802.11ax，也稱為高效無線網絡(High-Efficiency Wireless - HEW)，通過一系列系統特性和多種機制增加系統容量，通過更好的一致覆蓋和減少空口介質擁塞來改善Wi-Fi網絡的工作方式，使用戶獲得最佳體驗;尤其在密集用戶環境中，為更多的用戶提供一致和可靠的數據吞吐量，其目標是將用戶的平均吞吐量提高至少4倍。也就是說基于802.11ax的Wi-Fi網絡意味著前所未有的高容量和高效率。
802.11ax技術構成
▲802.11ax技術構成模塊示意圖
802.11ax標準在物理層導入了多項大幅變更。然而，它依舊可向下兼容于802.11a/b/g/n與ac設備。正因如此，802.11ax STA能與舊有STA進行數據傳送和接收，舊有客戶端也能解調和譯碼802.11ax封包表頭 (雖然不是整個802.11ax封包)，并于802.11ax STA傳輸期間進行輪詢。下圖顯示此標準修正最重要的變更以及與現行802.11n和802.11ac的對照。
▲802.11n、802.11ac和802.11ax的關鍵PHY比較
關鍵技術解析
以下是在802.11ax當中使用到的關鍵技術
· OFDMA
· MU-MIMO
· 1024-QAM
· Spatial Reuse
· BBS Coloring
OFDMA(正交頻分復用多址接入)
OFDMA是通過將子載波子集分配給不同用戶在OFDM系統中添加多址的方法。迄今為止，它已被許多無線技術采用，例如3GPP LTE。 802.11ax是第一個將OFDMA引入WLAN網絡的WLAN標準。此外，802.11ax標準也仿效LTE專有名詞，將最小的子信道稱為“資源單位(RU)”，每個RU當中至少包含26個子載波。
OFDMA允許同時提供具有不同帶寬需求的多個用戶，從而有效利用可用頻譜。子載波被分成若干組，每組表示為具有最小尺寸為26個子載波(2MHz寬)和最大尺寸為996個子載波(77.8MHz寬)的資源單元(RU)。在用于傳統WLAN技術的OFDM中，總信道帶寬(例如，20MHz，40MHz等......)用于任何一幀傳輸。但是在用于802.11ax 的OFDMA中，使用的子載波可以分配為小到2 MHz的塊或最大帶寬的傳輸。因此，可以針對不同類型的流量(例如即時消息(IM)與視頻流)來擴展資源。 OFDM和OFDMA之間的區別如下圖所示。
▲OFDM與OFDMA對比
有如下幾種子載波類型：
· 數據子載波，用于數據傳輸;
· 導頻子載波，用于相位信息和參數跟蹤;
· 未使用的子載波，不用于數據/導頻傳輸，未使用的子載波是DC子載波;
· 保護頻帶子載波，在頻帶邊緣;
· 空子載波。
形成RU的子載波是連續的，除了在帶的中間，其中空值被放置在DC處。
OFDMA結構由26子載波RU，52子載波RU，106子載波RU，242子載波RU，484子載波RU和996子載波RU組成。下圖中顯示了最大RU數，RU位置取決于信道帶寬。
▲不同頻寬的RU總數
下圖顯示了用于80MHz信道帶寬的26,52,106,242,484和996個子載波RU位置。 用戶只能分配給一個RU，RU大小≥106可以分配給多個用戶。
▲RU在80MHz中的位置示意圖
MU-MIMO(多用戶多入多出)
MU-MIMO相信大家都不陌生，在802.11ac時，引入了DL MU-MIMO，但遇到了以下問題：
· 許多客戶端設備是單天線，并且許多兩個天線客戶端切換到用于DL MU-MIMO的單流模式以防止干擾：
使用4個天線AP，與單個用戶相比的增益是適度的;
即使構建了8個天線AP，分組也限制為4個用戶;
· 來自用戶的信道探測響應在時間上連續發送，導致高開銷;
· 在沒有UL MU增強的情況下，在上行鏈路上具有TCP ACK的TCP/IP受到削弱;
· UL MU-MIMO最初在11ac中被考慮，但由于實施問題而未包括在內。
802.11ax MU-MIMO的增強功能如下：
· 支持UL MU-MIMO：
· 探測幀、數據幀等可以在多個用戶之間分組，以減少開銷并增加上行鏈路響應時間;
· 對于DL和UL，擴展到八個用戶：
· 現在，即使設備處于單流模式，MU-MIMO吞吐量也可以在單用戶操作中增加一倍或三倍。
802.11ac標準引入了4x4下行鏈路MU-MIMO，其中AP同時向多達四個STA發送獨立數據流。 802.11ax將下行鏈路MU-MIMO支持的最大用戶數擴展到8個。它還增加了對8x8上行鏈路MU-MIMO的支持，允許多達8個STA通過相同的頻率資源同時傳輸到單個AP。結果是，與802.11ac相比，下行鏈路容量增加了2倍，上行鏈路容量增加了8倍。
▲802.11ax MU-MIMO的特性
MU MIMO和OFDMA技術可以同時使用。為了啟用上行鏈路MU傳輸，AP發送稱為觸發幀的新控制幀，其包含用于STA的RU分配調度信息，用于基于觸發的PPDU中每個STA的編碼類型和調制與編碼方案(MCS)。另外，觸發幀為上行鏈路傳輸提供同步。
由于多個發射機參與UL MU-MIMO傳輸，因此它需要參與STA的時間、頻率、采樣時鐘和功率預校正，以減輕AP處的同步相關問題。
多用戶上鏈作業
在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技術可以分別使用。在多用戶作業模式中，標準會根據情況指定兩種方式來為特定區域內更多用戶進行多任務操作：即多用戶多入多出(MU-MIMO)或正交頻分復用多址接入 (OFDMA)。無論為上述何種方式，無線接入點都會充當多用戶作業的中央控制器，這點與LTE基站用來控制多用戶多任務的方式相似。
▲根據所服務的應用程序類型使用OFDMA和MU-MIMO
通過了解他們的工作機制您可以看到，OFDMA增加了空口效率，這大大減少了應用的延遲，它在可工作的信噪比范圍之內對于小數據包的傳輸效率更高、效果更好，極其適合無線語音或者類似應用的場景。而MU-MIMO提升的是系統容量，在高信噪比條件下傳輸大數據包時效率更高，適合視頻、Web瀏覽、辦公場景和應用。
當然，802.11ax 無線接入點也可將MU-MIMO和OFDMA作業結合在一起。為了協調上行MU-MIMO或上行OFDMA傳輸，無線接入點將發送觸發管理幀給所有使用者。該管理幀會指出每位使用者的空間串流數量和/或OFDMA配置(頻率和RU大小)。此外，當中也會包含功率控制信息，好讓個別用戶可以調高或調低其傳輸功率，進而平衡無線接入點從所有上行使用者接收到的功率，同時改善較遠節點的幀接收情況。無線接入點也會指示所有使用者何時可以開始和結束傳輸。如下圖所示，無線接入點傳送多使用者上行觸發管理幀，告知所有使用者何時可以一起開始傳輸，以及所屬幀的持續時間，以確保彼此能夠同時結束傳輸。一旦無線接入點收到了所有使用者的幀，就會回傳Block ACK以結束作業。
▲UL MU傳輸的基本幀交換序列
在競爭環境中，用戶無需互相競爭在上行鏈路中發送數據，而是由802.11ax無線接入點協同安排，以免彼此沖突。這種管理方法將實現更好的資源利用和效率提高。
1024-QAM
QAM編碼是用星座圖(點陣圖)來做數據的調制解調，實際應用中是2的N次方的關系。比如說16-QAM ，16是2的4次方，一次就可以傳輸4個bit的數據;802.11n是64-QAM ，是2的6次方，因此在64個點陣的一個星座集合里面，用任意一個點可以攜帶六個bit的數據信息。
到了802.11ac，就變成了256-QAM，是2的8次方，802.11ac相對于802.11n在編碼上面的速率提升了33%。802.11ax之后引入了更高階的編碼，就是2的10次方，1024-QAM。
我們都知道從8到10的提升是25%，也就是相對于802.11ac來說，802.11ax的性能又提高了25%，變成了1024-QAM，一個符號可以攜帶10個bit的數據。
▲256-QAM與1024-QAM的對比
Spatial Reuse(空間復用)
為了在密集部署方案中提高系統級性能和頻譜資源的有效使用，802.11ax標準實現了空間重用技術。 STA可以識別來自重疊基本服務集(BSS)的信號，并基于該信息做出關于介質爭用和干擾管理的決定。
當主動偵聽介質的STA檢測到802.11ax幀時，它會檢查MAC頭中的BSS顏色位或MAC地址。但是，利用現有的介質訪問規則，來自一個BSS的設備將推遲到另一個同頻道BSS，而不會增加網絡容量。
BSS著色是802.11ah中引入的一種機制，用于為每個BSS分配不同的“顏色”，將其擴展到11ax，根據檢測到的顏色分配新的頻道訪問行為。
▲BSS著色機制
當802.11ax STA使用基于顏色代碼的CCA規則時，它們也可以與發射功率控制一起調整OBSS信號檢測閾值。此調整可提高系統級性能和頻譜資源的使用。此外，802.11ax STA可以調整CCA參數，例如能量檢測級別和信號檢測級別。
▲動態調整BSS內部的CCA門限
除了使用CCA來確定當前幀的介質是空閑還是繁忙之外，802.11標準還使用網絡分配向量(NAV)，一種維持未來流量預測的定時器機制，以便STA指示所需緊接在當前幀之后的幀的時間。NAV充當虛擬載波偵聽，確保對802.11協議操作關鍵幀的介質預留，例如控制幀，以及RTS / CTS交換后的數據和ACK。
· Intra-BSS NAV，如果所偵測的協議數據單元 (PPDU) 中的 BSS 色彩與所關聯 AP 已公布的色彩相同，STA 就會將該幀視為Intra-BSS幀;
· Inter-BSS NAV，如果所偵測幀的 BSS 色彩不同，STA 就會將該幀視為來自重疊 BSS 的 Inter-BSS 幀。在這之后，只有在需要 STA 驗證幀是否是 Inter-BSS 幀期間，STA 才將介質當成忙碌中 (BUSY)。
該標準仍然必須定義一些忽略來自重疊BSS的業務機制，但是該實現可以包括提高BSS間幀的空閑信道評估信號檢測(SD)閾值，同時保持BSS內業務的較低閾值。這樣，來自相鄰BSS的流量不會產生不必要的信道接入爭用。
總結
總體來講，802.11ax從兩個大方面實現了自己的既定目標，其中MU-MIMO和OFDMA是802.11ax成功的關鍵。
1.物理層的增強與高效，主要包括：
· 上行和下行方向正交頻分多址(OFDMA) OFDMA機制可以同時為多個使用者提供較小(但專屬)的子信道，進而改善每位用戶的平均傳輸率。
· 上行和下行方向多用戶-多輸入多輸出(MU-MIMO) 上行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務，容量是802.11ac的8倍;下行鏈路最多可同時為8個用戶提供服務，容量是802.11ac的2倍。
· 上行鏈路資源調度 在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技術可以分別使用;OFDMA增加了空口效率;而MU-MIMO提升的是系統容量。
· 最多8個發送天線、8個接收天線和8個空間流
· 更高的調制方式，1024-QAM 每符號可攜帶10bit，與256-QAM相比，容量提升了25%。
2. MAC層的增強與高效，主要包括：
· 基本服務集著色(BSS Coloring) BSS著色機制使設備能夠區分自己網絡中的傳輸與鄰近網絡中的傳輸，在盡可能的情況下最大限度去減少同頻干擾。
· 雙NAV機制 同時擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV可以幫助STA預測自身BSS內的流量，并且當它們在得知重疊流量狀態時可以進行自由傳輸
· 目標喚醒時間(Target Wake up Time - TWT) 減少用戶之間的爭用和重疊，顯著增加STA的休眠時間以降低功耗
銳捷網絡已發布了基于802.11ax平臺的全新產品RG-AP860-I，該產品采用了更高階的1024-QAM調制編碼方案和上下行OFDMA技術，通過更高的傳輸速率、更強大的并發能力和更高效的資源調度能力，展現出單臺AP承載10Gbps網絡接入速率的震撼力。最關鍵的一點是，銳捷RG-AP860-I已全面支持802.11ax的企業級應用，此舉為第七代無線技術打通了大規模商業化的應用之路。
