【802.11ac专栏】江湖武功，唯快不破。对于无线而言，速度一直是大家追求的关键指标。相比较其他指标，速度更容易理解，且更容易体验，这也是802.11ac备受青睐的重要原因。本期将深入讨论信道优化技术以及与之相关的改进点。

文/高峰

“最高理论接入速率6.9Gbps，商用产品最高接入速率1.3Gbps，实际测试速率高达860Mbps，手机测试的速率也达到了270Mbps……”，这一切都预示着802.11ac协议标准的产品注定要扮演速度颠覆者的角色。众所周知，802.11n的最高速率也可以达到300Mbps或450Mbps，但是由于802.11n的设备大部分是针对2.4GHz频段设计，而2.4GHz频段的可用信道较少（20MHz频宽模式下有3个可用信道，40MHz频宽模式下只有1个可用信道），加上还有很多非Wi-Fi设备工作在2.4GHz频段带来的干扰，即使协商的连接速率达到300Mbps或450Mbps，但实际的吞吐量依然很低。相比之下，专门为5GHz频段设计的802.11ac则在频段资源上有着天然的优势，同时它借鉴了802.11n的优点并进一步优化，拥有了独特的信道技术和更加细致的射频技术，这些铸就了802.11ac的极致速度。下文将从实际应用的角度一一解析其高速之源，其中包括信道化技术、波速成形、MU-MIMO、RTS/CTS机制等。

一、信道化技术

由于5GHz可以提供更多的信道和更宽的频宽，所以802.11ac 将信道频宽由802.11n的20MHz和40MHz提升到了80MHz和160MHz。频宽的提升带来可用数据子载波的数量的提升，40MHz频宽模式下，可用子载波数量只有108个，而80MHz频宽下可用的子载波数量达到234个，达到2.16倍的增速。当然这一提升也带来一点小小的副作用，因为需要将相同的传输功率分隔到多出来的子载波上，这样信号的覆盖范围会稍稍减小，但是总的来说，相比较速率的提升而言，这是可以接收的。

而在信道化方面，802.11ac依然沿用了802.11n简单有效的做法。就如802.11n将相邻的两个20MHz合并为40MHz的做法一样，80MHz就是通过相邻的两个40MHz合并而来。80MHz必须使用相邻的40MHz来合并，而且80MHz之间相互没有交叉重叠。由于通过连续的80MHz合并得来的160MHz少之又少，所以160MHz可以使用不连续的80MHz来获得，就是80MHz+80MHz模式（如图1所示）。

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图1. 信道化示意图

40MHz频宽中有主信道和副信道（也就是第二个20MHz信道）之分，在80MHz中依然也是有区分的。在80MHz频宽的信道中，必须选一个20MHz作为主信道，这个主信道所在的40MHz信道中，剩余的20MHz信道称为副（第二）20MHz信道，而不包含这个主信道的40MHz称为副（第二）40MHz信道（如图2所示）。

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图2. 信道命名示意图

那么信道频宽的增加是否意味着更少的可用信道和更多的信道冲突呢?其实是不会的。在5G频段，我国已经开放的有5725MHz~5825MHz和5150MHz~5350MHz两个频段，不同于802.11n协议的是，802.11ac协议支持重复部署，允许两台设备同时部署在同一个80MHz频段上，其中一台将其主信道部署在低40MHz频宽上，另外一台部署在高40MHz频宽上，所以即使两台同时传输，仍然可以保证可用无冲突的40MHz频宽。

另外，在80MHz频宽上传输，802.11ac增强的RTS/CTS机制（下文有详细描述）可以很好的协调802.11ac与802.11a/n设备之间的信道占用情况。当802.11a/n的主信道处于802.11ac部署的80MHz频宽内，如果重叠的部分不是在含有主20MHz的40MHz频宽上，802.11ac可以动态降级到40MHz模式，会获得相应40MHz频宽对应的吞吐。如果重叠的部分在含有主20MHz的40MHz频宽上， 802.11ac与802.11a/n将通过竞争获取信道的使用权，假设占用机会各50%，802.11ac将有一半时间使用80MHz来发送，获取一半的吞吐量。

因此，信道化技术一方面提升了子载波的数量，使得传输的数据量增大；另一方面，独特的信道划分和工作机制让可用信道和信道冲突得到控制，从而使得在部署中的难题得以解决，让802.11ac的高速更贴近实际。

二、波速成形

任何使用多天线的设备都能够在任意时间内对任何设备进行波速成形。在802.11ac协议中，定义了一种探测协议(VHT Sounding protocol)。该协议可以让接收端有机会帮助发送端更好地进行波速成形工作。

该协议规定Beamformer(波速成形发送端)通过发送NDPA(空数据包通告)来初始化波速成形序列。在NDPA中，Beamformer 在NDPA中为每个Beamformee(波速成形接收端)添加了STA信息字段，同时在该STA信息字段设置了相应STA的AID信息，这是为了让每个Beamformer能够准备接收压缩的VHT波束成形帧，NDPA帧至少包含一个STA信息字段。VHT-NDP报文会紧跟着NDPA发送，中间仅仅间隔一个SIFS。NDPA后只能是SIFS+VHT-NDP帧，不能是其他帧。如果NDPA包含不止1个STA字段，那么NDPA必须以广播方式发送，即RA(Receiver Address)必须是广播地址，否则将以单播发送，RA为接收端地址。每个预定的接收者使用VHT NDP的前导符测量从无线接入点到自己的射频信道，并压缩信道。第一个预定接收者立刻使用VHT压缩波速成形帧内的压缩信道信息进行响应，其他预定接收者等待轮询响应（如图3所示）

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图3. 波速成形示意图

波速成形在802.11n时代仅仅是无线接入点单向的工作，并没有终端配合机制，效率相对较低；通过探测协议的优化，使终端参与了波速成形的工作，从而提高信息交互的效率和准确性，让数据传输速率更快。

三、MU-MIMO

MU-MIMO，即多用户的多输入输出，这是802.11ac提出的一项新技术，也是相比802.11n最具有创新性的一项技术，其技术原理如下。

如图4所示，无线接入点为了给用户1发送一个强波速（蓝色），需要在其他两个用户（用户2和用户3）上降低用户1的能量，显示为蓝色的凹口。同理给用户2发送时，需要在用户1和用户3方向降低用户2的能量。这样做可以达到对应用户所需信道的强信号，而降低对其他用户的干扰。通过这一机制，可以实现多终端同时工作，从而解决以往在无线部署过程中历史难题——同一时间只有一个终端能工作。但是同时，MU-MIMO也引入了新的问题。我们知道，这种方法要求无线接入点准确知道自身到各用户的信道情况，因此无线接入点必须持续检测信道，这必然会增加部分开销。同时用户接收到的信号会夹杂着发往其他用户的信号的干扰，导致无法达到最高调制模式，特别是256-QAM调制会变得不适合（不过实际应用中也很少采用此调制方式）。

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图4. MU-MIMO示意图

总的来说，MU-MIMO技术虽然增加了部分新的开销和干扰，但是因为支持多终端同时通信，使得整个无线网络的实际带宽大大增加。这就意味着在802.11ac网络中，多个用户可以同时进行接收，如果单用户吞吐是500Mbps的话，那么多用户的总吞吐可以达到1Gbps，这样802.11ac设备就变成无线网络中的一个小交换机了。

四、RTS/CTS机制优化

在802.11n协议中，RTS/CTS承担着“清道夫”的任务，让802.11a/g设备在其发送期间，停止传输，避免冲突。在802.11ac协议中，由于80MHz使用更多的信道，因此需要提升RTS/CTS的机制来处理辅助信道上的通信冲突问题。改进后RTS/CTS同时支持“动态频宽”模式。

在802.11ac设备传输之前，需要监听信道是否可用，在可用的情况下，802.11ac设备在所使用的80MHz信道上发送RTS。这个RTS是使用802.11a帧格式的，在每个20MHz的信道上传输(先在主信道上传输，同时复制3份填充整个信道，或复制7份填充整个160MHz的信道)，同时这个RTS中携带有频宽信息。所有主信道在这80MHz频宽中的802.11a/n/ac设备，都能接收到和解析这个RTS。那么接收端在接收到这个RTS时，会去判断在这些20MHz信道是否都可用，附近的设备有没有在占用这些信道，然后根据判断结果，在可用的信道上回复CTS，并且在CTS中报道可用的频宽。最后发送者在这些可用的频宽上发送数据，这些可用的频宽必须含有主信道。如果接收端发现一些信道特别忙，可以通告发送者不要用这些信道，发送端将动态地回落到低一级的频宽模式上。

这一小小的改变看似对于速度的提升没有作用，但是在实际无线使用中，特别是高密部署情况下，可以有效减少冲突，从而使得多用户间的通信更加流程，从而提高整体无线速率。

五、结束语

本文着重介绍了802.11ac中与实际部署密切相关的几个关键技术的工作原理以及RTS/CTS机制的改进，更深入的解析了802.11ac速率的本质。可以说，802.11ac高速率的主要原因是MIMO空间流数量的增加和更多信道的绑定，但是在实际环境中，其高速率更多的取决于本文介绍的几个细节技术。这些技术将会在802.11ac的推广过程中，越来越受到重视，也许会成为WLAN部署中一些历史遗留问题的终结者，让我们一起拭目以待。