一、概述

由于多數(shù)的802.11n設(shè)備是為2.4GHz頻段設(shè)計，2.4GHz本身的可用信道較少，同時還有其它工作于2.4GHz頻段的設(shè)備(例如藍牙，微波爐、無線監(jiān)視攝像機等)的干擾，即使在雙空間流40Mhz頻寬下其連接速率能達到300Mbps，但是實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于相互的信道沖突等原因，其實際吞吐并不高，用戶體驗差。802.11ac 是專門為5GHz頻段設(shè)計，特有的新射頻特點，能夠?qū)F(xiàn)有的無線局域網(wǎng)的性能吞吐提高到可以與有線千兆級網(wǎng)絡(luò)相媲美的程度。

802.11ac作為IEEE 無線技術(shù)的新標準，它借鑒了802.11n的各種優(yōu)點并進一步優(yōu)化，除了最明顯的高吞吐特點外，不僅可以很好地兼容802.11a/n的設(shè)備，同時還提升了多項用戶體驗。

在802.11ac的網(wǎng)絡(luò)中，每個無線接入點可以接納更多的客戶端，為每個并行的業(yè)務(wù)流提供更多的帶寬，同時具有更低時延更省電的優(yōu)點。

二、802.11ac 主要技術(shù)特征

由于802.11n在MAC層已經(jīng)很優(yōu)異了，因此802.11ac在MAC層上的改進并不多，主要通過PHY層來提升其基礎(chǔ)速率。

PHY層的改進

1、更密的調(diào)制模式

802.11ac繼續(xù)采用802.11a中OFDM調(diào)制方法，但是將階數(shù)從802.11n中的64階提高到了256階。256-QAM使得每個子載波的數(shù)據(jù)比特數(shù)從6提到8，從而使得速率增加了將近33%。由于256-QAM對干擾更加敏感，適合于信噪比高的環(huán)境，因此256階正交調(diào)幅主要在64階正交調(diào)幅已經(jīng)可靠覆蓋的范圍內(nèi)才有幫助。雖然256-QAM提供了更高的速率，但是它并沒有增加有效的覆蓋距離。

例外，不像802.11n中那樣可以采用非等星座調(diào)制，在802.11ac中，當多條流同時發(fā)送時，每條流都必須采用同等大小的星座。而前者對于多空間流特別是波束成形來說卻非常有益。

2、更寬的信道帶寬

由于5GHZ頻段可以提供更多的信道和更寬的頻寬，802.11ac 將信道頻寬從802.11n的20MHZ和40MHZ提升到了80MHZ，甚至是160MHZ。

頻寬的提升帶來了可用數(shù)據(jù)子載波的增加。80MHZ可用的子載波數(shù)量達到234個，而40MHZ只有108個，這樣80MHZ就可以帶來2.16倍的增速。小小的副作用就是，需要將相同的傳輸?shù)墓β史指舻蕉喑鰜淼淖虞d波上，從而造成信號的覆蓋范圍會稍稍減小，但是總的來說還是好的。

頻寬的提升帶來了信道化的難題。不過802.11ac依然沿用802.11n簡單有效的做法。就如802.11n中將相鄰的兩個20MHZ合并為40MHZ的做法一樣，80MHZ就是通過相鄰的連個40MHZ合并而來。80MHZ必須是使用相鄰的40MHZ來合并，而且80MHZ之間相互沒有交叉重疊。由于通過連續(xù)的80MHZ合并得來的160MHZ少之又少，所以160MHZ可以使用不連續(xù)的80MHZ來獲得，就是80+80模式。信道化如圖1所示：

圖1 信道化示意圖

40MHZ頻寬中有主信道和副信道(也就是第二個20MHZ信道)之分，那么在80MHZ中依然也是有區(qū)分的。在80MHZ頻寬的信道中，必須選一個20MHZ作為主信道，那么這個主信道所在的40MHZ信道中，剩余的20MHZ信道稱為副(第二)20MHZ信道，而不包含這個主信道的40MHZ稱為副(第二)40MHZ信道。如圖2所示。

那么信道頻寬的增加是否意味著更少的可用信道和更多的信道沖突呢?其實是不會的。在5G頻段，我國已經(jīng)開放的有149,153,157,161和165頻段，雖然目前只能部署一個80MHZ的頻段，但是現(xiàn)有的機制允許兩臺設(shè)備同時部署在同一個80MHZ，其中一臺將其主信道部署在低40MHZ頻寬上，另外一臺部署在高40MHZ頻寬上，那么即使兩臺同時傳輸，仍然可以保證可用無沖突的40MHZ頻寬。這個與已有的部署在40MHZ頻寬上的802.11n來說是一樣的。

圖2 信道命名示意圖

另外，在80MHZ頻寬上傳輸，802.11ac增強的RTS/CTS機制可以很好的協(xié)調(diào)802.11ac與802.11a/n設(shè)備之間的信道占用情況。當802.11a/n的主信道處于802.11ac部署的80MHZ頻寬內(nèi)，如果重疊的部分不是在含有主20MHZ的40MHZ頻寬上，那么802.11ac可以動態(tài)降級到40MHZ模式，會獲得相應(yīng)40MHZ頻寬對應(yīng)的吞吐，如圖3(a)所示;如果重疊的部分含有主20MHZ的40MHZ頻寬上，那么802.11ac與802.11a/n通過競爭獲取信道的使用權(quán)，假設(shè)占用機會各50%，那么802.11ac將有一半時間使用80MHZ來發(fā)送，因此獲取一半的吞吐，與圖3(a)獲取到的吞吐量是一樣的。

因此，信道頻寬的增加并不會造成更少的可用信道和更多的信道沖突。

3、更多的空間流

在802.11n中，空間流最多為4條，而802.11ac將此上限提升到了8條。單單這一項就能使吞吐翻倍。在單用戶傳輸中，每條流的MCS都是一樣的。在新的MU-MIMO技術(shù)中，每個STA的最多使用4條流，且對所有用戶來說，每條流MCS必須一樣。

以上三點，使得802.11ac的速率***可以達到6.9Gbps。以下為802.11a/n/ac的射頻參數(shù)與速率的對比分析：

4、波速成形

任何使用多天線的設(shè)備都能夠在任意時間內(nèi)對任何其他設(shè)備進行波速成形。802.11ac定義了一種探測協(xié)議(VHT Sounding protocol)。該協(xié)議可以讓接收端有機會幫助發(fā)送到更好地進行波速成形工作。

該協(xié)議規(guī)定Beamformer(波速成形發(fā)送端)通過發(fā)送NDPA(空數(shù)據(jù)包通告)來初始化波速成形序列。在NDPA中，Beamformer 在NDPA中為每個Beamformee(波速成形接收端)添加了STA信息字段，同時在該STA信息字段設(shè)置了相應(yīng)STA的AID信息，這是為了讓每個Beamformee能夠準備接受壓縮的VHT波束成形幀。NDPA幀至少包含一個STA信息字段。VHT-NDP報文會緊跟著NDPA發(fā)送，中間僅僅間隔一個SIFS。NDPA后除了是SIFS+VHT-NDP幀，不能是其它幀。

如果NDPA包含不止1個STA字段，那么NDPA必須以廣播方式發(fā)送，即RA(Receiver Address)必須是廣播地址，否則以單播發(fā)送，RA為接受端地址。

每個預定的接受者使用VHT NDP的前導符測量從無線接入點到自己的射頻信道，并壓縮信道。***個預定接受者立刻使用VHT壓縮波速成形幀內(nèi)的壓縮信道信息進行響應(yīng)，其它預定接受者等待輪詢響應(yīng)。圖9-41a為單用戶的波速成形示意圖，圖9-41b為多用戶的波速成形示意圖。另外，802.11ac的探測并不于802.11n兼容。

5、MU-MIMO

802.11ac提出了一項新的技術(shù)，即多用戶的多輸入輸出(MU-MIMO)。相比于802.11n設(shè)備，在同一時間里，多條空間流只能發(fā)送給單個用戶來說，這一MU-MIMO技術(shù)意味著在802.11ac網(wǎng)絡(luò)中，多個用戶可以同時進行接收，如果單用戶吞吐是500Mbps的話，那么多用戶的總吞吐可以達到1Gbps。802.11ac變成無線網(wǎng)絡(luò)中的一個小交換機了。

MU-MIMO技術(shù)在真正部署上會是一項***挑戰(zhàn)的技術(shù)。在圖4所示的演示示意圖中，無線接入點為了給用戶1發(fā)送一個強波速(藍色)，需要在其它兩個用戶(用戶2和用戶3)上降低用戶1的能量，這個稱謂空操作，顯示為藍色的凹口。同理給用戶2發(fā)送時，需要在用戶1和用戶3方向降低用戶2的能量。這樣做可以達到對應(yīng)用戶所需信道的強信號，而降低對其他用戶的干擾。那么這種方法要求無線接入點需要準確知道自身到各用戶的信道情況，因而無線接入點必須持續(xù)檢測信道，增加開銷。同時用戶接受到的信號會夾雜著發(fā)往其它用戶的信號的干擾，使得無法達到***調(diào)制模式，特別是256-QAM會變得不適合。

圖8 MU-MIMO示意圖

MAC層

1、A-MPDU

802.11ac定義每個802.11ac的幀都是一個A-MPDU幀，即使這個A-MPDU僅僅包含1個MPDU。802.11ac的一個A-MPDU的大小可以達到1MB(1048575octets)，而802.11n僅僅64KB(65535octets)。

2、RTS/CTS

在802.11n中，RTS/CTS承擔著清道的任務(wù)，讓802.11a/g設(shè)備在其發(fā)送期間，停止傳輸，避免沖突。在802.11ac中，由于80Mhz使用更多的信道，因此需要提升RTS/CTS的機制來處理輔助信道上的通信沖突問題。改進后RTS/CTS同時支持“動態(tài)頻寬”模式。

在802.11ac傳輸之前，需要監(jiān)聽信道是否可用，在可用的情況下，802.11ac設(shè)備在所使用的80Mhz信道上發(fā)送RTS。這個RTS是使用802.11a幀格式的，在每個20Mhz的信道上傳輸(先在主信道上傳輸，同時復制3份填充整個信道，或復制7份填充整個160Mhz的信道)，同時這個RTS中攜帶有頻寬信息。所有主信道在這80Mhz中的802.11a/n/ac設(shè)備，都能接收到和解析這個RTS。那么接收端在接收到這個RTS時，會去判斷在這些20Mhz信道是否都可用，附近的設(shè)備有沒有在占用這些信道，然后根據(jù)這個判斷結(jié)果，在可用的信道上回復CTS，并且在CTS中報道可用的頻寬。***發(fā)送者在這些可用的頻寬上發(fā)送數(shù)據(jù)。這些可用的頻寬必須含有主信道。

“動態(tài)頻寬“—如果接收端發(fā)現(xiàn)一些信道特別忙，那么可以通告發(fā)送者不要用這些信道，發(fā)送端動態(tài)地回落到低一級的頻寬模式上。

802.11ac還去除了一些802.11n中沒有多大作用的東西，由于是VHT，那么無線幀結(jié)構(gòu)中自然要多了一些表達VHT信息的東西，因此幀結(jié)構(gòu)也會有一些改動。除了改動之外，802.11ac新增了NDPA、Beamforming report poll 兩種mac幀。