802.11ac资料整理.doc

无线网络数据速率举例应用数据速率(Mbps)交互式视频会议0.3 8 to 0.5互联网视频流2.5 to 8高清电视19.4 to 25蓝光播放40无压缩视频, “高” 质量(8-bits/color, 1920x1080p, 24 fps, 4:2:2)796无压缩视频, “最佳”质量(10-bits/color, 1920x1080p, 60 fps, 4:4:4)3730频带时间199719992003200920132.4GHZ802.112 MbpsDSSS&FHSS802.11b11MbpsCCK&DSSS802.11g54MbpsOFDM&DSSS802.11n600MbpsOFDM&MIMO4x4 MIMO20/40MHz5GHZ802.11a54MbpsOFDM802.11ac1.56GbpsOFDM&MIMO60GHZ802.11ad1Gbps(近7Gbps)WLAN标准演进802.11n回顾功能必选项可选项传输方式OFDM信道带宽20 MHz40 MHzFFT大小64128数据子载波/导频52 / 4108 / 6子载波间隔312.5 kHzOFDM 符号持续时间4 s (800 ns 保护间隙)3.6 s 短保护间隙调制类型BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM前向纠错二进制卷积编码 (BCC)低密度奇偶校验编码 (LDPC)编码速率1/2, 2/3, 3/4, 5/6MCS 支持0 到 7, 0 到 15用于接入点8 到 76, 16 到76 用于接入点空间流和MIMO1, 2 用于接入点直接映射3 或 4 流 发射波束成形, 时空块编码运行模式 / PPDU 格式Legacy/non-HT (802.11a/b/g) Mixed/HT-mixed (802.11a/b/g/n)Greenfield/HT-Greenfield (只在 802.11n下)从802.11n 到 802.11ac的扩展功能必选项可选项信道带宽20 MHz, 40 MHz, 80 MHz160 MHz, 80+80 MHzFFT大小64, 128, 256512数据子载波/导频52 / 4, 108 / 6, 234 / 8468 / 16调制类型BPSK(二进制相移键控), QPSK（四相相移键控）, 16QAM（正交幅度调制）, 64QAM256QAMMCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略） 支持0 到 78 和9空间流和MIMO12 到8发射波束成形, 时空块编码多用户MIMO (MU-MIMO)运行模式/ PPDU格式极高吞吐率VHT 数据速率: 1.56 Gb/s (80 MHz, 4 Tx, MCS9) “合理” 情形6.93 Gb/s (160 MHz, 8 Tx, MCS9, short GI) 最佳情形802.11ac 特性总结802.11ac 新的物理层特性包括: 更宽的通道带宽: 40和80 MHz为必备, 160和80+80 MHz为可选 更高阶的调制: 256QAM 支持256QAM调制，更宽的信号，同时需要更好的信号EVM值，增加了设计难度 更多的空分流和天线:最高8个 下行多用户MIMO: 最多4个用户, 每个用户最多4个流， 总共8个流 发射机和接收机的多数测试与802.11n相同, 增加了新的带宽和调制速率支撑演进的关键技术分析支撑无线传输速率提升的技术分布在物理层和MAC（介质访问控制）层。物理层：信道捆绑、MIMO（多输入多输出）、OFDM（正交频分复用）、高效的调制编码。MAC层：帧聚合、块确认更短的帧间间隔等。1 信道捆绑高的信息速率需要高带宽，高带宽可以通过信道捆绑获得。早期802.11 标准的空口信道带宽均为20MHz，802.11n通过把两个相邻的20 MHz带宽信道捆绑在一起，组成一个40 MHz 带宽的信道，将速率翻倍（如图2所示）。在实际收发数据时既可以作为一个40 MHz 的信道工作，也可以作为两个单独的20 MHz的信道使用。同理，可将2个40 MHz带宽的信道捆绑成一个80 MHz信道，2个80 MHz带宽的信道捆绑成一个160 MHz信道，每次捆绑均可将速率翻倍。802.11ac/ ad支持更宽的信道带宽，40 MHz和80MHz为必备，160MHz为可选。但是宽的信道会面临信道布局的挑战。我国2.4 GHz频段（2.42.4835 GHz）的频宽只有83.5MHz可用频谱，一般运营商使用其中三个没有相互重叠的20 MHz 信道，这使得部署40 MHz 信道有点困难。5GHz比2.4 GHz有更多可用的信道，目前国内使用的5.7255.85 GHz频宽，可以提供5 个不重叠的20 MHz 信道，部署2 个不重叠的40 MHz信道没有问题， 但是部署80 MHz 有点困难。故802.11ac / ad 的工作频道除了5 GHz 还包括频谱资源更为丰富的60 GHz。2 MIMOMIMO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，使空间流数增加一倍，速率翻倍，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 天线如上图3 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。空间流数与天线数可以一致，也可以不一致，但是天线数量必须不小于空间流数，如2 个空间流数至少需要两个天线来支持。MIMO 的应用始于802.11n。在802.11n 中定义的最高空间流数为4，在其他参数确定后，最高速率按空间流的数量翻倍， 如1 个独立空间流最高速率可达150 Mbps，2个独立空间流则最高速率可达300 Mbps，3个独立空间流最高速率可达450 Mbps，4个独立空间流最高速率可达600 Mbps。为此，802.11ac 定义了空间流数最高为8 的MIMO 技术，802.11ad 定义了空间流数最高为10的MIMO 技术。3 OFDM及短保护间隔高带宽必然存在频率选择性衰落，高的信道速率存在由于多径衰落导致的符号间干扰问题。为此需要利用OFDM对抗衰落的影响，利用保护间隔对抗符号间干扰。OFDM属于多载波技术，是MCM(Multi Carrier Modulation多载波调制)的一种。OFDM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，每路低速的数据流采用一个子载波调制。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，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。传统FDM（频分多路复用）系统中，子载波之间需要很大的保护带，频谱效率很低。OFDM 系统通过IFFT（快速傅立叶反变换）人为建立载波间正交性，OFDM 系统允许载波之间紧密相邻，甚至部分重合，可以实现很高的频谱效率。OFDM 的应用其实从802.11a、802.11g 就开始了。对于802.11a、802.11g，宽度为20 MHz的信道分成52 个子载波，其中48 个用于传输数据，称为数据子载波，另外4个用于辅助传输，称为导频子载波。对于802.11n，20 MHz 分成56 个子载波，其中52个用于传输数据。更多的子载波使得单流数据速率从802.11g的54Mbps提升至58.5Mbps。对于40MHz的信道，可以分成114个子载波，其中108 个用于传输数据，单流速率提升至121.5Mbps。对于802.11ac/ad，支持的信道更宽，80 MHz分成242 个子载波，其中234个用于传输数据；160 MHz 分成484个子载波，其中468个用于传输数据。可见带宽越宽，用于信道保护间隔以及辅助传输的导频载波开销占比越小，用于数据传输子载波占比越大，故带宽翻倍时，速率在翻倍的基础上还有一定程度的提升。多径效应会导致符号间干扰。为此，802.11a、802.11g 标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔，这个间隔被称为保护间隔。802.11n 针对保护间隔做了改进，当多径效应不是很严重时，用户可以将保护间隔配置为400ns。对于一条空间流，短的保护间隔可以将吞吐量提高近10%。在多径效应较明显的环境，不建议使用短保护间隔。4 高效的调制编码物理速率提升除了依赖于信道宽度，空间流数量、数据子载波数量、调制方式、编码效率也是决定性因素。信息速率= 空间流数数据子载波数子载波传输数位编码率OFDM 符号持续时间。802.11n支持比802.11b、802.11g更高阶的调制和编码。802.11n支持的调制方式包括BPSK（二进制相移键控）、QPSK（四相相移键控）、16QAM（正交幅度调制）、64QAM，信道编码效率包括1/2、2/3、3/4、5/6 等多档。802.11ac/ad更高的频谱效率必然需要更高阶的调制，达到256QAM。在其他参数一定时，采用256QAM（每个OFDM 符号代表8 bit信息）是64QAM（每个OFDM 符号代表6 bit 信息）信息速率的8/6倍。在无线环境良好时，使用高阶调制和高效编码是提升速率的有效手段。5 MAC 层关键技术速率提升除了物理层的关键技术外，还有MAC层对帧结构的一些改进技术，包括帧聚合、块确认、更短的帧间间隔等。帧聚合是将要传送到同一个地方的封包结合，共同使用一个帧进行传送。帧聚合技术降低了报文头数量，提高了有效载荷，充分提高了数据传输效率。为保证数据传输的可靠性，802.11n 协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以确认帧。块确认通过使用一个确认帧来完成对多个数据帧的应答，以降低这种情况下的确认帧的数量。当客户端或接入点有大量帧要连续发送时，必须在帧间暂停，这些暂停构成了整个网络的开销。在802.11n之前，同一客户端或接入点发射的帧间暂停设置为SIFS（短帧间间隔），为16s。802.11n定义了一种更小间隔，即RIFS（减少的帧间间隔）为2 s。采用帧聚合、块确认、短帧间间隔等MAC 层技术，使MAC层吞噬和消耗的吞吐量下降，降低了MAC层开销，提高了应用层的速率。其他概念CCK：Complementary Code Keying补码键控OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用PLCP：Physical Layer Convergence Procedure物理层会聚协议PPDU：PLCP Protocol Data Units PLCP协议数据层 频谱示意图：美国的频率分配(如下图)包含5710-5835 MHz信道，其它区域并不包含。(在某些区域需要避让气象雷达)带宽：信道可以不失真地传输信号的范围信道容量：信道在单位时间内可以传输的最大信号量，表示信道的传输能力。亦可表示为单位时间内可传输的二进制位的位数（位数率），单位bit/s（简写bps）频谱效率：传输速率/带宽。如802.11 0.1Mbps/MHZ(2Mbps/20MHZ)、802.11n 7.8Mbps/MHZ、802.11ad 43Mbps/MHZ波束成形：在特定方向集中射频能量，以改善个别站台传输MCS：802.11n射频速率的配置通过MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）索引值实现。MCS调制编码表是802.11n为表征WLAN的通讯速率而提出的一种表示形式。MCS将所关注的影响通讯速率的因素作为表的列，将MCS索引作为行，形成一张速率表。所以，每一个MCS索引其实对应了一组参数下的物理传输速率。MCS对应速率表（20MHz） MCS索引空间流数量调制方式速率(Mb/s)800ns GI400ns GI01BPSK6