WLAN协议技术白皮书-802.11ax技术详解2

锐捷网络技术白皮书802.11ax技术详解（二）前言：上一篇描述了802.11ax新技术的特点，新技术将从PHY层和MAC层两个维度来实现多用户的体验提升，这篇将通过仿真或者软件无线电平台搭建802.11ax物理层实测平台，对场景化下的性能进行分析部分实测验证。1远距离下性能分析802.11ac从64QAM到256QAM提供了8/6=1.33倍增速，802.11ax从256QAM到1024QAM提供了10/8=1.25倍增速。但在实际实现中，1024QAM对信号发送EVM的要求至少-35dB，相比11ac有3dB的提升，否则在接收端不能解调。表1.1802.11ax发送EVM要求Modulation  Coding rate Relative constellation error (dB) 256‐QAM 3/4 ‐30256‐QAM 5/6 ‐321024‐QAM 3/4 ‐351024‐QAM 5/6 ‐35我们在实际办公室中搭建了802.11ax的物理层软件无线电平台，测试了单流下高阶性能，如表1.4所示，空口4.5m情况下，MCS10/11在接收端不能解调。MCS10/11适用于传输在近距离下，如2.2m能够良好的解调，解调端EVM能够达到-31dB。表1.2实测不同距离高阶的解调端EVM91011测试环境\MCS 8‐41.5dB ‐41.7dB‐42.1dB‐41.8dB 馈线 ‐32.3dB ‐31.9dB‐32.4dB‐31.1dB 空口LOS 0.2M ‐32.5dB ‐32.2dB‐32.8dB‐32.7dB 空口LOS 2.2M ‐24.2dB ‐24.3dB‐24.9dB‐24.4dB 空口LOS 4.5M 1024QAM能够有效提升传输速率，进而提升吞吐，但实测过程中发现，空口4.5mLOS(视距)下性能下降较多，接收端不能解调，1024QAM更适用于在近距离干扰较少的环境，在户外以及远距离下，MCS10/11实用性较差。远距离传输下，ax的MCS调速基本与11ac一致，但由于802.11ax在带宽利用率上比11ac有所提升，因此远距离的传输速率，11ax将略微优于11ac，提升4.7%(@160MHz)至12.5%(@20MHz)2多用户文件下载性能分析多用户文件下载功能在高密度教室等场景中有重要的应用，这是考验最大吞吐指标的场景。802.11ax在多用户下载性能上有两点重要变化，一是采用OFDMA(正交频分多址)，将大带宽划分为更小的子带宽，可支持多用户在同一时间进行传输，二是下行MUMIMO中重提将天线数增加到8，增加天线数来增加传输速率和吞吐。 锐捷网络技术白皮书2.1DLOFDMA下载OFDMA将带宽划分为更小的子带宽来支持多用户的下载。多用户文件下载场景，OFDMA并发用户数为小于4时，每个用户可以分得较大的频宽，协议规定该频宽下可以用MCS11进行传输，从而其系统容量吞吐相比802.11ac都提升了30%以上，主要的增益来自MCS的提升。当用户数进一步增加，超过4个，那么每用户分配的OFDMA子带宽为RU106、RU52、RU26三种或这三种的混合模式，协议规定该频宽下最大支持MCS9，并且由于子带宽导频、空子载波开销上升，导致这样的用户数目下带宽利用率下降。表2.1各种子带宽分配方式下的最大吞吐分析发送模式 11ac/SU 11ax/SU 11ax/RU484 11ax/RU242 11ax/RU106 11ax/RU52 11ax/RU26 并发用户数 MCS n 1 2 4 13 21 37 9111111999单用户最大吞吐Mbps 345.32 451.50 238.25 125.26 43.46 20.22 9.87 总吞吐Mbps 345.32 451.50 495.11 510.99 397.05 374.12 365.09 总吞吐提升% 0 30.75%43.38%47.97%14.98%8.34% 5.73% RTSCTSDATABA图2.1SU传输模式DATA1MU-RTSDATAKCTSBACTSBA图2.2OFDMA传输模式2.2DLMUMIMO下载DLMUMIMO最多支持到8天线，同时压缩矩阵的反馈方式由原有的单用户依次反馈变为ULMUMIMO反馈方式，有效节省更多用户时的NDP训练开销。 锐捷网络技术白皮书DATA 1BeamformerNPD‐ABeamformee1Beamformee2Beamformee3……NPDTrigfeedback framefeedback framefeedback frameDATA KBABABAt图2.3802.11axDLMUMIMO方式图2.4802.11acMUMIMO方式表2.2现有11acMUMIMO的理论模型增益发送模式 并发用单用户吞吐 聚合能力Mbps 户数 11ac/SU 164 345.3111ac/MU 2SS 11ac/MU 3SS 2364*2用户64*3用户303.53276.49总吞吐Mbps 345.31607.06829.46总吞吐提升% 075.80% 140.21% DLMUMIMOTXbeamforming反馈过程，采用上行MU-MIMO传输，训练时间开销减少，提升反馈用户数增多情况下的反馈时间。表2.311axMUMIMO的理论模型增益发送模式 并发用单用户吞吐 聚合能力Mbps 户数 11ax/SU 164 451.4911ax/MU 2用户 11ax/MU 3用户 11ax/MU 4用户 11ax/MU 5用户 11ax/MU 6用户 11ax/MU 7用户 23456764*2用户64*3用户64*4用户64*5用户64*6用户64*7用户392.97386.01385.20377.73377.73370.54总吞吐Mbps 451.49785.941158.041540.801888.652266.392593.82总吞吐提升(相比11ax SU)% 074.08% 156.49% 241.27% 318.31% 401.98% 474.50%  锐捷网络技术白皮书11ax/MU 8用户 864*8用户369.792958.38555.25% 在理想情况下，如实验室静态场景，相同用户情况下，11ax的mu-mimo增益和11ac相差不大，最大的提升在于11ax可以支持8用户的mu-mimo。但实际传输过程中，由于环境的多普勒频偏导致信道时变特性，当超过信道相关时间后，CSI将出现明显偏差，反馈CSI’与正确CSI的偏差可以表示为图2.5ChannelD-NLOS信道模型下,4X2信道随时间老化情况如上图的办公室场景（ChannelD-NLOS）信道模型下，当获取到的CSI超12ms之后，和真实CSI的偏差将大于-20dB，性能下降明显。在实际复杂环境（大量人员走动）下，信道环境的变化可能更迅速，mu-mimo的性能下降。在稳定、干扰小环境中，mu-mimo才能有稳定的增益。同时，受多径频率选择性的影响，如图2.6所示，计算接收端相对输出SNR可以发现，8X4(8发送天线，4用户)中，子载波平均有7db左右的增益，而8X8中，多处子载波有-20dB的深衰弱。所以802.11ax的MUMIMO很难支持到8X8，最可能的应用场景应是8X4，4用户MUMIMO。 锐捷网络技术白皮书8X4ChannelModelD-NLOS系统的相对输出SNR8X8ChannelModelD-NLOS系统的相对输出SNR图2.6ChannelD-NLOS信道模型下，不同发送接收天线的相对输出SNR综上，多用户吞吐的提升主要来自MUMIMO的方式，尤其是在8X4，4用户时，可能可以达到性能和吞吐的最优。同时，可以看到MUMIMO受频率选择性衰弱和CSI信道老化的影响较为严重，针对这个问题，锐捷将在下一篇文章中介绍对MUMIMO性能提升方案。3多用户视频观看性能分析多用户文件下载考察吞吐指标，而多用户视频观看主要考察视频的传输速率和观看质量。 在高密度场景中，假设有100用户观看高清视频，速率要求为4Mbps。假设频宽为80MHz，ofdma下根据用户数均分总带宽，MU MIMO选择8X4，采用用户轮询算法进行用户调度。 表3.1100用户视频场景下的视频时延和吞吐发送模式 并发用轮询次人均吞吐Mbps 户数 数 11ac/SU 11003.031511ax/SU 11003.80104254.743611ax/4用户OFDMA 2511.836111ax/4用户MU‐MIMO4 对于单流11ac、11ax模式，人均吞吐未能达到4Mbps，意味着视频播放不流畅。OFDMA模式下和MU MIMO模式下，视频播放流畅。另外一个重要影响因素为多用户碰撞，OFDMA RU242和MU MIMO 8X4每次可以传输4个用户，相比11ac SU能够减少3倍碰撞，进而减少传输时间提升吞吐。 表3.1中可以看出选择4用户均分80MHz带宽进行OFDMA可以实现人均吞吐最大，若选择更多的用户在一次80MHz中并行传输，如上章描述，每用户的最大MCS受限，将导致吞吐不满足视频播放要求，是故选择合适的用户带宽分配方案对业务的端到端QoS 锐捷网络技术白皮书有重要影响。同时看出，MU-MIMO相对于OFDMA得到的增益更大。另外，OFDMA传输效率除了受厂商的用户带宽分配方案影响之外，还有实时信道的影响。如图3.1所示，相同一段实时信道，各个子带宽对应MCS9编码的误包率（PER）差别较大，SU模式下，该用户的PER为0；划分为子带宽后，可能该用户正好被分配到的衰弱较大的信道，这时该用户的丢包率将上升，引起视频的卡顿现象。DLOFDMA各个信道划分下的信道矩阵H和误包率PERRU996PER:0RU484PER:0.25RU242PER:0PER:0.51RU242PER:0.01PER:0PER:0PER:0PER:0.92PER:0PER:1PER:0.01PER:0PER:0PER:0图3.1OFDMA不同位置下MCS9编码对应的信道矩阵H和误包率PER如下表，实测4.5m空口环境下并发4用户和37用户情况下的PER，接收端EVM从-21.7~-26dB,波动4dB，位于频率选择性衰弱较大的子带宽的用户更容易误包。表3.2空口4.5m，OFDMA性能MCS发送模式 并发用户数 接收端EVM 11ax/ SU 1 9‐24.3dB，PER =0 9‐23.7~‐25.6,PER = 0 11ax/ 4用户OFDMA 4 9‐21.7~‐26,PER = 8/37 11ax/37用户OFDMA 37综上，在视频播放这种大报文传输场景中，OFDMA传输效率提升远没有MU-MIMO的大，同时OFDMA还将受到实际传输信道深衰弱的影响，对视频类敏感业务的影响更大，适当进行资源块分配或者自适应MCS等方案可以消除这个影响，这方面的性能由厂商算法决定，锐捷也将在下一篇文章中介绍对OFDMA的有效调度方案。4多用户网页浏览性能分析多用户另外一个重要应用是网页浏览，该类业务的特点是传送的报文都为小报文。假设此时有多个用户同时发送512B报文，暂不考虑用户碰撞，采用轮询算法进行用户调度：表4.1OFDMA小报文下的吞吐提升 锐捷网络技术白皮书发送模式 并发用户数 n 1 2 4 8 1637MCS 单用户吞吐Mbps 12.4512.3411.0310.188.456.374.20总吞吐Mbps 12.45 12.34 22.06 40.71 67.61 101.89 155.38 总吞吐提升% 0‐0.88% 77.19% 227.05% 443.14% 718.52% 1148.18% 11ac/SU 9 11ax/SU 11 11ax/RU484 11 11ax/RU242 11 11ax/RU106 9 11ax/RU52 9 11ax/RU26 9 表4.2MUMIMO小报文下的吞吐提升单用户吞总吞吐总吞