802.11ac白皮书.doc

1. 概述1.1技术背景 在802.11n标准制定后不久，为了获取更高的传输速率，IEEE转入了802.11ac标准的制定当中，目标是在2012年实现千兆级别的无线局域网传输速率，而802.11ac实际上是在802.11a基础上发展起来的。从2008年上半年开始，IEEE就已经着手802.11ac标准的制定，当时被称为“Very High Throughput”(甚高吞吐量)，目标直接就是达到1Gbps。到2008年下半年的时候，项目分为两部分，一是802.11ac，工作在6GHz 以下，用于中短距离无线通信，正式定为802.11n的继任者，另一个则是802.11ad，工作在60GHz，市场定位与UWB类似，主要面向家庭娱乐设备。而到了2012年2月，制定了我们现在看到的D2.0版本。1.2技术特点 802.11ac有如下几个特点： 更高的传输速率：802.11ac最高可以支持约7000Mb/s传输速率，这主要得益于OFDM技术以及更高的占用带宽，而MU-MIMO技术提升带宽利用率。 更好的环境适应性：延续使用MIMO技术，增加了空间流的数量。更好的保证了接收性能。 更少的环境干扰：使用5G频段，减少2.4G公共频段的支持，也就减少了其它信号对自身的干扰，获得更为清洁的频谱环境。2. 名词解释MSDU：MAC Service Data Unit。可以理解为传输的有效数据，MAC帧的data部分。 MPDU：MAC Protocol Data Unit。可以理解为经过MAC协议封装的帧，包括MAC帧头。 PLCP： Physical Layer Convergence Procedure。可以理解为PHY层的编码和封包过程。 PPDU： PLCP Protocol Data Unit。可以理解为PHY层封装的帧，包括PHY帧头和MAC帧。 A-MSDU：Aggregate MSDU。MSDU帧聚合。 A-MPDU：Aggregate MPDU。MPDU帧聚合。 MIMO：multiple input, multiple output。一种采用多根天线进行传输的技术。 MU：multiple user。多个用户STBC：Space-Time Block Code。空时分组编码，一种可以提高传输质量的编码方式。 MCS：Modulation Coding Scheme。11ac中规定空间流数目、编码、调制方式和传输速率的一组方案。 CSI：Channel State Information 用于波束成形的一个信息域。 SGI：Short Guard Interval。11ac引入的短防护间隔，该间隔为400ns。 RIFS：Reduced Interframe Spacing。11ac引入的短帧间隙，减少传输开销。 CCA：Clear Channel Assessment。PHY层用于探测信道占用情况的一个功能模块。 VHT：Very High Throughput。即采用11ac引入的调制编码方式传输，提高了传输速率。 LTF：Long Training Field。PHY帧头中一个域，用于对接收端进行训练。 Beamformer/Beamformee: beamformer是准备进行波束成形调整的一方，beamformee是辅助对方进行波束成形的一方。 3. 技术分析3.1 帧结构变更 3.1.1 MPDU帧结构变更 802.11ac扩展了802.11n的MAC帧，主要是将帧体扩展到了11426个字节，同时，还对MAC header各部分进行了一定的修改 3.1.1.1 Frame Control域 增加了NDPA（Null Data Packet Announcement）以及Beamforming Report Poll功能并且从新定义了预留部分 3.1.1.2 HT Control域 HT控制域格式如下 主要控制部分为B1-B29，它可以区分HT以及VHT模式1） HT模式如下而其中 Link Adaption Control域如下：相对于802.11n，其主要变化就是少了B0这个预留字节。2） VHT模式控制域如下现在对其作出如下说明：MRQ(VHT MCS feedback request)：MCS反馈请求MSI/STBC(MRQ sequence identifier/STBC indication):用于标识MRQ序列以及STBC是否发射。Unsolicited MFB 为1时结构如下 其中STBC indication为1时代表发射STBC，为0时不发射，而Compressed MSI中包含一串数据用于标识特定请求，如果STBC indication为0，他在0-3范围内，1时在0-2之内；而在Unsolicited MFB为0的情况下，如果MRQ为1，那么这整个域有0-6之内的数据用于标识特定请求，而MRQ为0，该域为预留。MFSI/GID-L(MFB sequence identifier/LSB of Group ID):用于指示MFB序列，以及PPDU的组ID。MFB(N_STS,MCS,BW and SNR feedback): 结构如下用于指示N_STS，MCS以及带宽和平均信噪比的信息。GID-H(MSB of Group ID):用于指示群组ID，如果Unsolicited MFB域为1，而且为MU PPDU确定，那么这里包含最多3个字节的群组ID信息。Coding Type(Coding Type of MFB response):如果Unsolicited MFB域为1，那么这个域指示编码信息，0为BCC，1为LDPC。FB Tx Type(Transmission Type of MFB response):Unsolicited MFB域为1的情况下，FB Tx Type为0表示MFB来自未经波束成形的VHT PPDU，如果为1，表示MFB来确定为经过波束成形的VHT SU PPDU。Unsolicited MFB(Unsolicited MCS feedback indicator):为0时表示MFB为一个MRQ的响应，为1则不是。3.1.2 PPDU帧结构变更 802.11ac新定义了一种PHY层帧格式VHT格式，具体格式如下： L-STF: Non-HT Short Training field L-LTF: Non-HT Long Training field L-SIG: Non-HT SIGNAL field VHT-SIG-A: VHT Signal A field VHT-STF: VHT Short Training field VHT-LTF: VHT Long Training field VHT-SIG-B: VHT Signal B field Data: The Data field includes the PSDU (PLCP Service Data Unit) 其中与VHT相关的域只在VHT PPDU中出现，在VHT NDP中该域就未作定义，而VHT-LTF的数量由空时流的数量确定，可以为1，2，4，6，8。 VHT-SIG-A域中包含了用于诠释VHT格式PPDU的信息，VHT-SIG-A域由两个符号组成，即VHT-SIG-A1和VHT-SIG-A2组成，他们分别如下图所示：VHT-SIG-A1格式VHT-SIG-A2格式而其对应的含义如下：BW:描述工作带宽，0代表20MHz，1代表40MHz，2代表80MHz，3代表160MHz或者80+80MHz。Reserved：预留位，设为1。STBC：如果所有用户的所有空间流都有STBC，则设为1，如果任意用户的空间流没有STBC则设为0。(不允许出现部分用户有STBC)Group ID：分别存在SU PPDU和MU PPDU两种Group ID指示方式。NSTS/Partial AID：对于MU PPDU，NSTS被分成了4个用户部分，每一块为3位。对于每一块，0代表0条空时流，1代表1条空时流，2代表2条空时流，3代表3条空时流，5-7为预留；而对于SU PPDU，SU NSTS的值0-7分别对应1-8条空时流，而Partial AID为预期的PSDU接收端提供简单的标识。TXOP_PS_NOT_ALLOWED：Reserved：预留，设为1。对于VHT-SIG-A2：Short GI：是否使用短保护间隔，0为不使用，1为使用。Short GI NSYM Disambiguiation：设为1，代表短保护间隔有使用，并且NSYM(Number of symbol in the Data field)除以10余数为9。其他情况设为0SU/MU0 Coding：对于SU PPDU，0代表BCC，1代表LDPC；对于MU PPDU，如果MU0 NSTS域不为0，那么该位表示用户0的编码方式，0代表BCC，1代表LDPC，如果MU0 NSTS域为0，那么就预留，并且设为1.LDPC Extra OFDM Symbol：不管是否MU模式，只要LDPC编码过程引入了额外的OFDM符号，该位置1.SU MCS/MU1-3 Coding：对于SU PPDU 代表MCS的目录；对于MU PPDU B4-B6分别代表MU1-3 NSTS不为0时，用户1-3的编码方式，0代表BCC，1代表LDPC。其他情况预留并置为1。Beamformed：在SU传输中，如果对于波形使用了波束成形控制矩阵，那么该位设为1，其他情况设为0。对于MU PPDU该位预留，设为1。Tail：用于终止卷积解码器。而对于VHT-SIG-B，如下所示，20MHzPPDU包含26位，40MHzPPDU包含27位，80MHz，80+80MHz，160MHz包含29位。3.2MIMO技术改进 3.2.1MU模式的引入 802.11ac在原先802.11n的MIMO技术基础上，引入了MU-MIMO概念，通过这个技术，我们可以实现，多个站之间，可以通过相同的信道同时收发多个数据流。 一个支持MU-MIMO的站，他可以生成4个A-PPDUs，并且通过相互独立的空间流，将这些A-PPDUs发给各个接收站，这样就提升了系统的吞吐。 一个MU模式下PPDU发射系统框图如下：与之对应，SU工作模式下PPDU如下图1. 扰码器：将数据扰码，以防止出现长时间的连0或连1，影响后级的编码性能。 2. 编码分配器：将经过扰码的串行数据流分解为个数据流，输出到个FEC编码器中。分配的算法为Round Robin算法。 3. 二进制卷积编码器/低密度奇偶检验码编码器。4. 流分配器：收集FEC编码器的输出分解为NSS个数据流，进入NSS个位交错器。输入位交错器的数据流即被称为“空间流”。 5.位交错器：位交错器的功能是按照一定的算法将数据流中的位打乱，避免由于噪声引发的错误bit过于集中；而分散的错误bit，将可以由BCC解码器纠正。 6. 星座图映射器：将经过位交错的空间流，按照指定的调制方式（QAM-64等）映射为星座图上的点。点采用复数表示，即将一个空间流转换为I、Q两路基带信号。 7. STBC编码器：各映射器输出的星座点由STBC编码器编码，将空间流SS转化为空时流STS，是一种增强传输稳定性的编码方式。 8. 空间流映射器：将空时流映射到发送链路。 9. 离散傅立叶逆变换：将经过映射的星座点变换为时域波形。 10. 循环移位扩展：目的是防止信号频谱中出现意料之外的频率。 11. 防护间隔插入：符号间插入防护间隔。这一点是OFDM必须的。 12. 加窗：通过特定的滤波器，使符号的边沿变得平滑，从而使信号的频谱集中于规定的范围内。 通过MU技术，一个支持MU模式的AP可以生成最多四个A-MPDUs，每一个A-MPDUs针对一个支持MU的STA，然后，它可以通过不同的空间流将这些A-MPDUs同时发送给四个STA。这里一个AP就起到了4个AP的作用。不过，对于MU模式，最多只支持4个用户，每个用户最多支持4条流，并且流的总数量不超过8条。 3.2.2空间流增加 相对于802.11n中NSS最多4条，802.11ac将这一值提升到了8条，这样就可以大大提升我们AP的吞吐。3.3调制方式的改进调制方式改进还是主要体现在子载波的增加上面，以及256-QAM的使用方面。 3.3.1子载波增加 802.11ac相较于802.11n来说在发射带宽上有所提升，除了兼容802.11n的20MHz和40MHz之外，还新引入了对80MHz和160MHz（80+80MHz）的支持，在802.11ac中对于80MHz的带宽，带内一共有242个子载波，其中234个用于传输数据，8个作为导频，160MHz（80+80MHz）中有484个子载波，其中468个传输数据，16个作为导频。 3.3.2 256-QAM 256-QAM星座图如下所示： 相较于64-QAM，它最显著的优势就是每一点包含的信息量更大，达到了8位，而64-QAM为6位，这样，在忽略其他因素的前提下，但是这一项就可以提升30%以上的速率。 通过下图（40MHz，4条流），我们能够清晰地看到256-QAM优势。 3.4带宽扩充 802.11ac仍然以20MHz带宽为基本操作带宽，在延续802.11n的40MHz聚合传输的基础上，加入了80MHz，和160MHz的聚合传输，如下图所示： Primary代表主信道，