传输速率仅能通过改变信道带宽或者信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）来提高。时至今日，Shannon-Hartley理论已经无法计算多个空间流所实现的总数据吞吐量，但它依然能表明信道带宽与数据传输速率之间的相关性。

在一个OFDM系统中，人们可以很直观地看到，更高的带宽与更高的数据传输速率之间存在相关性。例如，在使用相同的子载波间距（也就是使用相同的符号率）时，增加子载波的数量将增加信道带宽。在802.11ac规范中，我们可以很清楚的看到信道带宽与数据子载波数量之间的关系。如图2所示，在所有带宽模型中，子载波的间距是不变的，只需增加子载波的数量就可增加带宽。

*代表此模式在802.11ac中是可选的。

图2.802.11ac中可选的信道带宽

如图2所示，可选的160 MHz模式远远超过了802.11n所支持的最大带宽（40MHz）。目前，具有160MHz可用频谱的Wi-Fi频带仅能在5 GHz频带中实现（而不是2.4GHz）.因此，802.11ac规范仅能用于5GHz ISM频带。

提高空间流数量

Shannon-Hartley理论可以很合理地估计SISO（单输入单输出）信道的理论吞吐量，但我们必须对其进行一些更改，才能合理的估计MIMO（多输入多输出）信道的最大吞吐量。在一个具有充足多路径反射的物理信道中，数据传输速率在理论上的最大提升随着理论空间流的数量的增加而线性增加。例如，在一个2x2的MIMO系统中，在同一个物理信道（即使用相同的频率）中使用两个独立的空间流，其所能实现的数据速率是传统的单输入单输出（SISO）系统的两倍。同样，相对于SISO信道，一个4x4 MIMO信道可以实现4倍的数据速率提升，而8x8 MIMO信道则可以实现8倍的数据速率提升。。与其它新出现的无线通信规范（如3GPP LTE Advanced）类似，802.11ac VHT规范可以实现最高8x8 MIMO系统。

调制机制与码率的改进

802.11ac提高数据吞吐量所使用的最有趣的方法之一，就是256-QAM调制机制。过去，随着802.11a的发展，64-QAM调制曾被认为是