什么是802.11ac和802.11ac Wave2

单用户MIMO（SU-MIMO）

单用户MIMO是指单个用户使用的MIMO特性，以与多个用户同时传输的MIMO特性相区别，实际上它们都属于MIMO技术。MIMO本身包括空间分集、空间复用。空间分集虽然不能直接提升吞吐率，但其提供的分集增益可以提升信噪比，从而帮助链路使用更高阶的调制编码方式获得容量的提升；空间复用就是我们常说的多流，在不改变信道带宽的前提下，同时传输单个用户的多个数据或者多个用户的数据。

在Wi-Fi中最引人关注的空间分集就是我们常说的波束成形（TXBF）。由于802.11n对TXBF的定义过于复杂，被市场的接收度并不高，在802.11ac中，简化了这些设计。

1. 在802.11n中定义了两种波束成形的方式：显式波束成形和隐式波束成形，但在802.11ac中仅支持显式波束成形。
   图1-4 显式波束成形和隐式波束成形
   
2. 802.11ac对TXBF的改进不仅是放弃了隐式波束成形，而且还体现在显示波束成形的信道探测和反馈上。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。

   Wi-Fi在802.11n时中引入的多流，支持空间复用。802.11n第一次在Wi-Fi标准里引入了MIMO技术，最多可以支持多大4条流，最高速率可以达到600Mbps的吞吐率，相对于802.11a/b/g标准有了质的飞跃。在802.11ac标准中，将最大可支持的流数从4条增加到8条，单用户的最大吞吐率也因此接近7Gbps。

   不管是空间复用还是分集都需要多天线系统作为前提，如果要实现802.11ac支持8条流的天线，AP和终端都需要8根天线，这对AP和终端都是一个挑战，因为天线越多，设备的复杂度、尺寸、成本都会大大增加。这也是虽然802.11n可以支持4条流，但主流的802.11n的AP仍然是双天线，而终端仍然是单天线的一个原因。

   图1-5 8*8 MIMO示意图
   

   多用户MIMO（MU-MIMO）

   多流可以大大增加单用户的吞吐率，但现网中大量终端（尤其是移动智能终端）仍然是单流。单流的终端相对于多流的终端传输相同的大小的数据需要占用更多的空口时间，因此，单流终端成为提升接入用户数的一个瓶颈。多用户MIMO是解决这问题的一个好办法。在不改变用户带宽和频率的情况下，在同一时刻，一个AP可以同时给多个用户（最多支持4个用户）发送不同的数据。

   图1-6 单用户MIMO与多用户MIMO对比
   

   当AP在相同的频率同时给多个用户发送数据时，每个用户流收到的发给其他用户的流的信号对其来说就是一种干扰。因此，多用户MIMO需要TXBF来协助其完成信道探测，根据反馈的矩阵在发送端使用预编码技术消除这种干扰。

   图1-7 多用户MIMO之间的干扰
   

   在802.11ac的多用户MIMO中，只支持下行的多用户MIMO，且最多只能同时给4个用户传输数据，对于用户的上行数据仍然采用一个一个发送的方式，不能并发。当需要同时传输的用户数据不一样大时，需要通过Frame Padding对并发数据补齐。同时Scheduled BA机制，对每个用户回复的ACK进行调度，使得ACK一个一个的发送。

   当AP支持EDCA时，不同的用户业务的优先级可能不一样，这样会分布到不同的AC队列中。在多用户MIMO时通过TXOP共享实现不同优先级的用户同时传输。

   MU-MIMO提升了多用户并发能力，增加了单个AP并发的用户数。尤其在单流终端的应用场景中，可以增加并发用户数，明显增加AP的下行吞吐量。当多用户传输时，流之间存在的干扰会影响高阶调制方式的使用，例如在多用户传输时无法使用256QAM的调试方式。

   动态信道管理

   802.11ac支持从20MHz到160MHz的几种不同的信道带宽，这种灵活性也给信道管理带来挑战。当网络中有不同的带宽的信道在使用时怎么管理这种状况，以减少信道之间的干扰，并且保证信道得到充分的利用。

   在802.11ac中，增强定义了RTS/CTS机制，用来协调什么时候信道可用和哪些信道可用。具体的协调机制如下：

   1. 802.11ac设备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份充满80MHz；当信道带宽为160MHz时，复制7份充满160MHz。这样做的好处是，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。
   2. 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。
   3. 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。

   图1-8 动态频谱管理
   

   如 图1-8 所示，在原来802.11n的时候，频谱是使用静态的，即发现一个子信道上不可用则整个带宽都不可用，而在802.11ac中，当检测到繁忙的子信道不可用时，其他子信道仍然可以发送数据。

   动态带宽管理几乎是为了频谱复用而设计的，通过动态信道管理可以增加信道的利用率，减少信道之间的干扰。在这种机制下可以让两个AP同时工作在一个相同的带宽信道上。

   图1-9 两个AP工作在相同80M带宽
   

   兼容性

   在原来802.11n中的物理层定义了两种不同的前导，一种是Greenfield格式，一种是Mixed格式。Greenfield完全不考虑与以前系统的兼容性，一直备受争议，在802.11ac中已完全放弃了Greenfield格式，而对于Mixed格式也进行了改进，以保证其现有设备良好的兼容性。

   从帧结构上看，802.11ac的系统能够探测接入设备的帧结构里所包含的前导码（preample）和导频信号（pilot），来区分接入设备使用的是何种标准并自适应，这就是后向兼容。802.11n和802.11ac的帧结构如 图1-10 所示。

   图1-10 802.11n和802.11ac帧结构对比
   

   从这两个帧结构里可以看到，最前面的3个部分：短码部分（short training field-STF）、长码部分（long training field-LTF）和信号部分（signal field-SIG）是用来兼容现有标准的（即802.11a/b/g/n），也就是它们都有一个开头字母L，代表的Legacy的含义。第4个部份VHT-SIG-A第一个码字是BPSK调制信号，而第二个码字则旋转了90°，为QBPSK，用来区分HT和VHT模式。在802.11ac中的VHT-STF用来改善在MIMO传输中的自动增益控制。紧跟在VHT-STF后面的是VHT-LTF，即长训练序列，它为接收机提供了在发射天线和接收天线之间进行MIMO预估信道测算的比特。根据空分码流的总数可以分为1、2、4、6或者8个VHT-LTF。在802.11ac中，1，2或者4个VHT-LTF进行直接映射，又增加了6或者8个VHT-LTF用于最大8个空分码流的应用。VHT-SIG-B描述了所要传输的数据长度、调制方式和编码方式（即MCS）是单个用户还是多用户的模式。

   帧聚合

   在Wi-Fi中每一个帧的传输都需要在空口中进行，通过CSMA/CA的方式取得对空口的使用权。大量帧传输时，这种碰撞大大降低了空口的利用率。从802.11n开始，在MAC层引入了帧聚合技术，将MSDU或MPDU进行聚合后再进行物理层封装，使得多个帧使用同一个物理头，提高封装效率，减少对空口的占用和争抢次数。

   图1-11 A-MSDU与A-MPDU
   

   A-MSDU和A-MPDU的封装过程如 图1-11 所示。两种聚合都能提高封装效率，但是A-MPDU有一个显而易见的好处，当传输过程中发生错误时，A-MSDU需要对整个聚合的帧重传，而在A-MPDU中每个MPDU都有自己的MAC头，发生错误时只需要对错误的数据包进行重传，而不需要对整个聚合帧进行重传。这也是在实际中A-MPDU比A-MSDU用得更多的原因。

   在802.11ac中，为了进一步提高效率和可靠性，增加了MPDU帧的大小和A-MPDU帧的大小，并且只支持A-MPDU。