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Wi-Fi 6射頻技術(shù)全面解析(1)

更新時間:2021-04-15 09:15:33點擊次數(shù):3043次

PCB抄板,即在已經(jīng)有電子產(chǎn)品實物和電路板實物的前提下,利用反向研發(fā)技術(shù)手段對電路板進(jìn)行逆向解析,將原有產(chǎn)品的PCB文件、物料清單(BOM)文件、原理圖文件等技術(shù)文件以及PCB絲印生產(chǎn)文件進(jìn)行1:1的還原,然后再利用這些技術(shù)文件和生產(chǎn)文件進(jìn)行PCB制板、元器件焊接、飛針測試、電路板調(diào)試,完成原電路板樣板的完整復(fù)制。本文介紹了PCB抄板行業(yè)未來將涉及到的技術(shù)Wi-Fi 6射頻技術(shù)。



1. 802.11ax關(guān)鍵技術(shù)簡介


802.11ax協(xié)議(也稱Wi-Fi 6,Wi-Fi 5指802.11ac)是為了滿足高密度場景下用戶速率和體驗需求而提出的。類似于3GPP 5G NR中的eMBB應(yīng)用場景,其目的是提升高密集場景的用戶速率,從而獲得更好的用戶峰值數(shù)據(jù)體驗。2013年3月TG(Task Group)工作組成立,2014年開始研究802.11ax標(biāo)準(zhǔn),2016年提出802.11ax的初始草案,并于2019年正式發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。


表1. 802.11ax的物理層參數(shù)相對于前兩代技術(shù)的主要不同點


 

IEEE802.11n

IEEE802.11ac

IEEE802.11ax

信道帶寬(MHz)

20,40

20,40,80,80+80,160

20,40,80,80+80,160

子載波間隔(kHz)

312.5

312.5

78.125

符號時間(μs)

3.2

3.2

12.8

循環(huán)前綴長度(us)

0.8

0.8,0.4

0.8,1.6,3.2

MU-MIMO

下行

上、下行

調(diào)制方式

OFDM

OFDM

OFDM,OFDMA

用戶數(shù)據(jù)調(diào)制方式

BPSK,QPSK,
16QAM,64QAM

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

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

信道編碼

BCC(必選),
LDPC(可選)

BCC(必選),
LDPC(可選)

BCC(必選),
LDPC(必選)


相對于前幾代的技術(shù),802.11ax的新增功能特點主要有如下:


(1). 擴(kuò)展了信號的覆蓋范圍。由于802.11ax標(biāo)準(zhǔn)每符號持續(xù)時間從原來的3.2us提升到12.8us,更長的發(fā)送時間可降低終端丟包率和抗多徑衰落;此外802.11ax最小可僅使用2MHz頻寬進(jìn)行窄帶傳輸,有效降低頻段噪聲干擾,提升了終端接受靈敏度,增加了覆蓋距離。


(2). 調(diào)制方式增加1024QAM,提出MCS10和MCS11這兩種高階編碼組合,單流空口吞吐量提升。802.11ac采用的256QAM,每個符號傳輸8bit數(shù)據(jù)(28=256)。802.11ax采用1024QAM,每個符號位傳輸10bit數(shù)據(jù)(210=1024)。從8到10的提升是25%,也就是相對于802.11ac來說,802.11ax的單條空間流數(shù)據(jù)吞吐量又提高了25%??湛谕掏铝?1/(符號+保護(hù))時間×編碼效率×調(diào)制階數(shù)×有效子載波數(shù)量=1/(12.8us+0.8us)×5/6×10×980≈600Mbit/s



(3). 最大空間流數(shù)量8,同時引入上行MU-MIMO。相比于802.11ac協(xié)議,上行不一定再需要獨立對單個節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,上下行都可以使用MU-MIMO模式。



(4). 效仿3GPP LTE,11ax引入了OFDMA多址技術(shù),將最小的子信道稱為“資源單位(Resource Unit,簡稱RU)”。不同的用戶使用不同的RU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,從總的時頻資源上來看,每一個時間片上,有多個用戶同時發(fā)送,信道的利用率得到了提高。



(5). 802.11協(xié)議是采用載波偵聽沖突檢測(CSMA/CA)作為MAC層的協(xié)議,這表示在同一個時間只有一個無線電設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。如果一個802.11終端檢測到另外一個802.11終端的傳輸信號(即PHY層的Header),其會推遲傳輸。


類似于WCDMA中區(qū)分基站的擾碼,802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識別機(jī)制,叫BSS Coloring著色機(jī)制,在PHY報文頭中添加BSS color字段對來自不同BSS的數(shù)據(jù)進(jìn)行“染色”,為每個通道分配一種顏色,該顏色標(biāo)識一組不互相干擾的基本服務(wù)集(BSS),接收端可以及早識別同頻傳輸干擾信號并停止接收,避免浪費(fèi)收發(fā)機(jī)時間。如果顏色相同,則認(rèn)為是同一BSS內(nèi)的干擾信號,發(fā)送將推遲;如果顏色不同,則認(rèn)為兩者之間無干擾,兩個Wi-Fi6設(shè)備可同信道同頻并行傳輸。以這種方式設(shè)計的網(wǎng)絡(luò),那些具有相同顏色的信道彼此相距很遠(yuǎn),它們之間也不太可能會相互干擾。



(6). 協(xié)議兼容性:802.11ax要求與以往的802.11a/b/h/n/ac都進(jìn)行兼容。802.11ax協(xié)議向前兼容802.11n和802.11a,因此其幀格式里面,除了數(shù)據(jù)之外的前導(dǎo),包含兼容802.11n的常規(guī)前導(dǎo)和11ax的高效前導(dǎo)。常規(guī)前導(dǎo)包含L-STF(短訓(xùn)練字段)、L-LTF(長訓(xùn)練字段)和L-sig字:

1) L-STF主要用于數(shù)據(jù)同步;

2) L-LTF主要用于粗頻偏估計;

3) L-sig里面則包含一些用戶和幀的數(shù)據(jù)。L-sig一個很重要的作用就是區(qū)分常規(guī)幀和802.11ax幀,L-sig重復(fù)則表示802.11ax幀,反之則是常規(guī)幀,它還有一個重要的作用就是告訴基站發(fā)射機(jī)的編碼方式和幀長。


2. 802.11ax時域幀格式


802.11ax根據(jù)不同的用途,時域可以分為4種幀格式。這四種HE PPDU(Presentation Protocol Data Unit,表示協(xié)議數(shù)據(jù)單元)包括HE SU-PPDU(單用戶)、HE MU-PPDU(多用戶)、HE Extended Range SU-PPDU(擴(kuò)展的單用戶協(xié)議)以及基于Trigger的HE PPDU。高效的前導(dǎo)則包含HE-SIG-A、HE-SIG-B(可選)、HE-STF和HE-LTF。其中HE-LTF主要是用來做信道估計和MIMO檢測。


單用戶的HE PPDU幀格式定義如圖4所示,與擴(kuò)展的HE Extended Range SU-PPDU不同的是該格式的HE-SIG-A不會重復(fù)。



多用戶的HE PPDU幀格式定義如圖5所示,該P(yáng)PDU格式不是Trigger幀的響應(yīng),而且還應(yīng)該包括一個HE-SIG-B字段。


HE Extended Range SU-PPDU幀格式如圖6所示,作為HE SU-PPDU的擴(kuò)展版本,它的HE-SIG-A長度變成了以前的兩倍為16us,實際上是對HE-SIG-A做了重復(fù)。



基于Trigger的HE PPDU幀格式如圖7所示,這種格式主要作為Trigger幀的相應(yīng),與HE SU-PPDU不同的是它的HE-STF的持續(xù)時間變成了8us而非4us。



總結(jié)各字段具體的功能見表2。


表2 幀格式各字段含義和功能

字段名

含義

功能

L-STF

Legacy部分短訓(xùn)練序列

接收機(jī)數(shù)據(jù)同步和粗頻偏估計

L-LTF

Legacy部分長訓(xùn)練序列

細(xì)頻偏估計和前導(dǎo)的信道估計

L-SIG

Legacy部分信令字段

承載編碼速率和長度信息

RL-SIG

Legacy部分信令重復(fù)字段

區(qū)分是否是802.11ax幀

HE-SIG-A

HE部分信令A(yù)字段

承載用來說明PPDU的信息

HE-SIG-B

HE部分信令B字段

承載多用戶信息

HE-STF

HE部分短訓(xùn)練序列

MIMO傳輸中提升自動增益控制估計

HE-LTF

HE部分長訓(xùn)練序列

信道估計和相位跟蹤

Data

承載PSDU的數(shù)據(jù)

承載用戶數(shù)據(jù)信息

PE

數(shù)據(jù)包擴(kuò)展字段

爭取更多的處理時間


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