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前文描述了802.11ax新技術(shù)的特點，新技術(shù)將從PHY層和MAC層兩個維度來實現(xiàn)多用戶的體驗提升。本文將通過仿真或者軟件無線電平臺搭建802.11ax物理層實測平臺，對場景化下的性能進(jìn)行分析部分實測驗證。

1、遠(yuǎn)距離下性能分析

802.11ac 從 64QAM到 256QAM提供了 8/6=1.33 倍增速，802.11ax從256QAM到1024QAM提供了10/8=1.25倍增速。但在實際實現(xiàn)中，1024QAM對信號發(fā)送EVM的要求至少-35dB，相比11ac有3dB的提升，否則在接收端不能解調(diào)。

表1.1　802.11ax發(fā)送EVM要求

我們在實際辦公室中搭建了802.11ax的物理層軟件無線電平臺，測試了單流下高階性能，如表1.4所示，空口4.5m情況下，MCS10/11在接收端不能解調(diào)。MCS10/11適用于傳輸在近距離下，如2.2m能夠良好的解調(diào)，解調(diào)端EVM能夠達(dá)到-31dB。

表1.2　實測不同距離高階的解調(diào)端EVM

1024QAM能夠有效提升傳輸速率，進(jìn)而提升吞吐，但實測過程中發(fā)現(xiàn)，空口4.5m LOS(視距)下性能下降較多，接收端不能解調(diào)，1024QAM更適用于在近距離干擾較少的環(huán)境，在戶外以及遠(yuǎn)距離下，MCS10/11實用性較差。

遠(yuǎn)距離傳輸下，802.11ax的MCS調(diào)速基本與802.11ac一致，但由于802.11ax在帶寬利用率上比11ac有所提升，因此遠(yuǎn)距離的傳輸速率，802.11ax將略微優(yōu)于802.11ac，提升4.7%(@160MHz) 至12.5%(@20MHz)

2、多用戶文件下載性能分析

多用戶文件下載功能在高密度教室等場景中有重要的應(yīng)用，這是考驗***吞吐指標(biāo)的場景。802.11ax在多用戶下載性能上有兩點重要變化，一是采用OFDMA(正交頻分多址)，將大帶寬劃分為更小的子帶寬，可支持多用戶在同一時間進(jìn)行傳輸，二是下行MU-MIMO中重提將天線數(shù)增加到8，增加天線數(shù)來增加傳輸速率和吞吐。

2.1　DL OFDMA下載

OFDMA將帶寬劃分為更小的子帶寬來支持多用戶的下載。多用戶文件下載場景，OFDMA并發(fā)用戶數(shù)為小于4時，每個用戶可以分得較大的頻寬，協(xié)議規(guī)定該頻寬下可以用MCS11進(jìn)行傳輸，從而其系統(tǒng)容量吞吐相比802.11ac都提升了30%以上，主要的增益來自MCS的提升。當(dāng)用戶數(shù)進(jìn)一步增加，超過4個，那么每用戶分配的OFDMA子帶寬為RU106、RU52、RU26三種或這三種的混合模式，協(xié)議規(guī)定該頻寬下***支持MCS9，并且由于子帶寬導(dǎo)頻、空子載波開銷上升，導(dǎo)致這樣的用戶數(shù)目下帶寬利用率下降。

表2.1　各種子帶寬分配方式下的***吞吐分析

圖2.1　SU傳輸模式

圖2.2　OFDMA 傳輸模式

2.2　DL MU-MIMO下載

DL MU-MIMO最多支持到8天線，同時壓縮矩陣的反饋方式由原有的單用戶依次反饋變?yōu)閁L MU-MIMO反饋方式，有效節(jié)省更多用戶時的NDP訓(xùn)練開銷。

圖2.3　802.11ax DL MU MIMO方式

圖2.4　802.11ac MU-MIMO方式

表2.2　現(xiàn)有11ac MU-MIMO的理論模型增益

DL MU-MIMO TX beamforming反饋過程，采用上行MU-MIMO傳輸，訓(xùn)練時間開銷減少，提升反饋用戶數(shù)增多情況下的反饋時間。

表2.3　11ax MU-MIMO的理論模型增益

在理想情況下，如實驗室靜態(tài)場景，相同用戶情況下，802.11ax的MU-MIMO增益和802.11ac相差不大，***的提升在于802.11ax可以支持8用戶的MU-MIMO。

但實際傳輸過程中，由于環(huán)境的多普勒頻偏導(dǎo)致信道時變特性，當(dāng)超過信道相關(guān)時間后，CSI將出現(xiàn)明顯偏差，反饋CSI’與正確CSI的偏差可以表示為

圖 2.5　Channel D-NLOS信道模型下,4X2信道隨時間老化情況

如上圖的辦公室場景(Channel D-NLOS)信道模型下，當(dāng)獲取到的CSI超12ms之后，和真實CSI的偏差將大于-20dB，性能下降明顯。在實際復(fù)雜環(huán)境(大量人員走動)下，信道環(huán)境的變化可能更迅速，MU-MIMO的性能下降。在穩(wěn)定、干擾小環(huán)境中，MU-MIMO才能有穩(wěn)定的增益。

同時，受多徑頻率選擇性的影響，如圖2.6所示，計算接收端相對輸出SNR可以發(fā)現(xiàn)， 8X4(8發(fā)送天線，4用戶)中，子載波平均有7db左右的增益，而8X8中，多處子載波有-20dB的深衰弱。所以802.11ax的MU-MIMO很難支持到8X8，最可能的應(yīng)用場景應(yīng)是8X4，4用戶MU-MIMO。

圖2.6　Channel D-NLOS信道模型下，不同發(fā)送接收天線的相對輸出SNR

綜上，多用戶吞吐的提升主要來自MU-MIMO的方式，尤其是在8X4，4用戶時，可能可以達(dá)到性能和吞吐的***。同時，可以看到MU-MIMO受頻率選擇性衰弱和CSI信道老化的影響較為嚴(yán)重，針對這個問題，銳捷將在下一篇文章中介紹對MU-MIMO性能提升方案。

3、多用戶視頻觀看性能分析

多用戶文件下載考察吞吐指標(biāo)，而多用戶視頻觀看主要考察視頻的傳輸速率和觀看質(zhì)量。在高密度場景中，假設(shè)有100用戶觀看高清視頻，速率要求為4Mbps。假設(shè)頻寬為80MHz，OFDMA下根據(jù)用戶數(shù)均分總帶寬，MU-MIMO選擇8X4，采用用戶輪詢算法進(jìn)行用戶調(diào)度。

表3.1　100用戶視頻場景下的視頻時延和吞吐

對于單流802.11ac、802.11ax模式，人均吞吐未能達(dá)到4Mbps，意味著視頻播放不流暢。OFDMA模式下和MU-MIMO模式下，視頻播放流暢。另外一個重要影響因素為多用戶碰撞，OFDMA RU242和MU-MIMO 8X4每次可以傳輸4個用戶，相比802.11ac SU能夠減少3倍碰撞，進(jìn)而減少傳輸時間提升吞吐。

表3.1中可以看出選擇4用戶均分80MHz帶寬進(jìn)行OFDMA可以實現(xiàn)人均吞吐***，若選擇更多的用戶在一次80MHz中并行傳輸，如上章描述，每用戶的***MCS受限，將導(dǎo)致吞吐不滿足視頻播放要求，是故選擇合適的用戶帶寬分配方案對業(yè)務(wù)的端到端QoS有重要影響。同時看出，MU-MIMO相對于OFDMA得到的增益更大。

另外，OFDMA傳輸效率除了受廠商的用戶帶寬分配方案影響之外，還有實時信道的影響。如圖3.1所示，相同一段實時信道，各個子帶寬對應(yīng)MCS9編碼的誤包率(PER)差別較大，SU模式下，該用戶的PER為0;劃分為子帶寬后，可能該用戶正好被分配到的衰弱較大的信道，這時該用戶的丟包率將上升，引起視頻的卡頓現(xiàn)象。

圖3.1　OFDMA不同位置下MCS9編碼對應(yīng)的信道矩陣H和誤包率PER

如下表，實測4.5m空口環(huán)境下并發(fā)4用戶和37用戶情況下的PER，接收端EVM從-21.7~-26dB,波動4dB，位于頻率選擇性衰弱較大的子帶寬的用戶更容易誤包。

表3.2　空口4.5m，OFDMA性能

綜上，在視頻播放這種大報文傳輸場景中，OFDMA傳輸效率提升遠(yuǎn)沒有MU-MIMO的大，同時OFDMA還將受到實際傳輸信道深衰弱的影響，對視頻類敏感業(yè)務(wù)的影響更大，適當(dāng)進(jìn)行資源塊分配或者自適應(yīng)MCS等方案可以消除這個影響，這方面的性能由廠商算法決定，銳捷也將在下一篇文章中介紹對OFDMA的有效調(diào)度方案。

4、多用戶網(wǎng)頁瀏覽性能分析

多用戶另外一個重要應(yīng)用是網(wǎng)頁瀏覽，該類業(yè)務(wù)的特點是傳送的報文都為小報文。假設(shè)此時有多個用戶同時發(fā)送512B報文，暫不考慮用戶碰撞，采用輪詢算法進(jìn)行用戶調(diào)度：

表4.1　OFDMA小報文下的吞吐提升

表4.2　MU-MIMO小報文下的吞吐提升

上表可以看到，在小報文場景下，真實數(shù)據(jù)傳輸時間小于控制報文開銷時間，OFDMA并發(fā)發(fā)送有效節(jié)省多用戶的空口開銷，相比MU-MIMO可以獲得更大的吞吐提高倍數(shù)，尤其并發(fā)用戶數(shù)37時，OFDMA方式吞吐提升1148%。考慮到實際空口環(huán)境下，個別OFDMA用戶信道惡化，性能可能無法提升1148%，但只要信道未惡化的用戶數(shù)大于等于4，那么吞吐至少提升34.93%，信道未惡化的用戶數(shù)大于等于16，吞吐可實現(xiàn)4.4倍提升。

5、多用戶文件上傳性能分析

隨著圖片上傳、視頻上傳等業(yè)務(wù)的興起，高密度多用戶場景下文件上傳能力的重要性也日益突顯，802.11ax引入了上行OFDMA與上行MU-MIMO兩種技術(shù)，實現(xiàn)多用戶上行數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸。本章節(jié)主要對比這兩種技術(shù)在多用戶文件上傳場景下的性能提升與實用性分析。

5.1　UL OFDMA

UL OFDMA的報文交互如下圖所示：

圖5.1　上行傳輸機(jī)制

根據(jù)UL OFDMA的報文交互機(jī)制，并且考慮了不同RU的分配方案，可以得到小報文與大報文場景下的UL OFDMA技術(shù)的性能提升，如下表所示：

表5.1　UL OFDMA小報文場景下的吞吐提升

表5.2　UL OFDMA大報文場景下的吞吐提升

需要說明的是，小報文表示報文長度為512B，大報文表示可以傳輸?shù)?**聚合報文。用戶調(diào)度采用輪詢算法。

從表中可以看出，上行OFDMA技術(shù)的表現(xiàn)基本與下行OFDMA一致，在小報文場景中表現(xiàn)突出，在大報文場景中，RU分配方案對性能的影響很大。

但是在實際傳輸過程中UL OFDMA存在與DL OFDMA一樣的問題，即傳輸性能受信道實時性能的影響。另外，在上行多用戶場景中，由于用戶終端的不同以及位置的不一致，各個終端的上行數(shù)據(jù)發(fā)送的中心頻點，功率和發(fā)送時間都存在差異，下面分析2用戶上行OFDMA頻偏，時偏和功率差的影響。

下表是搭建軟件無線電平臺并進(jìn)行實際空口測試的結(jié)果：

表5.3　空口2.2m、2.5m下兩用戶UL OFDMA影響因素

從表中可以看出，UL OFDMA空口測試下，兩用戶在0.4us的時偏下，性能沒有影響，代表兩個用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)下，和AP的距離相差120米時對性能不會有影響。另外，不同用戶頻偏在頻域可以估計，但存在估計范圍較小、精度較差問題，已驗證390Hz頻偏能夠有效估計和補(bǔ)償，不影響性能，但是超過390Hz，性能將惡化(協(xié)議規(guī)定在進(jìn)行上行OFDMA時，終端和AP的頻偏必須小于350Hz);同時，不同用戶的功率差也對性能影響比較嚴(yán)重。由此預(yù)測，802.11ax在推廣上行OFDMA技術(shù)時可能面臨終端兼容性問題。

5.2　UL MU-MIMO

UL MU-MIMO的報文交互與上行OFDMA一樣。根據(jù)報文交互機(jī)制，可以得到小報文與大報文場景下的UL MU-MIMO技術(shù)的性能提升，如下表所示：

需要說明的是，小報文表示報文長度為512B，大報文表示可以傳輸?shù)?**聚合報文。用戶調(diào)度采用輪詢算法。

從表中可以看出，上行MU-MIMO技術(shù)的表現(xiàn)基本與下行MU-MIMO一致，在小報文場景中表現(xiàn)并沒有在大報文場景中表現(xiàn)突出，但是無論大小報文，MU-MIMO均能實現(xiàn)性能容量的成倍提升。

同樣，在上行多用戶場景中，由于用戶終端的不同以及位置的不一致，各個終端的上行數(shù)據(jù)發(fā)送的中心頻點，功率和發(fā)送時間都存在差異，下面分析2用戶上行MU-MIMO頻偏，時偏和功率差對性能的影響。

UL MU-MIMO的傳輸原理與SU-MIMO一致，但不同的是UL MU的發(fā)送端是由不同STA同時發(fā)出，因此在接收端引入混合載波頻率偏移。假設(shè)M個單天線用戶向具體N個接收天線的接收天線發(fā)送數(shù)據(jù)：

第n個接收天線接收到的數(shù)據(jù)表示為：

每個天線上的歸一化頻偏為

頻偏在產(chǎn)生ICI干擾，對第k個符號：

因此可以看出，高階MCS10/MCS11對頻偏十分敏感。

在理論分析的基礎(chǔ)上，我們還搭建了軟件無線電平臺并進(jìn)行實際空口測試的結(jié)果，如下表所示：

表5.6　空口分別為2.2m、2.5m環(huán)境下，2X2 UL MIMO接收端性能

從表中可以看出，上行MU-MIMO技術(shù)對頻偏、功率差因素的敏感程度和OFDMA基本一致，但是相對于OFDMA，在空間上分割出多個用戶的難度遠(yuǎn)大于OFDMA，因此從實用性角度考慮，上行MU-MIMO的實現(xiàn)存在非常大的困難。

6、結(jié)　論

本文通過仿真或者軟件無線電平臺搭建802.11ax物理層進(jìn)行部分實測驗證，對802.11ax的物理層性能進(jìn)行了詳細(xì)的性能分析。可以看出：

一：遠(yuǎn)距離傳輸調(diào)速MCS基本與802.11ac一致，802.11ax未增加遠(yuǎn)距離容忍度;但近距離的較好環(huán)境下，采用MCS10/11有效提升25%傳輸速率

二：多用戶文件傳輸采用MU-MIMO模式下極大程度提升吞吐，天線數(shù)增加到8可以提高M(jìn)U-MIMO的穩(wěn)定性;同時，天線數(shù)的增加帶來硬件設(shè)計復(fù)雜度提升，極大程度考驗廠商硬件設(shè)計實力。

三：多用戶視頻觀看采用MU-MIMO吞吐優(yōu)于OFDMA，都能夠減少碰撞和等待時間，但MU-MIMO性能實現(xiàn)需要良好的CSI反饋機(jī)制等算法;

四：多用戶網(wǎng)頁瀏覽場景下采用OFDMA有更明顯的吞吐提升，***可達(dá)11.48倍，但性能落地同樣需要復(fù)雜的MAC調(diào)度算法，包括用戶帶寬分配方案、信道分配方案等;

五：文件上傳采用UL OFDMA和UL MU-MIMO技術(shù)，可以用來節(jié)省空口開銷，提升吞吐減少多用戶碰撞，但UL OFDMA、UL MU-MIMO對同步的要求較高。

預(yù)告

802.11ax是否最終能實現(xiàn)4倍相比于802.11ac吞吐取決于廠商的硬件、調(diào)度算法等各方面的全面提升。在下篇文章中，我們將指出銳捷公司在設(shè)計802.11ax設(shè)備時所做的性能優(yōu)化和改進(jìn)，歡迎點擊下方文章列表，繼續(xù)我們的探討~

重磅來襲：

1、802.11ax協(xié)議的技術(shù)特點及原理簡析：《我是802.11ax，我比哥哥強(qiáng)不少，真的!》

2、本文鏈接：802.11ax在多場景下的實際業(yè)務(wù)性能分析：《我是802.11ax，我的真實性能有多強(qiáng)?》 

3、銳捷802.11ax產(chǎn)品的研究、設(shè)計及成果：《我是802.11ax，我離上場還有多遠(yuǎn)?》