第 5 章：802.11ac（Wi-Fi 5）— 超级高速公路

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第 5 章：802.11ac（Wi-Fi 5）— 超级高速公路

"速度的追求永无止境——当 600 Mbps 不够时，那就追求 6.93 Gbps。"

本章导读

2013 年，802.11ac（VHT，Very High Throughput）登场。它只在 5 GHz 频段工作，专注于把速度推到极致：256-QAM、80/160 MHz 信道、最多 8 空间流、下行 MU-MIMO。理论最大速率达到了惊人的 6.93 Gbps。

本章沿着「更宽的信道 + 更高阶的调制 + 更多空间流」这条主线展开：

  • 256-QAM：每辆车装更多货（8 bit/symbol）
  • 80/160 MHz 信道：超宽道路
  • VHT PPDU 前导码：如何让旧设备不干扰
  • 下行 MU-MIMO：交警同时指挥多辆车
  • 显式波束成形：终于标准化了
  • VHT-MCS 0-9 完整速率表与计算方法
  • 为什么 802.11ac 放弃了 2.4 GHz

1 为什么只在 5 GHz？

802.11ac 做了一个大胆的决定：完全放弃 2.4 GHz 频段。

原因很简单：

  • 802.11ac 需要 80/160 MHz 信道带宽
  • 2.4 GHz 频段总共只有 83.5 MHz 可用带宽（2400-2483.5 MHz）
  • 在 2.4 GHz 上连一个 80 MHz 信道都放不下

5 GHz 频段则宽裕得多：

  • 美国 FCC：5.15-5.35 GHz + 5.47-5.85 GHz，约 555 MHz 可用
  • 中国 SRRC：5.15-5.35 GHz + 5.725-5.85 GHz，约 325 MHz 可用
  • 信道以 5 MHz 为步长编号（Channel 36, 40, 44, 48, 52, 56, 60, 64, 100-165...）

802.11ac 就像要在城市外围建一条 8 车道的超级高速公路——老城区（2.4 GHz）根本没有这么宽的路可以建，只能在新开发区（5 GHz）建设。5 GHz 就像新规划的卫星城，道路宽阔、干扰少，但传播距离比老城区短（高频衰减大）。

2 256-QAM — 一辆车装更多货

802.11ac 引入了 256-QAM（Quadrature Amplitude Modulation），每符号从 6 bit 提升到 8 bit。

调制方式每符号比特相比上一代提升SNR 要求首次引入
BPSK1 bit—~2 dB802.11 (1997)
QPSK2 bit+100%~5 dB802.11 (1997)
16-QAM4 bit+100%~18 dB802.11a (1999)
64-QAM6 bit+50%~24 dB802.11a (1999)
256-QAM8 bit+33%~32 dB802.11ac (2013)
1024-QAM10 bit+25%~37 dB802.11ax (2019)
4096-QAM12 bit+20%~42 dB802.11be (2024)

256-QAM 的代价：

  • SNR 要求：约 32 dB（64-QAM 只需 ~24 dB）
  • EVM 要求：802.11ac 规定 256-QAM 的 EVM ≤ -30 dB（3/4 码率）、-32 dB（5/6 码率）；64-QAM 为 -22/-25/-27 dB（2/3、3/4、5/6 码率）
  • 实际距离：通常只在 5-10 米内有效，远距离退回到 64-QAM

256-QAM 星座图：从左到右星座点越来越密，SNR 要求从 16-QAM 的 ~18 dB 升到 256-QAM 的 ~32 dB

256-QAM 就像一辆能装 8 箱货的大卡车。装得多，但对道路条件要求极高——路面必须平坦（高 SNR），司机必须精准（低 EVM）。在泥泞的路上（弱信号），只能换回小卡车（低阶调制）。

3 80/160 MHz 信道 — 超宽道路

802.11ac 将信道绑定从 40 MHz 扩展到 80 MHz 和 160 MHz：

802.11ac 信道带宽：注意 160 MHz 行的 484 子载波恰是 80 MHz 行 242 的两倍，路越宽可建条数越少

3.1 信道带宽与子载波数

信道带宽数据子载波 N_SD导频子载波 N_SP总子载波 N_ST5 GHz 信道数
20 MHz5245625
40 MHz108611412
80 MHz23482426
160 MHz468164842
80+80 MHz234+2348+8242+2422

注意：N_SD 是数据子载波数（不包含导频），N_SP 是导频子载波数，两者之和等于总子载波数 N_ST。速率计算中只使用 N_SD，因为导频子载波不承载数据。

3.2 160 MHz = 两个 80 MHz subblock

从上表可以看到，160 MHz 的子载波数恰好是 80 MHz 的 2 倍（N_SD: 234→468, N_ST: 242→484）。这不是巧合——协议（§21.3.10.7 Segment parser）明确规定，160 MHz 传输在信号处理层面被划分为两个独立的 80 MHz frequency subblock：

"For a 160 MHz or an 80+80 MHz transmission...each block is further divided into two frequency subblocks of NCBPSS / 2 bits."
— IEEE 802.11-2024, §21.3.10.7

整个信号处理链路（stream parsing、segment parsing、interleaving、tone mapping、LDPC）都对两个 subblock 独立处理，各自使用 80 MHz 的处理参数。这样设计有两层动机：硬件复用——基带芯片只需实现 80 MHz 的 FFT 与交织器，两个 subblock 并行处理即可覆盖 160 MHz，不必为 160 MHz 单独设计一套更宽的 FFT 引擎；部署灵活——5 GHz 上连续 160 MHz 频谱极难凑齐（仅 2 个信道），拆成两个 subblock 后天然兼容 80+80 MHz 的非连续部署，信号处理链路完全复用。NCBPSS 是每 OFDM 符号的编码比特数，160 MHz 恰为 80 MHz 的两倍，对半后每个 subblock 正好拿到一整符号的编码比特，交织与 LDPC 块边界自然对齐（§21.3.10.7）。

这也解释了为什么 20→40→80 的子载波数不是精确翻倍——它们各自有独立的 FFT 和保护带分配策略，不存在 subblock 拼接的概念。只有 80→160 是协议级的"两个 80 MHz 拼接"。

3.3 80+80 MHz vs 160 MHz

两者在 PHY 信号处理层面完全一样——都是两个 80 MHz subblock 独立处理。唯一区别在于频谱要求：

160 MHz80+80 MHz
频谱要求必须连续 160 MHz两个 80 MHz 可以不连续
PHY 处理两个 subblock两个 subblock（完全相同）
实际可用性极难找到连续 160 MHz灵活得多
1
2
3
160 MHz:  [================160 MHz================]  ← 需要连续频谱，很难找

80+80:    [====80 MHz====]     ...     [====80 MHz====]  ← 两个不连续的 80 MHz

80+80 MHz 本质上是 160 MHz 的"退路"——当找不到连续 160 MHz 频谱时，用两个不连续的 80 MHz 替代，信号处理完全一样。

交通比喻：160 MHz = 一条十六车道超级高速公路，但 5 GHz 频段最多只能建 2 条。80+80 MHz = 两条不相邻的八车道公路，通过"立交桥"连接使用——对司机（信号处理）来说，体验完全一样，只是路不连着而已。

4 VHT PPDU 前导码 — 向后兼容的艺术

802.11ac 只有一种 PPDU 格式：VHT PPDU。它的前导码设计非常巧妙——既让旧设备（802.11a/n）能识别并退避，又为新设备提供了 VHT 专用信息。

VHT PPDU 前导码结构：Legacy 三字段用 BPSK 让旧设备识别退避，VHT-SIG-A 第二符号的 PI/2-BPSK 旋转是关键

4.1 前导码各字段详解

字段时长调制作用
L-STF8µsBPSK短训练序列：同步、AGC、粗频偏估计
L-LTF8µsBPSK长训练序列：精频偏估计、信道估计
L-SIG4µsBPSK (R=1/2)速率 + 长度（旧设备用此计算传输时长）
VHT-SIG-A8µsBPSK (符号1) / PI/2-BPSK (符号2)BW、NSTS、Group ID、Partial AID（2 个 OFDM 符号）
VHT-STF4µsVHT 调制MIMO 场景下的 AGC 优化
VHT-LTF4µs×NVHT 调制MIMO 信道估计（N = 1,2,4,6,8 个 LTF）
VHT-SIG-B4µsVHT 调制MU 模式下的长度/MCS 信息
Data可变VHT 调制实际数据载荷

4.2 向后兼容的关键：PI/2-BPSK 旋转

这是整个设计最精妙的地方：

  1. 旧设备收到 L-SIG：读到 Rate=6 Mbps，从 Length 字段计算传输时长，然后进入"虚拟载波侦听"（NAV），在整个传输期间保持静默

    旧设备退避之后，区分新旧的关键，落在了下一个字段的相位上——

  2. VHT-SIG-A 第二个符号旋转 90°：第一个符号是普通 BPSK，第二个符号是 PI/2-BPSK（相位旋转 90°）。旧设备检测到第二个符号不是 BPSK，就知道"这不是给我的"

  3. VHT 设备继续解码：读完 VHT-SIG-A 后，继续解码 VHT-STF、VHT-LTF、VHT-SIG-B 和 Data

交通比喻：就像高速公路入口的指示牌——第一行写的是"所有车辆注意"（L-SIG），第二行用了一种只有新型车才看得懂的编码（PI/2-BPSK）。旧车型看到第二行就知道"这条路不是给我的"，乖乖在匝道上等待（NAV）。新型车继续前进，享受高速。

4.3 VHT-SIG-A 字段详解

VHT-SIG-A 共 48 bit（两个符号各 24 bit），包含：

VHT-SIG-A1（24 bit）：

字段位数说明
BW2 bit带宽：00=20, 01=40, 10=80, 11=160/80+80
Reserved1 bit保留
STBC1 bit是否使用空时分组码
Group ID6 bitMU-MIMO 用户组标识
NSTS/Partial AID12 bitSU: 空间流数 (3b) + Partial AID (9b); MU: 4 用户各 3b
TXOP_PS_NOT_ALLOWED1 bit是否允许 TXOP 省电
Reserved1 bit保留

VHT-SIG-A2（24 bit）：

字段位数说明
Short GI1 bit是否使用短保护间隔
Short GI Disambiguation1 bitSGI 符号数消歧
SU/MU[0] Coding1 bitSU: 0=BCC, 1=LDPC
LDPC Extra OFDM Symbol1 bitLDPC 是否产生额外符号
SU VHT-MCS / MU[1-3] Coding4 bitSU: MCS 索引; MU: 其他用户编码方式
Beamformed1 bitSU: 是否波束成形
Reserved1 bit保留
CRC8 bit校验
Tail6 bit卷积码终止比特

5 下行 MU-MIMO — 交警同时指挥多辆车

802.11ac Wave 2 引入了下行 MU-MIMO（Downlink Multi-User MIMO），允许 AP 同时向多个用户发送数据。

SU-MIMO vs MU-MIMO 调度：SU 把 4 条空间流全给 1 人，MU 把 4 流分给 4 人同时发

报文类型：图中涉及的帧——Data（Type=10, Subtype=0000），Block ACK（Type=01, Subtype=1001）。MU-MIMO 传输本身没有专用帧，复用普通 Data 帧，靠 VHT-SIG-A 中的 Group ID 区分用户。注：Multi-STA Block ACK 是 802.11ax 引入的增强形式，802.11ac 使用标准 Block ACK。

5.1 SU-MIMO vs MU-MIMO

特性SU-MIMO (802.11n)MU-MIMO (802.11ac Wave 2)
空间流分配全部给 1 个用户分配给最多 4 个用户
方向上下行都支持仅下行
波束成形可选必须（需要显式反馈）
Group ID不需要必须（标识用户组）
最大同时用户14
最大空间流4 (n), 8 (ac)8（分配给 4 用户）

5.2 MU-MIMO 工作流程

整个流程可以浓缩为六步——先让各用户报告信道，再靠 Q 矩阵分配空间流，最后并行下发：

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1. AP 收集各用户的信道反馈（Compressed Beamforming Feedback）
2. AP 通过波束成形矩阵 Q 将空间流分配给不同用户
3. AP 在 VHT-SIG-A 中设置 Group ID 和各用户的 NSTS
4. AP 同时向所有用户发送（同一时间、同一频率）
5. 各用户独立解码自己的数据（波束成形保证隔离）
6. 各用户（经 BAR 轮询）依次回复标准 Block ACK

这里的 Q 就是 §21.3.10.11 定义的 spatial mapping 矩阵：AP 把 Givens 逆变换重建的信道矩阵算出的波束成形权重填入 Q（一个 NTX × NSTS,total 的复数矩阵），将各用户空间流线性组合后映射到 NTX 根天线上。Q 的各用户子块相互正交——用户 u 的接收信号里，其他用户流的投影被压到 null 空间，这正是步骤 5「独立解码」的物理保证。

5.3 MU-MIMO 的限制

  • 只支持下行（AP → 用户），不支持上行
  • 最多同时服务 4 个用户
  • 每用户至少 1 条空间流，AP 天线数 ≥ 总空间流数
  • 需要用户支持显式波束成形反馈（Compressed BF）
  • 用户间信道差异越大，MU-MIMO 增益越明显

交通比喻：SU-MIMO 就像一条立交桥的多层都通往同一个目的地——高效但单一。MU-MIMO 就像交警站在路口，同时给不同方向的车放行——东向的走第一层，西向的走第二层，南向的走第三层。关键在于"方向隔离"——波束成形确保每条路只通向一个目的地，互不干扰。

6 显式波束成形 — 终于标准化了

802.11n 的波束成形因为没有标准化实现方式而形同虚设。802.11ac 通过引入显式反馈机制彻底解决了这个问题。

6.1 波束成形反馈协议

波束成形反馈协议：NDPA→NDP→Compressed BF Feedback 三步闭环后 AP 才用 Q 矩阵发数据

报文类型：NDPA（Type=01, Subtype=0101，Control 帧）；NDP 不是 MAC 帧，是只有前导码的空 PPDU（无 Frame Control）；Compressed BF Feedback（Type=00, Subtype=1101，Action 帧，VHT 类别，携带 VHT Compressed Beamforming Report）；Data（Type=10, Subtype=0000）。

6.2 Compressed Beamforming Feedback 详解

NDP 探测过程：

NDP（Null Data Packet）是只有前导码、没有数据载荷的特殊 PPDU。STA 利用其中的 VHT-LTF 训练符号来估计信道矩阵 H——对于 Nt 根 AP 天线、Nr 根 STA 天线，得到一个 Nr × Nt 的复数矩阵（每个元素包含幅度和相位）。

抓包注意：NDP 没有 MAC 帧头，Wireshark 等 Sniffer 无法解码（通常显示为不完整帧或直接丢弃），但它的前导码在空中真实存在（频谱分析仪能看到能量）——排查波束成形问题时，只能通过前后关联的 NDPA（Control 帧）与 Compressed BF Feedback（Action 帧）间接推断 NDP 的发送时机。

反馈帧是管理帧，不是数据帧：

紫色箭头那条线（Compressed BF Feedback）携带的不是用户数据，而是一个 VHT Action Frame（管理帧）。具体来说是 VHT Compressed Beamforming Report，封装在 Action Frame 的 body 中。

压缩方式 — Givens 旋转分解：

完整的 H 矩阵太大（每个元素是复数 = 8 字节，4 天线场景下矩阵就有几百字节），直接反馈开销太大。协议规定用 Givens 旋转分解将 H 矩阵分解为一系列角度对 (Φ, Ψ)，φ 用 4/6/7/9 bit、ψ 用 2/4/5/7 bit 量化（SU 较粗、MU 较细，由 Codebook Information 字段区分）。80 MHz、4 天线场景下，压缩后的反馈帧约几百字节（完整矩阵可能几千字节）。

AP 收到这些角度后，用 Givens 逆变换重建信道矩阵的近似值，再计算波束成形矩阵 Q。

交通比喻：显式波束成形就像先派一辆探测车去目的地，探测车回来报告"路况是这样的"（Compressed BF Feedback），然后主车队根据报告调整路线（Q 矩阵），精准到达。802.11n 没有标准化"路况报告格式"，所以各家设备无法互通——802.11ac 终于统一了这个格式。

6.3 波束成形的代价：周期性 Sounding 开销

波束成形反馈只是某一时刻的信道快照。STA 一旦移动，信道 H 变化，之前计算的 Q 矩阵就会过时——波束方向偏了，数据包收不到，触发 MAC 层重传，吞吐量下降、时延增加。

协议的解法是周期性重新探测（Sounding）：AP 重复 NDPA → NDP → Feedback 流程来更新 Q 矩阵。但这带来一个矛盾——

sounding 间隔信道跟踪精度空中资源开销
短（10 ms）高，适应快速移动大，频繁探测挤占数据传输时间
长（100 ms）低，可能跟不上移动小，更多时间传数据
不做 BF—零开销，但没有增益

理想的 sounding 间隔取决于信道相干时间——信道"多久会变"：

场景典型移动速度信道相干时间推荐 sounding 间隔
静止（办公室）0 km/h>100 ms50-100 ms
慢走3-5 km/h20-50 ms10-30 ms
快速移动（车载）30+ km/h<5 ms几乎无法有效 BF

MU-MIMO 场景下问题更严重——4 个用户各需一次反馈，开销是 SU 的 4 倍。这就是为什么实际部署中，很多 AP 对波束成形比较保守：开销不小，收益取决于场景。静止或慢速设备（如台式机、电视）最适合波束成形，高速移动设备（如车载 WiFi）反而可能比不用更差。

7 VHT-MCS 0-9：调制编码方案的完整体系

802.11ac 定义了 10 种 MCS（MCS 0-9），新增了 MCS 8 和 MCS 9（256-QAM）。MCS 9 在 20 MHz 和某些空间流数下不合法（因为编码率产生的比特数无法被子载波整除）。

7.1 速率计算公式

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Data Rate = N_SD × N_BPSCS × R × N_SS / T_SYM

其中：
  N_SD     = 数据子载波数（见 5.3 节表格）
  N_BPSCS  = 每子载波比特数（由调制方式决定）
  R        = 编码率（如 1/2, 2/3, 3/4, 5/6）
  N_SS     = 空间流数
  T_SYM    = OFDM 符号时长（Long GI = 4.0 µs, Short GI = 3.6 µs）

7.2 VHT-MCS 0-9 完整速率表（80 MHz, 1 SS）

MCS调制编码率 RN_BPSCSNCBPSNDBPS800ns GI400ns GI
0BPSK1/2123411729.3 Mbps32.5 Mbps
1QPSK1/2246823458.5 Mbps65.0 Mbps
2QPSK3/4246835187.8 Mbps97.5 Mbps
316-QAM1/24936468117.0 Mbps130.0 Mbps
416-QAM3/44936702175.5 Mbps195.0 Mbps
564-QAM2/361404936234.0 Mbps260.0 Mbps
664-QAM3/4614041053263.3 Mbps292.5 Mbps
764-QAM5/6614041170292.5 Mbps325.0 Mbps
8256-QAM3/4818721404351.0 Mbps390.0 Mbps
9256-QAM5/6818721560390.0 Mbps433.3 Mbps

注意：MCS 9 在 20 MHz 和某些空间流数下不合法——5/6 码率使 NDBPS（每 OFDM 符号的数据比特数）在多数空间流数下无法取整，个别组合还受交织器参数约束。具体哪些组合合法，参见协议 Table 21-29 到 Table 21-60。

具体而言：

  • 20 MHz：仅 3/6 空间流合法
  • 40 MHz：全部 1-8 空间流合法
  • 80 MHz：除 6 空间流外合法
  • 160 MHz：除 3 空间流外合法

其中 80 MHz 6 空间流、160 MHz 3 空间流两例的 NDBPS 已取整仍被 Not valid——这是 BCC 交织器约束（列数 N_COL、旋转参数 N_ROT，§21.3.10.8 Table 21-17），与 5/6 取整问题无关。

交通比喻：这张 MCS 表就是高速公路的「车型-载货对照表」——MCS 0 是只能装 1 箱的小货车（BPSK），MCS 9 是装 8 箱的巨型集装箱卡车（256-QAM）；编码率 R 则是装载率，5/6 的 MCS 9 比 3/4 的 MCS 8 装得更满。

7.3 手算示例：80 MHz, MCS 7, 1 SS, Long GI

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Data Rate = N_SD × N_BPSCS × R × N_SS / T_SYM
         = 234 × 6 × (5/6) × 1 / 4.0µs
         = 234 × 5 / 4.0µs
         = 1170 / 4.0µs
         = 292.5 Mbps  ✓

7.4 最大速率计算（8 SS, 160 MHz, Short GI, MCS 9）

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Data Rate = 468 × 8 × (5/6) × 8 / 3.6µs
         = 468 × 8 × 5 × 8 / (6 × 3.6µs)
         = 149760 / 21.6
         = 6933.3 Mbps ≈ 6.93 Gbps

7.5 各空间流峰值速率（Short GI；20 MHz 与 160 MHz 3 SS 用 MCS 8，其余 MCS 9）

空间流20 MHz40 MHz80 MHz160 MHz
186.7 Mbps200 Mbps433.3 Mbps866.7 Mbps
2173.3 Mbps400 Mbps866.7 Mbps1.73 Gbps
3260 Mbps600 Mbps1.3 Gbps2.34 Gbps
4346.7 Mbps800 Mbps1.73 Gbps3.47 Gbps
8693.3 Mbps1.6 Gbps3.47 Gbps6.93 Gbps

注：160 MHz 3 空间流的 MCS 9 不合法（Not valid），该列峰值取 MCS 8 的 2.34 Gbps。

7.6 MCS 编码规则

VHT-MCS 索引直接编码了调制方式和编码率的组合，不像 802.11n 那样用 (空间流-1)&times;8+MCS 的方式。802.11ac 的 MCS 索引 0-9 对所有空间流数都相同，由 VHT-SIG-A（SU）或 VHT-SIG-B（MU）携带。

速查资源：mcsindex.net 提供了所有 802.11ac/ax/be 的 MCS 速率计算器。

8 A-MPDU 聚合增强

802.11ac 大幅增强了帧聚合能力：

参数802.11n802.11ac
A-MPDU 最大长度65535 字节1 048 575 字节（1 MB）
A-MSDU 最大长度3839 / 7935 字节11454 字节
A-MPDU + A-MSDU可嵌套可嵌套
最大 PSDU 长度—4 692 480 字节（受 PPDU 时长限制）

802.11ac 的 A-MPDU 长度从 2^16-1 扩展到 2^20-1（通过 VHT-SIG-B 中的 Length 字段），使得单次传输可以聚合更多 MPDU，显著减少 MAC 开销。关联时 VHT Capabilities 用 Maximum MPDU Length 子字段声明 3895/7991/11454 三档，并要求 Maximum A-MSDU Length 字段相应为 3839（配 3895）或 7935（配 7991/11454）。

交通比喻：802.11n 的 A-MPDU 就像一辆中型货车，最多装 64KB 的货。802.11ac 换成了巨型集装箱卡车，最多装 1MB 的货——同样跑一趟，运力翻了 16 倍。

9 缺陷分析

缺陷具体问题影响
仅 5 GHz2.4 GHz 设备无法受益2.4 GHz 仍是 IoT 主力
仅下行 MU-MIMO上行仍然单用户上行密集场景效率低
160 MHz 实用性差5 GHz 只有 2 个 160 MHz 信道环境中几乎不可用
高 SNR 才能用 256-QAM近距离才有效远距离退回到 64-QAM
密集场景效率低每次传输仍需竞争高密度部署吞吐量下降
MU-MIMO 反馈开销每用户需反馈信道矩阵4 用户 = 4 倍反馈开销
MCS 9 兼容性某些 BW×SS 组合不合法设备协商复杂度增加

802.11ac 的核心问题在于：它把"路"修到了极致（更宽、更快），但没有解决"交通管理"的问题。当 AP 前有 100 个用户时，再宽的路也得排队——这正是 802.11ax 要解决的核心问题。

10 本章总结

802.11ac 将 WiFi 速率推向了 6.93 Gbps 的极致。但速率的提升主要依赖更宽的信道和更高阶的调制，这些在实际环境中受限于频谱可用性和信道条件。

它的得失可以这样看：

  1. 256-QAM 在近距离极有效——但对信号质量要求极高（SNR ~32 dB, EVM ≤ -32 dB）
  2. 更宽的信道不一定更好——160 MHz 在实际中几乎不可用
  3. MU-MIMO 是方向，但 802.11ac 的实现还很初级——仅下行、最多 4 用户
  4. VHT 前导码设计精巧——PI/2-BPSK 旋转实现了完美的向后兼容
  5. 密集场景需要新思路——不是"修更宽的路"，而是"更聪明地管理交通"

下一章将讲述：OFDMA 如何让多辆车同时在不同小道上行驶？BSS Coloring 如何解决密集部署的干扰问题？TWT 如何让设备省电？1024-QAM 又把装载能力推到了什么程度？