目录

1、Introduction

A IEEE 802.11ac

B IEEE 802.11ax

二、 研究方法

1、Parameter Settings

2、Scenarios

三、 Result And Discussion

四、 总结

1、Introduction

        无线技术为世界各地的许多人提供无线通信服务和移动支持。基于IEEE 802.11无线协议的无线技术也在逐年发展，其发展趋势如图1所示。

        无线局域 已经得到了很大的发展，可以很容易地部署在各个区域，例如，机场，酒店，办公室，购物中心和家庭住宅。 一个主要的改进之一是AP（接入点）系统服务的用户数量。 IEEE 802.11协议中描述的W-LAN实现了CSMA / CA（具有冲突避免功能的载波侦听多路访问）技术，要求端点在传输之前先监听所有清晰的信 。在发生干扰，拥塞或冲突的情况下，端点将进入退避过程，等待信道空闲后再发送。
       首先，在CSMA中，无线站点（RSTA）会在信道条件空闲时通过发送进行感知，并尝试冲突避免。

                                                                           图1 Wireless technology trend

        当RSTA感测到使用该通道的另一个RSTA时，RSTA等待随机次数，因此RSTA在返回以检查该通道是否空闲之前停止其发送。当RSTA可以发送时，它发送所有分组数据。 RSTA发送RTS / CTS（发送请求/清除发送）命令以访问共享媒体。AP（接入点）一次向RSTA发出CTS命令，然后STA将整个帧发送到AP。RSTA等待确认（ACK），它从AP发送命令以指示已接收到数据包。如果RSTA没有及时得到ACK，则假定该数据包与某些已发送的数据包冲突，这将RSTA引导到下一个退避周期。倒计时结束后，RSTA将尝试访问媒体并重新发送数据包。尽管清除信道评估和避免冲突协议的功能很好，可以在所有RSTA之间平均分配信道，但是随着站点数量的增加，冲突域及其效率会降低。

        清除信道评估协议场景如图2所示。

                                                    图2 Wireless 802.11 Clear Channel Assessment Protocol

A IEEE 802.11ac

802.11n协议的性能是802.11ac协议发展的基础。为了获得更高的802.11ac性能，可以通过以下方式实现：

1、将802.11n协议的40 MHz带宽扩展为更大的带宽，即80 MHz和160 MHz

2、使用QAM-256调制的信 调制更大，这是802.11n协议使用的QAM-64调制的发展。

3、使用8个空间流实现多输入多输出，这些空间流大于仅具有4个空间流的802.11n。

在80 MHz和/或160 MHz频段上工作的802.11ac接入点（AP）仍支持已连接的802.11n用户协议，并可以很好地为其通信提供服务。它的工作方式是，信标信 将以802.11n的20 MHz带宽发送，它将成为80 MHz带宽中的主要信道。在这种情况下，访问点和连接到它的客户端将接收并处理在此主通道上接收到的数据。这样802.11n接入点上的客户端将兼容，并且仍然能够在802.11ac接入点（AP）上进行数据传输。

                                                                图3 Wireless 802.11ax channel allocation

       各种类型的接入点及其连接的用户具有不同的载波侦听周期，并可以使用各种子信道随时传输数据。从理论上讲，具有160 MHz带宽的802.11ac将能够产生1.3 Gb / s的吞吐量。

B IEEE 802.11ax

       IEEE 802.11ax是一种改进的802.11ac协议性能的开发协议，802.11ax协议限制了基于上行链路的访问[2]。802.11ax提供了更大的 络容量、更高的效率、更好的性能和较低的时延。这个新协议的主要目的是实现新得方法，为更多的用户提供可靠和一致的数据流，以提高系统吞吐量。

       其中IEEE802.11ax和IEEE802.11ac协议的主要区别如下图4所示:

                                                         图4 Features of IEEE 802.11ax over 802.11ac[1]

       IEEE 802.11ax对标准物理层做了重大修改，然而802.11ax仍然保持与801.11a/b/g/n/ac协议设备的兼容性，使得802.11ax RSTA可以使用之前的协议接收和发送数据给STA。旧的客户端还可以解调和解码802.11ax包的 头，既是不是整个802.11ax包，然后通过802.11ax RSTA传输时进行传递。IEEE 802.11ax和IEEE 802.11ac的PHY层的特性差异如表1所示。

        该IEEE 802.11ax标准有两种操作模式，单用户操作和多用户操作模式。在单用户操作模式中，无线顺序的RSTA模式可以安全接入媒体后将发送和接收数据。在到用户模式中，可以同时执行多个non-AP STAs(非AP STAs)的操作。

       IEEE 802.11ax标准将这种模式进一步划分为下行和上行两种链路多用户模式。多用户下行模式是基于AP对多个相关无线STAs同时执行的数据操作。

       多链路MU-MIMO提供了802.11ac和802.11ax接入点，因此他们可以从一个接入点同时接收和发送给多个用户(MU)。该特性为访问点的工作区域中的用户客户端提供了灵活性的服务。两个协议采用的方法都为多用户MIMO和正交频分多址技术（OFDMA）。

       在4G蜂窝 络上使用的为了在同一个频道上容纳更多的用户的方法成为OFDMA，另一种方法是为一个用户设定特定的子操作符。IEEE 802.11ax将信道划分为最小的子信道，共有26个子载波，而频道资源分配的规则是通过在下行链路上设置所有可用资源，然后一个用户在同一时间只能分配一个信道资源（原文为：The rules for channel allocation are by setting all available resources at the downlink, then all channels allocated for only a user at the same time，不知道我翻译的对不对）。下图5显示了同时为几个用户提供服务的OFDMA。

 图5 A single user in a channel of OFDM compares to multiplexing multiuser in the same channel of OFDMA(OFDM通道中的单个用户与OFDMA相同通道中的多用户进行比较)

       该研究主要是为了找出IEEE 802.11ax和IEEE 802.11ac协议如何与各种客户端一起工作。通过分析可以知道它们的相应时间有多快，以及2到512个客户端的吞吐量大小。

       该文章一共分为五个部分，第一个部分描述协议的背景和目的，第二部分描述研究的方法，第三部分则介绍802.11ax和ac的比较结果和讨论，最后为总结。

二、 研究方法

1. 设计系统的体系结结构
2. 采集吞吐量的数据并分析
3. 将仿真结果表示出来

IEEE 802.11ax和802.121ac的性能评估从AP节点和客户端节点无线连接的接收流量计算。比较ax和ac协议之间的一个性能指标是吞吐量，它描述了在选定时间范围内通过链路的流量大小。

1、Parameter Settings

        802.11ac的仿真使用QAM-256调制，802.11ax使用QAM-1024进行调制。其中MIMO不可以仿真，因为NS-3中没有该功能。在仿真中，两个协议的参数如表2所示。

        图6为仿真时 络的拓扑结构，在这里使用的是星型拓扑结构，因为客户端中经常采用该结构。因此，Access Point’s（接入点）负载等于连接的终端的数量，通过使用这种星型拓扑，当接入点为终端提供服务时，他们将被迫使用最佳的工作方式。因此可以方便的监控各接入点（802.11ax and 802.11ac）的性能。

                                                                             图6 络拓扑结构

2、Scenarios

        方案2显示了IEEE 802.11ac仿真的活动。将每个参数设置模拟到参数设置表，即将空间流，调制和编码方案设置为某个值。并模拟了2到512个客户编 的客户数量，以找到最佳数据速率值。

三、 Result And Discussion

        仿真结果表明，在客户端数量较小的情况下，即2个和4个客户端，响应时间快，吞吐量值好，而ieee802.11ax的比特率值大于ieee802.11ac。两种协议都显示了从0.1秒开始模拟到2秒结束模拟的稳定吞吐量，如图7所示。

                                       图7 Throughput 802.11ax Mcs-11 vs 802.11ac Mac-9 with a small client number(2 and 4)
      

        中等客户端数量（即8个，16个和32个客户端）的仿真结果显示，类似于IEEE 802.11ax和IEEE 802.11ac的时间响应，响应时间较晚，并且从0.3秒的时间开始具有良好的吞吐量值，而比特率 IEEE 802.11ax的值保持大于IEEE 802.11ac。它显示了802.11ax的MIMO实现比802.11ac更有效，尽管这两种协议都显示了从0.3秒的仿真时间到2秒的仿真结束的稳定吞吐量，如图8所示。

                                   图8 Throughput 802.11ax Mcs-11 vs 802.11ac Mcs-9 with a medium client number(8、16、32)

       大客户端数量（即64、128、256和512个客户端）的仿真结果表明，802.11ac具有比IEEE 802.11ax启动更快的响应速度，因为仿真时间为0.2秒至0.4秒，从仿真时间开始为0.5秒，所示的IEEE 802.11ax具有更大的位速率值高于IEEE 802.11ac。 IEEE 802.11ax保持了比IEEE 802.11ac更高的吞吐量，直到2秒的仿真时间结束为止，如图9所示。图9显示了IEEE 802.11ax和IEEE 802.11ac的吞吐量稳定性比较，其中客户端数量从64到512。

        与802.11ac的吞吐量相比，IEEE 802.11ax的吞吐量值看起来更稳定。图11显示了IEEE 802.11ax与IEEE 802.11ac之间的吞吐量差异。从2到8个连接的客户端，它们具有几乎相同的吞吐量。

                                      图9 Throughput 802.11ax Mcs-11 vs. 802.11ac Mcs-9 with a big client number

        更高的吞吐量差异从16个客户机开始，直到512个客户端。IEEE 802.11ax平均比IEEE 802.11ac的吞吐量高出8.9%。

图10 Average throughput IEEE 802.11ax Mcs-11 compare to IEEE 802.11ac Mcs-9 with various big client number(64,128,256 and 512)

        图11 Difference percentage of throughput IEEE 802.11ax Mcs-11 compare to IEEE 802.11ac with various client number

四、 总结

       客户端数量较少（即2个和4个客户端）的IEEE 802.11ax Mcs-11和IEEE 802.11ac Mcs-9具有相同的良好吞吐量值。使用16到512个客户端进行的仿真IEEE 802.11ax具有比IEEE 802.11ac更大的吞吐量值。在中等客户端数量下，IEEE.802ax Mcs-11和IEEE 802.11ac Mcs-9都显示了相似的延迟响应时间，但IEEE 802.11ax的吞吐量值大于IEEE 802.11ac。当客户端数量很多时，在开始的几毫秒内具有比IEEE 802.11ac Mcs-9更多的延迟响应时间，但在0.5 ms之后，IEEE 802.11ax表现出比IEEE 802.11ac稳定且更大的吞吐量值。