【IT168 资讯】如果你还记得几年前，世界上最早出现的一些802.11n Wi-Fi产品曾被打上“草稿-n”的标签。这些路由器和接入节点被冠以“草稿-n”绰号，是有其特定的原因的：官方标准尚未形成。现在，802.11n 产品已经无处不在，作为一种先进的Wi-Fi标准被广泛接受。然而，就如同大多802.11g产品已经移至802.11n一样，下一代的Wi-Fi将会基于802.11ac规范。

　　新 802.11ac规范的初衷是考虑到更高数据吞吐量的要求。就如同我们已经看到Wi-Fi从802.11a/b发展至g再到n，802.11ac的超高吞吐量(very high throughput, VHT)规范可以实现极高的数据传输速率。在此，我们将探讨其物理层中一些主要的技术特性，以及它如何支持高数据吞吐量。此外，我们将特别分析一些不断演进的特性，例如应用更高的信道带宽、调制类型的改变、以及更多空间流(Spatial stream)的应用以实现更高的数据速率。

　　首先，我们比较一下过去的以及未来的Wi-Fi的基本的物理层规范，如图1所示。

图1. 新一代Wi-Fi中的物理层规范的技术演进

　　如图1所示，802.11n规范中最主要的新特性就是通过引入4x4 MIMO技术，使用了更多的空间流。发展至802.11ac后，可实现的最大的空间流可达8x8 MIMO。此外还有其它的重要改变，包括：可选的160 MHz信道带宽，以及引入了256-QAM调制机制。

　　使用更高的信道带宽

　　追溯至MIMO技术起源，Shannon-Hartley原理曾被认为是计算一个数字信道的数据吞吐量的主要理论模型。

公式1. 经典Shannon-Hartley信道吞吐量理论模型

　　根据这一理论，通过一个特定信道的数据传输速率仅能通过改变信道带宽或者信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)来提高。时至今日，Shannon-Hartley理论已经无法计算多个空间流所实现的总数据吞吐量，但它依然能表明信道带宽与数据传输速率之间的相关性。

　　在一个OFDM系统中，人们可以很直观地看到，更高的带宽与更高的数据传输速率之间存在相关性。例如，在使用相同的子载波间距(也就是使用相同的符号率)时，增加子载波的数量将增加信道带宽。在802.11ac规范中，我们可以很清楚的看到信道带宽与数据子载波数量之间的关系。如图2所示，在所有带宽模型中，子载波的间距是不变的，只需增加子载波的数量就可增加带宽。

图2. 802.11ac中可选的信道带宽

　　*代表此模式在802.11ac中是可选的。

　　如图2所示，可选的160 MHz模式远远超过了802.11n所支持的最大带宽(40MHz)。目前，具有160MHz可用频谱的Wi-Fi频带仅能在5 GHz频带中实现(而不是2.4GHz).因此，802.11ac规范仅能用于5GHz ISM频带。

　　提高空间流数量

　　Shannon- Hartley理论可以很合理地估计SISO(单输入单输出)信道的理论吞吐量，但我们必须对其进行一些更改，才能合理的估计MIMO(多输入多输出)信道的最大吞吐量。在一个具有充足多路径反射的物理信道中，数据传输速率在理论上的最大提升随着理论空间流的数量的增加而线性增加。例如，在一个2x2的 MIMO系统中，在同一个物理信道(即使用相同的频率)中使用两个独立的空间流，其所能实现的数据速率是传统的单输入单输出(SISO)系统的两倍。同样，相对于SISO信道，一个4x4 MIMO信道可以实现4倍的数据速率提升，而8x8 MIMO信道则可以实现8倍的数据速率提升。。与其它新出现的无线通信规范(如3GPP LTE Advanced)类似，802.11ac VHT规范可以实现最高8x8 MIMO系统。

　　调制机制与码率的改进

　　802.11ac 提高数据吞吐量所使用的最有趣的方法之一，就是256-QAM调制机制。过去，随着802.11a的发展，64-QAM调制曾被认为是所有无线通信标准中 “最高阶”的调制模式。而802.11ac则是消费类电子领域中引入256-QAM的首个商用的无线标准，以满足不断增长的数据吞吐量要求。在公式2中，我们可以看到调制机制的“阶次”与每个符号所代表的比特位数之间的简单关系。

公式2.每个符号的比特位数随着调制机制的复杂性而增加。

　　我们可以很容易地看到，简单的调制机制，例如BPSK(二进制相移键控)使用两个符号，因此每个符号可以产生1个比特位。相比较而言，一个更加复杂的调制机制，例如256-QAM则拥有更高的“阶次”，从而可以实现更高的数据速率。事实上，256-QAM中，每个符号可以产生8个比特位 (log2(256)=8)。比较802.11ac和 802.11n，我们可以看到：对于能够实现256-QAM的环境条件，与传统的64-QAM机制相比，可以将数据速率提高33%。

　　有关调制阶次的一个有趣的问题是，我们可以看到发射机的调制质量与Shannon-Hartley原理之间关系紧密。要了解这一关系，一个简单的实例就是 802.11ac规范中对发射机相对星座误差(我们可以理解为EVM)的限制。在我们观察图3时可以看到，更高阶次的调制类型，例如256-QAM，对于 EVM的要求更为严格——这一点并不奇怪，因为EVM和SNR之间的关系非常紧密。

图3. 发射机最低EVM要求

　　为了更好地说明SNR对调制阶次类型的影响，图4中展示了一个256-QAM信号在各种SNR环境中的星座图。

图4.更高的SNR可以实现更高阶次的调制，如256-QAM

　　如 256-QAM的星座图所示，32dB的SNR对于256-QAM信号解调来说足矣，不会产生明显的比特误差以及帧误差。相对而言，在一个具有较低信噪比的环境中，我们可以看到星座图中的拖尾效应，这在27dB或者更低信噪比的环境中尤为明显。在这些信道环境条件下，一个给定的Wi-Fi接入节点无法使用 256-QAM模式维持通信，只能使用较低阶次的调制模式时以维持一定范围内的帧误差率。这一示例表明了Shannon-Hartley 原理中所描述的SNR与数据吞吐量之间的关系。