1. 802.11ax關鍵技術簡介

802.11ax協議（也稱Wi-Fi 6，Wi-Fi 5指802.11ac）是為了滿足高密度場景下用戶速率和體驗需求而提出的。類似于3GPP 5G NR中的eMBB應用場景，其目的是提升高密集場景的用戶速率，從而獲得更好的用戶峰值數據體驗。2013年3月TG（Task Group）工作組成立，2014年開始研究802.11ax標準，2016年提出802.11ax的初始草案，并于2019年正式發布標準。

表1. 802.11ax的物理層參數相對于前兩代技術的主要不同點

相對于前幾代的技術，802.11ax的新增功能特點主要有如下：

(1). 擴展了信號的覆蓋范圍。由于802.11ax標準每符號持續時間從原來的3.2us提升到12.8us，更長的發送時間可降低終端丟包率和抗多徑衰落；此外802.11ax最小可僅使用2MHz頻寬進行窄帶傳輸，有效降低頻段噪聲干擾，提升了終端接受靈敏度，增加了覆蓋距離。

(2). 調制方式增加1024QAM，提出MCS10和MCS11這兩種高階編碼組合，單流空口吞吐量提升。802.11ac采用的256QAM，每個符號傳輸8bit數據（28=256）。802.11ax采用1024QAM，每個符號位傳輸10bit數據（210=1024）。從8到10的提升是25%，也就是相對于802.11ac來說，802.11ax的單條空間流數據吞吐量又提高了25%。空口吞吐量=1/(符號+保護)時間×編碼效率×調制階數×有效子載波數量=1/(12.8us+0.8us)×5/6×10×980≈600Mbit/s

(3). 最大空間流數量8，同時引入上行MU-MIMO。相比于802.11ac協議，上行不一定再需要獨立對單個節點的數據進行傳輸，上下行都可以使用MU-MIMO模式。

圖1. 下行MU-MIMO 上行MU-MIMO

(4). 效仿3GPP LTE，11ax引入了OFDMA多址技術，將最小的子信道稱為“資源單位（Resource Unit，簡稱RU）”。不同的用戶使用不同的RU進行數據通信，從總的時頻資源上來看，每一個時間片上，有多個用戶同時發送，信道的利用率得到了提高。

圖2.OFDM和OFDMA實現多用戶接入示意圖

(5). 802.11協議是采用載波偵聽沖突檢測（CSMA/CA）作為MAC層的協議，這表示在同一個時間只有一個無線電設備可以在網絡上進行傳輸。如果一個802.11終端檢測到另外一個802.11終端的傳輸信號(即PHY層的Header)，其會推遲傳輸。

類似于WCDMA中區分基站的擾碼，802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識別機制，叫BSS Coloring著色機制，在PHY報文頭中添加BSS color字段對來自不同BSS的數據進行“染色”，為每個通道分配一種顏色，該顏色標識一組不互相干擾的基本服務集（BSS），接收端可以及早識別同頻傳輸干擾信號并停止接收，避免浪費收發機時間。如果顏色相同，則認為是同一BSS內的干擾信號，發送將推遲；如果顏色不同，則認為兩者之間無干擾，兩個Wi-Fi6設備可同信道同頻并行傳輸。以這種方式設計的網絡，那些具有相同顏色的信道彼此相距很遠，它們之間也不太可能會相互干擾。

圖3. 同信道干擾擁塞 同信道在顏色相同時才干擾擁塞

(6). 協議兼容性：802.11ax要求與以往的802.11a/b/h/n/ac都進行兼容。802.11ax協議向前兼容802.11n和802.11a，因此其幀格式里面，除了數據之外的前導，包含兼容802.11n的常規前導和11ax的高效前導。常規前導包含L-STF（短訓練字段）、L-LTF（長訓練字段）和L-sig字：

1) L-STF主要用于數據同步；

2) L-LTF主要用于粗頻偏估計；

3) L-sig里面則包含一些用戶和幀的數據。L-sig一個很重要的作用就是區分常規幀和802.11ax幀，L-sig重復則表示802.11ax幀，反之則是常規幀，它還有一個重要的作用就是告訴基站發射機的編碼方式和幀長。

2. 802.11ax時域幀格式

802.11ax根據不同的用途，時域可以分為4種幀格式。這四種HE PPDU（Presentation Protocol Data Unit，表示協議數據單元）包括HE SU-PPDU（單用戶）、HE MU-PPDU（多用戶）、HE Extended Range SU-PPDU（擴展的單用戶協議）以及基于Trigger的HE PPDU。高效的前導則包含HE-SIG-A、HE-SIG-B（可選）、HE-STF和HE-LTF。其中HE-LTF主要是用來做信道估計和MIMO檢測。

單用戶的HE PPDU幀格式定義如圖4所示，與擴展的HE Extended Range SU-PPDU不同的是該格式的HE-SIG-A不會重復。

圖4. HE SU-PPDU幀格式

多用戶的HE PPDU幀格式定義如圖5所示，該PPDU格式不是Trigger幀的響應，而且還應該包括一個HE-SIG-B字段。

圖5. HE MU-PPDU幀格式

HE Extended Range SU-PPDU幀格式如圖6所示，作為HE SU-PPDU的擴展版本，它的HE-SIG-A長度變成了以前的兩倍為16us，實際上是對HE-SIG-A做了重復。

圖6. HE Extended Range SU-PPDU幀格式

基于Trigger的HE PPDU幀格式如圖7所示，這種格式主要作為Trigger幀的相應，與HE SU-PPDU不同的是它的HE-STF的持續時間變成了8us而非4us。

圖7. 基于Trigger的HE PPDU幀格式

總結各字段具體的功能見表2。

表2 幀格式各字段含義和功能

3. 802.11ax頻域資源單位

OFDMA頻率資源分配是資源單位(RU)，可以包含26、52、106、242、484或996數量的子載波。因此802.11ax中最小RU為包含26個子載波的2MHz帶寬。除了信道中央位置的直流載波，資源單位是相鄰和連續的。26，52，106，242，484和996 RU的位置依賴于信道帶寬的資源單位，如圖8所示(20MHz和40MHz)。其中藍色部分是有效子載波，其它顏色是導頻（橙黃色）、直流（DC）和無效子載波（edge）。資源單位雖然本身是固定的，但可以有不同大小的RU的混合組合。

圖8. RU在20MHz和40MHz帶寬信號中的位置示意圖

表3. 不同帶寬信號包含的RU數量

4.下一代EHT（Wi-Fi 7）熱點技術介紹

隨著4k和8k視頻等更先進技術的出現，吞吐量需求將持續增長到幾十Gbps。同時，要求高吞吐量和低延遲的新應用程序也在大量涌現。其中，AR（Augmented Reality）/VR（Virtual Reality）、游戲、遠程辦公和云計算等傳輸場景對吞吐量和延時的要求最為嚴格。2018年5月，IEEE成立了極高吞吐量（Extremely High Throughput，簡稱EHT）無線局域網WLAN課題興趣小組（Topic Interest Group，TIG），開啟下一代Wi-Fi 7的研究工作,主要針對峰值吞吐量提升和時延改進。目前EHT的研究趨勢主要有以下關鍵技術：

(1). 320M帶寬和更高效的非連續頻譜利用率

802.11ax已經覆蓋了6GHz頻段，利用6GHz頻段傳輸是提升峰值吞吐量的途徑之一。6GHz頻段在5.925GHz和7.125GHz之間，可用帶寬是5GHz的兩倍，320M大帶寬被引入為AP在6GHz上的可選特性，160M為6GHz上的必選特性。雖然6GHz的引入能夠明顯提升系統吞吐量。

(2). 16空間流和增強的MIMO技術

802.11ax使多天線AP能夠通過多用戶MIMO在空間上復用最多8個下行和上行設備。業界認為有必要進一步提高AP的空間復用能力，容納最多16個空間流。空間流數提升至原來的兩倍可使EHT頻譜效率提升兩倍。這種空間復用增益會受到信道探測開銷的影響，而信道探測過程對于獲取準確的信道狀態信息(channel state information，CSI)至關重要。

(3). 更高階的調制方式

802.11ax中最高調制等級為1024QAM，EHT可能采用更高階的調制等級，如4096QAM，它可以在11ax的基礎上增加20%左右的最大吞吐量，只能應用于波束形成的情況下。為了獲得更好的性能，可以考慮非均勻星座，但接收機復雜度較高。

5. 802.11ax發射測量項目

5.1 發射平均功率

該測試項很好理解，主要測試11ax設備發送信號的最大功率。由于最大容許功率是由國家和地區的法規規定，因此必須參考目的地的相關法規。此外，有些11ax設備在首次嘗試與對應產品連接時會輸出最大功率，因此需要從連接嘗試開始時測量發射功率。11ax信號在時域上通常是突發信號。因此，在使用信號與頻譜分析儀進行測量時，需要使用觸發和時間門。本文使用R&S的FSW進行測量，測量結果如下圖9中mean power所示的平均功率。

圖9.平均功率和載波泄漏測試結果

5.2 頻譜發射模版

802.11ax設備需要滿足不同頻率偏離發射信號的中心頻率時允許的輸出電平，稱為頻譜發射模版，用x軸上的頻率和y軸上的功率表示。頻譜儀測量802.11ax頻譜發射模板需要使用100kHz分辨率帶寬(RBW)和7.5kHz視頻帶寬(VBW)。20MHz、40MHz、80MHz、160MHz的頻譜發射模版要求如圖10所示。頻率軸上的相對于載波的位置A、B、C、D的值如表中所示。模版幅度以相對值dBr或dB為單位，即相對于信號的最大譜密度。使用R&S的FSW進行測量，測量結果如下圖10所示。

圖10.頻譜發射模板測試要求和結果

5.3 發射載波頻率誤差、符號時鐘頻率誤差

載波頻率誤差主要評估發射中心頻率（載波頻率）誤差是否超出了標準所確定的誤差范圍。當中心頻率超過誤差時，可能超過接收信號的容忍能力，并且可能因為鄰道重疊而出現信號互擾。

符號調制周期的倒數值稱為符號時鐘頻率。隨著此誤差增大，發送和接收端之間的時序會錯開，從而使接收變得困難。頻率誤差都以ppm（百萬分之一）為單位表示。使用R&S的FSW進行測量，測量結果如下圖11中center frequency error和symbol clock error所示。

圖11.載波頻率誤差、符號時鐘頻率誤差測試結果

5.4 發射機本振泄漏

由于低成本的發射機幾乎都采用直接上變頻的方式，該測試項測量發射機的本振泄漏。如果本振泄漏功率太高，接收設備內接收器部分中的LNA（低噪聲放大器）或接收器元件可能會出現飽和，從而可能影響接收性能。802.11ax規范要求測量本振泄漏采用的分辨率帶寬為78.125kHz，本振泄漏的功率不應超過-20dbm或每天線發射功率減去32 dB中的最大值。圖12中的給出了該測試項的要求。測試結果如圖9中的IQ offset結果所示。

圖12.載波頻率誤差、符號時鐘頻率誤差測試結果

5.5 發射機頻譜平坦度

該項測量OFDM子載波的平均功率，以保證功率偏差在規定的范圍內。頻譜平坦度測試通過測量一個子載波范圍的平均能量，來驗證在這個范圍內沒有任何子載波的能量偏離超過指定的值。

下圖13給出了不同帶寬頻譜平坦度規范。例如測量20MHz帶寬的頻譜平坦度，子載波從2到84和-84到-2的能量應該在+4dB的藍色實線范圍內。帶外子載波能量不包括在計算中，因為傳輸濾波器可能在帶邊有很高的衰減，這將扭曲Ei,avg平均值。

圖13.發射機頻譜平坦度測試要求和結果

5.6 發射機星座誤差、發射機調制精度（EVM）測試

802.11ax標準中分兩部分描述了信號質量EVM（誤差矢量幅度）有關的測量?！鞍l射星座誤差”描述了計算EVM的具體方法。“發射調制精度測試”描述了EVM的設備規范。

HE SU PPDU、HE extended range PPDU和HE MU PPDU的調制方式為MCS 0-9的EVM測試指標與IEEE802.11ac相同。對于新增的MCS10和11,如果幅度漂移補償在測試設備中啟用，EVM指標為<-35dB；如果幅度漂移補償禁用，EVM指標為<-32dB。測量EVM的分析儀的殘余EVM應比-35dB小10dB，能夠測量理想1024 QAM小于-45dB。下圖是從R&S FSW信號和頻譜分析儀測量到160MHz 1024QAM的11ax信號EVM為-52.9dB。

圖14. EVM測試結果

6. 802.11ax接收測量項目

6.1 接收機最小輸入電平靈敏度

該項評估11ax接收機是否可以接收錯誤率小于容差范圍內的微弱信號。錯誤率通常用誤包率（PER）表示。PER是指DUT無法接收的數據包（錯誤數據包）相對于發射的固定數量數據包的百分比。測量要求逐漸改變接收機的輸入信號功率并繪制PER圖表，以找出當PER低于某個門限值（10%）時所對應的功率，也就是最小功率（最小輸入電平靈敏度）。如果此最小輸入電平靈敏度低于11ax標準所規定的值，則表明11ax產品滿足標準。在通信過程中，最小輸入電平靈敏度由多種參數決定，例如調制方式、編碼率、信道間隔等。如表4所示。

表4. 不同調制方式、編碼率和帶寬對應的靈敏度測試指標

6.2 鄰道抑制度

該測試評估當11ax接收機接收信號的相鄰信道出現和有用信號相同帶寬的干擾信號時（如圖15），接收機對干擾的抑制能力。輸入接收機的有用信號功率比表4中的最小靈敏度高3dB。此時干擾信號電平會在略高于最小輸入電平靈敏度的基礎上不斷增大，當接收機的PER接近為10%時，測量接收與干擾信號電平之間的差值，即為鄰道抑制度。

圖15.鄰道抑制度測試示意圖

6.3 非鄰道抑制度

上一節中，干擾信號處于相鄰信道。此測試項中干擾信號處于非相鄰信道（即相鄰信道的相鄰信道，也稱為隔道），如圖16所示。非相鄰信道抑制度的測試過程是與上一節類似。

圖16.非鄰道抑制度測試示意圖

6.4 接收機最大輸入電平

該項測量評估接收機最大輸入電平。與6.1節的測試最小輸入靈敏度電平過程相反，輸入接收機的功率會逐漸增大，接收機的射頻前端電路會逐漸進入飽和，當PER增大到10%時對應的輸入電平即為接收機最大輸入電平。

7.動態EVM（Dynamic EVM）

802.11ax發射電路功率的很大一部分是功率放大器（Power Amplifier，PA）所消耗的，因此采用多種技術以減少PA的功耗、提高效率很有必要。

為了最大化功放效率，PA必須能工作在快速的開啟與關閉模式下。通過一個ON–OFF開關信號來控制直流電源對PA進行供電和斷電，即可快速開啟或關閉PA。當這個信號處于開啟時PA就工作，當這個信號關閉時PA就關閉。這個信號稱為PA“使能信號”，它其實是控制PA直流供電的一個控制信號。

圖17顯示了在50%占空比的使能信號下，PA使能（PA EN）相關時序與RF信號的關系。圖中PA EN方波與RF信號之間的時間相對延遲為2.0μs。

圖17. PA使能（PA EN）信號與RF信號的關系

由于PA的供電、斷電過程會造成暫態及熱效應，從而降低發射機性能，因此需要測量動態EVM的指標。動態EVM通過矩形波施加于PA EN以模仿發射功放開關動態工作來測量EVM。為了評估PA在節能模式下的工作能力，通常使用矢量信號源、矢量信號分析儀配合任意波形發生器評估動態EVM。測試的組網圖和實測照片如下圖18所示。

圖18.動態EVM的測試組網圖和實物連線圖

測試過程如下：

1) 使用任意波形發生器產生具有指定占空比的矩形波或方波信號，輸出給PA的作為供電和斷電的控制信號。

2) 任意波形發生器同時輸出給矢量信號源的trigger端口，觸發信號源輸出射頻激勵信號，使11ax激勵信號的時間與PA的工作時間同步。

3) PA輸入連接矢量信號源，輸出連接到信號分析儀，并使用信號分析儀測量EVM。

4) 繪制Power vs. EVM關系圖，如下圖19所示。動態EVM導致EVM性能降低是由于PA的瞬態響應影響了射頻信號的起始時刻包絡和終止時刻包絡，并影響了信道估計。經實測表明，具有50%占空比方波的動態EVM比靜態EVM會較差0.2%左右。

圖19.動態EVM的測試結果和靜態EVM測試結果對比

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原文標題：Wi-Fi 6射頻技術全面解析及Wi-Fi 7熱點技術介紹

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責任編輯:haq