Wi-Fi中的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)—802.11aj

IEEE 802.11aj標(biāo)準(zhǔn)是由我國(guó)提出并編寫的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，它在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中分為兩個(gè)章節(jié)：第24章China directional multi-gigabit（CDMG）和第25章China millimeter-wave multi-gigabit（CMMG）。其中CDMG是工作在60GHz頻段，CMMG 是工作在45GHz頻段。

01、CDMG

大概在一年前我們學(xué)習(xí)過(guò)11ad的標(biāo)準(zhǔn)，一起來(lái)學(xué)802.11物理層測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（11ad-DMG-1），11ad又叫做DMG，與CDMG都是工作在60GHz頻段，CDMG PHY的許多方面仍與DMG PHY是相同的。那么CDMG與11ad的DMG有什么不同呢？

可以回顧一下一起來(lái)學(xué)802.11物理層測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（11ad-DMG-2），在IEEE 802.11的第20章所講述的11ad?DMG PHY支持2.16GHz的信道寬度，而CDMG PHY 支持1.08GHz的信道寬度。通道中心頻率定義為：

信道中心頻率?=?信道起始頻率?+?信道間隔?×（信道編號(hào)?mod?32）

其中信道起始頻率等于56.16GHz，信道間隔1.08GHz，信道編號(hào)至少支持2,
35和36，那么：

n=2, Fc=58.32GHzn=35，F(xiàn)c=59.4GHzn=36，F(xiàn)c=60.48GHz

CDMG PHY支持的調(diào)制方式與11ad是非常類似的，只是MCS的取值范圍不太一樣。11ad是從MCS0～31，并且中間還有小數(shù)，例如MCS12.1等等。具體可以參考一下一起來(lái)學(xué)802.11物理層測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（11ad-DMG-2）。

與11ad類似，CDMG的PPDU也分為三種模式：CDMG 控制模式、CDMG SC模式和CDMG低功率SC模式。其中前兩種模式是必須支持的，低功耗SC模式是一種可選的SC模式，它可以降低CDMG收發(fā)信機(jī)的處理功耗。但CDMG低功耗SC模式已廢止，在以后的標(biāo)準(zhǔn)修訂中可能會(huì)取消對(duì)該模式的支持。

-?使用MCS 0的CDMG控制模式；-?使用MCS 1至MCS 16的CDMG單載波（SC）模式；-?使用MCS 17至MCS 23的CDMG低功率SC模式；

控制模式下的PPDU以及調(diào)制編碼方案如下：

SC模式下的PPDU以及調(diào)制編碼方案如下：

時(shí)域參數(shù)如下：

對(duì)于射頻技術(shù)要求，有通用的規(guī)定，也根據(jù)不同的模式分別進(jìn)行了規(guī)定。由于帶寬與11ad不同，所以頻譜模板也有所不同，如下圖所示。RBW為1MHz，VBW為300kHz。傳輸頻譜應(yīng)在不含訓(xùn)練序列的10 μs以上數(shù)據(jù)包上進(jìn)行測(cè)量。

其他的要求都與11ad非常類似，仍可參考一起來(lái)學(xué)802.11物理層測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（11ad-DMG-2）。接收機(jī)靈敏度由于帶寬減少了一半，所以相對(duì)于11ad普遍提升了3dB，并且是假定了5dB的損耗以及10dB的噪聲系數(shù)。

02、CMMG

CMMG：China millimeter-wave multi-gigabit 中國(guó)毫米波千兆位，采用了單載波（SC）和正交頻分復(fù)用（OFDM）兩種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。支持的最大時(shí)空流數(shù)量為四個(gè)。CMMG PHY 支持540 MHz和1080 MHz信道寬度。其中540MHz帶寬是必須支持的，1080MHz帶寬是可選支持的。調(diào)制方式有：BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM。使用前向糾錯(cuò)（FEC）編碼（LDPC 編碼），編碼率為 1/2, 3/4, 5/8 和 13/16。

CMMG 采用（數(shù)字模擬混合）MIMO 結(jié)構(gòu)，通過(guò)傳輸更多空間流（最多四個(gè)），同時(shí)實(shí)現(xiàn)多樣性復(fù)用增益，理論峰值吞吐量可達(dá)15 Gbps。除了利用陣列天線增益來(lái)補(bǔ)償毫米波頻段較大的路徑損耗外，還采用了一種基于分組編碼的新型魯棒低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）編碼，以提高 CMMG 的編碼增益，最高可達(dá) 0.2-0.5 dB。

我們直接來(lái)看一下工信部的文件規(guī)定【2013】502號(hào)來(lái)了解頻段和信道：

工作頻率范圍：42.3-47.0GHz、47.2-48.4GHz；信道帶寬：1080MHz、540?MHz；載頻容限：100×10^-6；發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率：20dBm；最大等效全向輻射功率(EIRP)：36 dBm；雜散輻射限值（對(duì)應(yīng)載波2.5倍信道帶寬以外）：  -36 dBm/100kHz（30-1000MHz）；  -54 dBm/100kHz（48.5MHz-72.5MHz、76MHz-87MHz、167MHz-223MHz、470MHz-566MHz、606MHz-798MHz）；  -30 dBm/MHz（其它1GHz—載波頻率的2次諧波頻率）。

信道的配置：

CMMG PHY 也支持三種模式的PPDU：首先是控制模式：控制模式的作用是傳輸控制信息，用于保證AP和STA之間的同步以及BSS的覆蓋半徑。?在控制模式下，為了增強(qiáng)傳輸信號(hào)的魯棒性，采用了速率最低但抗干擾性最強(qiáng)的MCS 0。另外兩種SC模式和OFDM 模式，是為了滿足不同環(huán)境下的各種要求，能夠通過(guò)MIMO傳輸機(jī)制支持分集和復(fù)用。

SC模式可以實(shí)現(xiàn)較低的信號(hào)峰均比（PAPR）和較高的傳輸數(shù)據(jù)率，同時(shí)多流傳輸可以獲得增益，使用unique words（UW）作為保護(hù)間隔（GI），以避免多徑產(chǎn)生的符號(hào)間干擾（ISI）。

而OFDM模式與SC模式相比，主要區(qū)別在于發(fā)射端需進(jìn)行子載波映射、IFFT、循環(huán)移位等過(guò)程，SC模式下數(shù)據(jù)字段發(fā)射端要經(jīng)過(guò)加擾、信道編碼、流解析、星座映射、插導(dǎo)頻等過(guò)程。OFDM相比SC發(fā)射端數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單,而接收端更復(fù)雜，計(jì)算量更大。OFDM和SC都具有較好的對(duì)抗多徑性能。快速傅里葉變換很大程度上提升了運(yùn)算速度，同時(shí)也簡(jiǎn)化硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，OFDM也存在一定的缺陷：峰均功率比較大，容易導(dǎo)致非線性失真，還有對(duì)載波頻率偏移比較敏感等。這些不足之處恰恰正是SC的優(yōu)勢(shì)所在。OFDM和SC兩種技術(shù)在性能上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以很好的應(yīng)對(duì)不同的信道環(huán)境。因此，OFDM和SC兩種模式在IEEE 802.11aj中的共存讓其具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和更廣闊的應(yīng)用前景。

CMMG 控制模式：使用 MCS 0CMMG SC 模式：使用?MCS?1?至?MCS?8?CMMG OFDM 模式：使用MCS?9?至?MCS?16?

CMMG的前導(dǎo)preamble也同樣包括STF和CEF，是PHY PPDU的一部分，用于數(shù)據(jù)包檢測(cè)、自動(dòng)增益控制（AGC）、頻率偏移估計(jì)、同步、傳輸模式指示（控制模式、SC 模式或 OFDM 模式）、傳輸帶寬指示（540 MHz 或 1080 MHz）以及信道估計(jì)。

控制模式的PPDU與CDMG沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，我們來(lái)看一下SC模式的PPDU如下圖。首先多了一個(gè)SIG，SIG為信令字段，載有數(shù)據(jù)部分的指示信息，包含編碼調(diào)制方式、分組的速率和長(zhǎng)度等。SIG還具有指示SC與OFDM模式切換的信息。還有SCTF：SCTF是可選的，僅在1080MHz信道帶寬下傳輸，由長(zhǎng)度為512的ZCZ（zero correlation
zone）序列組成。在MIMO傳輸中，不同的發(fā)射天線發(fā)射不同的前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼由四個(gè)ZCZ序列中的一個(gè)組成，這樣可以提升系統(tǒng)在精確同步和信道估計(jì)上的性能。實(shí)際上這種技術(shù)在CDMA中最早被使用。

SC模式下EVM的要求如下：

CMMG的OFDM模式是可選的，PPDU格式如下圖。最明顯的一個(gè)區(qū)別是，CMMG設(shè)計(jì)了新的STF字段（OSTF：OFDM Short Training Field）和CE字段（OCEF：OFDM CEF），OSTF主要目的是改進(jìn)MIMO發(fā)射中的自動(dòng)增益控制估計(jì)。OCEF為接收機(jī)提供了一種用于估計(jì)星座映射輸出（或如果采用 STBC，則STBC編碼器輸出）與接收鏈路之間的MIMO信道的方法。

OFDM模式下的EVM要求見(jiàn)下圖。相比于SC模式，調(diào)制沒(méi)有了π/2的旋轉(zhuǎn)，關(guān)于π/2旋轉(zhuǎn)的調(diào)制方式，可以參考一起來(lái)學(xué)802.11物理層測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（11ad-DMG-3）。

不同模式下，通用的頻譜模板如下圖：對(duì)于540MHz或1080MHz帶寬信號(hào)，頻譜發(fā)射模板在0dBr（相對(duì)于信號(hào)最大頻譜密度點(diǎn)）的帶寬對(duì)應(yīng)為470MHz或940MHz，也就是頻率偏移在±235MHz或±470MHz。當(dāng)頻率偏移為±330MHz或±660MHz時(shí)為-17dBr，當(dāng)頻率偏移為±1350MHz或±2670MHz時(shí)為-22dBr，當(dāng)頻率偏移為±1530MHz或±3060MHz及以上時(shí)為-30dBr。?中間各段頻率偏移的要求，應(yīng)在dB域內(nèi)線性插值。下圖中橫軸的數(shù)值為歸一化：（頻率偏移/帶寬B）的結(jié)果。

這張圖是東南大學(xué)用原型機(jī)跑出來(lái)的CMMG性能結(jié)果截圖，實(shí)驗(yàn)環(huán)境是在室內(nèi)10幾米到85米的距離范圍，使用64QAM調(diào)制、3/4碼率和540MHz傳輸帶寬傳輸兩個(gè)空間流，實(shí)現(xiàn)了4.085Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。

03、目前國(guó)內(nèi)的頻段使用規(guī)定

以上CDMG和CMMG這兩個(gè)毫米波頻段的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)是由中國(guó)主導(dǎo)制定的。從2011年開(kāi)始由中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、東南大學(xué)、海思半導(dǎo)體、中興通訊等進(jìn)行相關(guān)的研究，并于2012年成立了IEEE 802.11aj任務(wù)組。隨后，2013年我國(guó)工信部無(wú)[2013] 500號(hào)文件《工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布40-50吉赫茲(GHz)頻段固定業(yè)務(wù)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》和工信部無(wú)[2013] 502號(hào)文件《工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布40-50吉赫茲(GHz)頻段移動(dòng)業(yè)務(wù)中寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》發(fā)布。然后是802.11aj-2018的發(fā)布。這些都有力推動(dòng)了毫米波Wi-Fi的發(fā)展。

但在2023年，工業(yè)和信息化部對(duì)這兩個(gè)文件提出了擬廢止的征求意見(jiàn)通知，所以11aj的應(yīng)用暫時(shí)并未得到廣泛的推廣。但作為對(duì)毫米波頻段Wi-Fi系統(tǒng)的嘗試，11aj作為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整個(gè)毫米波產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。