802.11ac技术解析
文/聂树伟
——网络老爬虫（无线新技术专题）
1 802.11ac标准
如今，用户使用自己的智能终端设备上传照片、视频、欣赏在线电影等，这样的需求推动了WLAN网络在带宽、容量、性能等各个方面都快速的发展。IEEE 802.11工作组在2013年发布了802.11ac的标准，802.11ac（VHT，Very High Throughput）是基于5G频段的802.11n(HT, High Throughput)技术的演进版本，通过物理层、MAC层一系列技术更新实现对1Gbps以上传输速率的支持，它的最高速率可达6.9Gbps，并且支持诸如MU-MIMO这样高价值的技术，能够更好的满足用户的需求。实际在2013年以前，许多WLAN设备厂商已经基于802.11ac的Draft版本推出了相应的设备，802.11ac技术很早就得到了应用。
2 802.11ac对比802.11n，做了哪些改变？
802.11ac协议对比于802.11n，其关键技术的演进见图1所示：
图1 802.11n与802.11ac
图1列出的，802.11ac对比于802.11n，在信道带宽、调制方式、空间流数目以及MIMO模式等都有了较大的改进，下面我们会详细介绍。
3 802.11ac实现高速的决定因素
802.11ac的最大特点就是发送速率快，理想条件下，可以达到6.9Gbps，而在一般条件下，80M带宽，单个VHT STA的性能可以大于500Mbps，多个VHT STA的性能可以大于1Gbps；为了实现如此高速，802.11ac主要通过三个技术手段来实现：更高的信道带宽（80MHz、160MHz）、更高的速率调制方式（256-QAM）和更多的空间流NSS（8 Spatial Streams)。
3.1 802.11ac的信道绑定
在802.11n协议中，可以将两个相邻的20MHz子信道绑定在一起作为40MHz信道使用，通过这种简单的方法获得两倍于单个信道的效果。而802.11ac进一步扩展了此机制：两个相邻的20MHz子信道绑定为一个40MHz的信道，两个相邻的40MHz子信道绑定为一个80MHz的信道，两个80MHz子信道绑定为一个160MHz的信道（160MHz和80MHz+80MHz）。由此可见，信道绑定需要足够的频谱资源，所以802.11ac只工作在5GHz频段，并且信道绑定的前提是要符合当地的频谱管制，例如中国，为了适应802.11ac的信道带宽绑定机制，新开放了5150-5350MHz(Channel 36-64)频段，加上原来的5735-5835MHz(Channel 149-165)频段，可以提供3个80MHz信道。
图2 802.11ac可用信道-中国
在802.11ac中，准确描述一个设备的工作信道模式需要如下四个要素：当前工作带宽、当前工作中心频率1、当前工作中心频率2（仅限于80+80模式）和当前的工作信道（即主信道，802.11ac中主信道、辅信道的设定和802.11n是一致的）；对比于802.11n，没有了信道向上、向下绑定的概念，而是以中心频率代替。但是由于802.11ac是兼容802.11n的，所以如果在网络中使用的是40M带宽，例如，一个802.11n的客户端连接在了802.11ac的射频上，那么对于客户端来说，还是有信道绑定方向的，而且也必须符合802.11n协议的要求，这一点并不冲突。
3.2 MCS：Modulation and Coding Scheme
MCS，即Modulation and Coding Scheme（调制编码表），在802.11n协议中定义了77个MCS，并且和信道带宽、空间流数相绑定；而802.11ac协议进行了简化处理，只支持10个MCS（0-9），并且不再与信道带宽、空间流具有绑定关系。如图3，是802.11ac中的MCS设置：
图3 802.11ac MCS编码率
802.11ac协议支持使用256阶正交振幅调制（256-QAM），每个Symbol可以携带8bit数据，而802.11n最高支持64阶正交振幅调制（64-QAM），每个Symbol可以携带6bit数据，这样在调制方式上可以将数据速率提高1.33倍。但是，在相对较差的环境下，这种高调制会由于误码率的增加而达不到预期的效果，所以256-QAM要求射频具备更高的灵敏度和更小的干扰，需要在信道条件好的状况下使用。
3.3 更多的空间流
802.11ac协议引进了8x8 MIMO的概念，也就是说最多支持8条空间流。 而在802.11n协议中最大支持的是4x4 MIMO（目前主流实现是2x2 MIMO），因此802.11ac在设备的发送/接收空间流上有了很大的提升。
但是，我们需要正确认识NSS=8的意义，因为无线终端STA的天线数量往往是有限的，比如Phone/Pad，大多一根天线；USB无线卡/部分PCIE无线网卡，可能只有2根天线；其他高性能无线网卡3- 4根天线。 所以，单纯增加AP侧的天线和支持的空间流数量，是没有意义的。802.11ac的8条流，需要和802.11ac中的另一个重要改进MU-MIMO组合在一起，才能真正发挥作用，这一 点我们在下文的MU-MIMO中还会介绍。
4 802.11ac最有价值的特性：多用户传输
任何技术的发展都不是一蹴而就的，802.11ac也是这样，在其WAVE1版本中包含了一些基本技术，而在WAVE2版本中包含了一些增强功能，最激动人心的就是MU-MIMO了。MU-MIMO（Multi-User MIMO），即多用户多入多出技术，即一个802.11ac AP可以同时与多个支持MU-MIMO的用户终端通信，这里的同时是绝对时间点上的同时，数据是并行的。
4.1 MU-MIMO
MU-MIMO，简单的说就是设备依赖于预先学习到的信道状况信息，精确的进行数据发送，在同一时刻通过不同的Stream（天线），向不同的无线终端并发的发送数据，各个接收终端感知不到其它终端数据的干扰，都能够同时接收。
MU-MIMO配合802.11ac支持的NSS=8，使得AP增加流数更具实际意义。如图4所示：
图4 MU-MIMO：AP和多个STA同时通信
80M模式，2×2的Station单个速率为866.7Mbps；如果采用MU-MIMO技术，8根天线同时向4个Station发送数据，则等效速率866.7×4=3.46Gbps，对比于802.11n的SU-MIMO(Single User-MIMO)提高了4倍。
802.11ac的 MU-MIMO，依赖于Beamforming来预先学习信道状况。802.11ac最多支持8条空间流，最多并发向4个Station发送数据，每个Station最多发送4条空间流。向不同的Station发送时，可以使用不同的流数、编码方式，但必须使用相同的MCS。
4.2 MU-MIMO的应答机制
802.11ac的MU-MIMO只工作在下行链路上，AP可以同时与几个Station通信，但是上行方向不允许使用MU-MIMO，只能独立地传输。802.11ac中传输的是聚合帧，使用BLOCK ACK进行确认。AP在竞争到信道后发送Multi-User数据帧，并向三个Station独立地请求BLOCK ACK确认及接收应答，图5所示（其中第一个Station可以直接进行BLOCK ACK的应答）：
图5 MU-MIMO的应答机制
4.3 MU-MIMO与队列控制
MU-MIMO对于802.11e（WMM）的支持和802.11n是一样的，支持语音、视频、尽力而为和背景4种队列，但是MU-MIMO的排队机制更加复杂，因为MU-MIMO允许在传输高优先级报文的时候“搭车”传输低优先级报文给不同的接收端。例如，MU-MIMO允许AP向一部手机传输语音流的同时，向其他设备发送低优先级数据流。
在AP竞争到介质后，就可以开始一次MU传输。在SU-MIMO中，向手机传输语音流的时候，其他的设备必须等待，在MU-MIMO中，可以同时向其他的设备传输低优先级报文。促使AP竞争到介质访问权的接入类（AC）叫做主AC，其他的AC就叫做二级AC，二级AC可以搭便车向其他接收端传输数据流。
如图6，假定四种AC中都有报文需要发送，语音队列中STA3的优先级最高，竞争到了信道，开始一次多用户传输。在SU-MIMO中，只有STA3的流可以发送。在MU-MIMO中，其他的二级AC，例如Video/BE/BK中的报文也可以搭车发送，前提是传输的时间不能超过主AC的时间。图中Video AC中的STA2的数据流加上BE AC中STA1的流量时间不超过主AC STA3的流量时间，可以搭便车发送。而BK AC中的STA4的队列，因为时间不够了，就不能搭便车。
图6 MU-MIMO队列使用
4.4 MU-Beamforming
Beamforming简单的说就是一种可以将无线信号定向集中在客户端所在方位的一种技术，能够提升信噪比，降低对其他方向的干扰，如图7所示： 
图7 Beamforming效果显示
Beamforming技术在802.11n之前就存在，802.11n协议将其引入并定义了几种复杂的模式，由于实现相对复杂，很多802.11n产品都选择不实现任何一种；802.11ac为了避免这种情况，简化了Beamforming的机制，只支持Null Data Packet（NDP）Explicit Beamforming这一种模式。由于802.11n的SU-MIMO特性，我们称相对应的Beamforming为SU-Beamforming，而在802.11ac中，我们称之为MU-Beamforming，是实现MU-MIMO的基础。
802.11ac采用Explicit方式的Beamforming，要求Beamformer（发送端）和Beamformee（接收端）都需要支持Beamforming特性，一个设备可以同时作为Beamformer和Beamformee。下图是简化的交互过程，Beamformer要发送数据，于是先发送帧测量信道信息，根据测量结果来调整波形。
图8 Beamforming的工作过程
Beamforming依赖信道校准过程来发现如何把信号集中到一个特定方向，同时减弱无关区域的信号，这个过程在协议中称为Channel Sounding。其基本步骤简单描述如下：
1，Beamfomer传输一个Null Data Packet Announcement帧来获取信道和探测Beamformee，Beamformee会响应NDP帧。
2，Beamformer紧随NDP通告帧传输一个空数据帧，Beamformee可以分析OFDM的训练域并计算信道响应和“Steering Matrix”。
3，Beamformee分析收到的NDP，并回馈自己计算的“Matrix”
4，Beamformer收到NDP并计算出去往Beamformee方位的“Steering Matrix”。
有了“Steering Matrix”（简单的理解就是：Beamforming技术通过信道测量得到的如何向接收方定向传送数据的机制，即如何调整、组合发送方的天线参数能够使传输的方向更加精确，传输的距离更远），Beamformer就可以发送出经过调整的波形。Channel Sounding功能需要占用一定的介质时间，如果Beamforming带来的增益不能弥补信道侦测带来的开销，那么就会降低网路的效率。
802.11n支持的SU-Beamforming工作过程如图9所示：
图9 单用户信道校准流程
802.11ac中，MU-Beamforming的Channel Sounding流程过程如图10所示：
图10 多用户信道校准流程
从图示中我们可以看出，在802.11ac中主要做了如下改变：
1、第一个Beamformee不需要 Beamforming Report Poll来获取Feedback Matrices，第二个和第三个必须要用。收到多个响应后，Beamformer生成“Steering Matrix”。
2、相比单用户Beamforming，多用户Beamforming中STA Info字段可以有多个，接收地址是广播地址。
当然，为了支持MU-MIMO，在原有802.11n的基础上还有一些细节的改变，如PLCP层改变了VHT-SIG-A字段的格式，以标识到每个客户端的具体流数，Compressed Beamforming Action帧中使用扩展信息标示了一些比SU-MIMO多出的必要的信息等，这里不一一介绍实现细节了。
5 802.11ac MAC层的改变
802.11协议每次技术升级都会涉及到物理层和MAC的改变，如802.11到802.11n；本次从802.11n到802.11ac也是如此，只不过MAC层的改变相对较少。
5.1 A-MPDU：所有的报文传输都走聚合流程
在802.11n协议中定义了两种报文聚合方式：A-MSDU和A-MPDU；同时在进行报文传输的时候可以聚合，也可以不聚合；聚合报文长度是随机的，通过Duration字段来限定。而802.11ac协议规定每个PPDU的传输都是一个A-MPDU，即使这个A-MPDU中只包含了一个MPDU，这样就不用再区分报文是否聚合，简化了流程，我们可以称这种实现为802.11ac加强的A-MPDU流程。
同时，802.11ac提高了单个A-MPDU聚合帧的大小到最大1,048,575字节（802.11n最大65,535字节），这样就能够更好的配合802.11ac的物理层高速传输，802.11ac每次传输报文的长度强制要求为OFDM Symbol携带的bit数的整数倍，如果不满足要求，则使用Null Frame填充最后一个OFDM Symbol。
5.2 MAC层：Enhanced RTS/CTS
在802.11n协议中，设备依靠发送RTS/CTS帧来宣告传输的意向，通过此机制让附近的WLAN设备感知到信道正在使用中，从而避免冲突。而在802.11ac中，由于可以使用更大的频宽，即可用的信道数量非常有限，所以如何发现辅信道上存在的隐藏节点变得更加重要；为了解决这个问题，802.11ac协议定义了增强的RTS/CTS机制，用来检测任何一个辅信道是否被不同的数据传输所占用，即RTS和CTS支持“动态频宽”模式。在此模式下，假如部分频带已被占用则只在主用信道上回应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。这将对降低隐藏节点的影响有所帮助。无论怎样，最终的传输频宽总是包括主用信道在内。
802.11ac协议规定，使用RTS评估带宽的时候，需要改变传送报文的地址域中的TA域的个人/组位，将此位从0变为1。 如图11所示：一个802.11ac的设备占用80MHz的带宽，在数据传输之前需要确认这个80MHz的带宽是可用的，于是在其工作的主信道161上发送RTS帧，同时在其他三个20MHz子信道149、153和157发送此RTS的复制帧（如果是160MHz的带宽，RTS将有7个复制版本）；接收方会根据自己信道的实际情况来回应CTS帧，这样设备就会知道信道的使用情况，从而决定数据传输应该使用的实际带宽，即80MHz-40MHz-20MHz-退避。图示中第一个设备会使用80MHz带宽，而第二个则会降低带宽到40MHz来传输数据。
图11 802.11ac带宽预约
在802.11n中，一些看起来比较有用，但是实际可能由于实现起来比较复杂、或者带来的增益有限、或者有更好的方案替代等，总之没有或者很少在实际中被广泛应用的特性，在802.11ac中都被舍弃了，例如RIFS、L-SIG TXOP保护、PCO操作、Dual CTS等。
6 如何部署802.11ac网络？
802.11ac协议在2013年正式发布，目前已经在企业和家庭被广泛应用，802.11ac能够为多个用户提供全高清的视频、支持更大的用户密度以及更好的QoS服务。
6.1 如何规划信道
由于802.11ac扩展的信道绑定机制，决定了我们在使用802.11ac网络的时候需要更好的规划信道。一个802.11ac的设备是如何选择发送带宽的呢？设备会尝试以高带宽来发送数据，如果高带宽的Secondary Channel忙，则用较低带宽Primary Channel发送，如果Primary信道忙，则无法调整带宽，只能进行退避，即降低带宽发送，原则为80MHz-40MHz-20MHz，或者退避等待；同时，802.11ac协议提高了80MHz（160MHz）带宽情况下的信道CCA阈值，保证了检测更加严格。这样我们就可以实现设备在相互重叠的信道内使用不同的主信道传送数据。
例如，两个设备（AP）工作在80MHz模式（信道149-161），信道重叠（一个主信道是149，一个设备主信道是157），这样对于连接在两个设备上的802.11n终端（40MHz），就可以无影响的传输数据，而对于802.11ac终端（80MHz），可以根据实际使用情况来选择合适的带宽，使用80MHz或者降低带宽到40MHz模式无影响的传输数据。见图12：
图12 802.11ac重叠信道使用
6.2 无需考虑的兼容性
802.11ac协议实现了完全向下兼容，即在802.11ac网络中，各种类型的终端都可以正常的工作而不会相互影响，这得益于802.11ac协议定义的帧格式。见图13，802.11ac PPDU的PLCP头，是802.11ac为了完全兼容之前的802.11a、802.11n而设计的（能够被各种类型的终端所识别），并且只有这一种格式。
图13 VHT PPDU格式
因为前导码的兼容，对于802.11ac设备，在传输数据之前，并不需要先传输RTS/CTS和CTS-to-Self帧。类似于存在802.11b设备时，发送802.11g数据包的低效率问题，已经完全在5GHz避免了。
6.3 广泛支持802.11ac的终端设备
802.11ac协议在2013年正式发布之后，各终端厂商都已经推出了自己支持802.11ac的产品，如传统无线终端厂商Intel、ASUS、D-Link、Netgear等，智能终端厂商APPLE、HUAWEI、XIAOMI等，都有了支持802.11ac的产品。
你就只给我个表情