銳捷網絡：802.11ax在多場景下的實際業務性能分析
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前文描述了802.11ax新技術的特點，新技術將從PHY層和MAC層兩個維度來實現多用戶的體驗提升。本文將通過仿真或者軟件無線電平臺搭建802.11ax物理層實測平臺，對場景化下的性能進行分析部分實測驗證。
1、遠距離下性能分析
802.11ac 從 64QAM到 256QAM提供了 8/6=1.33 倍增速，802.11ax從256QAM到1024QAM提供了10/8=1.25倍增速。但在實際實現中，1024QAM對信號發送EVM的要求至少-35dB，相比11ac有3dB的提升，否則在接收端不能解調。
表1.1 802.11ax發送EVM要求
我們在實際辦公室中搭建了802.11ax的物理層軟件無線電平臺，測試了單流下高階性能，如表1.4所示，空口4.5m情況下，MCS10/11在接收端不能解調。MCS10/11適用于傳輸在近距離下，如2.2m能夠良好的解調，解調端EVM能夠達到-31dB。
表1.2 實測不同距離高階的解調端EVM
1024QAM能夠有效提升傳輸速率，進而提升吞吐，但實測過程中發現，空口4.5m LOS(視距)下性能下降較多，接收端不能解調，1024QAM更適用于在近距離干擾較少的環境，在戶外以及遠距離下，MCS10/11實用性較差。
遠距離傳輸下，802.11ax的MCS調速基本與802.11ac一致，但由于802.11ax在帶寬利用率上比11ac有所提升，因此遠距離的傳輸速率，802.11ax將略微優于802.11ac，提升4.7%(@160MHz) 至12.5%(@20MHz)
2、多用戶文件下載性能分析
多用戶文件下載功能在高密度教室等場景中有重要的應用，這是考驗***吞吐指標的場景。802.11ax在多用戶下載性能上有兩點重要變化，一是采用OFDMA(正交頻分多址)，將大帶寬劃分為更小的子帶寬，可支持多用戶在同一時間進行傳輸，二是下行MU-MIMO中重提將天線數增加到8，增加天線數來增加傳輸速率和吞吐。
2.1 DL OFDMA下載
OFDMA將帶寬劃分為更小的子帶寬來支持多用戶的下載。多用戶文件下載場景，OFDMA并發用戶數為小于4時，每個用戶可以分得較大的頻寬，協議規定該頻寬下可以用MCS11進行傳輸，從而其系統容量吞吐相比802.11ac都提升了30%以上，主要的增益來自MCS的提升。當用戶數進一步增加，超過4個，那么每用戶分配的OFDMA子帶寬為RU106、RU52、RU26三種或這三種的混合模式，協議規定該頻寬下***支持MCS9，并且由于子帶寬導頻、空子載波開銷上升，導致這樣的用戶數目下帶寬利用率下降。
表2.1 各種子帶寬分配方式下的***吞吐分析
圖2.1 SU傳輸模式
圖2.2 OFDMA 傳輸模式
2.2 DL MU-MIMO下載
DL MU-MIMO最多支持到8天線，同時壓縮矩陣的反饋方式由原有的單用戶依次反饋變為UL MU-MIMO反饋方式，有效節省更多用戶時的NDP訓練開銷。
圖2.3 802.11ax DL MU MIMO方式
圖2.4 802.11ac MU-MIMO方式
表2.2 現有11ac MU-MIMO的理論模型增益
DL MU-MIMO TX beamforming反饋過程，采用上行MU-MIMO傳輸，訓練時間開銷減少，提升反饋用戶數增多情況下的反饋時間。
表2.3 11ax MU-MIMO的理論模型增益
在理想情況下，如實驗室靜態場景，相同用戶情況下，802.11ax的MU-MIMO增益和802.11ac相差不大，***的提升在于802.11ax可以支持8用戶的MU-MIMO。
但實際傳輸過程中，由于環境的多普勒頻偏導致信道時變特性，當超過信道相關時間后，CSI將出現明顯偏差，反饋CSI’與正確CSI的偏差可以表示為
圖 2.5 Channel D-NLOS信道模型下,4X2信道隨時間老化情況
如上圖的辦公室場景(Channel D-NLOS)信道模型下，當獲取到的CSI超12ms之后，和真實CSI的偏差將大于-20dB，性能下降明顯。在實際復雜環境(大量人員走動)下，信道環境的變化可能更迅速，MU-MIMO的性能下降。在穩定、干擾小環境中，MU-MIMO才能有穩定的增益。
同時，受多徑頻率選擇性的影響，如圖2.6所示，計算接收端相對輸出SNR可以發現， 8X4(8發送天線，4用戶)中，子載波平均有7db左右的增益，而8X8中，多處子載波有-20dB的深衰弱。所以802.11ax的MU-MIMO很難支持到8X8，最可能的應用場景應是8X4，4用戶MU-MIMO。
圖2.6 Channel D-NLOS信道模型下，不同發送接收天線的相對輸出SNR
綜上，多用戶吞吐的提升主要來自MU-MIMO的方式，尤其是在8X4，4用戶時，可能可以達到性能和吞吐的***。同時，可以看到MU-MIMO受頻率選擇性衰弱和CSI信道老化的影響較為嚴重，針對這個問題，銳捷將在下一篇文章中介紹對MU-MIMO性能提升方案。
3、多用戶視頻觀看性能分析
多用戶文件下載考察吞吐指標，而多用戶視頻觀看主要考察視頻的傳輸速率和觀看質量。在高密度場景中，假設有100用戶觀看高清視頻，速率要求為4Mbps。假設頻寬為80MHz，OFDMA下根據用戶數均分總帶寬，MU-MIMO選擇8X4，采用用戶輪詢算法進行用戶調度。
表3.1 100用戶視頻場景下的視頻時延和吞吐
對于單流802.11ac、802.11ax模式，人均吞吐未能達到4Mbps，意味著視頻播放不流暢。OFDMA模式下和MU-MIMO模式下，視頻播放流暢。另外一個重要影響因素為多用戶碰撞，OFDMA RU242和MU-MIMO 8X4每次可以傳輸4個用戶，相比802.11ac SU能夠減少3倍碰撞，進而減少傳輸時間提升吞吐。
表3.1中可以看出選擇4用戶均分80MHz帶寬進行OFDMA可以實現人均吞吐***，若選擇更多的用戶在一次80MHz中并行傳輸，如上章描述，每用戶的***MCS受限，將導致吞吐不滿足視頻播放要求，是故選擇合適的用戶帶寬分配方案對業務的端到端QoS有重要影響。同時看出，MU-MIMO相對于OFDMA得到的增益更大。
另外，OFDMA傳輸效率除了受廠商的用戶帶寬分配方案影響之外，還有實時信道的影響。如圖3.1所示，相同一段實時信道，各個子帶寬對應MCS9編碼的誤包率(PER)差別較大，SU模式下，該用戶的PER為0;劃分為子帶寬后，可能該用戶正好被分配到的衰弱較大的信道，這時該用戶的丟包率將上升，引起視頻的卡頓現象。
圖3.1 OFDMA不同位置下MCS9編碼對應的信道矩陣H和誤包率PER
如下表，實測4.5m空口環境下并發4用戶和37用戶情況下的PER，接收端EVM從-21.7~-26dB,波動4dB，位于頻率選擇性衰弱較大的子帶寬的用戶更容易誤包。
表3.2 空口4.5m，OFDMA性能
綜上，在視頻播放這種大報文傳輸場景中，OFDMA傳輸效率提升遠沒有MU-MIMO的大，同時OFDMA還將受到實際傳輸信道深衰弱的影響，對視頻類敏感業務的影響更大，適當進行資源塊分配或者自適應MCS等方案可以消除這個影響，這方面的性能由廠商算法決定，銳捷也將在下一篇文章中介紹對OFDMA的有效調度方案。
4、多用戶網頁瀏覽性能分析
多用戶另外一個重要應用是網頁瀏覽，該類業務的特點是傳送的報文都為小報文。假設此時有多個用戶同時發送512B報文，暫不考慮用戶碰撞，采用輪詢算法進行用戶調度：
表4.1 OFDMA小報文下的吞吐提升
表4.2 MU-MIMO小報文下的吞吐提升
上表可以看到，在小報文場景下，真實數據傳輸時間小于控制報文開銷時間，OFDMA并發發送有效節省多用戶的空口開銷，相比MU-MIMO可以獲得更大的吞吐提高倍數，尤其并發用戶數37時，OFDMA方式吞吐提升1148%。考慮到實際空口環境下，個別OFDMA用戶信道惡化，性能可能無法提升1148%，但只要信道未惡化的用戶數大于等于4，那么吞吐至少提升34.93%，信道未惡化的用戶數大于等于16，吞吐可實現4.4倍提升。
5、多用戶文件上傳性能分析
隨著圖片上傳、視頻上傳等業務的興起，高密度多用戶場景下文件上傳能力的重要性也日益突顯，802.11ax引入了上行OFDMA與上行MU-MIMO兩種技術，實現多用戶上行數據的并發傳輸。本章節主要對比這兩種技術在多用戶文件上傳場景下的性能提升與實用性分析。
5.1 UL OFDMA
UL OFDMA的報文交互如下圖所示：
圖5.1 上行傳輸機制
根據UL OFDMA的報文交互機制，并且考慮了不同RU的分配方案，可以得到小報文與大報文場景下的UL OFDMA技術的性能提升，如下表所示：
表5.1 UL OFDMA小報文場景下的吞吐提升
表5.2 UL OFDMA大報文場景下的吞吐提升
需要說明的是，小報文表示報文長度為512B，大報文表示可以傳輸的***聚合報文。用戶調度采用輪詢算法。
從表中可以看出，上行OFDMA技術的表現基本與下行OFDMA一致，在小報文場景中表現突出，在大報文場景中，RU分配方案對性能的影響很大。
但是在實際傳輸過程中UL OFDMA存在與DL OFDMA一樣的問題，即傳輸性能受信道實時性能的影響。另外，在上行多用戶場景中，由于用戶終端的不同以及位置的不一致，各個終端的上行數據發送的中心頻點，功率和發送時間都存在差異，下面分析2用戶上行OFDMA頻偏，時偏和功率差的影響。
下表是搭建軟件無線電平臺并進行實際空口測試的結果：
表5.3 空口2.2m、2.5m下兩用戶UL OFDMA影響因素
從表中可以看出，UL OFDMA空口測試下，兩用戶在0.4us的時偏下，性能沒有影響，代表兩個用戶同時發送數據下，和AP的距離相差120米時對性能不會有影響。另外，不同用戶頻偏在頻域可以估計，但存在估計范圍較小、精度較差問題，已驗證390Hz頻偏能夠有效估計和補償，不影響性能，但是超過390Hz，性能將惡化(協議規定在進行上行OFDMA時，終端和AP的頻偏必須小于350Hz);同時，不同用戶的功率差也對性能影響比較嚴重。由此預測，802.11ax在推廣上行OFDMA技術時可能面臨終端兼容性問題。
5.2 UL MU-MIMO
UL MU-MIMO的報文交互與上行OFDMA一樣。根據報文交互機制，可以得到小報文與大報文場景下的UL MU-MIMO技術的性能提升，如下表所示：
需要說明的是，小報文表示報文長度為512B，大報文表示可以傳輸的***聚合報文。用戶調度采用輪詢算法。
從表中可以看出，上行MU-MIMO技術的表現基本與下行MU-MIMO一致，在小報文場景中表現并沒有在大報文場景中表現突出，但是無論大小報文，MU-MIMO均能實現性能容量的成倍提升。
同樣，在上行多用戶場景中，由于用戶終端的不同以及位置的不一致，各個終端的上行數據發送的中心頻點，功率和發送時間都存在差異，下面分析2用戶上行MU-MIMO頻偏，時偏和功率差對性能的影響。
UL MU-MIMO的傳輸原理與SU-MIMO一致，但不同的是UL MU的發送端是由不同STA同時發出，因此在接收端引入混合載波頻率偏移。假設M個單天線用戶向具體N個接收天線的接收天線發送數據：
第n個接收天線接收到的數據表示為：
每個天線上的歸一化頻偏為
頻偏在產生ICI干擾，對第k個符號：
因此可以看出，高階MCS10/MCS11對頻偏十分敏感。
在理論分析的基礎上，我們還搭建了軟件無線電平臺并進行實際空口測試的結果，如下表所示：
表5.6 空口分別為2.2m、2.5m環境下，2X2 UL MIMO接收端性能
從表中可以看出，上行MU-MIMO技術對頻偏、功率差因素的敏感程度和OFDMA基本一致，但是相對于OFDMA，在空間上分割出多個用戶的難度遠大于OFDMA，因此從實用性角度考慮，上行MU-MIMO的實現存在非常大的困難。
6、結 論
本文通過仿真或者軟件無線電平臺搭建802.11ax物理層進行部分實測驗證，對802.11ax的物理層性能進行了詳細的性能分析。可以看出：
一：遠距離傳輸調速MCS基本與802.11ac一致，802.11ax未增加遠距離容忍度;但近距離的較好環境下，采用MCS10/11有效提升25%傳輸速率
二：多用戶文件傳輸采用MU-MIMO模式下極大程度提升吞吐，天線數增加到8可以提高MU-MIMO的穩定性;同時，天線數的增加帶來硬件設計復雜度提升，極大程度考驗廠商硬件設計實力。
三：多用戶視頻觀看采用MU-MIMO吞吐優于OFDMA，都能夠減少碰撞和等待時間，但MU-MIMO性能實現需要良好的CSI反饋機制等算法;
四：多用戶網頁瀏覽場景下采用OFDMA有更明顯的吞吐提升，***可達11.48倍，但性能落地同樣需要復雜的MAC調度算法，包括用戶帶寬分配方案、信道分配方案等;
五：文件上傳采用UL OFDMA和UL MU-MIMO技術，可以用來節省空口開銷，提升吞吐減少多用戶碰撞，但UL OFDMA、UL MU-MIMO對同步的要求較高。
預告
802.11ax是否最終能實現4倍相比于802.11ac吞吐取決于廠商的硬件、調度算法等各方面的全面提升。在下篇文章中，我們將指出銳捷公司在設計802.11ax設備時所做的性能優化和改進，歡迎點擊下方文章列表，繼續我們的探討~
重磅來襲：
1、802.11ax協議的技術特點及原理簡析：《我是802.11ax，我比哥哥強不少，真的!》
