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802.11ax 来了!“无线老司机”谈下一代 WiFi技术标准,都说了些什么? [复制链接]

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发表于 2017-12-11 14:55 |显示全部楼层
从1997年802.11技术诞生,到今天的万物互联, 20年积淀而成的802.11ax不仅性能惊人,应用空间也更加广阔,它塑造的Wi-Fi应用场景将会前所未见。802.11ax给Wi-Fi带来了哪些新的变化?

IT168微学堂邀请锐捷无线网络资深技术专家“大毛”老师,跟大家侃侃下一代WiFi技术标准~~以下是微学堂课程直播文字版内容:


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嘉宾:大家好,今天和大家聊聊Wi-Fi的新技术,对于大部分人来说,可能只是简单的认为只要有无线,无线好用就行了,但是无线的标准具体是怎么样?无线技术演进到哪一代了?无线未来有哪些发展?大家对这类概念可能都是比较模糊的。说到最新一代的无线802.11ax,也许大家会觉得这又是个全新的很神秘莫测的存在,但是其实我希望通过今天的一些分享,能够让大家有一些感性的认知,其实新技术并没有那么复杂,一切技术都源于解决生活中的问题,而且很多新的技术,它往往会给我们的生活带来许多新的变化,其实这一切都离我们很近。

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我的这次分享分为四个部分,首先我们会简单回顾一下我们所说的Wi-Fi,被誉为马斯洛需求层次理论的最底层部分,这些年来都经历了哪些变化;然后我们看看最新一代802.11ax的一些核心技术,这也是我今天讲的重点部分;第三部分会讲一些我们针对802.11ax的一些技术积累;最后会对我们802.11ax的产品,做一些前瞻性的展望。


802.11 标准回顾

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大家可以看一下这页素材,其实最早一代802.11标准可以追溯到1997年,那个时候无线的速率很低,只有2Mbps,它是一个初代的原始标准;1999年有了802.11b,它的物理层速率提升到了11Mbps,有了非常少量的商业应用,此时的Wi-Fi离人们生活还是比较远的;但是2000年以后,开始有了搭载迅驰技术的笔记本电脑,其实就是笔记本电脑内置无线网卡,这样就可以无线上网自由办公了,这个时候市场上开始出现各种54Mbps的家用无线路由器,很容易就买得到。

此时的协议标准是802.11g,这个时候其实是Wi-Fi飞速发展的第一个时期,Wi-Fi开始在很多地方大规模的普及起来,设备也比较便宜,飞入寻常百姓家。

讲到移动通信,我们很多时候会想到2G、3G、4G、LTE等,其实Wi-Fi跟4G技术有很多是相似的,但是在物理层方面,Wi-Fi一直是走在移动通信前面的,而在组网方面,移动通信又比Wi-Fi要强得多。

我们拿2003年的标准来说,在802.11g时代就已经支持用OFDM做编码调制了,而移动通信基本上到了3.5G的时候才开始用,就是4G快出来之前的一两年,才开始有了HSDPA/HSUPA等OFDM的调制。

到了2007年Wi-Fi迎来了第二个增长的高峰期。在2007年有两件大事,其中一个是802.11n的标准出现了,另一个就是智能手机。说802.11n是Wi-Fi技术的一个大革命丝毫不为过,因为它引入了一个全新的而且非常强的一个特性,就是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多路并行发射/接收)技术。

有了MIMO多输出之后,无线的速率可以成倍的提升,2*2MIMO就是1*1MIMO 的两倍,3*3MIMO 就是1*1MIMO 的三倍,以此类推。而且,在802.11n这一代,它不仅有了MIMO,还有了载波聚合,也就是我们通常所说的两个HT20合在一起变成一个HT40。

其实MIMO和载波聚合这样的技术,不仅仅Wi-Fi在用,我们的LTE也在用,我们现在都在用,运营商宣传的4G+,新手机都支持4G+,其实它有3个最核心的技术,MIMO、载波聚合、还有VoLTE。这些4G+的技术,或是4G技术,差不多都是2016年才开始应用的,而Wi-Fi基本上在十年前就用起来了,所以我们说Wi-Fi的物理层是大幅领先于4G的。

到了第五代也就是802.11ac,它有几个变化,比如说高阶的QAM编码,我们从64QAM进化到了256QAM,速度更高了,高阶的MIMO,首次出现了4*4。到了2015年第六代标准802.11ac Wave2,也就是ac的第二阶段,目前市面上见到最多的企业级AP,应该都是Wave2的AP。Wave2可以支持更大的频宽,出现了HT160,速度进一步的提升;另一个最核心的竞争力就是引入了下行方向的MU-MIMO,在MU-MIMO的环境之下,无线首次实现了并发传输。我们都知道无线是一对一半双工的,就像火车站窗口排队买票一样,一次只能服务一个人,但是引入了MU-MIMO之后,AP一次可以给两个三个,甚至更多的用户终端同时发动数据,它是并行的,这是一个很大的变革。

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如果我们对应到移动通信的标准,MU-MIMO、Massive MIMO,这些基本上是5G的技术领域,所以整个Wi-Fi的物理层,始终是大幅领先于移动通信的,我们在对比速率的时候会发现,4G大部分也就100兆或者150兆,然后再对应看看Wi-Fi,觉得速度好像飞上天了,但是它其实并没有想象中那么快,当用户越来越多的时候,它会暴露出很多问题,为什么?
802.11这个协议,它最初设计其实是比较简单的,它为什么简单,因为它叫无线局域网啊。这意味着什么?无非就是一家三四口人,每个人拿着手机拿着电脑上上网,或者一个办公室十来个人,大家在一起连着无线可以上网办公不用拖网线了,这个是无线局域网设计的最初的目的,因此无线局域网这个协议本身,就没有设计得那么复杂。

比如说大规模的用户,大规模的AP,密集的布署环境,最初这些都是无线局域网所不考虑的问题,但是随着无线用户越来越多,无线应用越用越多,我们每个人都离不开无线之后,我们会发现,我们越来越需要高密度,越来越需要大并发,越来越需要多个AP和大量终端并存并发的场景,而这个时候,传统的无线局域网简单通信方式设计的弊端就会越来越多了。

因此我们在第七代802.11ax里面,最关键的核心就是它引入了很多LTE的组网技术,来进一步提升多AP多用户并发环境下的效果。在物理层方面,802.11ax有提升,但不是特别高。但是 ax的最终设计目标是,在典型的多用户场景下的性能和效果,比上一代产品和技术要再提升四倍!

802.11ax 核心技术
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802.11ax,有三大类的核心特性,猛一看感觉是无聊和烧脑,但是工程师设计协议,他一定是有其中道理的,一定是为了解决一些问题的。

这里面有三个,一个是1024-QAM,这是更高阶的调制,可以使物理连接速率进一步提升;

第二个是OFDMA,它最大的特点就是做到了以另一种形式实现了多用户并行传输。我们都知道802.11ac Wave2是依赖于MU-MIMO来做并行传输的,OFDMA用另外一种形式来实现了并行传输,且更为稳定。

第三个就是SR空间复用,这里面涉及到的组网技术又有很多细节的知识点。


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先说第一个,1024-QAM, QAM编码它是用星座图(点阵图)来做数据的调制解调,实际应用中它是2的N次方的关系。比如说16 QAM ,16是2的4次方,它一次就可以传输4个bit的数据;802.11n是64 QAM ,是2的6次方,因此在64个点阵的一个星座集合里面,我用任意一个点可以携带六个bit的数据信息。

到了802.11ac,就变成了256QAM,是2的8次方,由6到8这个提升是多少?我们简单做过算术都知道是33%,也就是802.11ac它相对于802.11n在编码上面的速率提升了33%。到了802.11ax之后我们引入了更高阶的编码,就是2的10次方,1024-QAM。

我们都知道从8到10的提升是25%,也就是说相对于802.11ac来说,我们的性能又提高了25%,变成了1024-QAM,一个符号我们可以携带10个bit的数据。我们当然希望数据越多越多,但是任何收益都是要付出相应代价的。

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问题在哪呢?问题是我们所用的空间和时间并没有变多,每传送一个符号的长度,所用的载波频宽、所发生的时间其实是一致的。这时候我们需要把点阵做的非常密,这对元器件的要求就非常高。如果信号足够好,我们就能够把这些数据还原出来,如果信号很差,那数据可能就还原不出来。

其实我们可以打一个比方,就像两个人说话一样,如果你说话速度非常快,同时你又离的很远,那听的人很难听清楚,但如果说你说话速度很快,两个人离的近,就能听清楚,因为说的语速快的话必然音量会下降,又离的远,它和背景噪音比就不明显了,有效信号不够强的时候,听的人是很难把它还原出来的。

我们举个例子看一下:这张图,比如同样是一张A4纸,如果这个字写的很大,即使这张纸离我比较远,我也能看的比较清楚,但是一张A4纸写大字写不了几个,如果写小字,那可以写很多,但是离的远之后,小字就完全看不清楚。所以说1024-QAM在近距离是可以提供更高的物理层速率的,随着距离的增加,有效信号强度就逐渐降低了,信号和噪声的比不断下降之后,射频器件就没有办法有效地把数据还原出来了。

这个时候一旦检测到距离比较远,高阶编码传输开始出现大量的错误和重传之后、就只能被动地去把小字再重新改成大字,才能正常传输。大家可能会觉得,这样做是白费事,但是现在的Wi-Fi越布越密,我们酒店里面,基本上每一个房间是一个Wi-Fi信号,这个距离其实是足够近的,是可以用更高的数据去传输的。我们家庭里面,做无线投影,做AR,做VR,这些距离都会比较近,但是我们需要更高的带宽,这时候1024-QAM就可以大展拳脚了。

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以上是对1024-QAM所有的讲解,其实是比较好理解的,就是把字写的更小一点更密一点,在近距离获得更高的速度。下面讲OFDMA可能会有一点烧脑,但我会想尽一切办法,使大家更容易理解。首先我们经常坐高铁,大家都知道高铁,列车一趟趟过去,它是有行车间隔的,这个行车间隔不能太小,太小弄不好就追尾了,所以说现在高铁的极限的行车间隔是三分钟左右。

一趟车走之后,同方向过来的列车至少得等三分钟才能再开一辆,这时候就带了一个问题,这个间隔不可能再小了,那怎么样能够进一步提升高铁的运力?最简单最实用的方法是每列列车做得长一点。我们很容易想到同样是三分钟的行车间隔,如果高铁列车不是四节编组,是八节编组,那它的运力基本上就提升了一倍,如果说把八节编组变成十六节编组,运力又提升一倍,当然也不可能无限制提升,弄成三十二节,站台也放不下,供电系统也吃不消。

这样就得出来一个结论,当行车间隔不能进一步压缩的时候,如果把车变长一点,效率会提升。其实数据或符号的发送,它也是有讲究的,因为空间有多径效应,射频器件接收和解调,它也需要时间,所以每一个帧是需要有间隔的,这个帧间隔不能太小。以前我们是发3.2微秒,停0.8微秒,然后再发再停如此循环。

到802.11n、802.11ac之后,引入了一个短帧间隔特性,就是发3.2微秒,只停0.4微秒,接着再继续发,但实际工程中发现,如果开了短帧间隔,很多时候效果会打折扣,因为这个数据帧经过空间的碰撞反射之后,它有可能后发的先到,这样前后就会撞在一起,如果撞在一起就冲突了,数据不能解调了就出问题了。

但是不管怎么说,这个0.8微秒的帧间隔,我们认为要尽可能的把它消灭掉,但就和高铁行车间隔一样,是消灭不掉的,0.8微秒在这不能动,那把发送时间变长一点,效率也就高了。仅仅到这一点是不够的,我们要知道每一个符号,对应的数据帧,它的大小是有限制的,比如802.11n,64QAM,一个符号就是6个bit,如果说802.11ac就8个bit,802.11ax是10个bit。如果把数据帧的发送时间变长了,它所占的频宽就必须要变小变窄,这样整个数据帧的大小才才是合乎规定的。

因此在802.1ax里面我们做了一个比较大的变化,我们维持了0.8微秒的帧间隔,但是我们把传送帧的时间变长了,拉长了4倍,原来是3.2微秒传一个帧,现在12.8微秒才传一个帧。大家可能觉得这样反而低了,其实并没有,因为我们传送这个帧所用的频宽,就是子载波的宽度变小了。

我们可以看这张图,原来在一个20Mhz信道里面,我们放了64个子载波,其中传数据56个。现在我们在一个20Mhz信道里面,我们放256个子载波,其中234个传数据,我们引入了更多的这样的子载波,每个子载波又变得细细的,长长的,这个时候我们发现道路上的车间距所占据的比例就变小了,所以效率就提升了,这就是OFDMA的第一个特性。


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所以说,802.11ax的第一个性能提升是1024-QAM,现在我们可以看到,减小帧间隔(GI)开销和提升子载波占比,可以进一步提升效率。什么叫减少GI开销?帧间隔不动,但是把发送拉长,这个效率是提升的,经计算提升了5.88%(原来是发3.2微秒,停0.4微秒,现在是发12.8微秒停0.8微秒)。

另外一个就是我们提升了数据子载波的占比,原来子载波比较小,可能10个子载波头尾要用掉,结果传数据就8个,现在可能100个子载波,头尾各用2个,还有96个可以传,这个时候实际上数据子载波占比是提升的。从这里可以看到,原来是64个子载波,它里面实际传数据的是56个;现在是256个子载波,234个在传数据,这个效率也提升了大约4.7%。
我们知道802.11ac的速率和Wave2的速率都是一样的。如果要把它转化成对应的802.11ax,首先×1.25,这是1024-QAM的提升;然后再×1.0588,这是减少GI开销的增益;再×1.047,这是提升数据子载波占比的效果,一共乘起来约1.385左右,这个时候得出的速度就是802.11ax的速度,相对于802.1ac来说,它的综合的提升是38.5%左右。

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我们前面所说到的都是提升物理速率的一些办法,虽说提升物理速率,它很多时候的确是有提升,但是在多用户环境下,这个提升对于用户的实际使用体验来说就不是那么大了。因为现在我们802.11ax更多是要解决多用户和大并发量,但是实际上很多用户他的数据量并不大,比如说一个微信语音,可能也就几十K,微信的一个“你好”或者“在不在”,数据量也很小,刷一下有没有新的消息过来,或者刷新个网页,甚至提交个网页表单,数据量都非常的小。

其实大用户并发的时候,数据量并不大,很多都是小报文,但是我们会发现,很多时候,尤其在Wi-Fi不好用的时候,在微信上发一个“你好”,那个小圈一直在转,或者网页提交表单,要等好久。因为在现在的Wi-Fi环境下,大部分用户还是半双工的,你要排队,虽然你的事情0.1秒钟就办好了,但是前面很多人,你就得一个一个去等。等的人越多,因排队等待引发的冲突退避也就越来越多,效率就下降的更厉害了。

归根结底,是没有并行机制,所以你得等,这就让用户的体验变差。最初802.11它是一个简单高效的无线局域网协议,它是在小范围环境之内,单个AP,面对不太多的用户,进行高效传输的一种方式,但是现在情况已经完全变了。原来的情况是,以HT20为例,56个数据子载波,这56个数据子载波是只给一个用户服务的,第二个56的子载波可能给第二个,也有可能还给这个。

其实我们说一个用户,真正他的数据量有没有那么大?比如拷文件,看电影的时候,肯定有这么大,但往往他不在拷文件,不在看电影的时候,他数据量没有这么大,这56个数据子载波大部分时候根本就装不满,但是没办法装不满也得装,其他的空着就空着,别人不能用,这个就是协议它原来设计简单所在的地方,因为简单,所以普及起来快,成本低。但是随着普及越来越多之后,大家发现要用的场景越来越多,那随之而来的问题也越来越多。

到了802.11ax之后子载波数量变多了,一个20MHz的频宽有了234个子载波,这个时候我们就做了一个分组,把最少的每26个子载波分成了一个RU(Resource Unit,资源单元),相当于一个小分队,它可以给一个用户服务,另外的RU就可以给其他用户服务,所以说在一个20MHz的频宽里面,实际上我们把数据子载波分成了9份,它可以同时给9个用户并行传输数据,而原来仅能服务一人。

大家可以看这张图,这个道理类似车队,一个车队这么多辆车却只给一个客人拉货,拉不满所有的车也照发,效率很低,现在把这个车队拆成九个小分队,可以分别给九个客人,往不同的地方发货,运输效率就大大提升。其实车的运载能力没有提升,但实际上运输效率提升了,被传输数据的对象他的体验是大幅提升的,这个就是我们所说的多址技术,OFDMA的核心。

我们刚才所说的是下行方向的OFDMA,就是AP发,终端收。其实上行方向也可以用OFDMA,具体来说复杂一点,AP会先发一个同步帧过去,告诉大家在某某时间点,大家一起发数据,下面成组的终端,按照RU的位置顺序排好,一下子把数据全发上来,来实现并行方案,因为每个终端只发送属于自己子载波的那段数据,到了AP那组合起来之后,把数据整体收上来,这个效率也大大提升了,类似地上行方向的MU-MIMO也是一样的道理,在整个802.11ax协议框架下面,它不仅规定了下行方向的OFDMA和MU-MIMO,也同时定义了上行方向的OFDMA和MU-MIMO。

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这样我们上下行整体传送效率就大幅提升了。下面就讲第三部分SR,它是组网技术,本身我们也可以认为是空间复用技术。那我们为什么要讲组网技术?我们都知道802.11最初协议它是一个简单的局域网,最早的时候是没有瘦AP这个概念的,所有AP是各自为政的,一个AP服务十几个终端也觉得挺好的,后来发现无线到处都要有覆盖,那怎么办,终端需要在多个AP之间切换,为了保证切换之后网不断,出现了漫游,出现了瘦AP,出现了AP和AC这样的一整套架构。

但是仅仅做到这个还是远远不够的,因为它仅仅只是考虑了终端从一个AP去过渡到另外一个AP,而中间网不断这样的一个过渡过程,但实际上在大用户并发的场景下,比如说一个报告厅,或者一个球场,一个体育场馆,其实要部署很多个AP,可能是五个八个十个甚至更多,终端也会非常多,可能是一百、两百,甚至像我们做的比较大的贺龙体育场,六万多人,这么庞大的一个终端规模。

这里面就要考虑到多个AP之间的协调的问题,就是我们所说的组网,而这个恰巧是2G、3G、4G、LTE方面做得好的,Wi-Fi在这方面做的非常差的。因此在802.11ax这一代协议,这就是要补的课。

先看第一个特性,BSS的快速识别。我们都知道多个AP就有多份数据发过来,这时候终端会去收这些报文,以前是终端把整个报文都收下来,收下来之后把整个报文去解码,解码之后终端发现这个根本就不是我关联的AP发给我的,就会丢掉。

但是如果说这个场景中,AP很多,假设终端同时能收到十个AP的信号,那就麻烦了,它发现收了10个报文9个都是废的,这个效率就非常低。现在引入一个BSS Color的机制,就是AP在发送报文的时候,终端做同步把报文收下来,它是一边收一边解调,从刚开始解调报文的时候,就能判别出来它是不是我的AP发给我的,如果不是,那就不再继续接收和解调,把它丢弃掉,从而去尝试同步和接收其他的报文。我们可以想象一个收信件的场景,原先拿过来都是没有署名的信件,你得一个个去拆,拆了十封信最后发现有一封是自己的,额外拆的另外九封信其实很浪费时间。



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现在很简单,只要识别一下信件的封面是不是我名字,是我的我拿走,不是我的直接丢旁边就行了,这样效率就会大幅提升。我们下面可以看一下实际收发过程中的一个案例:
这里面有几个角色,第一个是AP1,第二个是AP1下面的终端,第三个是AP2,如果传统的方式AP2先发了数据,这个数据发出来,终端肯定是要收的,它就一边收一边解调,最后才发现这个数据不是自己的。同时AP1又发送了数据,AP1发送数据的时候,AP1下终端在收的AP2和解调AP2的数据,于是它没有去理睬AP1发来的数据,而这正是它要的数据,结果就很遗憾地错过了。

如果我们有了BSS Color的机制就不一样了。AP2刚开始发数据的时候,终端开始收,刚收了一点点,就解码出来发现不是我的,于是不收了,剩下的也不要了,终端此时会把时间空闲出来,重新和其他报文同步。这个时候AP1发数据了,终端和AP1的发送报文同步到了,终端把完整的数据收下来,收到了正确的报文。

上面这个案例中,如果没有BSS Color的机制,终端就做了一个无用的接收,有了BSS Color机制之后,它做了一个成功的解码,把时间和效率都用起来了,这是BSS Color快速识别的一个实例。

为什么要有BSS Color,因为在802.11ax中更多的会考虑高密度场景,也就是多个AP同时覆盖,发生一个终端同时搜到多个AP信号的时候,就会产生这样的问题。改善的问题还不止于此,BSS Color只是其中的一个改善。


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我们都知道,比如一个高密度的会场,我可能要布很多个AP,以2.4G为例,不交叠的信道数量有限,1/6/11就三个,如果布了6个AP,那必然有两个1,两个6,两个11,当有两个或者更多的同信道的AP就麻烦了,当一个AP发数据的时候,其他AP只能等待,这个过程很痛苦。AP布的越多,速度越慢,有的人说1个AP带30个用户,10个AP可以带300个用户,100个AP可以带3000个用户,我说这样想太简单了,实际上无线部署完全不是这么回事,比这个要难得多,怎么办?

这个例子如果说用开会是非常好理解的,开会是什么?你在开圆桌会议的时候,一个人发言其他人得听,我监听到有人说话,我不能说话,这叫退避,听了之后觉得发言人差不多说完了,我再等一下,等一两秒钟,这个叫等待,都过了之后,发现没人发言了,这个时候我来发言。

这个时候其实效率是很低的,圆桌会议的场景下,一个人说话,其他人都得等,所有想说话的人,都需要先监听然后退避等待,如果参会的人很多,想发言一次是很难的,这个大家在实际开会中都能体会的到。如果这个场景下有很多AP的时候,整体的效率有多低,大家是可想而知的。解决的办法就是我们要把圆桌会议变成分组讨论,也就是我们在一个大的会议室里,分几个小组,让每个小组自行讨论,这样做显然是挺不错的。


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但是,这个时候就会带来一个新的问题,其他的小组会讨论会发言,会有声音进来,肯定会在一定程度上干扰或影响到本小组的讨论,这些干扰显然是不可避免的,也就是说你要顶着干扰去收发数据,这里就需要引入我们所说的动态CCA门限以及一系列相关的技术。
具体是什么原理呢?原来说我只要听到别人发言,我只要检测到干扰,检测到有人占着信道,我就不说话。现在我要智能地识别,在有干扰的情况下,我还是能够把该说的话说出来,该听的话听清楚,当然这也不是绝对的。首先第一个问题,如果干扰足够强肯定没有办法,比如说在一个很嘈杂的酒吧里面,你隔着十米之外跟一个人说话,相信不论你用多大的嗓门,对方肯定是听不见的,如果说有干扰我还能顶着干扰说,那一定是有条件的,它不是无条件的,干扰大到一定程度,数据肯定是发不了。

我们什么情况下能收发数据,就是虽然说有干扰信号,但是干扰信号比我发出或收到的有效信号要弱,这时候有效信号和干扰信号之间因为有一个差值,我就可以成功的去收发数据了,在差值中间选择一个合适的区间,设定接收门限,原来我们的门限是固定的,比如说在负85左右或者负80左右,才不去退避,正常接受数据,因此只有极低的干扰,几乎感受不到的,才会把它忽略掉,一旦干扰变大了之后,就开始退避;现在我们动态的调整门限,把CCA变成DCCA;在发送数据的时候如果噪音比我说话的声音要弱,我说话的声音别人还是能听得见的,这个时候我就会尝试去说话,当然这是动态的,所以是动态的CCA门限。

再说下接收,对于接收者来说,尝试让自己的耳朵聋一点,那些嘈杂的声音就可以被选择性的忽略掉了,从而去听那些需要听到的声音。 但是这里面也会发现一个问题,门限是动态的,耳朵是不是越聋越好?显然不是,如果这个终端离我比较远,有二十米或三十米,环境又不怎么吵,这个终端发过来的信号,到AP收到的时候已经很弱了,如果这个时候耳朵再选择性的背一点,可能我该听到的就没有听到,也就是说有时候在嘈杂的环境中,我要让我的耳朵背一点,有时候在比较干净的环境中,我要让我的耳朵又灵一点,因此这里面就存在一个动态调整的策略,就不再是固定式的,所做的一切努力,最终只有一个目的,让我们在复杂的环境下,能够更好更成功的收发数据。

这时候问题就来了,AP和终端的距离远近是不一样的,终端的性能也是良莠不齐,有的发射功率比较强,有的功率很弱,同时干扰也是飘忽不定的,有时候高有时候低,因此光有这样一个机制是不够的,最重要的是需要有合适的算法,能够实时动态的去调整这些门限值,才能够多个AP同步并行的收发,顶着干扰去工作,这个就是软件算法起作用的地方。
数据的发送也需要更科学,AP要尽力为终端服务,如果终端距离比较远,AP不得不加大发射功率让终端能收得到,如果终端离得比较近,那AP没有必要扯着嗓子喊,轻轻说就行了,毕竟大声喊叫会向环境中注入更多的干扰,所以,什么时候大声?什么时候小声?又是算法。多个AP之间通过AC是否还可以实现更好的协调?这还是算法,最终无线网络好不好用,算法太重要了。


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其实我们说SR部分还不止这么多,比如说11ax支持2.4G/5G双频部署,这个不是严格意义的SR,应该说是对于功能的扩展,我们都知道像802.11ac和Wave2它定义在5G频段,对2.4G频段这么多年来是没有更新的,但在802.11ax里,它把所有的特性也在2.4G频段做了继承,可以兼容原来2.4G的终端,这是11ax的双频设计。

同时11ax还支持双向的MU-MIMO,在802.11ac Wave2的阶段,它只支持下行方向的MU-MIMO,上行是不支持的,802.11ax支持上行的,具体怎么做上行?AP发一个同步帧给所有的终端,把时间同步好,终端把上行的数据,以一定的时间空间和相位一起发出来,数据发给AP,AP的多根天线就可以同步接受解调出来,这就是上行方向的MU-MIMO。
还有一个好处就是TWT节电,以前很多终端都会节电,但是以前的节电是无序的,我想节电就节电了,什么时候再醒过来完全看终端的心情,这就会造成当你在不节电的时候,可能AP没数据发给你,电就白费了;而当你在节电的时候,AP又有数据发给你,你又没收到,丢包了。因此在以前节电是无政府状态,我节电几秒钟,突然醒过来了,数据没了,AP赶紧重传给我,这时候就会带来很多的混乱。

到了802.11ax之后,AP会告诉终端,你节电多少毫秒,大概在某某时刻醒过来,如果说整个协商交流好,最终是一个很祥和的场景。比如说我有50个终端,分成10组,这1秒钟,这5个终端收发数据,其他的节电,然后下一秒钟再换一组,其他的终端节电,这个时候又高效又省电。但实际上这是一个完全理想化的状态,真正做到是很不容易的,但是至少这个机制的引入可以减少空口的竞争,同时可以延长终端电池的寿命,可以提升整网的发送效率。


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这个部分内容基本上讲完了,当然也是内容最多的部分,我们简单的对802.11ax做一些小结:

首先是速率的提升,有几个方面,第一1024-QAM提升25%,长符号时间,把车身拉长,减小GI的开销,提升5.88%,提升数据子载波占比提升4.7%,合计起来38.6%左右。典型的80MHz频宽下,原来1*1的11ac终端物理速率是433MBbps,典型的如iphone6就是一个433Mbps的速率,11ax下,单流会从433Mbps提升到600Mbps,如果160MHz频宽的话,差不多就是1.2G。在协议层面,802.11ax最大支持到8*8MIMO和HT160,9.6G的速度。
多用户传输两个方面,第一个上下行的MU-MIMO和上下行的OFDMA两种技术,MIMO这个技术是创造额外的空间流来实现多用户传输,OFDMA是对现有资源的精细化利用来实现多用户传输,这两种方式都可以提供多用户传输。提升多用户场景下空间和信道的利用率,提升用户的使用体验。最后是抗干扰,其实就是组网技术,原来早期的802.11是不考虑多个AP在一起怎么去互相协调的,在802.11ax做了大量考虑,比如说用DCCA/DTPC等这些方式去提升数据的同步、接受、解调的效率,优化干扰环境下的通讯效果。这些机制都处理好后,目标是在典型的多用户场景之下让ax比ac的性能提升四倍,这个是802.11ax的大致的技术,这部分先说到这儿。

Pre-ax 技术积累
刚才我有听到嘉宾说要用802.11ax是不是必须要有802.11ax的终端?当然这是肯定的,如果要使用802.11ax的全部特性,肯定需要真正意义上的802.11ax的AP和终端。但是我们也知道整个产业链的情况,目前的话比较靠谱的802.11ax终端的发布时间可能要到2018年的下半年,普及可能要到2019年。也就是说现在大家是看不到的,只能等。那大家在想,是不是说现在谈802.11ax完全没有意义了。其实不是的,我们想说其实802.11ax这个新的技术标准其中的不少技术在现阶段已经被用起来了,我相信这是一个令人振奋的消息。


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下面我会具体的讲,现在即使没有802.11ax的终端,但是我们仍然可以部分分享802.11ax的收益。我们都知道802.11ax的SR的组网部分其实有很多特性是可以拿来用的,比如说动态主动降噪,如果我知道我的终端离我不远,这个时候我就没有必要以最大的功率去发送,因为以最大功率发送的话会干扰别的AP。这个时候可能我会适当地调低一点功率,让我的终端能成功接收就可以了。同时如果说我知道终端发送的信号强度,我也知道干扰的信号强度,这个信号之间有个差值,我把门限正好定在这个差值中间,这个时候噪声可以忽略掉,而有效的信号可以解调出来。这些其实就是前文说的802.11ax的DCCA、DTPC。
这样的话我就可以对噪声做屏蔽,同时因为有无线控制器,可以同时管多个AP,这样有什么好处呢?当无线控制器可以管多个AP的时候,我们可以通过无线控制器来统一协调,让多个AP之间在发送顺序、发送功率等方面做一些更好的调度和协同,这些都可以大幅的提升整网的使用效果。最关键的一点是什么?以上这些特性都是与终端无关的,只要AP做到了,这些功能就可以实现可以部署,因此这些功能是与终端无关的,所以你不需要一个真正意义上的802.11ax的终端去支持,只要一个最普通Wi-Fi终端就可以了,剩下的活由AP来搞定。

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这些技术是在11ax正式来临之前的可部分实现的11ax,所以我们把它叫Pre-AX,这些技术我们现在已经把它在网络中用起来了,其实从某种意义上来说,Pre-AX的意义并不比11ax小,因为他有2个绝招,1是与终端无关,2是在wave2这一代产品就已经可以实现!!其实可以研究的还不仅于此,比如说在多AP多终端的场景之下,网络中充斥了大量的管理报文。原来的情况是什么?原来的情况是管理报文永远是优先级最高的,其次是一些紧急重要的数据报文,再其次是一些不太紧急,不太重要的数据报文。但是往往这些管理报文中,它不是每一个管理报文都紧急重要的,而我的数据报文中,比如说我的语音VoIP,对延迟很敏感的这些数据需要能够尽快地被转发出去,这个时候他们往往得不到高优先级,要给所有的管理报文让路。

这就会造成一个很尴尬的局面,所以说在我们的Pre-AX中引入了管理帧的QMF机制,允许对管理帧做个队列,把最紧急的管理帧设为优先级最高,这样的报文数量不会太多,对空口的占用是很有限的。然后把紧急的数据报文和一般级别的管理报文作为第二优先级发出去,这个时候我们的VoIP语音、紧急的小报文,就可以获得更多的高优先级传输机会。在典型的VoIP的环境下,语音质量可以提升三四倍,而这些技术其实也仅仅只是需要AP那一侧去做调度就行了,还是与终端无关。一样也是通过软件和算法就可以用起来,这个我们叫做管理帧的调度技术。


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刚刚说了,不管是什么协议其实提供的是一套游戏规则,芯片其实是一个收发和编码的硬件,最终通讯效果好不好,更多时候还是要看算法,比如说WIS的大数据,我们现在整个WIS平台里面有200万个AP的无线体验数据,这些大数据我们可以做到比任何人都了解无线网络,再比如说魔盒的大数据,我们魔盒差不多有50多万的用户,我们积累了近亿次的无线测试数据,所以说我们可以比任何人都更清楚无线的体验。还有Pre-AX的规模训练,使用了Pre-AX技术,需要对CCA门限做动态的决策,什么时候调高门限,什么时候调低门限,这样大量的算法做不断优化的时候,我们也积累了大量的经验,还有比如说802.11ax的算法引进,我如何快速去识别这个BSS Color,并且结合BSS Color对于CCA门限做更精确的调整?再比如说我们在OFDMA模式下,我们都知道原来是一个车队,现在一个车队可以分成九个小分队,那我到底是分九个小分队好?还是分两个小分队好?或者只分一个小分队好?

因为我们都知道,如果说是运送大块数据的话,这个时候整个车队出发效率一定是最高的,如果运送小分片数据的话,那我可能采用小的运输小分队效率更高。但是在现网中我们又不可能要求所有的用户都走小数据,也不可能要求所有用户都走大块数据,一定是大小数据混合的。在这个场景中又如何设计算法能达到最优?这些其实都是很关键的也是最难,最需要突破的算法技术。这些就是训练算法,同样的AP,硬件架构差不多,芯片可能也是一模一样的,但是它的效果会体现出很大的不同,这就是算法起的作用。

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因此在现阶段有了这些大量的算法积累,我们希望在802.11ax终端还没有普及的日子里面让用锐捷无线AP的用户能够通过Pre-AX以及一系列的算法技术在高密度无线环境下,我们能够先比较舒服的用起来。事实上我们也在很多国内的大型会场,大型的展会,大型的案例中实际做到了比较好评的使用效果,这个也是可以从另一个侧面去证明的。

802.11ax 产品前瞻

最后我再花个两三分钟时间大概说一下产品的一些前瞻。


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802.11ax典型的是解决高密场景,如机场、车站、电子书包教室、阶梯教室、大型会议室等,单个AP搞不定,多个AP干扰又很严重,这个时候高密度AP就逐渐诞生了。在这儿要提一下三射频的设计。常规AP有很多现成的或者公版的设计可以参考,只是普通做一个双路AP,从Wave2做到11ax并没有什么特别难的事情,但其实我们发现现在的终端5G越来越多, 2.4G终端越来越少,大量的终端并发在5G频段上,其实单个射频是难以承载的,到最后大家效果可能都不好。

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所以我们在业界是第一个做出了三射频的802.11ac Wave2的AP,现在的话我们应该会在业界第一个做出来三射频的802.11ax的AP,目的是什么?通过一个AP多个射频的方式能够让终端的使用体验成倍的提升。即使是现在,即使是没有802.11ax的终端,因为我们都知道如果ax的终端匹配ax的AP的话一定有一大堆的机制来保障高密度并发下的使用体验了。但是现在ax终端还没有,也没什么关系,我们把AP的三射频做出来之后既使是非ax的终端,你是ac的也好,Wave2的也好,甚至n的也好,在多个射频的环境下,使用效果一样有提升。

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当终端升级到11ax之后,这样的增益更是成倍的。同时在物理连接速率方面我们也做了足够的性能预留,无线的整机协商速率到了10G,有线口的整机速率也达到了10G,做到了有线和无线的速率匹配,可以让一个高性能的AP尽情的跑出性能。

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物联网部分我们也做了一个比较前瞻性的设计,很多AP都想支持物联网,但其实最终这些AP更多的只是提供了一个物联网接口,你可能要外扩各种各样的物联网模块,这是为什么?

说句实在话,因为现在的AP越说越复杂,如果是一个双路的11ac AP还比较好办,里面只要四根天线就够了,但是到了802.11ax,4*4的AP做个双路动不动就是8根天线甚至10根天线,本身AP内部的射频协调就已经非常复杂,这个时候如果说再内置物联网,它对于AP的硬件设计是一个极大的挑战,但是我们在上一代产品中已经普遍的把物联网做了内置,集成到AP里面,并且实现了物联网信号和Wi-Fi信号能够做到互不干扰,共生共存。在ax的设计中我们也会做进去。同时物联网也是全制式的物联网,蓝牙、RFID、Zigbee,都可以把信号有效的发送出来。也可以对应到各种各样不同的应用,智慧教育、智能家居、智慧医疗、智慧制造等等这些场景中都可以把物联网实实在在的用起来。

我今天的分享就差不多到这里,说得比较罗嗦,花了整整一个半小时,也非常感谢各位能够耐心地听我罗嗦这么长时间,再次谢谢大家。下面的时间是提问环节,还是交给主持人,大家有问题可以尽情提问,我在我的知识范围之内尽力的为大家做解答,谢谢大家。

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