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全面解析下一代WiFi标准 IEEE 802.11ax | 8秒下完10GB!

  • 分类:技术专题
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  • 发布时间:2018-02-01 00:00
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全面解析下一代WiFi标准 IEEE 802.11ax | 8秒下完10GB!

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在摩尔定律驱使的半导体行业,一个技术标 准能够持续好几年不更新已经是一件相当罕见的事儿了。主宰我们身边无线网络的IEEE 802.11协议就是这么一个奇怪的标准:从第一台支持802.11A无线路由器问世到现在,它只更新了三次:802.11g、802.11n,以及最新 的802.11ac。现在,一个崭新的Wi-Fi无线网络协议已经屹立在我们面前,它有望让不堪重负的无线网络再次跟上时代,得到飞跃性发展,它的名字叫 做IEEE 802.11ax(IEEE前缀下文略)。

 

什么是802.11ax?

802.11协议组是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准,802.11ax是这个标准的最新修订版本。你可以把它看作是802.11ac的接班人。

理解802.11ax最简单的方法就是把它想象为802.11ac的加强版本,它和802.11ac一样工作在5GHz频段,不同之处在于802.11ax 使用了MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)技术,将信号在时域、频域、空域等多个维度上分成四个不同的“信号通道”,每一个“信号通道”能单独与一台设备进行通 信,看起来就像是把一条高速公路分成了四个不同的车道,通信效率成倍提高。

除此之外,802.11ax还有一个极为重要的革新,它引入了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access),既正交频分多址,这是下一代高速无线通信网络的核心技术。我们现有的无线网络标准本质上是使用复杂的算法调制电磁波信号,让信号呈现某种 规律承载0和1,这样就能传输数据了。而OFDMA则是一种全新的信号调制编码算法,它能把一个信号通道分成数十甚至数百个更小的正交子信道,然后将这些 子信道紧密叠加在一起,再分配给不同用户,同样时间内传输数据的效率就大大提高了。

(OFDMA把信号在频域上调制无数个小的正交子信道,可以同时与多个设备通信)

根据华为的测试,同样的频谱下,OFDM技术能把通信效率提升10倍,理论上带宽也能提升10倍。考虑到干扰、调制解调本身的资源开销,效率提升4-5倍是一个更加现实的数字。

802.11ax有多快?

802.11ax 标准的首要目标是将无线网络客户端速度提升4倍。华为是802.11ax标准的积极推动者,据说在华为通信实验室内部,802.11ax早已实现 2Gbps的实际数据传输速度(注意:不是理论值!),而华为宣称最大速度可达10.53Gbps,相应的测试数据很快就会出炉。

我们来计算一下802.11ax的速度:假设可以利用的频宽为160MHz,现有最快的802.11ac标准能提供866Mbps的理论数据传输速率,而 802.11ax则能轻易将传输速率提升至3.5Gbps。如果加上4×4的MIMO“四车道”,则802.11ax的理论数据吞吐能力将高达 14Gbps!换算成较为容易理解的数字就是1.75GB/s,这个数字已经将固定光纤传输速度远远甩在了后面。

不过,一般来说我们的身边是没有160MHz这么奢侈的频宽资源的,将频宽设定为80MHz比较现实,综合考虑下来,802.11ax能提供1.6Gbps 的通讯速度,相当每秒钟传输200MB的数据。如果你的手机、路由器都支持MU-MIMO,传输速度提升至400MB/s或者600MB/s都不是什么难 事。再退一步,在拥挤的公寓、电磁信号极为复杂的公共场所,即使可以利用的频宽只有40MHz,802.11ax也能带来800Mbps(约合 100MB/s)的超快速度。总的来说,它要比尚未完全普及的802.11ac快得多。

(638Mbps,这是802.11ac 2.0在2014年做到的数字)

802.11ax能传多远?

Wi- Fi无线网络远远不是速度快就好用这么简单,因为它还涉及传输距离问题和设备之间互相干扰的问题。在实际使用中我们往往会发现,距离稍远,隔上一堵墙壁或 者同一个Wi-Fi网络内连入的用户数量增多,都会让无线网络速度慢如蜗牛。802.11ax有什么办法解决这些问题?

很遗憾,采用5GHz频段的802.11ax在传输距离方面天生就不如2.4GHz信号,它的理论传输距离只有2.4GHz信号的一半多一些。从理论和实验 室数据来看,穿过5cm厚的木头,5GHz信号会衰减4.5dB;而穿透离路由3米距离内的房屋承重墙,5GHz信号大概会衰减60%-70%。

这些问题能通过加大信号发射功率,使用更多的天线定向发射信号来解决,但无线信号的发射强度不能无限制增大,我国国标规定,路由无线信号的发射强度最高为 20dB。因此,不要指望802.11ax的信号能传多远,它的有效范围大致和802.11ac差不多。如果你家房子很大,老老实实布置多个Wi-Fi AP才是正道。

(Nighthawk X6 R8000路由器,6天线设计,支持MU-MIMO,802.11ac 2.0)

至于网络拥堵问题,MU-MIMO会是一个不错的解决方案,有了它,路由器能在同一个时间内和更多设备通讯,能很大程度上避免网络拥挤。不过,在现有的 802.11ac标准中,MU-MIMO仅仅是“选配”功能,它并没有被强制纳入标准内部,这让很多路由器厂商有空子可钻,推出了一大波不支持MU- MIMO的802.11ac路由器。而到了802.11ax时代,MU-MIMO很可能会被列为必选功能,届时无线局域网络拥堵的状况将大大改善。

(采用4×4 MIMO设计的华硕RT-AC87U路由器主板)

另外,业界巨头们也都在努力解决无线局域网的拥堵问题。比如上文提到的OFDM技术,它提高了频谱效率,数据传输能更快完成,路由器也自然有更多的时间在不 同设备之间切换了。华为等公司还为802.11ax准备了“智能频谱分配”和“干扰协调”等优化技术,这些技术的目的都是一致的:通过提升频谱效率、更好 地管理串扰、增强底层协议,来减少公共Wi-Fi热点拥堵的问题,让Wi-Fi网络在多人使用的情况下变得更快速、稳定。

802.11ax速度这么快,手机受得了吗?

很遗憾,答案是:臣妾做不到,至少在目前做不到。华为给出的802.11ax典型速率为10.53Gbps,就算把这个数字减半,算下来一秒钟传输的数据量 也有658MB,而我们可怜的手机内置闪存最大读取速度是多少?最新的eMMC 5.0标准也只有400MB/s而已。

(Wi-Fi速度提升后,手机闪存芯片本身的传输速度成为了瓶颈)

而这还仅仅只是个理论数字,事实上,下载一个安兔兔跑分App,你就会发现目前市面上大部分手机的内置存储器顺序读写性能不会超过150MB/s。三星在 Galaxy S6手机上引入了最新的UFS 2.0存储接口,顺序读写速度可达314.87MB/s,已经鹤立鸡群,但离802.11ax的恐怖需求还是差得远。要满足802.11ax的胃口,在未 来我们要想一些新办法才行,比如为手机引入桌面SSD级别的闪存颗粒,将顺序读写性能提升至600MB/s以上。

可能你会问,那么快的网速有什么用?在线看个1080P视频,码率也没有超过50Mbps呀?同学,把目光放长远一些,Youtube和Netflix都已 经开通了4K分辨率的超高清在线视频服务,其数据传输需求理论上是1080P的四倍。两三年后,在线视频的分辨率提升至8K也不是什么稀奇的事情。事实 上,Netflix已经在进行8K在线视频的测试了。

那么,我们什么时候能用上802.11ax呢?

按照Wi-Fi联盟的技术副总裁Greg Ennis的话来说,IEEE电气和电子工程师协会要到2019年才会批准802.11ax标准。各通讯巨头目前还在为了802.11ax标准的技术细节 而激烈争斗中。不过,基于802.11ax标准草案的产品可能会在2016年提前进入市场。高通公司这种耐不住寂寞的家伙在去年就发布过支持MU- MIMO技术的QCA998x/QCA999x无线通讯SoC芯片。

另一方面,作为802.11ax之前的过度方案,802.11ac将从2015年、2016年开始进入第二个生命周期,既所谓的802.11ac 2.0标准。802.11ac 2.0标志性的改变就是引入MU-MIMO技术改善网络拥堵,1.0版的802.11ac最多只支持3个空间流,而在2.0版标准中,这个数字将被提升为 8个。

一大波新路由器都会开始支持这个至关重要的过度标准。在802.11ax真正进入实用之前,802.11ac 2.0应该是一个不错的权宜之计。

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