WiFi技术发展、Wave 2走上舞台
无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network),已经成为当今生活中不可缺少的部分。从大商场到小超市、从连锁店到咖啡馆、从移动办公到家庭应用,WLAN已经创造出一片多彩的天空。
WLAN的广泛应用,推动着IEEE 802.11标准、芯片技术以及无线产品的快速更新迭代。IEEE 802.11标准自1997年已经超过30多次修订。2009年802.11n的发布,802.11协议从802.11、802.11b、802.11a、802.11g一路走来,终于突破了百兆速率,也强劲推动了WLAN的发展。然而,当大家还沉浸在802.11n带来的喜悦中时,802.11ac已经快速走进历史舞台。2014年第一波11ac产品的陆续发布,WLAN进入了千兆无线网络时代。
相对前几代的WiFi 技术标准,802 .11ac带来了巨大好处。通过带宽(最高160MHz)、空间流数(最高8条)和调制方式(最高256QAM)的增加,可以支持更高的性能,进一步满足激增的用户对WLAN数据的需求。此外,802.11ac工作在5GHz频段,有更多的信道可以使用,随着支持的接入点和终端的普及推广,WLAN网络避开了繁忙的2.4GHz频段,将应用引到相对干净的空间媒介,减少了WLAN设备相互间的干扰,从而提高WLAN网络的稳定性。11ac第一波(Wave 1)技术通过支持80MHz带宽、256QAM的调制技术以及3条空间流使得物理速率可达到1.3Gbps,相对802.11n产品,性能提升3倍。总之, 802 . 11ac 延续了802.11n优势并相应改善,在提高性能基础上给终端用户带来了更佳的应用体验。
随着WLAN网络以及智能终端的普及,越来越多的人开始习惯于使用智能手机和平板电脑进行工作,根据IDC发布的统计数据显示,2014年智能手机和平板电脑的出货量已经占据83%的上网设备市场份额。智能手机和平板电脑由于受体积、功耗等方面的制约,绝大多数只支持1-2个空间流,而传统的SU-MIMO(Single-User Multiple Input Multiple Output)技术要求同一时刻AP只能跟一个客户端单播通信,所以AP上3-4个空间流的性能并不能够完全发挥出来。比如,一台3条流的802.11ac wave 1 AP支持的理论物理速率是1.3Gbps,但是当它跟一个普通的1条流的手机或者平板通信时最大只能使用433Mbps的物理速率,总性能的三分之二就被浪费掉了。而802.11ac第二波(Wave 2)产品在发送波束成型(TxBF,Transmit Beamforming)基础上通过引入MU-MIMO(Multi-User Multiple Input Multiple Output)技术,使得AP同时可以和多个用户进行通信,从而带来更高的网络性能。
Wave 2的核心技术:TxBF和
MU-MIMO
TxBF是802.11n协议里就可选支持的一种用来提高报文传送可靠性的技术,发送端根据评估得到的到接收端的信道状况调整WLAN信号的发射方式,使其“瞄准”接收天线,在接收端到达时信号最强,从而提高无线链路的发送成功率和吞吐量。802.11n协议中支持的TxBF包括简单的“隐式”TxBF和复杂的“显示”TxBF两种。
“隐式”TxBF处理过程(如图1所示)。发送端首先向接收端发起信道评估请求,接收端响应请求发送信道评估帧,发送端收到信道评估帧后,从中提取出信道状态信息(CSI,Channel State Information)就是自己到接收端的信道状态信息,并依据此信息调整信号发射方式发送处理过的数据帧。
“显式”TxBF处理过程(如图2所示)。发送端首先向接收端发送信道评估帧,接收端收到信道评估帧后从中提取出CSI信息并在报文里将CSI信息携带传给发送端,发送端接收后便可以知道自己到接收端的CSI信息,并依据此信息调整信号发射方式发送处理过的数据帧。
从图2介绍可以看出无论“隐式”TxBF还是“显示”TxBF都需要接收端的配合,区别在于“显式”TxBF的信道状态信息就是发送端到接收端的信道状况;而“隐式”TxBF将接收端到发送端的信道状态信息认为是发送端到接收端的信道状态,而通常信道并不是对称的,所以相比“显示”TxBF其精确度要差一些。
在11n标准中除了定位两种TxBF方式外,在“显示”TxBF中接收端给发送端返回的信CSI信息的方式也有好几种方式。有太多实现方式可以选择,从而造成了各个厂家实现互不相同,无法互通。802.11ac协议制定时吸取了802.11n的教训,明确定义了一种“显式”的TxBF,从而避免了互通问题。
在TxBF基础上,802.11ac Wave 2中进一步引入了MU-MIMO技术,支持向多个接收端同时发送单播报文。首先发送端分别和各个接收端进行交互获取信道状态信息,之后综合这些信道状态信息并据此调整报文发送信息,使给特定接收端的信息到达其它接收端时信号最小甚至感知不到,比如给接收端1的信息在接收端2和接收端3处感知不到,然后将给多个接收端的报文同时从空口发出各个接收端分别接收属于自己的信息。
MU-MIMO与SU-MIMO比较差异(如图4所示),SU-MIMO方式下每个接收端的信息轮流发送,WLAN网络性能就是1条流的性能;而MU-MIMO方式下多个接收端的性能一起发送,WLAN网络性能成倍提升。当然图中所示是理想情况,实际上MU-MIMO由于有TxBF以及Block ACK等协议报文带来的开销,真实性能约是SU-MIMO的2倍左右。
802.11ac通过MU-MIMO消除了AP和客户端支持空间流不对称的问题,进一步提升WLAN整网性能;由于多个客户端同时发送提升了频谱使用效率,更加适用于高密覆盖场景;此外它降低了每个客户端的等待时间从而减少网络延迟,更加适应时间敏感性的应用,比如语音等;而且,由于发送效率的提升使得网络有更多的空余时间给其它客户端,甚至不支持MUMIMO的客户端都可以从中受益。
Wave 2芯片成熟、第二波11ac
产品陆续亮相
目前802.11ac Wave 2芯片产业已经成熟,高通、博通、联发科等主流WLAN芯片供应商都已发布对应芯片组。各设备制造商已经或即将推出相应产品。目前终端领域小米Note中已经内置Wave 2芯片;家用无线路由器方面,华硕(ASUS)、网件(Netgear)、思科(Cisco)等厂商都已发布了支持MU-MIMO的产品;但企业AP方面目前只有优科(Ruckus)于四月中旬发布了一款Wave 2产品,且尚未对外销售。
华三通信精心打造的802.11ac Wave 2旗舰型WA5600系列产品很快即将面世。该系列产品支持4条流,MU-MIMO、智能天线等特性,5G速率可到1.7Gbps,2.4G速率可到800Mbps。除了WLAN方面的支持的新特性外,WA5600系列产品还引入了2.5Gbps以太网接口,支持PoE供电,使得单以太口便可以满足WLAN双频同时工作的性能要求,降低用户的布线难度。