802.11ac白皮书

1.概述1.1技术背景在802.11n标准制定后不久，为了获取更高的传输速率，IEEE转入了802.11ac标准的制定当中，目标是在2012年实现千兆级别的无线局域网传输速率，而802.11ac实际上是在802.11a基础上发展起来的。从2008年上半年开始，IEEE就已经着手802.11ac标准的制定，当时被称为“VeryHighThroughput”(甚高吞吐量)，目标直接就是达到1Gbps。到2008年下半年的时候，项目分为两部分，一是802.11ac，工作在6GHz以下，用于中短距离无线通信，正式定为802.11n的继任者，另一个则是802.11ad，工作在60GHz，市场定位与UWB类似，主要面向家庭娱乐设备。而到了2012年2月，制定了我们现在看到的D2.0版本。1.2技术特点802.11ac有如下几个特点：更高的传输速率：802.11ac最高可以支持约7000Mb/s传输速率，这主要得益于OFDM技术以及更高的占用带宽，而MU-MIMO技术提升带宽利用率。更好的环境适应性：延续使用MIMO技术，增加了空间流的数量。更好的保证了接收性能。更少的环境干扰：使用5G频段，减少2.4G公共频段的支持，也就减少了其它信号对自身的干扰，获得更为清洁的频谱环境。2.名词解释MSDU：MACServiceDataUnit。可以理解为传输的有效数据，MAC帧的data部分。MPDU：MACProtocolDataUnit。可以理解为经过MAC协议封装的帧，包括MAC帧头。PLCP：PhysicalLayerConvergenceProcedure。可以理解为PHY层的编码和封包过程。PPDU：PLCPProtocolDataUnit。可以理解为PHY层封装的帧，包括PHY帧头和MAC帧。A-MSDU：AggregateMSDU。MSDU帧聚合。A-MPDU：AggregateMPDU。MPDU帧聚合。MIMO：multipleinput,multipleoutput。一种采用多根天线进行传输的技术。MU：multipleuser。多个用户STBC：Space-TimeBlockCode。空时分组编码，一种可以提高传输质量的编码方式。MCS：ModulationCodingScheme。11ac中规定空间流数目、编码、调制方式和传输速率的一组方案。CSI：ChannelStateInformation用于波束成形的一个信息域。SGI：ShortGuardInterval。11ac引入的短防护间隔，该间隔为400ns。RIFS：ReducedInterframeSpacing。11ac引入的短帧间隙，减少传输开销。CCA：ClearChannelAssessment。PHY层用于探测信道占用情况的一个功能模块。VHT：VeryHighThroughput。即采用11ac引入的调制编码方式传输，提高了传输速率。LTF：LongTrainingField。PHY帧头中一个域，用于对接收端进行训练。Beamformer/Beamformee:beamformer是准备进行波束成形调整的一方，beamformee是辅助对方进行波束成形的一方。3.技术分析3.1帧结构变更3.1.1MPDU帧结构变更802.11ac扩展了802.11n的MAC帧，主要是将帧体扩展到了11426个字节，同时，还对MACheader各部分进行了一定的修改3.1.1.1FrameControl域增加了NDPA（NullDataPacketAnnouncement）以及BeamformingReportPoll功能并且从新定义了预留部分3.1.1.2HTControl域HT控制域格式如下主要控制部分为B1-B29，它可以区分HT以及VHT模式1）HT模式如下而其中LinkAdaptionControl域如下：相对于802.11n，其主要变化就是少了B0这个预留字节。2）VHT模式控制域如下现在对其作出如下说明：MRQ(VHTMCSfeedbackrequest)：MCS反馈请求MSI/STBC(MRQsequenceidentifier/STBCindication):用于标识MRQ序列以及STBC是否发射。UnsolicitedMFB为1时结构如下其中STBCindication为1时代表发射STBC，为0时不发射，而CompressedMSI中包含一串数据用于标识特定请求，如果STBCindication为0，他在0-3范围内，1时在0-2之内；而在UnsolicitedMFB为0的情况下，如果MRQ为1，那么这整个域有0-6之内的数据用于标识特定请求，而MRQ为0，该域为预留。MFSI/GID-L(MFBsequenceidentifier/LSBofGroupID):用于指示MFB序列，以及PPDU的组ID。MFB(N_STS,MCS,BWandSNRfeedback):结构如下用于指示N_STS，MCS以及带宽和平均信噪比的信息。GID-H(MSBofGroupID):用于指示群组ID，如果UnsolicitedMFB域为1，而且为MUPPDU确定，那么这里包含最多3个字节的群组ID信息。CodingType(CodingTypeofMFBresponse):如果UnsolicitedMFB域为1，那么这个域指示编码信息，0为BCC，1为LDPC。FBTxType(TransmissionTypeofMFBresponse):UnsolicitedMFB域为1的情况下，FBTxType为0表示MFB来自未经波束成形的VHTPPDU，如果为1，表示MFB来确定为经过波束成形的VHTSUPPDU。UnsolicitedMFB(UnsolicitedMCSfeedbackindicator):为0时表示MFB为一个MRQ的响应，为1则不是。3.1.2PPDU帧结构变更802.11ac新定义了一种PHY层帧格式VHT格式，具体格式如下：L-STF:Non-HTShortTrainingfieldL-LTF:Non-HTLongTrainingfieldL-SIG:Non-HTSIGNALfieldVHT-SIG-A:VHTSignalAfieldVHT-STF:VHTShortTrainingfieldVHT-LTF:VHTLongTrainingfieldVHT-SIG-B:VHTSignalBfieldData:TheDatafieldincludesthePSDU(PLCPServiceDataUnit)其中与VHT相关的域只在VHTPPDU中出现，在VHTNDP中该域就未作定义，而VHT-LTF的数量由空时流的数量确定，可以为1，2，4，6，8。VHT-SIG-A域中包含了用于诠释VHT格式PPDU的信息，VHT-SIG-A域由两个符号组成，即VHT-SIG-A1和VHT-SIG-A2组成，他们分别如下图所示：VHT-SIG-A1格式VHT-SIG-A2格式而其对应的含义如下：BW:描述工作带宽，0代表20MHz，1代表40MHz，2代表80MHz，3代表160MHz或者80+80MHz。Reserved：预留位，设为1。STBC：如果所有用户的所有空间流都有STBC，则设为1，如果任意用户的空间流没有STBC则设为0。(不允许出现部分用户有STBC)GroupID：分别存在SUPPDU和MUPPDU两种GroupID指示方式。NSTS/PartialAID：对于MUPPDU，NSTS被分成了4个用户部分，每一块为3位。对于每一块，0代表0条空时流，1代表1条空时流，2代表2条空时流，3代表3条空时流，5-7为预留；而对于SUPPDU，SUNSTS的值0-7分别对应1-8条空时流，而PartialAID为预期的PSDU接收端提供简单的标识。TXOP_PS_NOT_ALLOWED：Reserved：预留，设为1。对于VHT-SIG-A2：ShortGI：是否使用短保护间隔，0为不使用，1为使用。ShortGINSYMDisambiguiation：设为1，代表短保护间隔有使用，并且NSYM(NumberofsymbolintheDatafield)除以10余数为9。其他情况设为0SU/MU[0]Coding：对于SUPPDU，0代表BCC，1代表LDPC；对于MUPPDU，如果MU[0]NSTS域不为0，那么该位表示用户0的编码方式，0代表BCC，1代表LDPC，如果MU[0]NSTS域为0，那么就预留，并且设为1.LDPCExtraOFDMSymbol：不管是否MU模式，只要LDPC编码过程引入了额外的OFDM符号，该位置1.SUMCS/MU[1-3]Coding：对于SUPPDU代表MCS的目录；对于MUPPDUB4-B6分别代表MU[1-3]NSTS不为0时，用户1-3的编码方式，0代表BCC，1代表LDPC。其他情况预留并置为1。Beamformed：在SU传输中，如果对于波形使用了波束成形控制矩阵，那么该位设为1，其他情况设为0。对于MUPPDU该位预留，设为1。Tail：用于终止卷积解码器。而对于VHT-SIG-B，如下所示，20MHzPPDU包含26位，40MHzPPDU包含27位，80MHz，80+80MHz，160MHz包含29位。3.2MIMO技术改进3.2.1MU模式的引入802.11ac在原先802.11n的MIMO技术基础上，引入了MU-MIMO概念，通过这个技术，我们可以实现，多个站之间，可以通过相同的信道同时收发多个数据流。一个支持MU-MIMO的站，他可以生成4个A-PPDUs，并且通过相互独立的空间流，将这些A-PPDUs发给各个接收站，这样就提升了系统的吞吐。一个MU模式下PPDU发射系统框图如下：与之对应，SU工作模式下PPDU如下图1.扰码器：将数据扰码，以防止出现长时间的连‘0’或连‘1’，影响后级的编码性能。2.编码分配器：将经过扰码的串行数据流分解为个数据流，输出到个FEC编码器中。分配的算法为RoundRobin算法。3.二进制卷积编码器/低密度奇偶检验码编码器。4.流分配器：收集FEC编码器的输出分解为NSS个数据流，进入NSS个位交错器。输入位交错器的数据流即被称为“空间流”。5.位交错器：位交错器的功能是按照一定的算法将数据流中的位打乱，避免由于噪声引发的错误bit过于集中；而分散的错误bit，将可以由BCC解码器纠正。6.星座图映射器：将经过位交错的空间流，按照指定的调制方式（QAM-64等）映射为星座图上的点。点采用复数表示，即将一个空间流转换为I、Q两路基带信号。7.STBC编码器：各映射器输出的星座点由STBC编码器编码，将空间流SS转化为空时流STS，是一种增强传输稳定性的编码方式。8.空间流映射器：将空时流映射到发送链路。9.离散傅立叶逆变换：将经过映射的星座点变换为时域波形。10.循环移位扩展：目的是防止信号频谱中出现意料之外的频率。11.防护间隔插入：符号间插入防护间隔。这一点是OFDM必须的。12.加窗：通过特定的滤波器，使符号的边沿变得平滑，从而使信号的频谱集中于规定的范围内。通过MU技术，一个支持MU模式的AP可以生成最多四个A-MPDUs，每一个A-MPDUs针对一个支持MU的STA，然后，它可以通过不同的空间流将这些A-MPDUs同时发送给四个STA。这里一个AP就起到了4个AP的作用。不过，对于MU模式，最多只支持4个用户，每个用户最多支持4条流，并且流的总数量不超过8条。3.2.2空间流增加相对于802.11n中NSS最多4条，802.11ac将这一值提升到了8条，这样就可以大大提升我们AP的吞吐。3.3调制方式的改进调制方式改进还是主要体现在子载波的增加上面，以及256-QAM的使用方面。3.3.1子载波增加802.11ac相较于802.11n来说在发射带宽上有所提升，除了兼容802.11n的20MHz和40MHz之外，还新引入了对80MHz和160MHz（8