Wi-Fi中的中国标准—802.11aj

IEEE 802.11aj标准是由我国提出并编写的Wi-Fi标准，它在IEEE标准中分为两个章节：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频段，CMMG 是工作在45GHz频段。

01、CDMG

大概在一年前我们学习过11ad的标准，一起来学802.11物理层测试标准（11ad-DMG-1），11ad又叫做DMG，与CDMG都是工作在60GHz频段，CDMG PHY的许多方面仍与DMG PHY是相同的。那么CDMG与11ad的DMG有什么不同呢？

可以回顾一下一起来学802.11物理层测试标准（11ad-DMG-2），在IEEE 802.11的第20章所讲述的11ad DMG PHY支持2.16GHz的信道宽度，而CDMG PHY 支持1.08GHz的信道宽度。通道中心频率定义为：

信道中心频率 = 信道起始频率 + 信道间隔 ×（信道编号 mod 32）

其中信道起始频率等于56.16GHz，信道间隔1.08GHz，信道编号至少支持2,
35和36，那么：

n=2, Fc=58.32GHzn=35，Fc=59.4GHzn=36，Fc=60.48GHz

CDMG PHY支持的调制方式与11ad是非常类似的，只是MCS的取值范围不太一样。11ad是从MCS0～31，并且中间还有小数，例如MCS12.1等等。具体可以参考一下一起来学802.11物理层测试标准（11ad-DMG-2）。

与11ad类似，CDMG的PPDU也分为三种模式：CDMG 控制模式、CDMG SC模式和CDMG低功率SC模式。其中前两种模式是必须支持的，低功耗SC模式是一种可选的SC模式，它可以降低CDMG收发信机的处理功耗。但CDMG低功耗SC模式已废止，在以后的标准修订中可能会取消对该模式的支持。

- 使用MCS 0的CDMG控制模式；- 使用MCS 1至MCS 16的CDMG单载波（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以及调制编码方案如下：

SC模式下的PPDU以及调制编码方案如下：

时域参数如下：

对于射频技术要求，有通用的规定，也根据不同的模式分别进行了规定。由于带宽与11ad不同，所以频谱模板也有所不同，如下图所示。RBW为1MHz，VBW为300kHz。传输频谱应在不含训练序列的10 µs以上数据包上进行测量。

其他的要求都与11ad非常类似，仍可参考一起来学802.11物理层测试标准（11ad-DMG-2）。接收机灵敏度由于带宽减少了一半，所以相对于11ad普遍提升了3dB，并且是假定了5dB的损耗以及10dB的噪声系数。

02、CMMG

CMMG：China millimeter-wave multi-gigabit 中国毫米波千兆位，采用了单载波（SC）和正交频分复用（OFDM）两种数据传输技术。支持的最大时空流数量为四个。CMMG PHY 支持540 MHz和1080 MHz信道宽度。其中540MHz带宽是必须支持的，1080MHz带宽是可选支持的。调制方式有：BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM。使用前向纠错（FEC）编码（LDPC 编码），编码率为 1/2, 3/4, 5/8 和 13/16。

CMMG 采用（数字模拟混合）MIMO 结构，通过传输更多空间流（最多四个），同时实现多样性复用增益，理论峰值吞吐量可达15 Gbps。除了利用阵列天线增益来补偿毫米波频段较大的路径损耗外，还采用了一种基于分组编码的新型鲁棒低密度奇偶校验（LDPC）编码，以提高 CMMG 的编码增益，最高可达 0.2-0.5 dB。

我们直接来看一下工信部的文件规定【2013】502号来了解频段和信道：

工作频率范围：42.3-47.0GHz、47.2-48.4GHz；信道带宽：1080MHz、540 MHz；载频容限：100×10^-6；发射机最大发射功率：20dBm；最大等效全向辐射功率(EIRP)：36 dBm；杂散辐射限值（对应载波2.5倍信道带宽以外）：  -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—载波频率的2次谐波频率）。

信道的配置：

CMMG PHY 也支持三种模式的PPDU：首先是控制模式：控制模式的作用是传输控制信息，用于保证AP和STA之间的同步以及BSS的覆盖半径。 在控制模式下，为了增强传输信号的鲁棒性，采用了速率最低但抗干扰性最强的MCS 0。另外两种SC模式和OFDM 模式，是为了满足不同环境下的各种要求，能够通过MIMO传输机制支持分集和复用。

SC模式可以实现较低的信号峰均比（PAPR）和较高的传输数据率，同时多流传输可以获得增益，使用unique words（UW）作为保护间隔（GI），以避免多径产生的符号间干扰（ISI）。

而OFDM模式与SC模式相比，主要区别在于发射端需进行子载波映射、IFFT、循环移位等过程，SC模式下数据字段发射端要经过加扰、信道编码、流解析、星座映射、插导频等过程。OFDM相比SC发射端数据处理相对简单,而接收端更复杂，计算量更大。OFDM和SC都具有较好的对抗多径性能。快速傅里叶变换很大程度上提升了运算速度，同时也简化硬件实现结构。

当然，OFDM也存在一定的缺陷：峰均功率比较大，容易导致非线性失真，还有对载波频率偏移比较敏感等。这些不足之处恰恰正是SC的优势所在。OFDM和SC两种技术在性能上的优势互补，可以很好的应对不同的信道环境。因此，OFDM和SC两种模式在IEEE 802.11aj中的共存让其具有更强的适应性和更广阔的应用前景。

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的前导preamble也同样包括STF和CEF，是PHY PPDU的一部分，用于数据包检测、自动增益控制（AGC）、频率偏移估计、同步、传输模式指示（控制模式、SC 模式或 OFDM 模式）、传输带宽指示（540 MHz 或 1080 MHz）以及信道估计。

控制模式的PPDU与CDMG没有本质区别，我们来看一下SC模式的PPDU如下图。首先多了一个SIG，SIG为信令字段，载有数据部分的指示信息，包含编码调制方式、分组的速率和长度等。SIG还具有指示SC与OFDM模式切换的信息。还有SCTF：SCTF是可选的，仅在1080MHz信道带宽下传输，由长度为512的ZCZ（zero correlation
zone）序列组成。在MIMO传输中，不同的发射天线发射不同的前导码，前导码由四个ZCZ序列中的一个组成，这样可以提升系统在精确同步和信道估计上的性能。实际上这种技术在CDMA中最早被使用。

SC模式下EVM的要求如下：

CMMG的OFDM模式是可选的，PPDU格式如下图。最明显的一个区别是，CMMG设计了新的STF字段（OSTF：OFDM Short Training Field）和CE字段（OCEF：OFDM CEF），OSTF主要目的是改进MIMO发射中的自动增益控制估计。OCEF为接收机提供了一种用于估计星座映射输出（或如果采用 STBC，则STBC编码器输出）与接收链路之间的MIMO信道的方法。

OFDM模式下的EVM要求见下图。相比于SC模式，调制没有了π/2的旋转，关于π/2旋转的调制方式，可以参考一起来学802.11物理层测试标准（11ad-DMG-3）。

不同模式下，通用的频谱模板如下图：对于540MHz或1080MHz带宽信号，频谱发射模板在0dBr（相对于信号最大频谱密度点）的带宽对应为470MHz或940MHz，也就是频率偏移在±235MHz或±470MHz。当频率偏移为±330MHz或±660MHz时为-17dBr，当频率偏移为±1350MHz或±2670MHz时为-22dBr，当频率偏移为±1530MHz或±3060MHz及以上时为-30dBr。 中间各段频率偏移的要求，应在dB域内线性插值。下图中横轴的数值为归一化：（频率偏移/带宽B）的结果。

这张图是东南大学用原型机跑出来的CMMG性能结果截图，实验环境是在室内10几米到85米的距离范围，使用64QAM调制、3/4码率和540MHz传输带宽传输两个空间流，实现了4.085Gbps的数据传输速率。

03、目前国内的频段使用规定

以上CDMG和CMMG这两个毫米波频段的Wi-Fi标准是由中国主导制定的。从2011年开始由中国电子技术标准化研究院、东南大学、海思半导体、中兴通讯等进行相关的研究，并于2012年成立了IEEE 802.11aj任务组。随后，2013年我国工信部无[2013] 500号文件《工业和信息化部关于发布40-50吉赫兹(GHz)频段固定业务中点对点无线接入系统频率使用事宜的通知》和工信部无[2013] 502号文件《工业和信息化部关于发布40-50吉赫兹(GHz)频段移动业务中宽带无线接入系统频率使用事宜的通知》发布。然后是802.11aj-2018的发布。这些都有力推动了毫米波Wi-Fi的发展。

但在2023年，工业和信息化部对这两个文件提出了拟废止的征求意见通知，所以11aj的应用暂时并未得到广泛的推广。但作为对毫米波频段Wi-Fi系统的尝试，11aj作为我国自主知识产权的标准，对整个毫米波产业的发展具有非常重要的意义。