Wi-Fi标准IEEE 802.11ax关键技术

摘 的 Wi-Fi 标准 IEEE802. llax 的 要 关键技术给无线网络带来的传输■ 效率和性能的提升。首先在传

统的Wi-Fi的信道访问机制上， 802. llax增加了新的正交频分多 址0FDMA的多用户接入技术，玉

类别关键技术调制方式传统的802.11标准最高支持 256QAM (802.1 lac)OFDM信号长度保护间隔(GI)物理层3.2|is0.4, 0.8gs(分别是 10%, 20% 开销)新的802.llax规范最高支持1024QAM12.8hs0.8, 1.6, 3.2gs(分别是 5%,下行和上行方向上提高了密集用 户环境下的Wi-Fi接入的效率和 性能。同时本文介绍了 802. llax 标准在物理层和数据链路层上的 变化，分析了 802. llax与目前 Wi-Fi标准的技术区别和密集用户 接入下的效率改进的领域，包括 BSScolor、NAV技术的更新、静默 时间(QTP)等。最后本文对目前 802. llax的发展现状和技术演进 做了小节。10%, 20% 开销)MIM0流的数量802.1 In 是 4, 802.1 lac 是 88802.1 In 最大支持 40MHz, 802.1 lac2.4GHz上最大支持40MHz,在频谱宽度支持最大160MHz5GHz 上支持 160MHz物理层速率7Gbps9.6Gbps基本信道访问CSMA/CA在CSMA/CA基础上的OFDMAMU接入方式MU-MIMO (802.1 lac)MU-MIMO, OFDMAMAC层MU接入方向支持下行MU-MIMO支持上行和下行MU-MIMO聚合方式A-MSDU, A-MPDU,不支持分片A-MSDU, A-MPDU,支持分片抗干扰处理NAV, RTC/CTS, HCCATXOP 协商支持两个NAV以及静默期等表2：不同频宽支持的RU数量【关键词】802. llax CSMA/CAOFDMA MU-MIM0Wi-Fi6RU类型26-tone52-tone106-tone242-tone484-tone996-tone20MHz94+l2+,1NANA40MHz188+2铲21NA

80MHz160MHz (80+80)7432+1°16+,08+24+221前言的命名方式做了改变，例如基于802.1 lax标 准的最新一代Wi-Fi设备称为Wi-Fi 6设备，

802.11 ax首先是通过在物理层支持OFDMA

从1997年的IEEE802.il协议起步到目 前已经大量商用的802.1 lac标准，Wi-Fi终端 和AP釆用的信道访问的机制一直是载波侦听

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址)技术来改善密集用户

接入的问题。OFDMA技术在蜂窝网络中已经

Wi-Fi 5 是 802.1 lac 标准。802.llax (Wi-Fi6) 将是2020年以后市场中主流的Wi-Fi技术。(CSMA, Carrier Sense multiple Access)和冲 突避免(CA, Collision Avoidance)的方式。虽

802.11 ax的最大物理速率理论上能达到 得到了广泛应用，把它应用在室内的Wi-Fi网

9.6Gbps,在原来802.1 lac的基础上了提升

T37%o参考文献［5］在单用户情况下比较了

络，可以充分发挥Wi-Fi已经支持的OFDM

然数据传送速率已经达到了 lGbps以上，但本 质是典型的单用户接入方式。当一个站点获得 媒体访问机会并传送数据的时候，其它站点只

技术的作用，用户的数据传输的信道不再仅

802.llax 802.1 lac之间的性能，在较好网络 环境和较差网络环境下，802.11 ax比802.11ac

仅是通过固定的频宽(20MHz, 40MHz,

80MHz和160MHz)来通信，而是可以使用不

同数量的相邻OFDM子载波的组合来进行数

能等待一定时间后才能重新开始竞争。当在用 户密集的场景中使用传统Wi-Fi接入的时候，

分别提升了 29%和48%。802.11 ax的性能改

进是通过提升频谱效率、提供更好的抗干扰能 力、以及优化信道访问等措施来实现的。支

据传输，这种方式不仅减少了用户信道的竞争

这种竞争信道的机制就会造成很大的网络拥塞

冲突，而且提高了信号的干扰加噪声比(Signal

和延迟。随着无线网络在这几年得到了飞速的发

持IEEE 802.11 ax的设备也能在无线网络环境 中与旧的Wi・Fi设备兼容和共存，即支持新的

to Interference plus Noise Ratio, SINR)。其次，802.11 ax标准除了下行的MU・

展，无线设备的数量和种类迅猛增长，如果只 是关注Wi・Fi带宽的提升，在有很多用户同时

支持802.11 ax的设备能够与802.11a/b/g/n以 MIMO (Multi-User Multiple-Input Multiple-

Output) ,也支持上行的MU-MIMO,使得多 用户的上行接入的效率得到改善，而802.1 lac

及802.1 lac的设备互相传递数据报文。本文就

接入的情况下，CSMA/CA方式使得用户的体 验提升受到了。在2019年开始商业化的

802.llax的关键技术对无线网络的效率和性能 的提升进行介绍和分析。只支持下行的MU-MIMOo在调制方式上面，IEEE 802.11 ax标准在物理层和MAC层都进行 了改进，主要的目标之一就是关注高密集场景 下的性能和用户体验。从2013年3月IEEE TG工作组成立，

2 802. 11 ax关键技术的介绍和分析802.11 ax定义了高阶的1024QAM来提升性能。 虽然在最新的802.1 lac技术实现上也有厂家申 明支持1024QAM,但毕竟市场中这样的产品

802.11n 的 600Mbps 相 比 802.1 lb/g 的

Mbps提升了 10倍的物理层速率，802.1 lac 的7Gbps的速率又比802.1 In提升了 10倍，

很少，并且实际场景使用也很难达到这样的调

2014年TG开始正式新的802.11 ax标准的研 究和定义，期间经历了大量的技术讨论和分析，

制效率。到了 802.11ax, 1024QAM就是必须 的要求了。802.llax的9.6Gbps虽然也比802.1 lac有所提 升，但它的规范的讨论主要集中在上面提到 的密集用户接入后影响性能的问题，这也是

目前802.11 ax的标准基本已经完善，Wi・Fi联 盟将在2019年9月份开始对802.1 lax的产品

表1是802.1 lax与传统802.11标准在 关键技术上的区别。802.11 ax在数据链路层

进行认证。Wi-Fi经过了二十多年发展之后从单一的速率 提升转向更多地关注用户使用场景的体验。(MAC)和物理层(PHY)都做了优化，使

得Wi-Fi在密集用户接入的网络中有更高的效2018年Wi-Fi联盟对传统的802.11标准

Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 15网络天地• Network WorldNull Subcarriers传输5 guard26 266 guard26 26Center 26-tone RU26 2652106不同于蜂窝网络的OFDMA, 802.11 ax的

OFDMA传输是基于帧的，即上下行的用户传

1313___________________________________________________________

13131326 2652输是通过包含多个用户的RU资源组合的数据 帧来进行通信。对于上行OFDMA的发送来说, 因为无线网络中的时钟漂移，实际上很难做到

叵242106真正严格意义的时间同步，所以在上行多用

户的传送过程中，需要由AP负责协调各个无

3DC线终端的数据发送。在802.1 lax中，AP首先

图1： 20MHz的RU资源分配频宽向各个终端发送一个新的控制帧类型(Trigger

frame),它定义了上行多用户传输的参数，

例如持续时间、保护间隔GI (Guardinterval)、

斓导20MHz20MHz20MHz20MHzSTA1STA1STA1STA1STA1斓导STA1STA1STA1终端所分配的RU资源、以及终端的MCS传 输参数等。在向终端发送Trigger frame之后，

经过 SIFS (Short interframe space)的时间间隔，

终端马上就会向AP传送上行多用户的数据帧。

STA1STA1然后AP可以使用BlockAck的帧来响应多个 终端的消息。丽STA1STA1MU下行数据帧MU上行ACK

2.1.3多用户情况下的终端发射功率的有效分 配图2： 801.11ax数据传输的例子802.11ax preambleMKH_____I-AP在Triggerframe中指明了它当前支

持的发射功率，以及期望终端在上行方向上

______________

-------------------------------------------

20 MHz；L-STF5L-LTFL-SIGRL-SIGHE-SIG-AHE和Triggerframe的信号强度，终端能够计算

20 MHz!JE5L-SIGL-SIGRL-SIGRL>SIGHE-SIG-AHE-SIG-AHE>SIG-BHE-SIG-BHE-STFHE-STFDataDataExtensionExtension从它到AP之间的路径损耗以及上行的发送 功率，然后终端在它的上行发送的信息中同

20 MHz;HE-LTF I-1 HE-LTF•20 MH；uL-STFL'LTFL-SIGRL-SIGHE-SIG-AHE*SIG-BHE-STFHE-LTF L -I HE-LTFI样指明了它所支持的发送功率以及当前MCS

DataExtensionI(Modulation and Coding Scheme)情况下的发 射功率。图3: IEEE802. Uax的物理层的帧结构AP可以根据终端的性能调整对应的RU

资源的分配或发射功率。例如，在下行方向传

率，以及更好的抗干扰能力和性能。2.1.1首先是频谱资源单位分配的高效率和灵 活性输数据的时候，如果有些终端的性能较低，

2. 1 OFDMA的接入方式参考表2,根据Wi・Fi不同频宽的设置， 资源单元可以包含多个26-tone > 52-tone>

AP可以通过对性能较好的终端降低发射功率，

然后对性能较低的终端增强对应的RU资源的 发射功率，从而提升整个下行的吞吐量。对

OFDMA的多用户接入的方式类似于

FDMA起到的频分复用多址的作用。OFDM

中的各个子载波互相，每一个子载波都可

106-tone、242-tone> 484-tone 或者 996-tone 子 载波为数量单位的组合。每个较大频宽的RU 也可以继续分成两个较小的RU,其中242-

于上行来说，通常无线终端的发送功率是低于

以有自己的编码和调制方式，以及不同的发射 功率。OFDMA技术可以给每一个连接的无线 终端分配一个或多个子载波((即子信道)。 子信道是工作在不同的频率范围，所以无线终

AP的，这种不对称的发射功率会降低整个上 行的吞吐量以及BSS服务的范围。而上行的

tone是由2个106-tone以及1个26-tone组成。

Wi-Fi AP负责对无线终端的RU进行分配，在 数据传输过程中，AP给一个无线终端用户的

OFDMA的方式可以弥补这种发射功率的非对

称性，AP能够对上行发射功率较弱的无线终

端接入的碰撞概率就会大幅度减低，多个无线 连接分配一个RU资源，目前不支持给一个无 线终端用户分配多个RU。图1是20MHz频宽中的RU资源分配

端重新调整RU资源的分配来改进无线终端在 上行的性能，从而让AP在上行获得整体上更 高的信噪比。如图2所示。终端在相同的时间能够在不同的子信道上传送 数据。802.1 lax的OFDMA技术在应用的时候，

在相同的无线网络中，各个无线终端使用的子 载波数量不一定相同，而是允许根据无线终端

的方案，可以看到，基于26-tone的分配情况

2.1.4 802.11 ax的OFDMA与传统的多终端信 道竞争机制的关系下，20MHz可以最多有9个用户的RU连接，

40MHz则有18个用户的RU连接，80MHz有 37个用户的RU连接，160MHz有74个用户

的RU连接，基于RU资源的分配方式，充分

传统的Wi-Fi标准是基于EDCA

的性能情况或网络状态进行灵活分配。这种技

(Enhanced Distributed Channel Access ) 或者

术的设计可以让OFDMA比FDMA有更好的 灵活性，极大地提高了频带利用率。具体做法 是把子载波分成多个组，每个组是作为的

DCF (Distributed Coordination Function),在

有多个终端存在的无线网络中，如果要发送

利用了有限的频谱资源来支持多用户的同时接 入。为了提高子信道的使用效率，AP只给那 些有数据传送的终端分配RU资源，为了支持

Triggerframe,则AP需要在发送过程中竞争信

道的访问权限。当AP获得信道访问权限的时 候，它就给终端发送Trigger frame来分配RU

资源单元(Resource Unit, RU)进行数据传输。 根据信道状态和业务的需求，RU资源单元被 分给不同的无线终端，无线终端通过资源单元

这个机制，终端可以向AP报告需要发送的数

据量，或者AP通过向终端查询来获得这样的

资源。如果AP的Triggerframe能够及时获得 竞争窗口，则各个终端可以尽早使用OFDMA

与Wi-FiAP进行数据传输。下面是802.1 lax

信息。的ODFMA机制运行的具体特点。2.1.2由AP来统一协调的OFDMA的多用户

的方式进行通信，从而提高系统的吞吐量。在16 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software EngineeringNetwork World •网络天地802.1 lax中，为了与传统的终端共存，AP可 集无线终端的网络中的数据处理的效率和性

以为支持802.1 lax的终端单独设置EDCA的

能。主要的变化如下：2.3.4 静默时间(QTP, QuietTimePeriod)在802.1 lax新的规范讨论中，提出了对

CWmin和CWmax的参数值，使AP消息的发 送能够获得竞争窗口的最大权限。2.3.1新的RTS/CTS的处理方式来提高网络传 输效率于Ad hoc或者终端间的两两直接通信的改进 措施，因为在高密集网络中，这样的通信模式 的建议是终端能够向AP发出QTP请求，要 求给adhoc传输或者终端间的两两直接通信预

另外AP在Triggerframe中可以设置终端 在进行OFDMA数据传输之前是否需要进行载

802.11 ax I作组提出了新的RTS/CTS的 可能会对整个网络产生很大的性能影响。具体

处理方式，能有效处理隐藏节点的冲突，并且

波检测。如果需要载波检测，则终端至少在包 含子载波的20MHz的信道上进行虚拟载波或

减少网络中高密集网络中多终端之间的冲突的

时间和网络的开销。传统的RTS/CTS的使用 留一系列的时间间隔，使得其它终端在这个期 间不能访问信道进行通信。在实际场景中QTP 带来的改进效果还有待验证。者物理载波检测。如果物理载波检测过程中发 是根据传输数据的长度来决定的，如果数据的 帧长超过了 RTS H限，则在传输数据之前首

现部分或全部的子信道处于忙碌状态，即终端 在子信道上检测到较高能量的信号，则终端就 取消上行的发送。另外，如果终端发现上行数 据发送的持续时间超过了 Triggerframe中定义

先进行RTS/CTS的握手机制。但是帧长并不 2.3.5灵敏度门限控制(DSC, Dynamic

Sensitivity Control)和传输功率的自适应调整灵敏度或载波门限是终端来判断信道是

是对网络传输效率的最佳判断，因为在较高速 率的MCS情况下，即使是较长的数据帧也能

的持续时间，终端也会取消上行数据的发送。很快被传输出去。新802.11 ax的RTS/CTS的 机制就不再依据帧的长度，而是利用传输的时

否忙碌的条件，在高密集用户环境中，信道的 忙碌程度是不断在发生变化，通过对这样门限

2. 2 802. llax的物理帧(PHY )格式的改进长(TXOP)来处理RTS/CTS的握手机制，它 的动态地调整，可以让终端自适应地决定是否

802.11 ax的物理帧格式在定义的时候既 可能反映网络的实际拥塞情况。基于时长的RTS/CTS是由AP来控制， 考虑了对传统的无线终端的兼容性，又着重关 注物理层传输的效率。参考图3,在上下行的

可以进行传输，以及釆用合适的功率进行发送。AP可以根据网络情况来调整所连接的终端的 门限。如果在终端密集使用的环境中有隐藏节 点的干扰，则AP可以降低时长的门限，允许

3结束语MIM0多用户传输的物理层格式中，包含了各

个终端的共同的帧前导。例如在当前所传输的

802.1 lax引入了蜂窝网络的OFDMA技

术，但相比移动通信采用授权的频谱以及相同

80Mhz带宽中，每个20MHz的信道传输中都 复制了相同的帧前导。每个802.11 ax的帧前 导由两部分组成，即传统的帧前导和802.1 lax

RTS/CTS机制发挥作甩 否则提高时长的门限，

这样可以减少传输吞吐量的开销，优化网络资 源。大小的资源块分配，802.11ax在较小空间区域 中要处理更多的不可预知的干扰信号，要有更

细致的算法来处理不同类型终端的RU资源的 分配等，802.11 ax在Wi-Fi标准的演进过程中 有更多的技术挑战需要妥善解决。的新的帧前导，各个20MHz信道中重复的部 分指的是传统的帧前导和802.1 lax帧前导中的

2.3.2在高密集网络中扩展BSScolor的适用性BSScolor 是 BSS (BasicServiceSet)的标 识，它是包含在帧前导中进行传送，是用来区 分数据帧来自于哪个BSS。通过这种方式，不 需要对整个数据帧进行解码就能判断BSS来

HE-SIG-A字段域。保留传统的帧前导是为了 802.llax设备的前向兼容性，而新的802.11 ax 的帧前导是为了支持新的802.1 lax的设备。802.1 lax在电源节能方面也有新的改进

措施，例如只有当前进行发送和接收数据的终 端才处于激活状态，而其它终端则可以关闭 无线模块，具体的技术有Microsleep模式、从在802.llax的帧前导的结构中，首先是

源。BSScolor的定义最初是来自802.11 ah规范， 长度是3比特，它的主要作用是为了节能和提

传统的帧前导的L-SIG字段域，然后802.1 lax 802.11 ah 中借鉴的 Target Wakeup Time (TWT) 机制等。虽然802.11 ax的标准制定已经趋于稳定，

增加的HE・SIG・A字段域提供了传输所需要的

高帧处理的效率，例如接收方发现到来的帧不

MCS＞带宽等参数信息，同时HE-SIG-A也

包含了 BSScolor.传输时长 TXOP (Transmit

是自己的BSS,则停止把帧上传到MAC层进 行处理。BSS color数值是AP随机选择的，为 了避免和临近的BSS发送冲突，801.llax工 作组把BSS color的长度从3比特增长到6比 特。如果仍然出现冲突，AP所连接的终端可

但在各个厂家的产品的具体实现中，必然还有 具体的场景需求需要反复验证和性能提升。例

Opportunity) 上行或下行方向的说明、空分 信息等。可以看到HE・SIG・A已经包含了原先

如，AP对于各个终端的OFDMA的传输参数 的调度，它的灵活性和效率将对网络的性能有

传统MAC层中部分相关的信息，带来的好处 是在处理完整数据帧之前就己经在物理层上提 供了相关信息处理的机制，提高了接收方解码

以发出冲突的消息，使得AP能及时更新BSS

很大的影响；动态调整灵敏度门限和发射功率 在实际场景中的应用必然带来实现上的复杂 性和测试结果的不确定性等。新的标准在解

color的数值。AP通过beacons消息来通告将

要更新的BSScolor的值的信息，所有的STA 都能收到这样的变化的信息。的效率。在下行的多用户传输中，除了公共的

决已有的问题的同时，在应用中必将带来新的

OFDMA资源分配，也有不同用户的传输所特

有的RU资源的信息，例如空分数据流等，

2.3.3更新的网络分配向量(NAV, Network

话题要探讨和研究。802.11规范的制定是借鉴 了移动通信技术和融合了其它已有的Wi-Fi标

Allocation Vector)机制在传统的Wi-Fi网络中，NAV是终端在

HE-S1G-B就是为提供这些信息而增加的字段

域。准，在无线局域网上的多用户密集部署的效率 和性能上的发展，这是前面二十多年来Wi-Fi 技术演进的新的重点，可以预计在Wi-Fi标准MAC帧的头部来指明后续的帧传输需要占用

HE-STF和HE・LTF是MIMO技术所需要

的字段域。HE-STF是在MIM0传输中用于自

信道的时间。当其它终端收到相关的MAC帧 之后，会根据收到NAV的值来设置自己的

802.1 lax之后还会在这个方向上继续拓展和增

强。在业界已经有很多厂商在积极开发动增益控制的估计，HE-LTF是在传输中根据 星座映射以及接收处理之间对MIMO的信道

数值，并判断信道的忙碌程度。在高密集的 用户环境中，终端可能收到来自其它BSS的

估计。NAV,导致对信道的状态产生误判，从而产生 传输的冲突。在802.11 ax的新规范中，终端 必须支持两种NAV,分别是自己所属的BSS 的NAV,以及其它BSS的NAV,它们可以分

802.11 ax的路由器和AP。例如华为发布了基 于 802.1 lax 的 X-Gen 方案，即 AP7060DN 的 无线接入点AP,它支持8x8 MU-MIMO技术、

2. 3 802. llax的MAC层技术除了在物理层上实现OFDMA的信道

OFDMA空分复用技术和1024QAM调制解调，«下转18页复用方式，以及新的物理层格式的变化，别被修改和更新。支持两种NAV对于AP来

802.1 lax继续在MAC层上做优化，提升高密

说是可选的功能。Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 17通信技术• Communications Technology一种RapidlO和FC的互联通信技术文/张文俊融合处理。提升多个并行处理模块、数据处理

本文先首先简要介绍了

摘 RapidlO协议和FC协议的特点， 要 分析了 RapidlO和FC的互联通信

需求和应用场景，提出了互联系 统设计方法和处理流程，描述了 互联通信技术中的关键技术，提 供了实现方法和性能测试结果。传输。本文讨论了能满足大容量数据传输

模块和集群处理模块之间的数据交换性能是提

高整个嵌入式数字信号并行处理系统性能的关 键。以往使用的单总线模式已经无法满足未

RapidlO和FC互联通信技术，针对多设备互 联和数据交换需求，提出了两种通信协议的无

来系统的传输需求。新一代的高性能互连通 损高效解决方案。信技术如 RapidlO、FC、PCI Express、Hyper­

1 RapidlO和FC通信的特点RapidlO互连通信协议采用3层体系结

构，分别为逻辑层、传输层和物理层。最高层

Transports InfiniBand等逐步替代原有的慢速

通信技术在设备中大量使用，不同高速通信技

【关键词】FC RapidlO互联通信术有各自的优缺点，没有一种通信技术可以适 用所有的应用需求，现有大型系统多为多种通

为RapidlO逻辑层规范，规定了协议包格式，

信技术共存，因此多种通信技术的融合互联需 RapidlO节点发起传输的格式内容定义和指令 含义以及操作步骤，中间层为传输层规范， 规定了 RapidlO地址空间规范和数据包在传输

现代电子系统越来越复杂，越来越庞大， 功能越来越多，各种不同领域，不同专业和不

求越来越强烈。其中，RapidlO和FC在军用

同设备进行了融合处理，每套电子系统如探测 系统包含雷达、电子战、通信等多个子系统，

电子设备应用较为广泛。RapidlO是一种基于 报文交换的互连体系结构，具有高带宽、低延

所需的节点桥接信息，物理层规范定义的数据 传输的物理结构和方式，包括所有电气特性

时、高效率、高可靠性等优点，能够为高性能 嵌入式系统计算节点之间通信提供良好的解决

向着探测、干扰、侦收和通信一体化方向发 展。尤其是军用系统中多采用嵌入式系统，

的详细规范。RapidlO操作是基于请求和响应 的，执行过程为有源节点发送一个请求需求并

其中数字信号并行处理技术为其中的关键技

方案。FC是一种高带宽、低延迟、扩展性好， 传输可靠性高、协议丰富且相对简单和传输距 离远的特点，广泛用于设备之间的大容量数据传送到目标节点，目标节点执行完请求后产生 一个响应并返回至源节点来完成这次操作。术，它可以实现对海、陆、空和天等多种信息

«上接17页将现有AP的无线带宽提升3倍，并发用户数 [3] E. Khorov, A. Kiryanov, and A.

Lyakhov, WIEEE 802.llax: How tobuiId

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量提升4倍。在2018年12月，网络解决方案 提供商Aruba推出了基于802.1 lax标准的物

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VOL. 21, NO. 1, FIRST QUARTER 2019.Techno logy — Te1ecommun i ca t ions

[2] Der-J iunn Deng, Ying-Pei Lin, Xun

Yang, Jun Zhu, Yun-Bo Li, Jun Luo,

andlnforma t ion Exchange Between Systems — Local and Metropo1i tan

要研究方向为宽带通信接入网，家庭网络终端

等。and Kwang-Cheng Chen. IEEE 802. llax:

Highly Efficient WLANs forlntel1igent

AreaNetworks — Specific Requirements—Part 11: Wireless

LAN MediumAccess Control (MAC) and

作者单位上海诺基亚贝尔股份有限公司 上海市

Inf ormat ion Infrast ructure. IEEE Communicat ions Magazine, December 2017.Physical Layer (PHY) Specifications — 201206Amendment 6: Enhancements for High

18 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering