下一代Wi-Fi技术标准快步向前！谈谈802.11ax

　　802.11无线网络技术，也就是我们习惯称呼的Wi-Fi，是我们日常使用中最常接触到的通讯技术之一。现在大家不论是出差，还是旅游，只要到了一个新地方，很多人问的第一个问题很可能就是“你们这儿Wi-Fi密码是多少？”，足见它对于我们生活的影响有多大。从初代无线网络技术发展到现在已经有20年之久了，在这20年中，以802.11为代表的无线网络通信技术经历了多代方案，从最早的速度只有2Mbps到现在的超过千兆，带给我们的使用体验也从只能上网看看网页，飞速进展到看高清视频、高速文件共享等。那么，在这个移动通讯速度都能达到百兆的时代，无线网络技术的下一个发展方向究竟是什么呢？速度还会进一步提升吗？今天我们要谈的802.11ax就会回答你的这个问题。

　　无线网络技术算得上是一个很有历史感的话题了。从第二次世界大战开始，无线网络就由于在军事上的应用而受到了广受关注，同时该技术也在随后的实践过程中不断发展、进步。不过和所有有着全球范围内影响的技术标准一样，无线网络技术的规范一直以来都没有得到很好的统一。再加上在很长一段时间中，受限于当下的技术条件，市场需求并不是很强，因此直到1997年，无线网络技术才迎来了第一个全球统一的标准—IEEE 802.11。802.11标准包括了一个MAC层和物理层，速度被设计在2M b/s，在当时来看这是一个非常高的传输速度了，当然在今天够不够用又是另外一回事了。

　　从802.11开始，IEEE组织就不断定义新的、加强版的或者是用于特殊场合的无线网络标准，比如广为大家所熟知的802.11a、802.11b、802.11c……实际上，IEEE组织已经在802.11的后缀上用完了从a到z的所有英文字母。虽然每个无线网络标准的背后都有其特殊的用途和意义，但是绝大部分标准都很难在市场上看到，更不用说被普通用户所接触到。在所有的单个英文字母使用完后，IEEE组织的新标准就开始使用双字母命名，比如802.11aa、802.11ab等，其中大家比较熟悉的是802.11ac，这也是目前主流无线网络标准，最高速度能达到1Gb/s。随后，又在经历了多个版本后，802.11ax出现了，802.11ax是以现行的802.11ac为基础，并在其之上经历了多次改进的全新的传输标准，它的目的是实现比先行传输标准快4倍，同时在数据稳定性和安全性等关键特性上予以加强。

　　四大技术支持—802.11ax改进解读

　　无线网络技术在研发之初，只是被定义为在小范围空间内的少数设备互联的网络，比如在家庭、办公室或者小型会场等场合，其数据传输的能力和范围都比较有限。不过随着无线网络技术尤其是802.11n、802.11ac等技术铺开后，大量的公众场合和开放式环境都布置了无线网络覆盖，部分人流较多的场合在一瞬间甚至会有高达数千、数万的数据终端的连接请求，比如我们比较熟悉的火车站、飞机场、演唱会现场、医院、办事大厅等，一般都会有无线网络覆盖，但是无论是网速还是链接稳定性都不够理想，使用体验很糟糕。其中固然有网络布置、节点数量等原因，但是更重要的还是之前的无线网络标准压根就没考虑过这么多并发连接需求的应用情况，因此才出现了各种各样的问题。

　　为了解决这样的问题，全新的802.11ax在研发初期就考虑通过技术手段在继续提高速度的前提下，能够满足更多用户的联网以及处理更多并发需求。鉴于此，802.11ax做出了大量的改进，希望能够满足新时代网络的需求。由于改进较多，本文篇幅所限就不一一赘述了，下面仅就802.11ax的几个特别值得关注的技术做出解释，这些技术包括1024-QAM调制、ODFMA、上行MU-MIMO以及空间复用技术。

　　提供更大带宽—1024-QAM调制

　　所谓QAM，是指Quadrature Amplitude Modulation，也就是正交振幅调制的意思。看到这样的名词，想必很多读者会感到头疼。实际上，QAM虽然看起来比较复杂，调制过程甚至也可以专门开一门课程来叙述，但是其实现的内容却是非常容易理解的。

　　QAM的目的是通过调制原始数据，使得信号能够一次性传输足够的信息。QAM的关键数值都是2的次方，比如早期的802.11n采用的是64-QAM，也就是2的6次方，每次传递6bit数据。到了802.11ac则改成了256-QAM也就是2的8次方，每次传递8bit数据，在802.11a x上则改成2的10次方，每次传递10bit数据。每次传递的数据越多，传输速度相对来说就越快，这是802.11ax改进最积极的地方之一。

　　虽然QAM增大使得每次传递的数据变多，但问题也没有这么简单。由于每次传递信息使用的载波频宽和传递时间相同，也就是之前传递64-QAM和现在传递1024-QAM，使用的信号是一样的，这就发生了一个问题，那就是随着信号传输的信息越来越多，信息传输的可靠性在降低。如果以“飞鸽传书”来举例的话，在早期使用64-QAM的时候，飞鸽传书的那个“书”上面，只写64个字，信息就送过去了还容易阅读。在802.11ax时代，还是那样大的一张纸，但是却要写下1024个字，字就只有写的非常非常小了，在经过多次折叠和传输的磨损后，部分字迹容易模糊不清，信息就容易丢失。

　　遇到这样的问题应该怎么办呢？802.11a x给出的解决办法是：重新以较低的调制方式传输数据，比如1024-QAM失败了，再以256-QAM重传一次。这样一来，数据的可靠性就得到了保证，但是带宽会退回到之前版本的状态。不过，根据802.11a x的说明，在距离较近的情况下，1024-QAM的成功率还是非常高的，比如家庭中使用802.11ax传输高清视频、VR视频或者办公室内共享文件数据这样十米或者数十米的范围，802.11ax都能够胜任。

　　减少数据阻塞—ODFMA并行

　　说起ODFMA，其全称是Orthogonal Frequency Division Multiple Access，翻译过来叫正交频分多址技术。这项技术的目的是将传输带宽划分为正交的、互不重叠的一系列子载波集，为不同的用户分配使用不同的子载波集，因此实现可以连接更多用户的目的。相比之下，传统的ODFM中的每一个用户都会独自占据整个信道频率，这会带来用户排队和网络通信拥堵。

　　ODFMA的优势在于可以在时间和带宽上对频段进行分割，容纳更多用户的同时保证传输速率。ODFMA通过信道划分，同时向多个用户传递数据，大幅度改善了多用户条件下的传输情况。实际产品来说的话，在802.11ax上，20MHz信号通道上的载波数量被提高到了256个，其中234个传输数据，剩下的是一些系统通信和校验等信息，这样一来用户数量大增，更多用户可以连接在802.11ax上进行通讯了。

　　用生活中的事物来举例的话，传统的ODFM类似于春运火车站只开了1个售票窗口，大家都在1个售票窗口排队，前面的客户没有办完业务的话，后面的客户只能等待。但是ODFMA则是开了256个售票窗口，大家可以同时在256个窗口排队办业务，自然速度快了很多。ODFM和ODFMA的对比，类似于PC中的串行和并行，ODFMA的加入，使得更多用户可以并发传输需求，自然就降低了数据阻塞。从技术来源的角度看，ODFMA技术在4GLTE上已经有了成熟的应用，将其引入Wi-Fi的802.11ax的方案也是顺理成章的。

　　为多用户设计—全局MUMIMO

　　MU-MIMO是目前很多路由器支持的新技术，它的全称是Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，也就是“多用户多输入多输出”。顾名思义，MU-MIMO是支持多用户同时收发数据的技术。

　　在MU-MIMO出现之前，人们使用的无线路由器仅仅支持SU-MIMO，所谓SU-MIMO就是单用户Single User的多输入多输出协议。在这个协议下，路由器的信号是单一的，根据和主机之间通讯距离的远近亲疏来排序，实现多个设备的网络连接。在这种情况下，如果一个设备需要长时间通讯传递数据的话，那么其他正在等待的设备就可能产生卡顿。因为路由器只接受同时和一个设备通讯，多个设备只能排队。但是MU-MIMO不是这样，MU-MIMO的信号同时在时间、频段和空间三个维度上进行排序，就相当于同时有三组信号和设备沟通，这样一来，设备就有更多的通道和路由器沟通，排队和延迟也就被大大降低了。

　　在之前的802.11ac规范中，已经对下行MU-MIMO进行了支持，现在的802.11ax对上行MU-MIMO也给予了支持，实现了全局的MU-MIMO技术，可以对多终端、多用户的网络实现并行的上下行的多输入多输出支持。即使是在上行阶段，用户上传数据排队和延迟也大大降低，未来出现那种“电影在线看很流畅，但是微信就是发不出去”的情况就会少很多了，网络体验会更出色、更流畅。

　　提高效率，节能降耗—空间复用技术和TWT

　　从目前的使用情况来看，Wi-Fi在作为家用用途来看还是可以接受的，但是在公众场合的使用体验一般都不太尽如人意。比如在商场，即使布置了一百个甚至两百个路由终端，但是这些路由器之间的协同工作方式是怎么样的呢？是否这些路由器能组成一个网络共同应对大量人群和设备的网络需求呢？现在的规范显然是不可以。好在4G LET这样的公众网络对这方面的优化做得很出色，因此IEEE也将其学习了过来，加入了Wi-Fi技术之中。

　　首先一个比较有用的技术叫做BSS Color，被称为BSS快速识别技术。这个技术的作用主要是让路由器能够快速识别是不是发送给自己的信息。因为在公共场合往往覆盖了多个路由器的信号，比如大家在一个名叫“MC百货商场”的地方购物，这里的Wi-Fi名称就叫“MC百货商场”，但是布置了100个路由器，其中部分路由器的信号是重复覆盖的。那么当A用户连上Wi-Fi之后，用手机发出了一个无线信号，这个时候同时有8个路由器收到了这个信号，正常情况下8个路由器都会解码，然后其中7个发现这个不是发给自己的，就抛弃掉。表面上看这个过程挺正常，但考虑到同时有大量的信息发出，这么多路由器同时会收到大量的信号，都等到解码后才知道不是发给自己的，实际上是对路由器资源的严重浪费。BSS Color就是解决这个情况而出现的，它在收到信息的时候，就可以马上判断是否是发给自己的，如果不是就立刻抛弃，不再像之前那样还需要收完信息后才解码判断。这样一来，就大大提高了效率，同时降低了信息错误带来的延迟。

　　其次是动态CAA门限技术。这个技术比较复杂，主要用于解决多个信道之间的干扰问题。举例来说，在一个空间内布置无线网络的话，2.4GHz的信道只有3个，因此就算布置100个路由器终端，也只有3个信道可以使用。使用相同信道的路由器之间同时只能有一个传输数据，原因也很简单，信号通道只有一个。应该怎么做呢？有人说，可以采用分组的方式，就是在大空间内为路由器分成很多组，其中一部分负责这一片区域，一部分负责那一片区域。理想很丰满，可现实很骨感。路由器的信号可不像乖宝宝，只存在于空间分组的区域，实际上也是弥漫至整个空间存在，只是强度和距离成反比罢了。这样一来，应该如何处理相同信道的路由器信号呢？动态CCA门限技术就有用武之地了。

　　所谓动态CCA门限技术，是指路由器能够自动侦测到干扰信号和数据传输信号之间的差值，并自动判断干扰信号对数据传输信号存在怎样的影响，在尽可能屏蔽干扰影响的情况下最终实现信号的传输，距离来说，路由器判断到干扰信号较低，数据传输信号较强，差值很大超过阀值，不需要处理就可以正确收发信息。在另一种情况下，路由器测得信号之间差距较小，因此会主动提高信号发送功率保证信息传输。另外，CAA门限技术还可以自动监测终端和路由器之间的信号情况，在信号条件较好的情况下，使用较低的发射功率，在信号不好的时候，使用较高的发射功率。综合上述两个方面的应用，再加上算法和阀值的调整，在一个空间内的数十个乃至数百个路由器之间就可以实现分组发送使用，大大方便了用户。

　　另外还有目标唤醒时间。一般来说，我们的移动设备连接Wi-Fi之后就会一直和路由器连接，这对移动设备的电池和功耗都是不利的影响。802.11ax规范中加入了TWT也就是目标唤醒时间技术，这个技术允许路由器下发通知告知终端什么时候可以进入休眠状态，什么时候醒来等功能，能够实现降低能耗、延长电池使用时间的作用。

　　逼近10Gbps大关—802.11ax何时到来？

　　说完了一些技术进展，再来看有关802.11a x的具体性能吧。根据目前IEEE公开的技术资料可以看到，802.11ax在物理层相比上一代的802.11a c大约提高了38.5%的性能。如果大家都使用160M Hz的频宽单流传输的话，那么802.11ac的速率大概是866Mbps，而802.11a x可能达到1.2Gbps，考虑到8X8 MIMO的天线，802.11ax更是可达到9.6Gbps的超高网络速度。

　　不过，这个速度只是理论值，实际应用中还受到诸多因素的影响，但是从802.11ax的规范以及特性来看，达到802.11ac 4倍的性能应该是可信的。性能这么强，那么802.11ax究竟什么时候来到用户身边呢？这就得看英特尔、高通、博通等厂商的研发进展了。

　　根据业内消息，高通在2017年2月发布自家支持802.11ax的首款芯片IPQ8074以及QCA6290，其中前者是一体式终端方案，集成四个ARM Cortex-A53核心和两个网络加速和性，支持最高12通道的2.4GHz 4X MUMIMO和5GHz 8X MU-MIMO，整体性能非常强悍。后一款则是面向普通设备的芯片，支持2.4GHz 2X MU-MIMO、5GHz 8X MU-MIMO，可以用作路由器中的主芯片。在一年之后，也就是今年2月，高通还发布了首个面向手机、平板等移动终端的802.11ax芯片，具体型号为Atheros WCN3998，它采用的是全新的14nm工艺，不过支持通道并没有固定终端那么多，考虑到手机上的功耗等问题，这样设计也是可以理解的。

　　除了高通，博通也在2017年8月发布了支持802.11ax的两款芯片，型号为BCM43684和BCM43694，最高可支持4个数据通道，最大速度可达4.8Gbps。另外，英特尔的802.11ax芯片也已经公开，不过具体的信息尚未彻底公开。

　　目前看来，业内对802.11ax的兴趣还是非常大的，毕竟这代表了又一个消费者有动力升级换代的市场。从芯片和上游厂商的进度来看，可能在今年下半年，支持802.11ax的路由器就有望摆上货架开始销售，业内估计在2019年，802.11ax将成为部分用户的选择，并在2020年左右逐渐铺开，成为市场主流。到那个时候，支持802.11ax的手机、路由器、电视盒子、游戏主机、PC等设备都开始普及，我们才真正开始享受技术带来的更高速的网络体验。

　　文/张平