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Wi-Fi 6射频技术全面解析(1)

更新时间:2021-04-15 09:15:33点击次数:355次

PCB抄板,即在已经有电子产品实物和电路板实物的前提下,利用反向研发技术手段对电路板进行逆向解析,将原有产品的PCB文件、物料清单(BOM)文件、原理图文件等技术文件以及PCB丝印生产文件进行1:1的还原,然后再利用这些技术文件和生产文件进行PCB制板、元器件焊接、飞针测试、电路板调试,完成原电路板样板的完整复制。本文介绍了PCB抄板行业未来将涉及到的技术Wi-Fi 6射频技术。



1. 802.11ax关键技术简介


802.11ax协议(也称Wi-Fi 6,Wi-Fi 5指802.11ac)是为了满足高密度场景下用户速率和体验需求而提出的。类似于3GPP 5G NR中的eMBB应用场景,其目的是提升高密集场景的用户速率,从而获得更好的用户峰值数据体验。2013年3月TG(Task Group)工作组成立,2014年开始研究802.11ax标准,2016年提出802.11ax的初始草案,并于2019年正式发布标准。


表1. 802.11ax的物理层参数相对于前两代技术的主要不同点


 

IEEE802.11n

IEEE802.11ac

IEEE802.11ax

信道带宽(MHz)

20,40

20,40,80,80+80,160

20,40,80,80+80,160

子载波间隔(kHz)

312.5

312.5

78.125

符号时间(µs)

3.2

3.2

12.8

循环前缀长度(us)

0.8

0.8,0.4

0.8,1.6,3.2

MU-MIMO

下行

上、下行

调制方式

OFDM

OFDM

OFDM,OFDMA

用户数据调制方式

BPSK,QPSK,
16QAM,64QAM

BPSK,QPSK,16QAM,
64QAM,256QAM

BPSK,QPSK,16QAM,
64QAM,256QAM,
1024QAM

信道编码

BCC(必选),
LDPC(可选)

BCC(必选),
LDPC(可选)

BCC(必选),
LDPC(必选)


相对于前几代的技术,802.11ax的新增功能特点主要有如下:


(1). 扩展了信号的覆盖范围。由于802.11ax标准每符号持续时间从原来的3.2us提升到12.8us,更长的发送时间可降低终端丢包率和抗多径衰落;此外802.11ax最小可仅使用2MHz频宽进行窄带传输,有效降低频段噪声干扰,提升了终端接受灵敏度,增加了覆盖距离。


(2). 调制方式增加1024QAM,提出MCS10和MCS11这两种高阶编码组合,单流空口吞吐量提升。802.11ac采用的256QAM,每个符号传输8bit数据(28=256)。802.11ax采用1024QAM,每个符号位传输10bit数据(210=1024)。从8到10的提升是25%,也就是相对于802.11ac来说,802.11ax的单条空间流数据吞吐量又提高了25%。空口吞吐量=1/(符号+保护)时间×编码效率×调制阶数×有效子载波数量=1/(12.8us+0.8us)×5/6×10×980≈600Mbit/s



(3). 最大空间流数量8,同时引入上行MU-MIMO。相比于802.11ac协议,上行不一定再需要独立对单个节点的数据进行传输,上下行都可以使用MU-MIMO模式。



(4). 效仿3GPP LTE,11ax引入了OFDMA多址技术,将最小的子信道称为“资源单位(Resource Unit,简称RU)”。不同的用户使用不同的RU进行数据通信,从总的时频资源上来看,每一个时间片上,有多个用户同时发送,信道的利用率得到了提高。



(5). 802.11协议是采用载波侦听冲突检测(CSMA/CA)作为MAC层的协议,这表示在同一个时间只有一个无线电设备可以在网络上进行传输。如果一个802.11终端检测到另外一个802.11终端的传输信号(即PHY层的Header),其会推迟传输。


类似于WCDMA中区分基站的扰码,802.11ax中引入了一种新的同频传输识别机制,叫BSS Coloring着色机制,在PHY报文头中添加BSS color字段对来自不同BSS的数据进行“染色”,为每个通道分配一种颜色,该颜色标识一组不互相干扰的基本服务集(BSS),接收端可以及早识别同频传输干扰信号并停止接收,避免浪费收发机时间。如果颜色相同,则认为是同一BSS内的干扰信号,发送将推迟;如果颜色不同,则认为两者之间无干扰,两个Wi-Fi6设备可同信道同频并行传输。以这种方式设计的网络,那些具有相同颜色的信道彼此相距很远,它们之间也不太可能会相互干扰。



(6). 协议兼容性:802.11ax要求与以往的802.11a/b/h/n/ac都进行兼容。802.11ax协议向前兼容802.11n和802.11a,因此其帧格式里面,除了数据之外的前导,包含兼容802.11n的常规前导和11ax的高效前导。常规前导包含L-STF(短训练字段)、L-LTF(长训练字段)和L-sig字:

1) L-STF主要用于数据同步;

2) L-LTF主要用于粗频偏估计;

3) L-sig里面则包含一些用户和帧的数据。L-sig一个很重要的作用就是区分常规帧和802.11ax帧,L-sig重复则表示802.11ax帧,反之则是常规帧,它还有一个重要的作用就是告诉基站发射机的编码方式和帧长。


2. 802.11ax时域帧格式


802.11ax根据不同的用途,时域可以分为4种帧格式。这四种HE PPDU(Presentation Protocol Data Unit,表示协议数据单元)包括HE SU-PPDU(单用户)、HE MU-PPDU(多用户)、HE Extended Range SU-PPDU(扩展的单用户协议)以及基于Trigger的HE PPDU。高效的前导则包含HE-SIG-A、HE-SIG-B(可选)、HE-STF和HE-LTF。其中HE-LTF主要是用来做信道估计和MIMO检测。


单用户的HE PPDU帧格式定义如图4所示,与扩展的HE Extended Range SU-PPDU不同的是该格式的HE-SIG-A不会重复。



多用户的HE PPDU帧格式定义如图5所示,该PPDU格式不是Trigger帧的响应,而且还应该包括一个HE-SIG-B字段。


HE Extended Range SU-PPDU帧格式如图6所示,作为HE SU-PPDU的扩展版本,它的HE-SIG-A长度变成了以前的两倍为16us,实际上是对HE-SIG-A做了重复。



基于Trigger的HE PPDU帧格式如图7所示,这种格式主要作为Trigger帧的相应,与HE SU-PPDU不同的是它的HE-STF的持续时间变成了8us而非4us。



总结各字段具体的功能见表2。


表2 帧格式各字段含义和功能

字段名

含义

功能

L-STF

Legacy部分短训练序列

接收机数据同步和粗频偏估计

L-LTF

Legacy部分长训练序列

细频偏估计和前导的信道估计

L-SIG

Legacy部分信令字段

承载编码速率和长度信息

RL-SIG

Legacy部分信令重复字段

区分是否是802.11ax帧

HE-SIG-A

HE部分信令A字段

承载用来说明PPDU的信息

HE-SIG-B

HE部分信令B字段

承载多用户信息

HE-STF

HE部分短训练序列

MIMO传输中提升自动增益控制估计

HE-LTF

HE部分长训练序列

信道估计和相位跟踪

Data

承载PSDU的数据

承载用户数据信息

PE

数据包扩展字段

争取更多的处理时间


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