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什么是802.11ac?

802.11ac是第五代802.11标准(又称为Wi-Fi 5或WiFi 5)。在前一代标准802.11n的基础上,802.11ac通过诸多技术革新,在无线传输速率上实现了质的飞跃,最大传输速率由600Mbps大幅提升到6.93Gbps,为依赖于大流量无线传输的更多应用场景带来无限可能。时至今日,802.11ac已广泛应用到企业和家庭的无线网络通信中,极大改变了人们的生产和生活方式。

802.11ac是怎样诞生的?

从IEEE(电气与电子工程师协会,Institute of Electrical and Electronics Engineers)在1997年推出第一代802.11标准以来,无线接入已逐渐成为上网接入的首选方式。从家用智能终端的层出不穷,到办公园区的无线化普及,再到商超、制造、仓储等领域中无线终端的应用,每一个改变都与802.11标准的演进息息相关。为适应新的业务场景、缩小与有线网络带宽的差距,IEEE在2013年正式发布802.11ac标准。在兼容和延续802.11n整体架构的前提下,802.11ac对信道带宽、MIMO、调制方式等进行了优化改进或引入新技术,将吞吐率性能由600Mbps大幅提升到6.93Gbps,为依赖于大流量无线通信的更多应用场景带来无限可能。

802.11标准的演进路线
802.11标准的演进路线

802.11ac Wave1和802.11ac Wave2是什么?

为了将802.11ac技术快速推向市场以满足迅速增长的流量需求,WFA(Wi-Fi Alliance,Wi-Fi联盟)在2013年和2015年分别推出了符合802.11ac标准的Wave1和Wave2两代产品标准。WFA的两代802.11ac产品标准与IEEE的802.11ac标准之间主要有如下差异。

802.11ac两代产品标准与IEEE标准的差异
802.11ac两代产品标准与IEEE标准的差异

Wi-Fi 5的名称是怎么回事?

2018年,Wi-Fi联盟在IEEE推出802.11ax时使用了新的命名规则,为了体现重大代际变更而将其命名为Wi-Fi 6。802.11n和802.11ac作为前两代标准,也因此分别被“追封”为Wi-Fi 4和Wi-Fi 5。

Wi-Fi 4, Wi-Fi 5, and Wi-Fi 6
Wi-Fi 4, Wi-Fi 5, and Wi-Fi 6

802.11ac的传输速率是多少?

业界一般使用吞吐量来衡量无线网络的数据传输性能。802.11ac的最大吞吐量可达6.93Gbps,与802.11n的600Mbps相比几乎是十倍的增长。

考虑到市面上仍有很多无线终端使用单空间流天线,人们也会使用单空间流的传输速率来衡量无线网络的性能。802.11ac的单空间流最大传输速率是433Mbps(80MHz带宽),8空间流最大传输速率可达6.93Gbps(160MHz带宽)。比起802.11n的单空间流最大传输速率200Mbps(40MHz带宽),可以看到802.11ac的传输速率有显著提升。

802.11ac与802.11n有何不同?

作为第五代Wi-Fi标准,802.11ac是对上一代标准802.11n的优化和发展。与上一代标准相比,802.11ac在传输速率上有较大提升。两者主要差异如下:

802.11ac vs 802.11n
802.11ac vs 802.11n

802.11ac主要在以下方面对802.11n做了改进或者优化。

  • 引入了新的技术或者扩展了原有的技术以增加吞吐量或接入用户数。例如:256-QAM、MU-MIMO等。
  • 优化了协议,放弃了原先的很多可选性以减少复杂度。例如:TXBF放弃了支持隐式TXBF,信道探测和反馈方式也只支持一种方式。
  • 保持与旧协议的兼容性。例如:改进了物理层帧结构,考虑了不同信道带宽共存时的信道管理等。

802.11ac有哪些关键特点?

更大的带宽

802.11ac使用频谱资源更为丰富的5GHz频段进行通信。在20MHz带宽和40MHz带宽的基础上,802.11ac允许将信道进一步绑定为80MHz带宽、80+80MHz带宽(不连续)和160MHz带宽,从而大大提升吞吐量,给用户带来更好的体验。

下图为北美频谱为例,给出了802.11ac与802.11n以及802.11a的对比。可变带宽的设计在信道带宽上保留了向小带宽信道的兼容性,同时带宽增加也带来了吞吐量的大幅提升,给用户带来更好的体验。

802.11ac信道带宽
802.11ac信道带宽

动态信道管理

对于多种带宽的信道并存的情形,802.11ac定义了动态信道管理机制,在80MHz和160MHz带宽的子信道繁忙时仍然可以在其余可用的子信道上传输数据,充分利用信道资源。

在802.11ac中,增强定义了RTS/CTS机制,通过RTS-CTS侦测机制来协商确定哪些信道可用。

动态信道管理
动态信道管理

如上图所示,在802.11n的时候,频谱是使用静态的,即发现一个子信道上不可用则整个带宽都不可用,而在802.11ac中,当检测到繁忙的子信道不可用时,其他子信道仍然可以发送数据。

动态带宽管理几乎是为了频谱复用而设计的,通过动态信道管理可以增加信道的利用率,减少信道之间的干扰。在这种机制下可以让两个AP同时工作在一个相同的信道上。

两个AP工作在相同80M带宽的信道
两个AP工作在相同80M带宽的信道

MU-MIMO

多流可以大大增加单用户的业务吞吐量。由于现网中大量终端(尤其是移动智能终端)仍然是单流,相对于多流的终端传输相同的大小的数据需要占用更多的空口时间,单流终端成为提升接入用户数的一个瓶颈。802.11ac引入多用户MIMO技术(MU-MIMO),在不改变用户带宽和通信频段的情况下,AP可以同时向最多4个无线终端发送不同的数据,充分发挥空口性能。

SU-MIMO vs MU-MIMO
SU-MIMO vs MU-MIMO

MCS

相较于802.11n,为了提高吞吐量,802.11ac引入了调制效率更高的更高阶调制方式256-QAM,支持3/4和5/6两种码率,MCS方式也因此增加到了10种。

802.11ac支持的MCS
802.11ac支持的MCS

MCS越高,吞吐量越高,这是由于调制编码方式的区别带来的每个子载波代表的bit数的差异。在使用BPSK调制时每个子载波只能表示2个bit,16-QAM时每个子载波表示4个bit,64-QAM时,每个子载波表示6个bit,而在引入256-QAM后,每个子载波可以表示8个bit。下图给出了从BPSK到256-QAM时的星座图,越高阶得调制方式调制效率越高,但不同调制方式时的效率提升也并不是成线性的,越往后提升越不明显。

不同调制方式星座图
不同调制方式星座图

256-QAM提升了效率,但其对无线环境的要求也更加苛刻,对信噪比(SNR)的要求要比64-QAM更高。因此,MCS8与MCS9一般会适应在终端离AP比较近的场景下,这种场景下有用信号强,干扰信号弱,更容易满足SNR要求(SNR=有用信号/干扰信号)。

帧聚合

Wi-Fi中每一个帧的传输都需要在空口中进行,通过CSMA/CA的方式取得对空口的使用权。大量帧传输时,这种碰撞大大降低了空口的利用率。从802.11n开始,在MAC层引入了帧聚合技术,将MSDU或MPDU进行聚合后再进行物理层封装,使得多个帧使用同一个物理头,提高封装效率,减少对空口的占用和争抢次数。

A-MSDU与A-MPDU
A-MSDU与A-MPDU

A-MSDU和A-MPDU的封装过程如上图所示。两种聚合都能提高封装效率,但是A-MPDU有一个显而易见的好处,当传输过程中发生错误时,A-MSDU需要对整个聚合的帧重传,而在A-MPDU中每个MPDU都有自己的MAC头,发生错误时只需要对错误的数据包进行重传,而不需要对整个聚合帧进行重传。这也是在实际中A-MPDU比A-MSDU用得更多的原因。

在802.11ac中,为了进一步提高效率和可靠性,增加了MPDU帧的大小和A-MPDU帧的大小,并且只采用了A-MPDU。

华为的802.11ac AP

华为面向企业办公、宿舍、商超、场馆、室外等不同应用场景,发布了多款支持802.11ac标准的AP(Access Point,无线接入点)。

华为802.11ac AP
华为802.11ac AP

一般情况下,可以通过AP的型号命名来了解是否支持802.11ac协议标准。

  • 对于AP1000系列~AP9000系列AP,看第三位数字。3表示支持802.11ac Wave1,≥5表示支持802.11ac Wave2。
    AP命名
    AP命名
  • 对于R200和R400系列AP,看第二位数字。3表示支持802.11ac Wave1,5表示支持802.11ac Wave2。
    RU命名
    RU命名
  • 对于AirEngine系列AP,均兼容802.11ac标准。
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  • 作者: 陈华星
  • 最近更新: 2021-10-09
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