802.11ac知識整合
一、802.11ac簡介
IEEE 802.11工作組在2013年發布了802.11ac的標准，802.11ac（VHT，Very High Throughput）是基於5G頻段的802.11n（HT, High Throughput）技術的演進版本，通過物理層、MAC層一系列技術更新實現對1Gbps以上傳輸速率的支持，它的最高速率可達6.9Gbps，並且支持諸如MU-MIMO這樣高價值的技術。
802.11ac是802.11n的繼承者。它采用並擴展了源自802.11n的空中接口（air interface）概念，包括：更寬的RF帶寬（提升至160MHz），更多的MIMO空間流（增加到 8），下行多用戶的 MIMO（最多至4個），以及高密度的調變（達到 256QAM）。
2013年推出的第一批802.11ac產品稱為Wave1，2016年推出的較新的高帶寬產品稱為Wave2。
二、名詞解釋
VHT（Very High Throughput）：極高吞吐量，即采用802.11ac引入的調制編碼方式傳輸，提高了傳輸速率
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：正交多載波調制
MCS（Modulation and Coding Scheme）：調制編碼表，就是規定了空間流數目、編碼、調制方式和傳輸速率的一組方案
QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：正交振幅調制
NSS（Spatial Streams）：空間流
PHY（Port Physical Layer）：端口物理層/物理接口收發器
MAC（Multiple Access Channel）：多址接入信道/以太網媒體接入控制器
SISO（Single-Input Single-Output）：單入單出
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）：多入多出
MU（Multi-User）：多用戶
RTS/CTS協議（Request To Send/Clear To Send）：請求發送/允許發送協議
MSDU（MAC Service Data Unit）：MAC服務數據單元，可理解為傳輸的有效數據，MAC幀的data部分
MPDU（MAC Protocol Data Unit）：MAC協議數據單元，可理解為經過MAC協議封裝的幀，包括MAC幀頭
A-MSDU/MPDU（Aggregate MSDU/MPDU）：MSDU/MPDU幀聚合
IFS（Inter Frame Space）：幀間間隔。所有的站在完成發送后，必須在等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送下一幀，這段時間的稱為幀間間隔
PLCP（Physical Layer Convergence Protocol)：物理層會聚協議，是映射ATM信元到物理媒體的規范，定義特定的管理信息。可理解為PHY層的編碼和封包過程
PPDU（Presentation Protocol Data Unit）：表示協議數據單元，是OSI中表示層數據包的格式。可理解為PHY層封裝的幀，包括PHY幀頭和MAC幀
NDPA（Null Data Packet Announcement）：空數據包聲明
NDP（Neighbor Discovery Protocol）：IPV6鄰居發現協議
Beamforming/Beamformer/Beamformee：波束成形技術/發送端/接收端
三、802.11標准演進
802.11ac的物理層是對802.11n標准的延續，而且要滿足后向兼容。理論上802.11n在使用了40MHz帶寬和4個空間流可以達到最高600Mbps的數據速率。對於802.11ac來說，理論上使用160MHz帶寬，8個空間流，MCS9編碼，256QAM調制，最高速率能達到6.93Gbps。而真正可以使用的數據速率大概是1.56Gbps。圖3-1為802.11ac的歷史演變過程，圖3-2為802.11ac與802.11n的主要區別。
圖3-1 802.11ac演變過程
圖3-2 802.11ac與802.11n的主要區別
四、802.11ac的關鍵技術
802.11n在MAC層已經很優異了，802.11ac在MAC層上的改進並不多，主要通過PHY層來提升其基礎速率。802.11ac主要通過三個技術手段來實現：更高的信道帶寬（80MHz、160MHz）、更高的速率調制方式（256-QAM）和更多的空間流NSS（8 Spatial Streams)。
4.1 PHY層
4.1.1 調制模式
802.11n協議中定義了77個MCS，並且和信道帶寬、空間流綁定；而802.11ac協議進行了簡化處理，只支持10個MCS（0-9），並且不再與信道帶寬、空間流綁定。如圖4-1，是802.11ac中的MCS設置：
圖4-1 802.11ac中的MCS設置
802.11ac繼續采用802.11a中OFDM調制方法，其主要思想是：將一個寬的帶寬正交分割成幾個小的子載波（子信道），將高速數信息流串並變換，轉換成多路並行的低速子數據流，每路低速的數據流使用一個子載波調制。正交信號可以通過在接收端使用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI)。每個子信道上的信號帶寬小於信道的相關帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾，而且由於每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
同時，802.11ac支持使用256階正交振幅調制（256-QAM），每個Symbol可以攜帶8bit數據，而802.11n最高支持64階正交振幅調制（64-QAM），每個Symbol可以攜帶6bit數據，這樣在調制方式上可以將數據速率提高33%，具體數據見圖4-2。
圖4-2 MCS與頻寬對傳輸速率的影響
同時，256-QAM對干擾更加敏感，適合於信噪比高的環境，因此256階正交調幅主要在64階正交調幅已經可靠覆蓋的范圍內才有幫助。雖然256-QAM提供了更高的速率，但是它並沒有增加有效的覆蓋距離。
而且，在相對較差的環境下，這種高調制會由於誤碼率的增加而達不到預期的效果，所以256-QAM要求射頻具備更高的靈敏度和更小的干擾，需要在信道條件好的狀況下使用。
4.1.2 信道帶寬
在802.11n協議中，可以將兩個相鄰的20MHz子信道綁定在一起作為40MHz信道使用，通過這種簡單的方法獲得兩倍於單個信道的效果。而802.11ac進一步擴展了此機制：兩個相鄰的20MHz子信道綁定為一個40MHz的信道，兩個相鄰的40MHz子信道綁定為一個80MHz的信道，兩個80MHz子信道綁定為一個160MHz的信道（160MHz和80MHz+80MHz）。其中通過非連續的80MHZ合並得來的160MHZ就是80+80模式，如圖4-3：
圖4-3 信道化示意圖
頻寬的提升帶來了可用數據子載波的增加。80MHZ可用的子載波數量達到234個，而40MHZ只有108個，這樣80MHZ就可以帶來2.16倍的增速。副作用就是：需要將相同的傳輸的功率分隔到多出來的子載波上，從而導致信號的覆蓋范圍會略微減小。
信道綁定需要足夠的頻譜資源，所以802.11ac只工作在5GHz頻段，並且信道綁定的前提是要符合當地的頻譜管制，例如中國，為了適應802.11ac的信道帶寬綁定機制，新開放了5150-5350MHz(Channel 36-64)頻段，加上原來的5735-5835MHz(Channel 149-165)頻段，可以提供3個80MHz信道。
圖4-4 中國802.11ac可用信道
在802.11ac中，准確描述一個設備的工作信道模式需要如下四個要素：當前工作帶寬、當前工作中心頻率1、當前工作中心頻率2（僅限於80+80模式）和當前的工作信道（即主信道，802.11ac中主信道、輔信道的設定和802.11n是一致的）；對比於802.11n，沒有了信道向上、向下綁定的概念，而是以中心頻率代替。但是由於802.11ac是兼容802.11n的，所以如果在網絡中使用的是40M帶寬，例如，一個802.11n的客戶端連接在了802.11ac的射頻上，那么對於客戶端來說，還是有信道綁定方向的，而且也必須符合802.11n協議的要求，這一點並不沖突。
4.1.3 空間流
802.11ac協議引進了8x8 MIMO的概念，也就是說最多支持8條空間流。 而在802.11n協議中最大支持的是4x4 MIMO（目前主流實現是2x2 MIMO），因此802.11ac在設備的發送/接收空間流上有了很大的提升。
但是，我們需要正確認識NSS=8的意義，因為無線終端STA的天線數量往往是有限的，比如Phone/Pad，大多一根天線；USB無線卡/部分PCIE無線網卡，可能只有2根天線；其他高性能無線網卡3-4根天線。 所以，單純增加AP側的天線和支持的空間流數量，是沒有意義的。802.11ac的8條流，需要和802.11ac中的另一個重要改進MU-MIMO組合在一起，才能真正發揮作用。
4.1.4 波束成形
Beamforming（波束成形）簡單的說就是一種可以將無線信號定向集中在客戶端所在方位的一種技術，能夠提升信噪比，降低對其他方向的干擾。
任何使用多天線的設備都能夠在任意時間內對任何其他設備進行波速成形，但由於實現相對復雜，很多802.11n產品都選擇不實現任何一種。802.11ac為了避免這種情況，簡化了Beamforming的機制，定義了一種探測協議（VHT Sounding protocol），該協議可以讓接收端更好地進行波速成形工作另外，但不與802.11n兼容。該協議規定：
Beamformer（波速成形發送端）通過發送NDPA（空數據包通告）來初始化波速成形序列。在NDPA中，Beamformer在NDPA中為每個Beamformee（波速成形接收端）添加了STA信息字段，同時在該STA信息字段設置了相應STA的AID信息，這是為了讓每個Beamformee能夠准備接受壓縮的VHT波束成形幀。NDPA幀至少包含一個STA信息字段。VHT-NDP報文會緊跟着NDPA發送，中間僅僅間隔一個SIFS。NDPA后除了是SIFS+VHT-NDP幀，不能是其它幀。如果NDPA包含不止1個STA字段，那么NDPA必須以廣播方式發送，即RA（Receiver Address）必須是廣播地址，否則以單播發送，RA為接受端地址。
每個預定的接受者使用VHT-NDP的前導符測量從無線接入點到自己的射頻信道，並壓縮信道。第一個預定接受者立刻使用VHT壓縮波速成形幀內的壓縮信道信息進行響應，其它預定接受者等待輪詢響應。
同時，802.11ac要求Beamformer和Beamformee都需要支持Beamforming特性，一個設備可以同時作為Beamformer和Beamformee。圖4-5是簡化的交互過程，Beamformer要發送數據，於是先發送幀測量信道信息，根據測量結果來調整波形。
圖4-5 Beamforming的工作過程
Beamforming依賴信道校准過程來發現如何把信號集中到一個特定方向，同時減弱無關區域的信號，這個過程在協議中稱為Channel Sounding。其基本步驟簡單描述如下：
1、Beamfomer傳輸一個NDPA幀來獲取信道和探測Beamformee，Beamformee會響應NDP幀；
2、Beamformer緊隨NDP通告幀傳輸一個空數據幀，Beamformee可以分析OFDM的訓練域並計算信道響應和“Steering Matrix”；
3、Beamformee分析收到的NDP，並回饋自己計算的“Matrix”；
4、Beamformer收到NDP並計算出去往Beamformee方位的“Steering Matrix”。
有了“Steering Matrix”（簡單的理解就是：Beamforming技術通過信道測量得到的如何向接收方定向傳送數據的機制，即如何調整、組合發送方的天線參數能夠使傳輸的方向更加精確，傳輸的距離更遠），Beamformer就可以發送出經過調整的波形。Channel Sounding功能需要占用一定的介質時間，如果Beamforming帶來的增益不能彌補信道偵測帶來的開銷，那么就會降低網路的效率。
802.11n支持的SU-Beamforming工作過程如圖4-6所示：
圖4-6 單用戶信道校准流程
802.11ac中，MU-Beamforming的信道探測流程過程如圖4-7所示：
圖4-7 多用戶信道校准流程
從圖示中我們可以看出，在802.11ac中主要做了如下改變：
1、第一個Beamformee不需要 Beamforming Report Poll來獲取Feedback Matrices，第二個和第三個必須要用。收到多個響應后，Beamformer生成“Steering Matrix”。
2、相比單用戶Beamforming，多用戶Beamforming中STA Info字段可以有多個，接收地址是廣播地址。
為了支持MU-MIMO，在原有802.11n的基礎上還有一些細節的改變，如PLCP層改變了VHT-SIG-A字段的格式，以標識到每個客戶端的具體流數，Compressed Beamforming Action幀中使用擴展信息標示了一些比SU-MIMO多出的必要的信息等等，這里就不遂一介紹實現細節了。
4.1.5 MU-MIMO技術
MU-MIMO技術是802.11ac中最具價值特性，在此之前先介紹一下MIMO技術：
MIMO 的應用始於802.11n。MIMO天線技術在鏈路的發送端和接收端都采用多副天線，搭建多條通道，並行傳遞多條空間流，從而可以在不增加信道帶寬的情況下，成倍提高通信系統的容量和頻譜利用率。MIMO 天線如圖4-8 所示，常用M×N:n來表述，其中M 指的是發射天線個數，N 表示接收天線個數，均為設備外觀所能看見的天線個數，n 表示支持的空間流數（NSS）。空間流數與天線數可以一致，也可以不一致，但是天線數必須不小於空間流數。
802.11ac最多支持8條空間流，最多並發向4個Station發送數據，每個Station最多發送4條空間流。向不同的Station發送時，可以使用不同的流數、編碼方式，但必須使用相同的MCS。
圖4-8 MIMO技術
MU-MIMO（多用戶多入多出）是802.11ac提出的一項新技術，即一個802.11ac AP可以同時與多個支持MU-MIMO的用戶終端通信，這里的同時是絕對時間點上的同時，數據是並行的。簡單的說就是設備依賴於預先學習到的信道狀況信息，精確的進行數據發送，在同一時刻通過不同的Stream（天線），向不同的無線終端並發的發送數據，各個接收終端感知不到其它終端數據的干擾，都能夠同時接收。MU-MIMO技術意味着在802.11ac網絡中，多個用戶可以同時進行接收，如果單個2×2的Station速率為866.7Mbps，采用MU-MIMO技術后，8根天線同時向4個Station發送數據，則等效速率866.7×4=3.46Gbps，對比於802.11n的SU-MIMO(Single User-MIMO)提高了4倍。
同時，MU-MIMO允許在傳輸高優先級報文的時候“搭車”傳輸低優先級報文給不同的接收端。例如，MU-MIMO允許AP向一部手機傳輸語音流的同時，向其他設備發送低優先級數據流。
以上涉及到MU-MIMO的應答機制與隊列控制，詳細內容可見鏈接/附件，這里不做過多介紹。
4.2 MAC層
802.11協議每次技術升級都會涉及到PHY層和MAC的改變，但802.11n到802.11ac MAC層的改變相對較少。
4.2.1 A-MPDU幀聚合
在802.11n協議中：
1、定義了兩種報文聚合方式：A-MSDU和A-MPDU；
2、在進行報文傳輸的時候可以聚合，也可以不聚合；
3、聚合報文長度是隨機的，通過Duration字段來限定。
而在802.11ac協議中，所有的報文傳輸都走聚合流程，每個PPDU的傳輸都是一個A-MPDU，即使這個A-MPDU中只包含了一個MPDU，這樣就不用再區分報文是否聚合，簡化了流程，我們可以稱這種實現為802.11ac加強的A-MPDU流程。
同時，802.11n單個A-MPDU聚合幀的大小最大只有64KB（65,535字節），而802.11ac將上限提高至了1MB（1,048,575字節），這樣就能夠更好的配合802.11ac的物理層高速傳輸，802.11ac每次傳輸報文的長度強制要求為OFDM Symbol攜帶的bit數的整數倍，如果不滿足要求，則使用Null Frame填充最后一個OFDM Symbol。
4.2.2 RTS/CTS機制
在802.11n協議中，設備依靠發送RTS/CTS幀來宣告傳輸的意向，通過此機制讓附近的WLAN設備感知到信道正在使用中，從而避免沖突。而在802.11ac中，由於可以使用更大的頻寬，即可用的信道數量非常有限，所以如何發現輔信道上存在的隱藏節點變得更加重要。
為了解決這個問題，802.11ac協議定義了增強的RTS/CTS機制，用來檢測任何一個輔信道是否被不同的數據傳輸所占用，即RTS和CTS支持“動態頻寬”模式。在此模式下，假如部分頻帶已被占用則只在主用信道上回應CTS幀，發送RTS幀的客戶端（STA）則可以回落到一個較低的頻寬模式。簡單來說就是：如果接收端發現一些信道特別忙，那么將會告知發送者不要用這些信道，發送端動態地回落到低一級的頻寬模式上，這將對降低隱藏節點的影響有所幫助。無論怎樣，最終的傳輸頻寬總是包括主用信道在內。
802.11ac協議規定，使用RTS評估帶寬的時候，需要改變傳送報文的地址域中的TA域的個人/組位，將此位從0變為1。如圖4-9所示：一個802.11ac的設備占用80MHz的帶寬，在數據傳輸之前需要確認這個80MHz的帶寬是可用的，於是在其工作的主信道161上發送RTS幀，同時在其他三個20MHz子信道149、153和157發送此RTS的復制幀（如果是160MHz的帶寬，RTS將有7個復制版本）。接收方會根據自己信道的實際情況來回應CTS幀，這樣設備就會知道信道的使用情況，從而決定數據傳輸應該使用的實際帶寬，即80MHz-40MHz-20MHz-退避。圖示中第一個設備會使用80MHz帶寬，而第二個則會降低帶寬到40MHz來傳輸數據。
圖4-9 802.11ac帶寬預約
在802.11n中，一些看起來比較有用，但是實際可能由於實現起來比較復雜、或者帶來的增益有限、或者有更好的方案替代等，總之沒有或者很少在實際中被廣泛應用的特性，在802.11ac中都被舍棄了，例如RIFS、L-SIG TXOP保護、PCO操作、Dual CTS等。
五、802.11ac網絡的部署
5.1 信道規划
由於802.11ac擴展的信道綁定機制，決定了我們在使用802.11ac網絡的時候需要更好的規划信道。一個802.11ac的設備在選擇發送帶寬時會先嘗試以高帶寬來發送數據，如果高帶寬的Secondary Channel忙，則用較低帶寬Primary Channel發送，如果Primary信道忙，則無法調整帶寬，只能進行退避，即降低帶寬發送，原則為80MHz-40MHz-20MHz，或者退避等待；同時，802.11ac協議提高了80MHz（160MHz）帶寬情況下的信道CCA閾值，保證了檢測更加嚴格。這樣我們就可以實現設備在相互重疊的信道內使用不同的主信道傳送數據。
例如，兩個設備（AP）工作在80MHz模式（信道149-161），信道重疊（一個主信道是149，一個設備主信道是157），這樣對於連接在兩個設備上的802.11n終端（40MHz），就可以無影響的傳輸數據，而對於802.11ac終端（80MHz），可以根據實際使用情況來選擇合適的帶寬，使用80MHz或者降低帶寬到40MHz模式無影響的傳輸數據，可見圖5-1：
圖5-1 802.11ac重疊信道使用
5.2 兼容性
802.11ac協議實現了完全向下兼容，即在802.11ac網絡中，各種類型的終端都可以正常的工作而不會相互影響，這得益於802.11ac協議定義的幀格式。見圖5-2，802.11ac PPDU的PLCP頭，是802.11ac為了完全兼容之前的802.11a、802.11n而設計的（能夠被各種類型的終端所識別），並且只有這一種格式。
圖5-2 VHT PPDU格式
因為前導碼的兼容，對於802.11ac設備，在傳輸數據之前，並不需要先傳輸RTS/CTS和CTS-to-Self幀。類似於存在802.11b設備時，發送802.11g數據包的低效率問題，已經完全在5GHz避免了。
六、參考鏈接
以下是該整合文檔的內容來源，順序分先后：
1、 802.11ac技術解析
3、 802.11ac資料整理
4、 802.11ac白皮書
6、 802.11基礎