802.11--802.11ac协议

一. 概述

IEEE 802.11工作组在2013年发布了802.11ac（Wave1）标准，然后在2016年又发布了802.11ac Wave2版本，在Wave1的基础上做了一些改进与升级，本文不着重对比Wave1和Wave2的区别，而是将他们作为一个整体进行介绍。
　　802.11ac又称为VHT（Very High Throughput），WFA将其重命名为WiFi5，是第一个速率超过1Gbps的802.11协议；
　　802.11ac相对于802.11n的改动并没有非常大，更多的是对802.11n协议的加强，以及引入部分新的特性，主要从PHY、MAC两个维度简单概括一下802.11ac的新特性；

二. 专业术语

本小节对一些专业术语进行一个简要的说明，如下：
　　1. A-MPDU：aggregate MAC protocol data unit；
　　2. A-MSDU：aggregate MAC service data unit；
　　3. HT-GF-STF：High-Throughput Greenfield Short Training field；
　　4. HT-SIG：High-Throughput SIGNAL field；
　　5. HT-STF：High-Throughput Short Training field；
　　6. LDPC：low-density parity check；
　　7. L-LTF：Non-HT Long Training field；
　　8. L-SIG：Non-HT SIGNAL field；
　　9. L-STF：Non-HT Short Training field；
　　10. LTF：Long Training field；
　　11. MCS：modulation and coding scheme；
　　12. MIMO：multiple input, multiple output；
　　13. NDP：null data packet；
　　14. RIFS：reduced interframe space；
　　15. SPP：A-MSDU signaling and payload protected aggregate MAC service data unit；
　　16. STBC：space-time block coding；

三. PHY层

简单例举一下802.11ac协议中phy的新特性，主要包括如下：
　　1. 工作频段：仅工作在5G频段；
　　2. 支持3种工作模式：
　　　1) NON_HT：Non-HT format；
　　　2) HT_MF：HT-mixed format；
　　　3) 放弃了802.11n协议的HT_GF模式，增加了兼容性；
　　　4) VHT-mixed format，类似HT_MF模式，802.11ac协议新增的模式；

　　　简单了解一下VHT PPDU：
　　　　a) VHT-SIG-A分为两个部分：VHT-SIG-A1和VHT-SIG-A2，一共48bit，如下所示（详细参见《IEEE 802.11-2016》21.3.8.3.3 VHT-SIG-A definition章节）：

　　　　b) VHT-SIG-B字段是一个变长字段，不同的频宽、SU和MU PPDU下各字段的长度是动态变化的，如下所示：

　　　　Note：VHT-SIG-B字段每个20M频宽都发送一次，40M发送两次，80M发送4次，依次类推；
　　　　c) VHT PPDU的发送：前导码部分使用的bpsk rate 1/2（6Mbps）的速率发送，数据部分则是由VHT-SIG-A中指定的mcs发送，如下所示：

　　3. MIMO
　　　1) 改进SU-MIMO，最多可支持8条流；
　　　2) 支持MU-MIMO，一次可以同时和4个终端通信，但只支持DL MU-MIMO，上行方向并不支持；
　　4. 信道频宽
　　　1) 最大支持可选160MHz的频宽（包括80+80方式），此外还支持必选80、40、20的频宽；
　　　2) 相比于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，802.11ac中主信道、辅信道的设定和802.11n是一致的；
　　5. 更高阶的调试技术
　　　1) 引入256-QAM，每个OFDM符号可以携带8bit信息；
　　　2) mcs增加了两个：mcs8、mcs9，共10中mcs方式；
　　　3) 在802.11n协议和信道带宽、空间流数相绑定，总共定义了77个mcs，802.11ac不再和带宽、流数绑定定义mcs，进行了简化：只定义了mcs0~mcs9共10种mcs；
　　　4) 和802.11n相比，调制方式对比如下：

　　6. 多空间流：最多可以支持8条空间流，相比WiFi4增加了1倍；
　　7. 波束成形：简化设计，降低复杂度；
　　　1) 仅支持显式波束成形，不再支持隐式波束成形；
　　　2) 改进信道探测和反馈方式：信道探测使用空数据帧NDP，反馈信息由compressed V matrix组成，放弃了原来多种探测方式和多种反馈方式；
　　　Note：在802.11n显示波束成形中对信道的探测可以有两种方式：NDP(Null data packet，空包帧)和staggered preamble，反馈格式上有三种：CSI、Noncompressed beamforming和Compressed beamforming，在反馈的实时性上分为immediate和delayed两种；在802.11ac中仅支持NDP的探测方式，在反馈格式上只支持compressed V matrix，并采用immediate的方式。
　　8. 信道评估CCA：跟802.11n类似，有一些区别，方法由40M扩展到80M、160M：
　　　1) 主信道载波监听信号强度-82dBm，辅信道仅进行能量检测，信号强度：-69dBm或-72dBm（频宽不同而不同）；
　　　注意：
　　　　a) 能量检测的信号强度和11n有些不同，11n的能量检测信道强度是-62dBm；
　　　　b) 虽然11ac将能量检测信道强度降低了，但还是会存在主、辅信道检测不对称的情况，如果载波监听只需要-82dBm以上信号才认为信道忙，但实际却是-69dBm或-72dBm以上才认为繁忙；
　　　　c) 主、辅信道的检测要求的不对称，导致使用辅信道的条件比主信道低，这样更容易发送冲突：辅信道有人在发送数据，但能量未达到阈值，此时发送方认为空闲，就把数据发送出去了，但造成的冲突可能会导致接收方那边无法正确解码；
　　　2) 主信道采用传统的DCF/CDCA方式竞争信道，DIFS周期后进入随机退避计数；辅信道在退避计数为0之前，对辅信道进行能量检测，周期为PIFS；
　　　3) 以上方式竞争信道就会出现以下一些组合：
　　　　a) 主信道忙，所有辅信道也忙：此时不能发送数据，重新选一个随机时间再次检测整个信道（主信道+辅信道）；
　　　　b) 主信道忙，部分辅信道空闲：此时不能发送数据；
　　　　c) 主信道忙，所有辅信道空闲：此时不能发送数据；
　　　　d) 主信道空闲，所有辅信道也空闲：此时可以用主信道、所有辅信道发送数据；
　　　　e) 主信道空闲，部分辅信道空闲：此时就有两种选择，不发送数据（11n协议的静态绑定），或者使用主信道+主信道相邻的辅信道发送数据（11ac新引入的动态绑定）；
　　　　f) 主信道空闲，所有辅信道忙：这种情形跟上一种是一样的；
　　9. 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，去除了RIFS、L-SIG TXOP保护、PCO操作、Dual CTS等；

四. MAC层

MAC层也做了一些改进，主要是对802.11n协议的加强：
　　1. Enhanced RTS/CTS
　　　1) 最初是用于解决隐藏节点碰撞问题，后来被用于虚拟载波监听；
　　　2) 802.11ac则进一步改进，将其用于动态频宽（动态信道管理），80MHz的频宽下，可以通过RTS/CTS，探测哪些信道不可用，从而降低到40MHz、20MHz来发送数据；
　　　3) 协调机制
　　　　a) 在其使用的信道内以20MHz为单位的子信道内发送RTS，当信道带宽为80MHz时，再复制3份到其余60MHz的3个辅信道上；当信道带宽为160MHz时，复制7份到剩下的140MHz，这样做的好处：不管周边设备的主信道是80MHz或者160MHz信道中的任意20MHz都可以侦听到这个RTS报文，每个收到RTS报文的设备将虚拟载波侦听设为忙；
　　　　b) 收到RTS报文的设备会检测其主信道或者80MHz带宽内的其他子信道是否繁忙，如果信道带宽的一部分被使用，则接收设备只会在CTS帧内响应可用的20MHz的子带宽，并报告重复的带宽；
　　　　c) 在每个可用的20MHz带宽的子信道上回复CTS报文，这样发送设备就知道了哪些信道是可用的，哪些信道是不可用的，最终只在可用的子信道上发送数据，需要注意的是可使用的信道只能是连续的：80MHz、40MHz、20MHz，而不能是不连续：60MHz、不连续的40MHz；
　　2. Enhanced A-MPDU/A-MSDU；
　　　1) AMSDU：可选支持长度最大增加到11454 B，802.11n无直接限制，比HT MPDU的最大值（8192）稍小一点：7935 B；
　　　2) AMPDU：可选支持长度最大增加到11048575 B，802.11n为65535 B；
　　　Note：部分数据的长度如下所示

　　3. MU-MIMO
　　　1) 应答机制：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，如下所示：

　　　Note：其中第一个sta可以直接进行BA的应答，不需要BAR，但笔者一直没有找到第一个sta具体是指哪个：STA1、STA2、STA3？
　　　2) 队列控制：在AP竞争到信道后，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，前提是二级AC的长度不应超过主AC的长度，如下所示：

　　　Note：此处笔者也有类似的疑惑，接收端如何知晓哪个是主AC sta，因为主AC sta可以直接回复BA；

附：

华为《什么是802.11ac和802.11ac Wave2》一文中有一个和802.11n对比，笔者觉得非常不错，特意记录下来

五. 参考资料

1. 《IEEE 802.11-2016》;
　　2. 802.11ac技术解析：http://www.h3c.com/cn/d_201708/1018832_30005_0.htm;
　　3. 什么是802.11ac和802.11ac Wave2：https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100081210；
　　4. 深入探究802.11ac技术：https://www.mwrf.net/tech/communications/2012/7412.html；
　　5. 一文看懂802.11ac和802.11n的区别：https://www.21ic.com/article/822080.html；