802.11802.11ac协议

一. 概述

IEEE 802.11工作组在2013年发布了802.11ac&＃xff08;Wave1&＃xff09;标准&＃xff0c;然后在2016年又发布了802.11ac Wave2版本&＃xff0c;在Wave1的基础上做了一些改进与升级&＃xff0c;本文不着重对比Wave1和Wave2的区别&＃xff0c;而是将他们作为一个整体进行介绍。
　　802.11ac又称为VHT&＃xff08;Very High Throughput&＃xff09;&＃xff0c;WFA将其重命名为WiFi5&＃xff0c;是第一个速率超过1Gbps的802.11协议&＃xff1b;
　　802.11ac相对于802.11n的改动并没有非常大&＃xff0c;更多的是对802.11n协议的加强&＃xff0c;以及引入部分新的特性&＃xff0c;主要从PHY、MAC两个维度简单概括一下802.11ac的新特性&＃xff1b;

二. 专业术语

本小节对一些专业术语进行一个简要的说明&＃xff0c;如下&＃xff1a;
　　1. A-MPDU&＃xff1a;aggregate MAC protocol data unit&＃xff1b;
　　2. A-MSDU&＃xff1a;aggregate MAC service data unit&＃xff1b;
　　3. HT-GF-STF&＃xff1a;High-Throughput Greenfield Short Training field&＃xff1b;
　　4. HT-SIG&＃xff1a;High-Throughput SIGNAL field&＃xff1b;
　　5. HT-STF&＃xff1a;High-Throughput Short Training field&＃xff1b;
　　6. LDPC&＃xff1a;low-density parity check&＃xff1b;
　　7. L-LTF&＃xff1a;Non-HT Long Training field&＃xff1b;
　　8. L-SIG&＃xff1a;Non-HT SIGNAL field&＃xff1b;
　　9. L-STF&＃xff1a;Non-HT Short Training field&＃xff1b;
　　10. LTF&＃xff1a;Long Training field&＃xff1b;
　　11. MCS&＃xff1a;modulation and coding scheme&＃xff1b;
　　12. MIMO&＃xff1a;multiple input, multiple output&＃xff1b;
　　13. NDP&＃xff1a;null data packet&＃xff1b;
　　14. RIFS&＃xff1a;reduced interframe space&＃xff1b;
　　15. SPP&＃xff1a;A-MSDU signaling and payload protected aggregate MAC service data unit&＃xff1b;
　　16. STBC&＃xff1a;space-time block coding&＃xff1b;

三. PHY层

简单例举一下802.11ac协议中phy的新特性&＃xff0c;主要包括如下&＃xff1a;
　　1. 工作频段&＃xff1a;仅工作在5G频段&＃xff1b;
　　2. 支持3种工作模式&＃xff1a;
　　　1) NON_HT&＃xff1a;Non-HT format&＃xff1b;
　　　2) HT_MF&＃xff1a;HT-mixed format&＃xff1b;
　　　3) 放弃了802.11n协议的HT_GF模式&＃xff0c;增加了兼容性&＃xff1b;
　　　4) VHT-mixed format&＃xff0c;类似HT_MF模式&＃xff0c;802.11ac协议新增的模式&＃xff1b;


　　　简单了解一下VHT PPDU&＃xff1a;
　　　　a) VHT-SIG-A分为两个部分&＃xff1a;VHT-SIG-A1和VHT-SIG-A2&＃xff0c;一共48bit&＃xff0c;如下所示&＃xff08;详细参见《IEEE 802.11-2016》21.3.8.3.3 VHT-SIG-A definition章节&＃xff09;&＃xff1a;

　　　　b) VHT-SIG-B字段是一个变长字段&＃xff0c;不同的频宽、SU和MU PPDU下各字段的长度是动态变化的&＃xff0c;如下所示&＃xff1a;

　　　　Note&＃xff1a;VHT-SIG-B字段每个20M频宽都发送一次&＃xff0c;40M发送两次&＃xff0c;80M发送4次&＃xff0c;依次类推&＃xff1b;
　　　　c) VHT PPDU的发送&＃xff1a;前导码部分使用的bpsk rate 1/2&＃xff08;6Mbps&＃xff09;的速率发送&＃xff0c;数据部分则是由VHT-SIG-A中指定的mcs发送&＃xff0c;如下所示&＃xff1a;

　　3. MIMO
　　　1) 改进SU-MIMO&＃xff0c;最多可支持8条流&＃xff1b;
　　　2) 支持MU-MIMO&＃xff0c;一次可以同时和4个终端通信&＃xff0c;但只支持DL MU-MIMO&＃xff0c;上行方向并不支持&＃xff1b;
　　4. 信道频宽
　　　1) 最大支持可选160MHz的频宽&＃xff08;包括80&＃43;80方式&＃xff09;&＃xff0c;此外还支持必选80、40、20的频宽&＃xff1b;
　　　2) 相比于802.11n&＃xff0c;没有了信道向上、向下绑定的概念&＃xff0c;而是以中心频率代替&＃xff0c;802.11ac中主信道、辅信道的设定和802.11n是一致的&＃xff1b;
　　5. 更高阶的调试技术
　　　1) 引入256-QAM&＃xff0c;每个OFDM符号可以携带8bit信息&＃xff1b;
　　　2) mcs增加了两个&＃xff1a;mcs8、mcs9&＃xff0c;共10中mcs方式&＃xff1b;
　　　3) 在802.11n协议和信道带宽、空间流数相绑定&＃xff0c;总共定义了77个mcs&＃xff0c;802.11ac不再和带宽、流数绑定定义mcs&＃xff0c;进行了简化&＃xff1a;只定义了mcs0~mcs9共10种mcs&＃xff1b;
　　　4) 和802.11n相比&＃xff0c;调制方式对比如下&＃xff1a;

　　6. 多空间流&＃xff1a;最多可以支持8条空间流&＃xff0c;相比WiFi4增加了1倍&＃xff1b;
　　7. 波束成形&＃xff1a;简化设计&＃xff0c;降低复杂度&＃xff1b;
　　　1) 仅支持显式波束成形&＃xff0c;不再支持隐式波束成形&＃xff1b;
　　　2) 改进信道探测和反馈方式&＃xff1a;信道探测使用空数据帧NDP&＃xff0c;反馈信息由compressed V matrix组成&＃xff0c;放弃了原来多种探测方式和多种反馈方式&＃xff1b;
　　　Note&＃xff1a;在802.11n显示波束成形中对信道的探测可以有两种方式&＃xff1a;NDP(Null data packet&＃xff0c;空包帧)和staggered preamble&＃xff0c;反馈格式上有三种&＃xff1a;CSI、Noncompressed beamforming和Compressed beamforming&＃xff0c;在反馈的实时性上分为immediate和delayed两种&＃xff1b;在802.11ac中仅支持NDP的探测方式&＃xff0c;在反馈格式上只支持compressed V matrix&＃xff0c;并采用immediate的方式。
　　8. 信道评估CCA&＃xff1a;跟802.11n类似&＃xff0c;有一些区别&＃xff0c;方法由40M扩展到80M、160M&＃xff1a;
　　　1) 主信道载波监听信号强度-82dBm&＃xff0c;辅信道仅进行能量检测&＃xff0c;信号强度&＃xff1a;-69dBm或-72dBm&＃xff08;频宽不同而不同&＃xff09;&＃xff1b;
　　　注意&＃xff1a;
　　　　a) 能量检测的信号强度和11n有些不同&＃xff0c;11n的能量检测信道强度是-62dBm&＃xff1b;
　　　　b) 虽然11ac将能量检测信道强度降低了&＃xff0c;但还是会存在主、辅信道检测不对称的情况&＃xff0c;如果载波监听只需要-82dBm以上信号才认为信道忙&＃xff0c;但实际却是-69dBm或-72dBm以上才认为繁忙&＃xff1b;
　　　　c) 主、辅信道的检测要求的不对称&＃xff0c;导致使用辅信道的条件比主信道低&＃xff0c;这样更容易发送冲突&＃xff1a;辅信道有人在发送数据&＃xff0c;但能量未达到阈值&＃xff0c;此时发送方认为空闲&＃xff0c;就把数据发送出去了&＃xff0c;但造成的冲突可能会导致接收方那边无法正确解码&＃xff1b;
　　　2) 主信道采用传统的DCF/CDCA方式竞争信道&＃xff0c;DIFS周期后进入随机退避计数&＃xff1b;辅信道在退避计数为0之前&＃xff0c;对辅信道进行能量检测&＃xff0c;周期为PIFS&＃xff1b;
　　　3) 以上方式竞争信道就会出现以下一些组合&＃xff1a;
　　　　a) 主信道忙&＃xff0c;所有辅信道也忙&＃xff1a;此时不能发送数据&＃xff0c;重新选一个随机时间再次检测整个信道&＃xff08;主信道&＃43;辅信道&＃xff09;&＃xff1b;
　　　　b) 主信道忙&＃xff0c;部分辅信道空闲&＃xff1a;此时不能发送数据&＃xff1b;
　　　　c) 主信道忙&＃xff0c;所有辅信道空闲&＃xff1a;此时不能发送数据&＃xff1b;
　　　　d) 主信道空闲&＃xff0c;所有辅信道也空闲&＃xff1a;此时可以用主信道、所有辅信道发送数据&＃xff1b;
　　　　e) 主信道空闲&＃xff0c;部分辅信道空闲&＃xff1a;此时就有两种选择&＃xff0c;不发送数据&＃xff08;11n协议的静态绑定&＃xff09;&＃xff0c;或者使用主信道&＃43;主信道相邻的辅信道发送数据&＃xff08;11ac新引入的动态绑定&＃xff09;&＃xff1b;
　　　　f) 主信道空闲&＃xff0c;所有辅信道忙&＃xff1a;这种情形跟上一种是一样的&＃xff1b;
　　9. 由于实现起来比较复杂、或者带来的增益有限、或者有更好的方案替代等&＃xff0c;去除了RIFS、L-SIG TXOP保护、PCO操作、Dual CTS等&＃xff1b;

四. MAC层

MAC层也做了一些改进&＃xff0c;主要是对802.11n协议的加强&＃xff1a;
　　1. Enhanced RTS/CTS
　　　1) 最初是用于解决隐藏节点碰撞问题&＃xff0c;后来被用于虚拟载波监听&＃xff1b;
　　　2) 802.11ac则进一步改进&＃xff0c;将其用于动态频宽&＃xff08;动态信道管理&＃xff09;&＃xff0c;80MHz的频宽下&＃xff0c;可以通过RTS/CTS&＃xff0c;探测哪些信道不可用&＃xff0c;从而降低到40MHz、20MHz来发送数据&＃xff1b;
　　　3) 协调机制
　　　　a) 在其使用的信道内以20MHz为单位的子信道内发送RTS&＃xff0c;当信道带宽为80MHz时&＃xff0c;再复制3份到其余60MHz的3个辅信道上&＃xff1b;当信道带宽为160MHz时&＃xff0c;复制7份到剩下的140MHz&＃xff0c;这样做的好处&＃xff1a;不管周边设备的主信道是80MHz或者160MHz信道中的任意20MHz都可以侦听到这个RTS报文&＃xff0c;每个收到RTS报文的设备将虚拟载波侦听设为忙&＃xff1b;
　　　　b) 收到RTS报文的设备会检测其主信道或者80MHz带宽内的其他子信道是否繁忙&＃xff0c;如果信道带宽的一部分被使用&＃xff0c;则接收设备只会在CTS帧内响应可用的20MHz的子带宽&＃xff0c;并报告重复的带宽&＃xff1b;
　　　　c) 在每个可用的20MHz带宽的子信道上回复CTS报文&＃xff0c;这样发送设备就知道了哪些信道是可用的&＃xff0c;哪些信道是不可用的&＃xff0c;最终只在可用的子信道上发送数据&＃xff0c;需要注意的是可使用的信道只能是连续的&＃xff1a;80MHz、40MHz、20MHz&＃xff0c;而不能是不连续&＃xff1a;60MHz、不连续的40MHz&＃xff1b;
　　2. Enhanced A-MPDU/A-MSDU&＃xff1b;
　　　1) AMSDU&＃xff1a;可选支持长度最大增加到11454 B&＃xff0c;802.11n无直接限制&＃xff0c;比HT MPDU的最大值&＃xff08;8192&＃xff09;稍小一点&＃xff1a;7935 B&＃xff1b;
　　　2) AMPDU&＃xff1a;可选支持长度最大增加到11048575 B&＃xff0c;802.11n为65535 B&＃xff1b;
　　　Note&＃xff1a;部分数据的长度如下所示

　　3. MU-MIMO
　　　1) 应答机制&＃xff1a;AP在竞争到信道后发送Multi-User数据帧&＃xff0c;并向三个Station独立地请求BLOCK ACK确认及接收应答&＃xff0c;如下所示&＃xff1a;

　　　Note&＃xff1a;其中第一个sta可以直接进行BA的应答&＃xff0c;不需要BAR&＃xff0c;但笔者一直没有找到第一个sta具体是指哪个&＃xff1a;STA1、STA2、STA3&＃xff1f;
　　　2) 队列控制&＃xff1a;在AP竞争到信道后&＃xff0c;就可以开始一次MU传输&＃xff0c;在SU-MIMO中&＃xff0c;向手机传输语音流的时候&＃xff0c;其他的设备必须等待&＃xff0c;在MU-MIMO中&＃xff0c;可以同时向其他的设备传输低优先级报文&＃xff0c;促使AP竞争到介质访问权的接入类&＃xff08;AC&＃xff09;叫做主AC&＃xff0c;其他的AC就叫做二级AC&＃xff0c;二级AC可以搭便车向其他接收端传输数据流&＃xff0c;前提是二级AC的长度不应超过主AC的长度&＃xff0c;如下所示&＃xff1a;

　　　Note&＃xff1a;此处笔者也有类似的疑惑&＃xff0c;接收端如何知晓哪个是主AC sta&＃xff0c;因为主AC sta可以直接回复BA&＃xff1b;

附&＃xff1a;

华为《什么是802.11ac和802.11ac Wave2》一文中有一个和802.11n对比&＃xff0c;笔者觉得非常不错&＃xff0c;特意记录下来

五. 参考资料

1. 《IEEE 802.11-2016》;
　　2. 802.11ac技术解析&＃xff1a;http://www.h3c.com/cn/d_201708/1018832_30005_0.htm;
　　3. 什么是802.11ac和802.11ac Wave2&＃xff1a;https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100081210&＃xff1b;
　　4. 深入探究802.11ac技术&＃xff1a;https://www.mwrf.net/tech/communications/2012/7412.html&＃xff1b;
　　5. 一文看懂802.11ac和802.11n的区别&＃xff1a;https://www.21ic.com/article/822080.html&＃xff1b;