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        Wi-Fi 6射頻技術全面解析(1)

        更新時間:2021-04-15 09:15:33點擊次數:1155次

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



        1. 802.11ax關鍵技術簡介


        802.11ax協議(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據體驗。2013年3月TG(Task Group)工作組成立,2014年開始研究802.11ax標準,2016年提出802.11ax的初始草案,并于2019年正式發布標準。


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


         

        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

        調制方式

        OFDM

        OFDM

        OFDM,OFDMA

        用戶數據調制方式

        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,802.11ax的新增功能特點主要有如下:


        (1). 擴展了信號的覆蓋范圍。由于802.11ax標準每符號持續時間從原來的3.2us提升到12.8us,更長的發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數據(28=256)。802.11ax采用1024QAM,每個符號位傳輸10bit數據(210=1024)。從8到10的提升是25%,也就是相對于802.11ac來說,802.11ax的單條空間流數據吞吐量又提高了25%??湛谕掏铝?1/(符號+保護)時間×編碼效率×調制階數×有效子載波數量=1/(12.8us+0.8us)×5/6×10×980≈600Mbit/s



        (3). 最大空間流數量8,同時引入上行MU-MIMO。相比于802.11ac協議,上行不一定再需要獨立對單個節點的數據進行傳輸,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,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進行數據通信,從總的時頻資源上來看,每一個時間片上,有多個用戶同時發送,信道的利用率得到了提高。



        (5). 802.11協議是采用載波偵聽沖突檢測(CSMA/CA)作為MAC層的協議,這表示在同一個時間只有一個無線電設備可以在網絡上進行傳輸。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中區分基站的擾碼,802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識別機制,叫BSS Coloring著色機制,在PHY報文頭中添加BSS color字段對來自不同BSS的數據進行“染色”,為每個通道分配一種顏色,該顏色標識一組不互相干擾的基本服務集(BSS),接收端可以及早識別同頻傳輸干擾信號并停止接收,避免浪費收發機時間。如果顏色相同,則認為是同一BSS內的干擾信號,發送將推遲;如果顏色不同,則認為兩者之間無干擾,兩個Wi-Fi6設備可同信道同頻并行傳輸。以這種方式設計的網絡,那些具有相同顏色的信道彼此相距很遠,它們之間也不太可能會相互干擾。



        (6). 協議兼容性:802.11ax要求與以往的802.11a/b/h/n/ac都進行兼容。802.11ax協議向前兼容802.11n和802.11a,因此其幀格式里面,除了數據之外的前導,包含兼容802.11n的常規前導和11ax的高效前導。常規前導包含L-STF(短訓練字段)、L-LTF(長訓練字段)和L-sig字:

        1) L-STF主要用于數據同步;

        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據。L-sig一個很重要的作用就是區分常規幀和802.11ax幀,L-sig重復則表示802.11ax幀,反之則是常規幀,它還有一個重要的作用就是告訴基站發射機的編碼方式和幀長。


        2. 802.11ax時域幀格式


        802.11ax根據不同的用途,時域可以分為4種幀格式。這四種HE PPDU(Presentation Protocol Data Unit,表示協議數據單元)包括HE SU-PPDU(單用戶)、HE MU-PPDU(多用戶)、HE Extended Range SU-PPDU(擴展的單用戶協議)以及基于Trigger的HE PPDU。高效的前導則包含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,與擴展的HE Extended Range SU-PPDU不同的是該格式的HE-SIG-A不會重復。



        多用戶的HE PPDU幀格式定義如圖5所示,該PPDU格式不是Trigger幀的響應,而且還應該包括一個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。



        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,與HE SU-PPDU不同的是它的HE-STF的持續時間變成了8us而非4us。



        總結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部分短訓練序列

        接收機數據同步和粗頻偏估計

        L-LTF

        Legacy部分長訓練序列

        細頻偏估計和前導的信道估計

        L-SIG

        Legacy部分信令字段

        承載編碼速率和長度信息

        RL-SIG

        Legacy部分信令重復字段

        區分是否是802.11ax幀

        HE-SIG-A

        HE部分信令A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部分短訓練序列

        MIMO傳輸中提升自動增益控制估計

        HE-LTF

        HE部分長訓練序列

        信道估計和相位跟蹤

        Data

        承載PSDU的數據

        承載用戶數據信息

        PE

        數據包擴展字段

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