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什么是802.11ax(什么是802.11ax模式)

小編:大悶頭 更新時間:2022-05-03 17:21

Wi-Fi已成為當(dāng)今世界無處不在的技術(shù),為數(shù)十億設(shè)備提供無線連接,也是越來越多的用戶上網(wǎng)接入的首選方式,并且有逐步取代有線接入的趨勢。為適應(yīng)新的業(yè)務(wù)應(yīng)用和減小與有線網(wǎng)絡(luò)帶寬的差距,每一代802.11的標(biāo)準(zhǔn)都在大幅度的提升其速率。

隨著視頻會議、無線互動VR、移動教學(xué)等業(yè)務(wù)應(yīng)用越來越豐富,Wi-Fi接入終端越來越多。IoT的發(fā)展更是讓越來越多的智能家居設(shè)備接入到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。因此,Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)仍需要不斷提升速率,同時還需要考慮是否能接入更多的終端,適應(yīng)不斷擴(kuò)大的客戶端設(shè)備數(shù)量以及不同應(yīng)用的用戶體驗需求。

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圖1-1 不同Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)下的接入量與人均帶寬關(guān)系

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下一代Wi-Fi需要解決更多終端的接入導(dǎo)致整個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)效率降低的問題,早在2014年IEEE 802.11工作組就已經(jīng)開始著手應(yīng)對這一挑戰(zhàn),802.11ax標(biāo)準(zhǔn)將引入上行MU-MIMO、OFDMA正交頻分多址接入、1024-QAM高階調(diào)制等技術(shù),將從頻譜資源利用、多用戶接入等方面解決網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效率問題。目標(biāo)是在密集用戶環(huán)境中將用戶的平均吞吐量相比如今的Wi-Fi 5提高至少4倍,并發(fā)用戶數(shù)提升3倍以上,因此,Wi-Fi 6(802.11ax)也被稱為高效無線(HEW)。

01 什么是Wi-Fi 6?

Wi-Fi 6是下一代802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的簡稱。隨著Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn),WFA為了便于Wi-Fi用戶和設(shè)備廠商輕松了解其設(shè)備連接或支持的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn),選擇使用數(shù)字序號來對Wi-Fi重新命名。另一方面,選擇新一代命名方法也是為了更好地突出Wi-Fi技術(shù)的重大進(jìn)步,它提供了大量新功能,包括更大的吞吐量和更快的速度、支持更多的并發(fā)連接等。根據(jù)WFA的公告,現(xiàn)在的Wi-Fi命名和802.11技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系如表1-1所示。

和以往每次發(fā)布新的802.11標(biāo)準(zhǔn)一樣,802.11ax也將兼容之前的802.11ac/n/g/a/b標(biāo)準(zhǔn),老的終端一樣可以無縫接入802.11ax網(wǎng)絡(luò)。

802.11標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布日期、支持的頻段以及新命名如表1-1所示。

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表1-1 802.11標(biāo)準(zhǔn)與新命名

802.11ax設(shè)計之初就是為了適用于高密度無線接入和高容量無線業(yè)務(wù),比如室外大型公共場所、高密場館、室內(nèi)高密無線辦公、電子教室等場景。

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圖1-2 高密高帶寬應(yīng)用場

在這些場景中,接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的客戶端設(shè)備將呈現(xiàn)巨大增長,還在不斷增加的語音及視頻流量也對Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)帶來調(diào)整,根據(jù)預(yù)測,到2020年全球移動視頻流量將占移動數(shù)據(jù)流量的50%以上,其中有80%以上的移動流量將會通過Wi-Fi承載。我們都知道4K視頻流(帶寬要求50Mbps/人)、語音流(時延小于30ms)、VR流(帶寬要求75Mbps/人,時延小于15ms)對帶寬和時延是十分敏感的,如果網(wǎng)絡(luò)擁塞或重傳導(dǎo)致傳輸延時,將對用戶體驗帶來較大影響。而現(xiàn)有的Wi-Fi 5(802.11ac)網(wǎng)絡(luò)雖然也能提供大帶寬能力,但是隨著接入密度的不斷上升,吞吐量性能遇到瓶頸。而Wi-Fi 6(802.11ax)網(wǎng)絡(luò)通過OFDMA、UL MU-MIMO、1024-QAM等技術(shù)使這些服務(wù)比以前更可靠,不但支持接入更多的客戶端,同時還能均衡每用戶帶寬。比如說電子教室,以前如果是100多位學(xué)生的大課授課形式,傳輸視頻或是上下行的交互挑戰(zhàn)都比較大,而802.11ax網(wǎng)絡(luò)將輕松應(yīng)對該場景。

02 Wi-Fi 6速度有多快?

5G是移動網(wǎng)絡(luò)高速率的代名詞,同樣,Wi-Fi 6是無線局域網(wǎng)高速率的代名詞。Wi-Fi 6的速率由以下幾個因素決定。

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計算公式:

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空間流數(shù)量

空間流其實就是AP的天線,天線數(shù)越多,整機(jī)吞吐量也越大,就像高速公路的車道一樣,8車道一定會比4車道運輸量更大。

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表1-2 不同802.11標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的單射頻最大空間流數(shù)量

Symbol與GI

Symbol就是時域上的傳輸信號,相鄰的兩個Symbol之間需要有一定的空隙(GI),以避免Symbol之間的干擾。就像中國的高鐵一樣,每列車相當(dāng)于一個Symbol,同一個車站發(fā)出的兩列車之間一定要有一個時間間隙,否則兩列車就可能會發(fā)生碰撞。不同Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)下的間隙也有不同,一般來說傳輸速率較快時GI需要適當(dāng)增大,就像同一車道上兩列350KM/h時速的高鐵發(fā)車時間間隙要比時速250KM/h時速的高鐵發(fā)車間隙要大一些。

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表1-3 802.11標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的Symbol與GI數(shù)據(jù)

編碼方式

編碼方式就是調(diào)制技術(shù),即1個Symbol里面能承載的bit數(shù)量。從Wi-Fi 1到Wi-Fi 6,每次調(diào)制技術(shù)的提升,都能至少給每條空間流速率帶來20%以上的提升。

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表1-4 802.11標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的QAM

碼率

理論上應(yīng)該是按照編碼方式無損傳輸,但現(xiàn)實沒有這么美好。傳輸時需要加入一些用于糾錯的信息碼,用冗余換取高可靠度。碼率就是排除糾錯碼之后實際真實傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼占理論值的比例。

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表1-5 802.11標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的碼率

有效的載波數(shù)量

載波類似于頻域上的Symbol,一個子載波承載一個Symbol,不同調(diào)制方式及不同頻寬下的子載波數(shù)量不一樣。

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表1-6 802.11標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的子載波數(shù)量

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至此,我們可以計算出802.11ac與802.11ax在HT80頻寬下的單條空間流最大速率:

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03 Wi-Fi 6核心技術(shù)

Wi-Fi 6(802.11ax)繼承了Wi-Fi 5(802.11ac)的所有先進(jìn)MIMO特性,并新增了許多針對高密部署場景的新特性。以下是Wi-Fi 6的核心新特性。

3.1 OFDMA頻分復(fù)用技術(shù)

802.11ax之前,數(shù)據(jù)傳輸采用的是OFDM模式,用戶是通過不同時間片段區(qū)分出來的。每一個時間片段,一個用戶完整占據(jù)所有的子載波,并且發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)包,如下圖所示。

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圖1-3 OFDM工作模式

802.11ax中引入了一種更高效的數(shù)據(jù)傳輸模式,叫OFDMA(因為802.11ax支持上下行多用戶模式,因此也可稱為MU-OFDMA),它通過將子載波分配給不同用戶并在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法來實現(xiàn)多用戶復(fù)用信道資源。迄今為止,它已被許多無線技術(shù)采用,例如3GPP LTE。802.11ax標(biāo)準(zhǔn)也仿效LTE,將最小的子信道稱為“資源單位(Resource Unit,簡稱RU)”,每個RU當(dāng)中至少包含26個子載波,用戶是根據(jù)時頻資源塊RU區(qū)分出來的。我們首先將整個信道的資源分成一個個小的固定大小的時頻資源塊RU。在該模式下,用戶的數(shù)據(jù)是承載在每一個RU上的,故從總的時頻資源上來看,每一個時間片上,有可能有多個用戶同時發(fā)送,如下圖所示。

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圖1-4 OFDMA工作模式

OFDMA相比OFDM一般有三點好處:

更細(xì)的信道資源分配。

特別是在部分節(jié)點信道狀態(tài)不太好的情況下,可以根據(jù)信道質(zhì)量分配發(fā)送功率,來更細(xì)膩化的分配信道時頻資源。下圖呈現(xiàn)出了不同子載波頻域上的信道質(zhì)量差異較大,802.11ax可根據(jù)信道質(zhì)量選擇最優(yōu)RU資源來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

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圖1-5 不同子載波頻域上的信道質(zhì)量

提供更好的QOS

因為802.11ac及之前的標(biāo)準(zhǔn)都是占據(jù)整個信道傳輸數(shù)據(jù)的,如果有一個QOS數(shù)據(jù)包需要發(fā)送,其一定要等之前的發(fā)送者釋放完整個信道才行,所以會存在較長的時延。在OFDMA模式下,由于一個發(fā)送者只占據(jù)整個信道的部分資源,一次可以發(fā)送多個用戶的數(shù)據(jù),所以能夠減少Q(mào)OS節(jié)點接入的時延。

更多的用戶并發(fā)及更高的用戶帶寬

OFDMA是通過將整個信道資源劃分成多個子載波(也可稱為子信道),子載波又按不同RU類型被分成若干組,每個用戶可以占用一組或多組RU以滿足不同帶寬需求的業(yè)務(wù)。802.11ax中最小RU尺寸為2MHz,最小子載波帶寬是78.125KHz,因此最小RU類型為26子載波RU。以此類推,還有52子載波RU,106子載波RU,242子載波RU,484子載波RU和996子載波RU,下表顯示了不同信道帶寬下的最大RU數(shù)。

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表1-7 不同頻寬下的RU數(shù)量

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圖1-6 RU在20MHz中的位置示意圖

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RU數(shù)量越多,發(fā)送小包報文時多用戶處理效率越高,吞吐量也越高,下圖是仿真收益:

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圖1-7 OFDMA與OFDM模式下多用戶吞吐量仿真

3.2 DL/UL MU-MIMO技術(shù)

MU-MIMO使用信道的空間分集來在相同帶寬上發(fā)送獨立的數(shù)據(jù)流,與OFDMA不同,所有用戶都使用全部帶寬,從而帶來多路復(fù)用增益。終端受天線數(shù)量受限于尺寸,一般來說只有1個或2個空間流(天線),比AP的空間流(天線)要少,因此,在AP中引入MU-MIMO技術(shù),同一時刻就可以實現(xiàn)AP與多個終端之間同時傳輸數(shù)據(jù),大大提升了吞吐量。

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圖1-8 SU-MIMO與MU-MIMO吞吐量差異

DL MU-MIMO技術(shù)

MU-MIMO在802.11ac就已經(jīng)引入,但只支持DL 4x4 MU-MIMO(下行)。在802.11ax中進(jìn)一步增加了MU-MIMO數(shù)量,可支持DL 8x8 MU-MIMO,借助DL OFDMA技術(shù)(下行),可同時進(jìn)行MU-MIMO傳輸和分配不同RU進(jìn)行多用戶多址傳輸,既增加了系統(tǒng)并發(fā)接入量,又均衡了吞吐量。

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圖1-9 8x8 MU-MIMO AP下行多用戶模式調(diào)度順序

UL MU-MIMO技術(shù)

UL MU-MIMO(上行)是802.11ax中引入的一個重要特性,UL MU-MIMO的概念和UL SU-MIMO的概念類似,都是通過發(fā)射機(jī)和接收機(jī)多天線技術(shù)使用相同的信道資源在多個空間流上同時傳輸數(shù)據(jù),唯一的差別點在于UL MU-MIMO的多個數(shù)據(jù)流是來自多個用戶。802.11ac及之前的802.11標(biāo)準(zhǔn)都是UL SU-MIMO,即只能接受一個用戶發(fā)來的數(shù)據(jù),多用戶并發(fā)場景效率較低,802.11ax支持UL MU-MIMO后,借助UL OFDMA技術(shù)(上行),可同時進(jìn)行MU-MIMO傳輸和分配不同RU進(jìn)行多用戶多址傳輸,提升多用戶并發(fā)場景效率,大大降低了應(yīng)用時延。

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圖1-10 多用戶模式上行調(diào)度順序

雖然802.11ax標(biāo)準(zhǔn)允許OFDMA與MU-MIMO同時使用,但不要將OFDMA與MU-MIMO混淆。OFDMA支持多用戶通過細(xì)分信道(子信道)來提高并發(fā)效率,MU-MIMO支持多用戶通過使用不同的空間流來提高吞吐量。下表是OFDMA與MU-MIMO的對比:

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表1-8 OFDMA與MU-MIMO對比

3.3 更高階的調(diào)制技術(shù)(1024-QAM)

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802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是增加系統(tǒng)容量,降低時延,提高多用戶高密場景下的效率,但更好的效率與更快的速度并不互斥。802.11ac采用的256-QAM正交幅度調(diào)制,每個符號傳輸8bit數(shù)據(jù)(2^8=256),802.11ax將采用1024-QAM正交幅度調(diào)制,每個符號位傳輸10bit數(shù)據(jù)(2^10=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(shù)據(jù)吞吐量又提高了25%。

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圖1-11 256-QAM與1024-QAM的星座圖對比

需要注意的是802.11ax中成功使用1024-QAM調(diào)制取決于信道條件,更密的星座點距離需要更強(qiáng)大的EVM(誤差矢量幅度,用于量化無線電接收器或發(fā)射器在調(diào)制精度方面的性能)和接受靈敏度功能,并且信道質(zhì)量要求高于其他調(diào)制類型。

3.4 空分復(fù)用技術(shù)(SR)和BSS Coloring著色機(jī)制

Wi-Fi射頻的傳輸原理是在任何指定時間內(nèi),一個信道上只允許一個用戶傳輸數(shù)據(jù),如果Wi-Fi AP和客戶端在同一信道上偵聽到有其他802.11無線電傳輸,則會自動進(jìn)行沖突避免,推遲傳輸,因此每個用戶都必須輪流使用。所以說信道是無線網(wǎng)絡(luò)中非常寶貴的資源,特別在高密場景下,信道的合理劃分和利用將對整個無線網(wǎng)絡(luò)的容量和穩(wěn)定性帶來較大的影響。802.11ax可以在2.4GHz或5GHz頻段運行(與802.11ac不同,只能在5GHz頻段運行),高密部署時同樣可能會遇到可用信道太少的問題(特別是2.4GHz頻段),如果能夠提升信道的復(fù)用能力,將會對提升系統(tǒng)的吞吐容量。

802.11ac及之前的標(biāo)準(zhǔn),通常采用動態(tài)調(diào)整CCA門限的機(jī)制來改善同頻信道間的干擾,通過識別同頻干擾強(qiáng)度,動態(tài)調(diào)整CCA門限,忽略同頻弱干擾信號實現(xiàn)同頻并發(fā)傳輸,提升系統(tǒng)吞吐容量。

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圖1-12 802.11默認(rèn)CCA門限

例如下圖,AP1上的STA1正在傳輸數(shù)據(jù),此時,AP2也想向STA2發(fā)送數(shù)據(jù),根據(jù)Wi-Fi射頻傳輸原理,需要先偵聽信道是否空閑,CCA門限值默認(rèn)-82dBm,發(fā)現(xiàn)信道已被STA1占用,那么AP2由于無法并行傳輸而推遲發(fā)送。實際上,所有的與AP2相關(guān)聯(lián)的同信道客戶端都將推遲發(fā)送。引入動態(tài)CCA門限調(diào)整機(jī)制,但AP2偵聽到同頻信道被占用時,可根據(jù)干擾強(qiáng)度調(diào)整CCA門限偵聽范圍(比如說從-82dBm提升到-72dBm),規(guī)避干擾帶來的影響,即可實現(xiàn)同頻并發(fā)傳輸。

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圖1-13 動態(tài)CCA門限調(diào)整

由于Wi-Fi客戶端設(shè)備的移動性,Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中偵聽到的同頻干擾不是靜態(tài)的,它會隨著客戶端設(shè)備的移動而改變,因此引入動態(tài)CCA機(jī)制是很有效的。

802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識別機(jī)制,叫BSS Coloring著色機(jī)制,在PHY報文頭中添加BSS color字段對來自不同BSS的數(shù)據(jù)進(jìn)行“染色”,為每個通道分配一種顏色,該顏色標(biāo)識一組不應(yīng)干擾的基本服務(wù)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(fā)機(jī)時間。如果顏色相同,則認(rèn)為是同一BSS內(nèi)的干擾信號,發(fā)送將推遲;如果顏色不同,則認(rèn)為兩者之間無干擾,兩個Wi-Fi設(shè)備可同信道同頻并行傳輸。以這種方式設(shè)計的網(wǎng)絡(luò),那些具有相同顏色的信道彼此相距很遠(yuǎn),此時我們再利用動態(tài)CCA機(jī)制將這種信號設(shè)置為不敏感,事實上它們之間也不太可能會相互干擾。

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圖1-14 無BSS Color機(jī)制與有BSS Color機(jī)制對比

3.5 擴(kuò)展覆蓋范圍(ER)

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由于802.11ax標(biāo)準(zhǔn)采用的是Long OFDM symbol發(fā)送機(jī)制,每次數(shù)據(jù)發(fā)送持續(xù)時間從原來的3.2us提升到12.8us,更長的發(fā)送時間可降低終端丟包率;另外802.11ax最小可僅使用2MHz頻寬進(jìn)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。

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圖1-15 Long OFDM symbol與窄帶傳輸帶來覆蓋距離提升

04 其他Wi-Fi 6(802.11ax)新特性

前面的幾大核心技術(shù)已經(jīng)足夠證明802.11ax帶來的高效傳輸和高密容量,但802.11ax也不是Wi-Fi的最終標(biāo)準(zhǔn),這只是高效無線網(wǎng)絡(luò)的開始,新標(biāo)準(zhǔn)的802.11ax依然需要兼容老標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備,并考慮面向未來物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、綠色節(jié)能等方向的發(fā)展趨勢。以下是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的其他新特性。

4.1 支持2.4GHz頻段

我們都知道2.4GHz頻寬窄,且僅有3個20MHz的互不干擾信道(1,6和11),在802.11ac標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)被拋棄,但是有一點不可否認(rèn)的是2.4GHz仍然是一個可用的Wi-Fi頻段,在很多場景下依然被廣泛使用,因此,802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中選擇繼續(xù)支持2.4GHz,目的就是要充分利用這一頻段特有的優(yōu)勢。

優(yōu)勢一:覆蓋范圍

無線通信系統(tǒng)中,頻率較高的信號比頻率較低的信號更容易穿透障礙物,而頻率越低,波長越長,繞射能力越強(qiáng),穿透能力越差,信號損失衰減越小,傳輸距離越遠(yuǎn)。雖然5GHz頻段可帶來更高的傳播速度,但信號衰減也越大,所以傳輸距離比2.4GHz要短。因此,我們在部署高密無線網(wǎng)絡(luò)時,2.4GHz頻段除了用于兼容老舊設(shè)備,還有一個很大的作用就是邊緣區(qū)域覆蓋補(bǔ)盲。

優(yōu)勢二:低成本

現(xiàn)階段仍有數(shù)以億計的2.4GHz設(shè)備在線使用,就算如今成為潮流的IoT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也使用的2.4GHz頻段,對有些流量不大的業(yè)務(wù)場景(如電子圍欄、資產(chǎn)管理等),終端設(shè)備非常多,使用成本更低的僅支持2.4GHz的終端是一個性價比非常高的選擇。

4.2 目標(biāo)喚醒時間(TWT)

目標(biāo)喚醒時間TWT(Target Wake Time)是802.11ax支持的另一個重要的資源調(diào)度功能,它借鑒于802.11ah標(biāo)準(zhǔn)。它允許設(shè)備協(xié)商什么時候和多久會被喚醒,然后發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。Wi-Fi AP可以將客戶端設(shè)備分組到不同的TWT周期,從而減少喚醒后同時競爭無線介質(zhì)的設(shè)備數(shù)量。TWT還增加了設(shè)備睡眠時間,對采用電池供電的終端來說,大大提高了電池壽命。

802.11ax AP可以和STA協(xié)調(diào)目標(biāo)喚醒時間功能的使用,AP和STA會互相交換信息,當(dāng)中將包含預(yù)計的活動持續(xù)時間,以定義讓STA訪問介質(zhì)的特定時間或一組時間,這樣就可以避開多個不同STA之間的競爭和重疊情況。支持802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的STA可以使用TWT來降低能量損耗,在自身的TWT來臨之前進(jìn)入睡眠狀態(tài)。AP還可另外設(shè)定TWT編排計劃并將TWT值提供給STA,這樣雙方之間就不需要存在個別的TWT協(xié)議,此操作稱為“廣播TWT操作”。

什么是802.11ax(什么是802.11ax模式)