淺析美國5G Wi-Fi新頻段與802.11ac標準

國家無線電監(jiān)測中心 楊 淼 李明明 方 正 陳佳佳

一、引言

隨著Wi-Fi用戶的激增，無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞問題越來越突出。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）投票通過了一項建議規(guī)則制定通告（NPRM），旨在研究如何將5GHz頻段的195MHz頻譜用于免執(zhí)照Wi-Fi服務。釋放新頻譜不僅能緩解Wi-Fi熱點的擁堵現(xiàn)狀，還能通過部署IEEE 802.11ac（以下簡稱“802.11ac”）標準來提升無線網(wǎng)絡(luò)速率，但同時也存在著5GHz頻段業(yè)務的兼容性問題。本文簡要介紹了美國5GHz Wi-Fi新頻段以及第五代Wi-Fi技術(shù)，并對其兼容性進行了分析。

二、美國5GHz Wi-Fi新頻段

目前，美國免執(zhí)照的Wi-Fi設(shè)備主要使用2.4GHz和5GHz的部分頻段。其中5GHz頻段有555MHz帶寬的頻譜，主要用于使用Wi-Fi技術(shù)的無線局域網(wǎng)，如無線網(wǎng)絡(luò)服務提供商用于將智能手機、平板電腦、筆記本電腦連接到寬帶網(wǎng)絡(luò)的無線接入點。而新釋放的Wi-Fi頻率同樣位于5GHz頻段，共195MHz（見表1）。這些頻譜投入使用后，美國可用于免執(zhí)照設(shè)備的5GHz頻譜的總量將增長35%，大大降低Wi-Fi熱點的擁擠現(xiàn)狀，并能將網(wǎng)速提升至1Gb/s以上，移動設(shè)備用戶通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)至少能卸載33%的流量負荷。另外，新頻譜的釋放也將促進頻譜共享技術(shù)的研究，實現(xiàn)免執(zhí)照設(shè)備與聯(lián)邦以及非聯(lián)邦用戶之間的共存。

表1 美國5GHz的免執(zhí)照Wi-Fi頻段

圖1 美國5G頻段：現(xiàn)行可用信道和新增信道

三、802.11ac標準

與新劃分的5GHz頻段接踵而來的Wi-Fi新技術(shù)就是802.11ac標準（第5代Wi-Fi技術(shù)，前4代分別為802.11，802.11a，802.11b/g，802.11n）。該標準進一步優(yōu)化了802.11n的性能，其目標是提供與千兆以太網(wǎng)相當?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)性能以及高質(zhì)量的用戶體驗。802.11ac意圖只工作在5GHz頻段上，這避免了來自2.4GHz頻段的藍牙耳機、微波爐等設(shè)備的干擾。

802.11ac在射頻層面使用了更高階的調(diào)制，更寬的帶寬，并具有更多的空間流；同時802.11ac也繼承802.11n的MAC技術(shù)，并增強了其功能；此外，802.11ac還引入MUMIMO等有價值的新技術(shù)。

1. 射頻增強技術(shù)

（1）更寬的頻帶寬度

相對于802.11n僅支持的20MHz和40MHz頻寬，802.11ac還支持80MHz的頻寬。可選擇使用連續(xù)的160MHz頻帶，或者不連續(xù)的80+80MHz頻帶。雙倍的頻帶寬度（從40MHz到80MHz）是一種非常有效的而且性價比高的用來增強性能的方法。另外，80MHz頻寬的系統(tǒng)可以使用較少的天線來提供和40MHz頻寬系統(tǒng)一樣的性能（見圖1）。

（2）更高的調(diào)制率

與802.11n標準相同，802.11ac使用了正交頻分復用（OFDM）技術(shù)來調(diào)制數(shù)據(jù)比特并在無線信道中傳輸（見表2）。與之不同的是，802.11n最高采用64QAM（Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制方式，而802.11ac根據(jù)情況（高信噪比條件下）采用最高256QAM調(diào)制方式，每個子載波的數(shù)據(jù)比特數(shù)量從6增加到8個，從而使吞吐量增加了33%。此外，802.11ac還可以使用BPSK(Binary PSK)，QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)，16QAM和64QAM。

（3）增加的空間流數(shù)量

在802.11n最多4路空間流的基礎(chǔ)上，802.11ac增加到最多支持8路空間流?？臻g流數(shù)量的增加與802.11ac多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）的新功能結(jié)合最為有效。在多用戶MIMO模式下，每個無線終端不超過4路空間流（見圖2）。

表2 5G頻段的Wi-Fi標準比較

2. MU-MIMO

對于802.11n標準，一個設(shè)備能在同一時刻發(fā)送多個空間流，但是只能發(fā)往單個地址，即在某一時刻只有一個用戶能獲得數(shù)據(jù)，這稱之為單用戶MIMO（SU-MIMO）。而在802.11ac中使用了多用戶MIMO（MU-MIMO），AP可以同時傳輸互為獨立的數(shù)據(jù)流到多個客戶端，因此提高AP多用戶吞吐量，實現(xiàn)千兆級別的帶寬。

然而實現(xiàn)MU-MIMO，空間流的數(shù)量受限于AP上發(fā)射鏈的數(shù)量，同時也需要波束成形和MAC層的增強技術(shù)的支持。802.11ac引入了波束成形算法來操作。在該算法中，發(fā)送端發(fā)送特定的信道幀并接受反饋來完成波束成形，從而產(chǎn)生一個能彼此協(xié)作的波束形成特性，最大化802.11ac的傳輸距離和覆蓋范圍（見圖3）。另外，每個用戶接收端接收到的來自其他用戶的干擾也將被削弱。

在MU-MIMO模式下，對多路空間流的支持被用來為不同的客戶端創(chuàng)建相互獨立的傳輸。然而，在802.11n單用戶MIMO模式下，多路空間流被用來提升從AP到客戶端的吞吐量。

圖3 MU-MIMO多用戶的波束成形

3. MAC增強技術(shù)

802.11ac標準同時也應用了許多MAC層的增強技術(shù)來進一步加強高性能的射頻和多用戶多進多出（MUMIMO）特性。

（1）增加聚合的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（A-MPDU）的大小

為降低通信的開銷，802.11n引入了兩種幀聚合的方法：MAC服務數(shù)據(jù)單元（MSDU）聚合和信息協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）聚合。兩種幀聚合方法降低了每個聚合幀傳輸時的單路射頻前導碼的開銷。

而802.11ac提高了單個A-MPDU聚合幀的大小到最大1,048,575個字節(jié)（802.11n只支持最大65,535個字節(jié)），進一步減少了通信的開銷。802.11ac A-MPDU幀格式（見圖4）是802.11n A-MPDU幀的擴展，擴展部分（圖4中陰影部分）包括多個分隔字段，這些分隔字段包括MPDU長度為0的字段和一個以少于4個字節(jié)結(jié)尾的MAC Pad字段。

圖4 802.11ac A-MPDU幀格式

（2）增強的RTS/CTS操作

在MAC層，802.11n設(shè)備依靠發(fā)送RTS/CTS幀來宣告?zhèn)鬏數(shù)囊庀?。這些幀讓附近的802.11a/g設(shè)備感知到信道正在使用中，從而避免沖突。

由于802.11ac使用更寬的頻寬（80MHz或160MHz），各個20MHz的子信道不一定同時空閑，可能存在其他無線接入點和隱藏節(jié)點，因此，802.11ac定義了增強的RTS/CTS機制，支持“動態(tài)頻寬”模式，用來檢測任何非主用信道的傳輸占用情況。假如部分頻帶已被占用則只在主用信道上發(fā)送CTS幀。發(fā)送RTS幀的客戶端（STA）則可以回落到一個較低的頻寬模式。但不管怎樣，最終的傳輸頻寬總是包括主用信道在內(nèi)（見圖5）。

圖5 有干擾情況下802.11ac增強的RTC/CTS操作

四、美國5GHz Wi-Fi的兼容性分析

美國在5GHz頻段上不僅包含已有的Wi-Fi業(yè)務，而且還有一些聯(lián)邦機構(gòu)運行的通信系統(tǒng)以及商用通信系統(tǒng)，因此工作在新規(guī)劃的195MHz的頻段內(nèi)，支持802.11ac標準的設(shè)備需要考慮與同頻和相鄰頻段內(nèi)無線業(yè)務的兼容性問題。

1.與現(xiàn)有Wi-Fi技術(shù)的兼容性

802.11ac在技術(shù)上最大限度的與802.11a/n設(shè)備兼容，其設(shè)計更為簡單。802.11ac設(shè)備必須支持所有的802.11a和802.11n的必選模式。因此，一臺802.11ac的無線接入點能夠使用802.11a或者802.11n格式的數(shù)據(jù)包，并與802.11a和802.11n的無線客戶端進行通信。因此，802.11ac無線客戶端的出現(xiàn)不會對現(xiàn)有Wi-Fi標準產(chǎn)生問題。

2.與同頻和鄰頻的無線業(yè)務的兼容性

美國NTIA對新劃分的195MHz頻譜的聯(lián)邦無線系統(tǒng)與Wi-Fi等免執(zhí)照設(shè)備進行了潛在干擾和兼容性研究，并對已知的頻譜共享技術(shù)進行了評估。

此研究的目的在于不改變現(xiàn)有聯(lián)邦系統(tǒng)的前提下與免執(zhí)照設(shè)備實現(xiàn)共存。目前，使用這195MHz頻譜的系統(tǒng)有航空、雷達以及衛(wèi)星等業(yè)務系統(tǒng)（見表3）。

表3 美國5G Wi-Fi同頻帶的無線業(yè)務

要想使Wi-Fi設(shè)備與上述系統(tǒng)實現(xiàn)兼容和共存，必須采用頻譜共享技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)包括發(fā)射功率控制（TPC）、動態(tài)頻率選擇（DFS）、保護間隔設(shè)置、頻譜感知技術(shù)和地理信息數(shù)據(jù)庫等方法。

5GHz頻段的Wi-Fi設(shè)備，包括802.11n和802.11ac，采用了動態(tài)頻譜選擇（DFS）技術(shù)實現(xiàn)與現(xiàn)有無線業(yè)務的共存。DFS技術(shù)首先檢測信道中是否存在雷達等無線信號，如果檢測到該信號存在，它會迅速將所有傳輸轉(zhuǎn)移到其他信道，為雷達的運行清除障礙。

表4 美國5G Wi-Fi使用規(guī)則

雖然Wi-Fi設(shè)備裝備了DFS的頻譜共享技術(shù)，但是仍舊存在一些潛在干擾的風險。例如，雷達系統(tǒng)的信號特征發(fā)生變化時，DFS技術(shù)存在不能達到有效檢測的可能。因此，需要進一步研究干擾減緩技術(shù)以更好的實現(xiàn)頻譜共享。

五、結(jié)束語

美國現(xiàn)有5GHz免執(zhí)照頻帶已達到555MHz，隨著美國5GHz Wi-Fi頻段的進一步放開，其總量將達到750MHz。5GHz頻段相對2.4GHz頻段并不十分擁擠，這為802.11ac在美國的部署提供了頻率基礎(chǔ)，同時提供了更高的可靠性。雖然美國5GHz頻段存在著軍用雷達和航空通信系統(tǒng)，同時也存在互聯(lián)汽車以及商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但通過先進的頻率共享技術(shù)可實現(xiàn)兼容共存。這使802.11ac在5GHz頻段的部署成為可能。802.11ac標準是無線局域網(wǎng)嶄新的一步，與以往的Wi-Fi標準相比，其在物理層、MAC層等方面都做出了增強性的改進，在性能上有了較大的飛躍，最終將實現(xiàn)千兆無線速率。

圖6 5G Wi-Fi頻段中國與美國的比較

2012年12月，我國開放了5GHz免執(zhí)照頻段（工信部無函[2012]620號），頻率為5150MHz～5350MHz（共200MHz，如圖6所示），與美國和歐洲相比相對較少。要想使新一代Wi-Fi技術(shù)在我國更好的部署，并為移動通信網(wǎng)絡(luò)分流更多數(shù)據(jù)業(yè)務，則需要為802.11ac尋找更多適合的頻段。