802.11ax 的 5 个新特性和测试挑战

802.11ax 的 5 大新特性与测试挑战解析

自从 1999 年 IEEE 802.11b 标准实施以来，无线局域网（WLAN）开始变得日益流行，同时消费者对无线数据访问和吞吐量的需求也稳定增长。现在，用户希望高速WLAN 同样实现普及，能够支持视频流、游戏和虚拟现实等数据密集型应用。随着个人电脑、智能手机、平板电脑、相机、电视和智能家居设备进入千家万户，需要共享网络的 WLAN 设备数量也极大增长。

多年来，持续更新的 802.11 标准已经显著提高了 WLAN 的最大数据速率。最初的802.11b 速度只有 11 Mbps，而 802.11a/g 则达到了 54 Mbps。802.11n（高吞吐量或 HT 标准）将单个数据流的速率提高到 150 Mbps，在引入 MIMO（多路输入多路输出天线）概念后，它可以同时传输多达 4 个数据流，最大数据吞吐量甚至可以达到600 Mbps。802.11ac（超高吞吐量或 VHT 标准）将单个数据流的速率提高到 866.7Mbps，并且允许同时传输多达 8 个数据流，理论上可以实现 6.93 Gbps 的最大数据速率。但是在实际情况下，尤其是在机场和体育场馆等拥塞的环境中，用户往往无法实现那么高的数据速率。新的 802.11ax 标准（高效或 HE 标准）可以在数据传输密集的场景中和室外环境中提供更出色的频谱效率、容量和覆盖范围，使每个站点的平均吞吐量比 802.11ac 标准提升至少 4 倍。让我们看一下 802.11ax 的 5 个新特性及其带来的改善效果。

802.11ax 标准的新特性

特性 1：子载波间隔更窄，符号更长，有助于提高频谱效率和扩大覆盖范围

与 802.11ac 相比，802.11ax 的 FFT 点数增加了 4 倍。子载波间隔缩小到 78.125 kHz，仅为 802.11ac 子载波间隔（312.5 kHz）的 25%，从而能够在同一信道带宽内传输更多数据，显著提高频谱效率。正交频域复用（OFDM）的符号持续时间可以达到12.8 μs，即 3.2 μs 的 4 倍。更长的符号可以实现较长的保护间隔，因而能够在室外环境和有衰落的场景中提供更好的性能和覆盖范围。802.11ax 添加了一种新型数据包 —高效扩展范围单用户物理层协议数据单元（HE ER SU PPDU），以便更好地支持室外应用。

特性 2：使用更多的频段

802.11ac 只能使用 5 GHz 频段，而 802.11ax 同时使用 2.4 和 5 GHz 频段，使得WLAN 设备在这两个频段中拥有更高的性能和效率。此外，802.11ax 任务组定义了新的 6 GHz 频段，将频率范围扩展到 7.125 GHz。6 GHz 频段包括从 5.940 GHz 开始，每 5 MHz 一个的所有信道中心频率。

特性 3：OFDMA 支持多用户模式

802.11a 标准将 OFDM 引入 WLAN 标准，使用整个信道带宽内的多个子载波每次向一个用户发送单个数据包。如果数据没有多到需要使用全部频谱，那么这种数据包发送方式可能会浪费频谱资源。802.11ax 是第一个使用正交频域多址接入（OFDMA）的 WLAN 标准，能够同时向多个用户传输数据包。这项技术已经扩展到 WiMAX 和 LTE 等其他标准，并将在 5G NR中使用。OFDMA 可以将带宽划分成不同大小的资源单元（RU），同时根据数据吞吐量要求，可以为每个用户分配不同数量和大小的 RU 来传输数据。RU 的大小可以是26、52、106、242、484、996 或 2x996 个音频或子载波，而 RU 的位置可以根据 20 MHz、40 MHz 和 80 MHz 信道来定义。单个 160 MHz 或 80 + 80 MHz 传输的每个 80 MHz 部分使用 80 MHz RU 结构。图 4 显示了 80 MHz 信道的 RU 位置。

下行链路传输可以使用高效多用户（HE MU）数据包结构，利用 OFDMA 和/或多用户MIMO（MU-MIMO）进行传输。它最多可以使用 8 个空间流，支持多达 8 个用户，而802.11ac 标准最多只能支持 4 个用户。新的 HE-SIG-B 字段已经添加到 HE 多用户数据包的前导码中。该字段包括多个 WLAN 站点（STA）的 RU 分配，以及每个用户的配置详情，例如调制和编码方案（MCS）、空间流数量和站点 ID。

特性 4：利用 OFDMA 和调度提高上行链路效率

早期的 WLAN 标准使用载波侦听多址接入，STA 必须在传输数据之前检查该信道是否空闲，如果该信道已被占用，那么它必须等一会儿才能尝试再次传输。当大量用户共享同一个网络时，或者 STA 因为侦听到邻近网络的传输而发生不必要的等待时，上述过程会变得效率非常低下。

802.11ax 通过采用 OFDMA 方案，以及利用接入点（AP）调度并启动上行链路传输，允许多个 STA 同时进行传输，可以解决这个效率低下的问题。AP 发送触发帧以启动上行链路传输。触发帧指示正在传输哪些 STA、传输长度以及特定用户信息，例如功率电平、RU 分配和使用的 MCS。在较短的帧间间隔（SIFS）后 — 2.4 GHz 频段为10 μs，5 GHz 频段为 16 μs，所有指定的 STA 都会响应数据传输。使用基于 HE 触发的 PPDU 帧格式，这些传输可以同时发生，并且所有 STA 的数据包长度都相同。在收到上行链路（UL）数据包后，AP 会发送确认消息。

由于多个 STA 同时发送数据，这些 STA 需要预先纠正载波频率偏移（CFO）和采样时钟错误，防止出现载波间干扰，同时也需要预先校正功率以控制干扰。该标准对 STA 的发射功率精度和接收信号强度指示器（RSSI）的测量精度均提出了要求。

特性 5：1024QAM 调制可以提高数据吞吐量

802.11ac 要求支持高达 256QAM 调制，每个符号传输 8 个比特。802.11ax 标准新增了 1024QAM 调制，每个符号传输 10 个比特，进一步提高了数据吞吐量。这种调制类型与 8 个空间流的组合可以实现 9607.8 Mbps 的最大理论数据速率，而 802.11ac 标准的数据速率仅为 6933.3 Mbps。

802.11ax 标准带来的新测试挑战

为了充分利用 802.11ax 新特性的优势，器件制造商、服务提供商和企业需要改变其验证和优化 WLAN 器件和基础设施的方式。让我们研究一下这些新特性带来的 5 个新测试挑战及其应对方法。

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