根据来自GSMA的数据显示,在一个典型的四口之家使用环境中,2012年平均的Wi-Fi终端数量只有8个,在2017年时则达到24个,而到2020年时,此类家庭使用环境中的Wi-Fi数量至少可以达到50个。应用场景包括:高清电视、智能媒体机、游戏机,以及物联网智能家居应用,例如温控器、音响、门锁,甚至烟雾报警器等类似设备,都可以直接连接到Wi-Fi网络和云端服务。

20170915-802.11ax-1 然而技术的应用和服务的类型是非常多元化的,既包括对高带宽、低时延要求比较苛刻的应用,比如4K视频;也包括对带宽要求并不高,但需要连接比较可靠稳定的应用,比如物联网应用;还包括一些其他类型的应用。在高密度使用场景下,现有Wi-Fi网络就会出现共享信道使用干扰问题,其有限的吞吐量也会给城市热点或园区覆盖带来盲点。

Wi-Fi迎来前所未有的技术变革

Qualcomm Technologies产品管理总监Jason Tao认为,作为Wi-Fi网络今后的演进,最关键的一点是整个网络的容量是否能够满足应用的需要,而并非在Wi-Fi网络里某一个节点连到AP,能发送最快的速率是多少。换言之,绝对的高速率并不是最关键的点,关键点在于如何为所有的用户提供所有的数据,且质量都能满足他们对于服务的需求,所以这是关于总体网络容量的问题。因此,下一代Wi-Fi网络,无论是网络建设、终端设备、芯片研发,都应该围绕着网络容量的扩展和网络效率的角度来开展部署。

在这样的背景下,Qualcomm认为802.11ax技术能够很好的解决上述问题。它在网络容量上,相比以前最高层级的802.11ac技术还能再提高4倍;使用效率也能得到提高(包括多用户使用效率和带宽使用效率);另外,802.11ax技术也可以改善Wi-Fi网络覆盖和性能,不管对于AP近距离、中距离还是远距离,都可以有效提高Wi-Fi网络覆盖。 20170915-802.11ax-2 为高密度连接而设计的11ax

802.11ax技术是如何实现这些呢?Jason Tao认为可以从四个方面来理解:

  1. 802.11ax技术能使每个AP同时接入服务的终端数量有所提高。通常大家通过零售渠道/家用的主流路由器,同时接入十几个终端时,可能就对Wi-Fi产生一些挑战,使用效果与体验就会逐渐变差。而802.11ax技术专门引入了一些新的特性,令同一个服务器可以同时服务多个终端,这方面相较前代有所提高。

  2. 在高密度使用场景下,如果有多个AP,802.11ax在密集型环境里能帮助多个AP之间互相协调,使得共享信道上的AP也能更合理地利用信道带宽。

  3. 上行链路的管理。在802.11ax技术之前,如802.11n和802.11ac,对于上行链路资源的调度都是依靠随机竞争带宽的。而802.11ax技术中的新协议增加了一些能够对终端之间进行协调,以及上行链路资源管理调度方面的功能。

  4. 对于多种数据流的不同类型,如何能同时兼顾高数据量的需求,又能穿插顾及到物联网设备即时性要求高、但数据流量不是很大的需求。如何混合进行业务操作,802.11ax技术对于这方面也进行了加强。

802.11ax成功的关键

8×8 MU-MIMO(多用户多输入多输出)和OFDMA(正交频分多址)的引入,是802.11ax成功的关键。

20170915-802.11ax-3 此前,802.11ac Wave 2的一个主要特性就是MU-MIMO,当时在11ac里面,网络协议能实现的功能就是11ac Wave 2的AP可以同时向多个支持MU-MIMO的客户端发送数据包, 11ac当时支持的最大规格是4×4 MU-MIMO,同时可以向4个终端共享下行的MU-MIMO数据包。另外当时在11ac的规范里只有下行的MU-MIMO功能。

现在的11ax有两个方面的提高:第一是上行和下行都可以支持MU-MIMO,不仅是从AP向终端发送数据包的时候可以一个数据包同时面向多个终端节点发送,同时这几个终端节点也能够协调,同时向AP端、网络上行发送数据包。数据包同时到达AP,AP也能够解码、同时接收所有的数据包,因此效率就有所提高。以前最大的规格只支持到4×4 MU-MIMO,现在是8×8 MU-MIMO。以前每个数据包每次只能把4个终端组合在一起,现在可以把8个组合在一起。当然这并不是说MU-MIMO网络里只有4个或者8个终端,而是每一个帧(Frame)里面最多可以有4到8个终端,整个网络的容量达到上百个是没有问题的,这就明显提高了效率。

而在调制方式方面,11ac甚至之前的Wi-Fi采用的都是OFDM的调制方式,新增加的OFDMA调制方式能同时支持上行和下行。以前相当于在同一个帧里只有一个标准的数据包,传给客户端的时候不管帧的大小,从网络协议的角度来看,在信道发送方面额外的系统开销(overhead)都是一样的。而OFDMA是在蜂窝应用中已经普遍应用的技术,它主要的优势功能是把各种大小的数据包从调制的角度组合在一起,系统开销可以通过共享而降低,因而效率得到提高,这是一个很重要的演进。

另一方面,OFDMA的符号的长度也变长了,每一个调制信号的符号长度变成以前11ac的4倍。调制的长度越长,在多路径(Multipath)的情况下,AP端、客户端就能有更多的机会可以充分利用多路径,通过更宽的窗口把不同角度反射过来的信号组合在一起。这就使得在实际应用场景中,特别是远距离传输的时候,在多路径比较强的情况下,解码能力增强,接受的稳定性也更大了。另外,现在的调制可以支持1024QAM,之前最高只支持到256QAM,调制码的密度越大,承载的数据量也就越大,这比以前提高了2到3倍。

性能的提升使得11ax成为城市密集使用场景(例如出租公寓楼、公寓小区和多栋式住宅)和企业级应用的不二之选,并且对运营商网络分流起到了重要的辅助作用。众所周知,LTE网络对移动终端的上网和数据流量方面确实起到了很大的改善作用,但LTE的网络对运营商来说不管是带宽还是网络的部署都比较昂贵,所以很多情况下运营商都愿意把其中一部分业务分流到Wi-Fi网络上,因为Wi-Fi网络相对更加经济实惠。但之前的Wi-Fi网络存在稳定性或者带宽上的挑战,随着11ax技术的演进,从LTE网络分流过来的应用场景的用户体验会比以前更好。

高通端到端802.11ax Wi-Fi组合

今年2月,作为业界首家提供AP端和终端芯片的端到端802.11ax Wi-Fi组合方案的厂商,高通发布了IPQ807x和QCA6290两款芯片,前者面向AP端,后者面向客户端。9月初,华为在全连接大会期间发布了X-Gen Wi-Fi产品,率先支持11ax标准,采用的就是Qualcomm芯片。 20170915-802.11ax-4 高通端到端802.11ax Wi-Fi组合

IPQ807x的主要特性是容量的提升达到了4倍,因为芯片可以支持8×8 MIMO,这对现有的、甚至是仍在演进过程中,还没有转换到11ac的终端用户体验有所提高,可以让这些传统终端用户的速度得到提升、覆盖面也有所改善。IPQ807x是一个高度集成的方案,里面既包括了Wi-Fi的射频、基带的部分,也包含了功能非常强大的CPU平台,通过一个主芯片的解决方案就可以进行网络优化和管理,完成智能网络管理。这不但降低了系统功耗,还使得OEM厂商在做新的设计方案时,在产品外形和应用场景的设计上具备更多的灵活性。

QCA6290的规格是2×2(2.4GHz)+ 2×2(5GHz),可实现双频并发,最大吞吐量可达1.8Gbps。单颗客户端芯片吞吐量达到千兆级,这在11ac时代是不可想象的。此外,相比802.11ac wave-2,QCA6290的功耗降低约2/3。

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