浅析美国5G Wi-Fi新频段与802.11ac标准

2013-12-23国家无线电监测中心李明明陈佳佳

数字通信世界 2013年6期

国家无线电监测中心杨淼李明明方正陈佳佳

一、引言

随着Wi-Fi用户的激增，无线网络的拥塞问题越来越突出。美国联邦通信委员会（FCC）投票通过了一项建议规则制定通告（NPRM），旨在研究如何将5GHz频段的195MHz频谱用于免执照Wi-Fi服务。释放新频谱不仅能缓解Wi-Fi热点的拥堵现状，还能通过部署IEEE 802.11ac（以下简称“802.11ac”）标准来提升无线网络速率，但同时也存在着5GHz频段业务的兼容性问题。本文简要介绍了美国5GHz Wi-Fi新频段以及第五代Wi-Fi技术，并对其兼容性进行了分析。

二、美国5GHz Wi-Fi新频段

目前，美国免执照的Wi-Fi设备主要使用2.4GHz和5GHz的部分频段。其中5GHz频段有555MHz带宽的频谱，主要用于使用Wi-Fi技术的无线局域网，如无线网络服务提供商用于将智能手机、平板电脑、笔记本电脑连接到宽带网络的无线接入点。而新释放的Wi-Fi频率同样位于5GHz频段，共195MHz（见表1）。这些频谱投入使用后，美国可用于免执照设备的5GHz频谱的总量将增长35%，大大降低Wi-Fi热点的拥挤现状，并能将网速提升至1Gb/s以上，移动设备用户通过Wi-Fi网络至少能卸载33%的流量负荷。另外，新频谱的释放也将促进频谱共享技术的研究，实现免执照设备与联邦以及非联邦用户之间的共存。

表1 美国5GHz的免执照Wi-Fi频段

图1 美国5G频段：现行可用信道和新增信道

三、802.11ac标准

与新划分的5GHz频段接踵而来的Wi-Fi新技术就是802.11ac标准（第5代Wi-Fi技术，前4代分别为802.11，802.11a，802.11b/g，802.11n）。该标准进一步优化了802.11n的性能，其目标是提供与千兆以太网相当的无线网络性能以及高质量的用户体验。802.11ac意图只工作在5GHz频段上，这避免了来自2.4GHz频段的蓝牙耳机、微波炉等设备的干扰。

802.11ac在射频层面使用了更高阶的调制，更宽的带宽，并具有更多的空间流；同时802.11ac也继承802.11n的MAC技术，并增强了其功能；此外，802.11ac还引入MUMIMO等有价值的新技术。

1. 射频增强技术

（1）更宽的频带宽度

相对于802.11n仅支持的20MHz和40MHz频宽，802.11ac还支持80MHz的频宽。可选择使用连续的160MHz频带，或者不连续的80+80MHz频带。双倍的频带宽度（从40MHz到80MHz）是一种非常有效的而且性价比高的用来增强性能的方法。另外，80MHz频宽的系统可以使用较少的天线来提供和40MHz频宽系统一样的性能（见图1）。

（2）更高的调制率

与802.11n标准相同，802.11ac使用了正交频分复用（OFDM）技术来调制数据比特并在无线信道中传输（见表2）。与之不同的是，802.11n最高采用64QAM（Quadrature Amplitude Modulation）调制方式，而802.11ac根据情况（高信噪比条件下）采用最高256QAM调制方式，每个子载波的数据比特数量从6增加到8个，从而使吞吐量增加了33%。此外，802.11ac还可以使用BPSK(Binary PSK)，QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)，16QAM和64QAM。

（3）增加的空间流数量

在802.11n最多4路空间流的基础上，802.11ac增加到最多支持8路空间流。空间流数量的增加与802.11ac多用户多输入多输出（MU-MIMO）的新功能结合最为有效。在多用户MIMO模式下，每个无线终端不超过4路空间流（见图2）。

表2 5G频段的Wi-Fi标准比较

2. MU-MIMO

对于802.11n标准，一个设备能在同一时刻发送多个空间流，但是只能发往单个地址，即在某一时刻只有一个用户能获得数据，这称之为单用户MIMO（SU-MIMO）。而在802.11ac中使用了多用户MIMO（MU-MIMO），AP可以同时传输互为独立的数据流到多个客户端，因此提高AP多用户吞吐量，实现千兆级别的带宽。

然而实现MU-MIMO，空间流的数量受限于AP上发射链的数量，同时也需要波束成形和MAC层的增强技术的支持。802.11ac引入了波束成形算法来操作。在该算法中，发送端发送特定的信道帧并接受反馈来完成波束成形，从而产生一个能彼此协作的波束形成特性，最大化802.11ac的传输距离和覆盖范围（见图3）。另外，每个用户接收端接收到的来自其他用户的干扰也将被削弱。

在MU-MIMO模式下，对多路空间流的支持被用来为不同的客户端创建相互独立的传输。然而，在802.11n单用户MIMO模式下，多路空间流被用来提升从AP到客户端的吞吐量。

图3 MU-MIMO多用户的波束成形

3. MAC增强技术

802.11ac标准同时也应用了许多MAC层的增强技术来进一步加强高性能的射频和多用户多进多出（MUMIMO）特性。

（1）增加聚合的MAC协议数据单元（A-MPDU）的大小

为降低通信的开销，802.11n引入了两种帧聚合的方法：MAC服务数据单元（MSDU）聚合和信息协议数据单元（MPDU）聚合。两种帧聚合方法降低了每个聚合帧传输时的单路射频前导码的开销。

而802.11ac提高了单个A-MPDU聚合帧的大小到最大1,048,575个字节（802.11n只支持最大65,535个字节），进一步减少了通信的开销。802.11ac A-MPDU帧格式（见图4）是802.11n A-MPDU帧的扩展，扩展部分（图4中阴影部分）包括多个分隔字段，这些分隔字段包括MPDU长度为0的字段和一个以少于4个字节结尾的MAC Pad字段。

图4 802.11ac A-MPDU帧格式

（2）增强的RTS/CTS操作

在MAC层，802.11n设备依靠发送RTS/CTS帧来宣告传输的意向。这些帧让附近的802.11a/g设备感知到信道正在使用中，从而避免冲突。

由于802.11ac使用更宽的频宽（80MHz或160MHz），各个20MHz的子信道不一定同时空闲，可能存在其他无线接入点和隐藏节点，因此，802.11ac定义了增强的RTS/CTS机制，支持“动态频宽”模式，用来检测任何非主用信道的传输占用情况。假如部分频带已被占用则只在主用信道上发送CTS帧。发送RTS帧的客户端（STA）则可以回落到一个较低的频宽模式。但不管怎样，最终的传输频宽总是包括主用信道在内（见图5）。

图5 有干扰情况下802.11ac增强的RTC/CTS操作

四、美国5GHz Wi-Fi的兼容性分析

美国在5GHz频段上不仅包含已有的Wi-Fi业务，而且还有一些联邦机构运行的通信系统以及商用通信系统，因此工作在新规划的195MHz的频段内，支持802.11ac标准的设备需要考虑与同频和相邻频段内无线业务的兼容性问题。

1.与现有Wi-Fi技术的兼容性

802.11ac在技术上最大限度的与802.11a/n设备兼容，其设计更为简单。802.11ac设备必须支持所有的802.11a和802.11n的必选模式。因此，一台802.11ac的无线接入点能够使用802.11a或者802.11n格式的数据包，并与802.11a和802.11n的无线客户端进行通信。因此，802.11ac无线客户端的出现不会对现有Wi-Fi标准产生问题。

2.与同频和邻频的无线业务的兼容性

美国NTIA对新划分的195MHz频谱的联邦无线系统与Wi-Fi等免执照设备进行了潜在干扰和兼容性研究，并对已知的频谱共享技术进行了评估。

此研究的目的在于不改变现有联邦系统的前提下与免执照设备实现共存。目前，使用这195MHz频谱的系统有航空、雷达以及卫星等业务系统（见表3）。

表3 美国5G Wi-Fi同频带的无线业务

要想使Wi-Fi设备与上述系统实现兼容和共存，必须采用频谱共享技术。现有技术包括发射功率控制（TPC）、动态频率选择（DFS）、保护间隔设置、频谱感知技术和地理信息数据库等方法。

5GHz频段的Wi-Fi设备，包括802.11n和802.11ac，采用了动态频谱选择（DFS）技术实现与现有无线业务的共存。DFS技术首先检测信道中是否存在雷达等无线信号，如果检测到该信号存在，它会迅速将所有传输转移到其他信道，为雷达的运行清除障碍。

表4 美国5G Wi-Fi使用规则

虽然Wi-Fi设备装备了DFS的频谱共享技术，但是仍旧存在一些潜在干扰的风险。例如，雷达系统的信号特征发生变化时，DFS技术存在不能达到有效检测的可能。因此，需要进一步研究干扰减缓技术以更好的实现频谱共享。

五、结束语

美国现有5GHz免执照频带已达到555MHz，随着美国5GHz Wi-Fi频段的进一步放开，其总量将达到750MHz。5GHz频段相对2.4GHz频段并不十分拥挤，这为802.11ac在美国的部署提供了频率基础，同时提供了更高的可靠性。虽然美国5GHz频段存在着军用雷达和航空通信系统，同时也存在互联汽车以及商用卫星通信系统，但通过先进的频率共享技术可实现兼容共存。这使802.11ac在5GHz频段的部署成为可能。802.11ac标准是无线局域网崭新的一步，与以往的Wi-Fi标准相比，其在物理层、MAC层等方面都做出了增强性的改进，在性能上有了较大的飞跃，最终将实现千兆无线速率。