802.11ax在多场景下的实际业务性能分析

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前文描述了802.11ax新技术的特点，新技术将从PHY层和MAC层两个维度来实现多用户的体验提升。本文将通过仿真或者软件无线电平台搭建802.11ax物理层实测平台，对场景化下的性能进行分析部分实测验证。

１  远距离下性能分析

802.11ac 从 64QAM到 256QAM提供了 8/6=1.33 倍增速，802.11ax从256QAM到1024QAM提供了10/8=1.25倍增速。但在实际实现中，1024QAM对信号发送EVM的要求至少-35dB，相比11ac有3dB的提升，否则在接收端不能解调。

表1.1　802.11ax发送EVM要求

我们在实际办公室中搭建了802.11ax的物理层软件无线电平台，测试了单流下高阶性能，如表1.4所示，空口4.5m情况下，MCS10/11在接收端不能解调。MCS10/11适用于传输在近距离下，如2.2m能够良好的解调，解调端EVM能够达到-31dB。

表1.2　实测不同距离高阶的解调端EVM

1024QAM能够有效提升传输速率，进而提升吞吐，但实测过程中发现，空口4.5m LOS(视距)下性能下降较多，接收端不能解调，1024QAM更适用于在近距离干扰较少的环境，在户外以及远距离下，MCS10/11实用性较差。

远距离传输下，802.11ax的MCS调速基本与802.11ac一致，但由于802.11ax在带宽利用率上比11ac有所提升，因此远距离的传输速率，802.11ax将略微优于802.11ac，提升4.7%(@160MHz) 至12.5%(@20MHz)

2  多用户文件下载性能分析

多用户文件下载功能在高密度教室等场景中有重要的应用，这是考验最大吞吐指标的场景。802.11ax在多用户下载性能上有两点重要变化，一是采用OFDMA(正交频分多址)，将大带宽划分为更小的子带宽，可支持多用户在同一时间进行传输，二是下行MU-MIMO中重提将天线数增加到8，增加天线数来增加传输速率和吞吐。

2.1　DL OFDMA下载

OFDMA将带宽划分为更小的子带宽来支持多用户的下载。多用户文件下载场景，OFDMA并发用户数为小于4时，每个用户可以分得较大的频宽，协议规定该频宽下可以用MCS11进行传输，从而其系统容量吞吐相比802.11ac都提升了30%以上，主要的增益来自MCS的提升。当用户数进一步增加，超过4个，那么每用户分配的OFDMA子带宽为RU106、RU52、RU26三种或这三种的混合模式，协议规定该频宽下最大支持MCS9，并且由于子带宽导频、空子载波开销上升，导致这样的用户数目下带宽利用率下降。

表2.1　各种子带宽分配方式下的最大吞吐分析

图2.1　SU传输模式

图2.2　OFDMA 传输模式

2.2　DL MU-MIMO下载

DL MU-MIMO最多支持到8天线，同时压缩矩阵的反馈方式由原有的单用户依次反馈变为UL MU-MIMO反馈方式，有效节省更多用户时的NDP训练开销。

图2.3　802.11ax DL MU MIMO方式

图2.4　802.11ac MU-MIMO方式

表2.2　现有11ac MU-MIMO的理论模型增益

DL MU-MIMO TX beamforming反馈过程，采用上行MU-MIMO传输，训练时间开销减少，提升反馈用户数增多情况下的反馈时间。

表2.3　11ax MU-MIMO的理论模型增益

在理想情况下，如实验室静态场景，相同用户情况下，802.11ax的MU-MIMO增益和802.11ac相差不大，最大的提升在于802.11ax可以支持8用户的MU-MIMO。

但实际传输过程中，由于环境的多普勒频偏导致信道时变特性，当超过信道相关时间后，CSI将出现明显偏差，反馈CSI’与正确CSI的偏差可以表示为

图 2.5　Channel D-NLOS信道模型下,4X2信道随时间老化情况

如上图的办公室场景（Channel D-NLOS）信道模型下，当获取到的CSI超12ms之后，和真实CSI的偏差将大于-20dB，性能下降明显。在实际复杂环境（大量人员走动）下，信道环境的变化可能更迅速，MU-MIMO的性能下降。在稳定、干扰小环境中，MU-MIMO才能有稳定的增益。

同时，受多径频率选择性的影响，如图2.6所示，计算接收端相对输出SNR可以发现， 8X4(8发送天线，4用户)中，子载波平均有7db左右的增益，而8X8中，多处子载波有-20dB的深衰弱。所以802.11ax的MU-MIMO很难支持到8X8，最可能的应用场景应是8X4，4用户MU-MIMO。

图2.6　Channel D-NLOS信道模型下，不同发送接收天线的相对输出SNR

综上，多用户吞吐的提升主要来自MU-MIMO的方式，尤其是在8X4，4用户时，可能可以达到性能和吞吐的最优。同时，可以看到MU-MIMO受频率选择性衰弱和CSI信道老化的影响较为严重，针对这个问题，锐捷将在下一篇文章中介绍对MU-MIMO性能提升方案。

3  多用户视频观看性能分析

多用户文件下载考察吞吐指标，而多用户视频观看主要考察视频的传输速率和观看质量。在高密度场景中，假设有100用户观看高清视频，速率要求为4Mbps。假设频宽为80MHz，OFDMA下根据用户数均分总带宽，MU-MIMO选择8X4，采用用户轮询算法进行用户调度。

表3.1　100用户视频场景下的视频时延和吞吐 

对于单流802.11ac、802.11ax模式，人均吞吐未能达到4Mbps，意味着视频播放不流畅。OFDMA模式下和MU-MIMO模式下，视频播放流畅。另外一个重要影响因素为多用户碰撞，OFDMA RU242和MU-MIMO 8X4每次可以传输4个用户，相比802.11ac SU能够减少3倍碰撞，进而减少传输时间提升吞吐。

表3.1中可以看出选择4用户均分80MHz带宽进行OFDMA可以实现人均吞吐最大，若选择更多的用户在一次80MHz中并行传输，如上章描述，每用户的最大MCS受限，将导致吞吐不满足视频播放要求，是故选择合适的用户带宽分配方案对业务的端到端QoS有重要影响。同时看出，MU-MIMO相对于OFDMA得到的增益更大。

另外，OFDMA传输效率除了受厂商的用户带宽分配方案影响之外，还有实时信道的影响。如图3.1所示，相同一段实时信道，各个子带宽对应MCS9编码的误包率（PER）差别较大，SU模式下，该用户的PER为0；划分为子带宽后，可能该用户正好被分配到的衰弱较大的信道，这时该用户的丢包率将上升，引起视频的卡顿现象。

图3.1　OFDMA不同位置下MCS9编码对应的信道矩阵H和误包率PER

如下表，实测4.5m空口环境下并发4用户和37用户情况下的PER，接收端EVM从-21.7~-26dB,波动4dB，位于频率选择性衰弱较大的子带宽的用户更容易误包。

表3.2　空口4.5m，OFDMA性能

综上，在视频播放这种大报文传输场景中，OFDMA传输效率提升远没有MU-MIMO的大，同时OFDMA还将受到实际传输信道深衰弱的影响，对视频类敏感业务的影响更大，适当进行资源块分配或者自适应MCS等方案可以消除这个影响，这方面的性能由厂商算法决定，锐捷也将在下一篇文章中介绍对OFDMA的有效调度方案。

4  多用户网页浏览性能分析

多用户另外一个重要应用是网页浏览，该类业务的特点是传送的报文都为小报文。假设此时有多个用户同时发送512B报文，暂不考虑用户碰撞，采用轮询算法进行用户调度：

表4.1　OFDMA小报文下的吞吐提升

表4.2　MU-MIMO小报文下的吞吐提升

上表可以看到，在小报文场景下，真实数据传输时间小于控制报文开销时间，OFDMA并发发送有效节省多用户的空口开销，相比MU-MIMO可以获得更大的吞吐提高倍数，尤其并发用户数37时，OFDMA方式吞吐提升1148%。考虑到实际空口环境下，个别OFDMA用户信道恶化，性能可能无法提升1148%，但只要信道未恶化的用户数大于等于4，那么吞吐至少提升34.93%，信道未恶化的用户数大于等于16，吞吐可实现4.4倍提升。

5  多用户文件上传性能分析

随着图片上传、视频上传等业务的兴起，高密度多用户场景下文件上传能力的重要性也日益突显，802.11ax引入了上行OFDMA与上行MU-MIMO两种技术，实现多用户上行数据的并发传输。本章节主要对比这两种技术在多用户文件上传场景下的性能提升与实用性分析。

5.1　UL OFDMA

UL OFDMA的报文交互如下图所示：

图5.1　上行传输机制

根据UL OFDMA的报文交互机制，并且考虑了不同RU的分配方案，可以得到小报文与大报文场景下的UL OFDMA技术的性能提升，如下表所示：

表5.1　UL OFDMA小报文场景下的吞吐提升

表5.2　UL OFDMA大报文场景下的吞吐提升

需要说明的是，小报文表示报文长度为512B，大报文表示可以传输的最大聚合报文。用户调度采用轮询算法。

从表中可以看出，上行OFDMA技术的表现基本与下行OFDMA一致，在小报文场景中表现突出，在大报文场景中，RU分配方案对性能的影响很大。

但是在实际传输过程中UL OFDMA存在与DL OFDMA一样的问题，即传输性能受信道实时性能的影响。另外，在上行多用户场景中，由于用户终端的不同以及位置的不一致，各个终端的上行数据发送的中心频点，功率和发送时间都存在差异，下面分析2用户上行OFDMA频偏，时偏和功率差的影响。

下表是搭建软件无线电平台并进行实际空口测试的结果：

表5.3　空口2.2m、2.5m下两用户UL OFDMA影响因素

从表中可以看出，UL OFDMA空口测试下，两用户在0.4us的时偏下，性能没有影响，代表两个用户同时发送数据下，和AP的距离相差120米时对性能不会有影响。另外，不同用户频偏在频域可以估计，但存在估计范围较小、精度较差问题，已验证390Hz频偏能够有效估计和补偿，不影响性能，但是超过390Hz，性能将恶化（协议规定在进行上行OFDMA时，终端和AP的频偏必须小于350Hz）；同时，不同用户的功率差也对性能影响比较严重。由此预测，802.11ax在推广上行OFDMA技术时可能面临终端兼容性问题。

5.2　UL MU-MIMO

UL MU-MIMO的报文交互与上行OFDMA一样。根据报文交互机制，可以得到小报文与大报文场景下的UL MU-MIMO技术的性能提升，如下表所示：

表5.4　UL MU-MIMO小报文场景下的吞吐提升

表5.5　UL MU-MIMO大报文场景下的吞吐提升

需要说明的是，小报文表示报文长度为512B，大报文表示可以传输的最大聚合报文。用户调度采用轮询算法。

从表中可以看出，上行MU-MIMO技术的表现基本与下行MU-MIMO一致，在小报文场景中表现并没有在大报文场景中表现突出，但是无论大小报文，MU-MIMO均能实现性能容量的成倍提升。

同样，在上行多用户场景中，由于用户终端的不同以及位置的不一致，各个终端的上行数据发送的中心频点，功率和发送时间都存在差异，下面分析2用户上行MU-MIMO频偏，时偏和功率差对性能的影响。

UL MU-MIMO的传输原理与SU-MIMO一致，但不同的是UL MU的发送端是由不同STA同时发出，因此在接收端引入混合载波频率偏移。假设M个单天线用户向具体N个接收天线的接收天线发送数据：

第n个接收天线接收到的数据表示为：

每个天线上的归一化频偏为

频偏在产生ICI干扰，对第k个符号：

其中：

因此可以看出，高阶MCS10/MCS11对频偏十分敏感。

在理论分析的基础上，我们还搭建了软件无线电平台并进行实际空口测试的结果，如下表所示：

表5.6　空口分别为2.2m、2.5m环境下，2X2 UL MIMO接收端性能

从表中可以看出，上行MU-MIMO技术对频偏、功率差因素的敏感程度和OFDMA基本一致，但是相对于OFDMA，在空间上分割出多个用户的难度远大于OFDMA，因此从实用性角度考虑，上行MU-MIMO的实现存在非常大的困难。

6  结　论

本文通过仿真或者软件无线电平台搭建802.11ax物理层进行部分实测验证，对802.11ax的物理层性能进行了详细的性能分析。可以看出：

一：远距离传输调速MCS基本与802.11ac一致，802.11ax未增加远距离容忍度；但近距离的较好环境下，采用MCS10/11有效提升25%传输速率

二：多用户文件传输采用MU-MIMO模式下极大程度提升吞吐，天线数增加到8可以提高MU-MIMO的稳定性；同时，天线数的增加带来硬件设计复杂度提升，极大程度考验厂商硬件设计实力。

三：多用户视频观看采用MU-MIMO吞吐优于OFDMA，都能够减少碰撞和等待时间，但MU-MIMO性能实现需要良好的CSI反馈机制等算法；

四：多用户网页浏览场景下采用OFDMA有更明显的吞吐提升，最高可达11.48倍，但性能落地同样需要复杂的MAC调度算法，包括用户带宽分配方案、信道分配方案等；

五：文件上传采用UL OFDMA和UL MU-MIMO技术，可以用来节省空口开销，提升吞吐减少多用户碰撞，但UL OFDMA、UL MU-MIMO对同步的要求较高。

预告

802.11ax是否最终能实现4倍相比于802.11ac吞吐取决于厂商的硬件、调度算法等各方面的全面提升。