基于IEEE802.11n的無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

伍轉(zhuǎn)華

摘要：文中首先介紹了IEEE802.11系列標準中的幾種高速物理層標準，并進行了簡要的分析。接著分別從無線局域網(wǎng)PHY層和MAC層兩個層面，重點研究了目前無線局域網(wǎng)領(lǐng)域的主流標準IEEE802.11n。細致的分析了IEEE802.11n的信道接入方式以及與系統(tǒng)吞吐量相關(guān)的MAC層和PHY層關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；IEEE802.11；IEEE802.11n；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）33-7906-05

目前，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為無時不在、無處不在的高速高質(zhì)量通信網(wǎng)。在各種無線網(wǎng)絡(luò)中，WLAN以其特有的可移動、高速度、低價格等優(yōu)點，近年來用戶數(shù)量持續(xù)保持快速增加。以IEEE802.11系列協(xié)議為代表的無線局域網(wǎng)技術(shù)，在當前無線網(wǎng)絡(luò)應用當中占有主導地位。

美國電子電氣學會（IEEE）802.11任務組于1997年6月推出IEEE802.11無線局域網(wǎng)標準，經(jīng)過不斷的完善發(fā)展，現(xiàn)已成為最具影響力的無線局域網(wǎng)工業(yè)標準。到目前為止，已經(jīng)發(fā)布的高速物理層標準如表1所示。

1.1MIMO+OFDM技術(shù)分析

多入多出MIMO技術(shù)是一種在發(fā)射端和接收端同時使用多副天線的無線收發(fā)技術(shù)，主要包括發(fā)射分集技術(shù)和空間復用技術(shù)。MIMO技術(shù)充分利用隨機衰落及多徑時延擴展，在不需要增加天線發(fā)送功率和頻譜資源情況下，利用MIMO信道提供的空間分集增益可以有效降低誤碼率，提高信道的容量和可靠性。MIMO收發(fā)模式可以用縮寫“Y*Z”來表示，分別代表發(fā)送天線數(shù)和接收天線數(shù)。IEEE802.11n設(shè)備默認支持2*2模式空間流，最多支持4*4模式無線鏈路進行空間復用；正交頻分復用OFDM技術(shù)是一種無線環(huán)境下多載波的高速擴頻傳輸技術(shù)，通過將給定頻域內(nèi)的信道分成若干個正交子信道，每個子信道都可以使用獨立的子載波（SubCarrier），根據(jù)具體需要選擇不同調(diào)制方式進行調(diào)制，并且這些子載波可以并行發(fā)送，因此可以提高數(shù)據(jù)發(fā)送速度。同時，相互正交的子載波不但提高了頻譜利用率而且減小了子載波間的相互干擾。

MIMO可以有效利用多徑衰落提高信道容量，但對頻率選擇性衰落無能為力；OFDM技術(shù)可以有效利用頻率選擇性衰落，在不受帶寬和功率限制條件下，OFDM技術(shù)可以以任意速率傳輸。實際上WLAN只能在帶寬和功率受限的情況下提高信道傳輸能力。因此將MIMO和OFDM兩種技術(shù)相結(jié)合，可揚長避短實現(xiàn)最佳傳輸效果。MIMO-OFDM技術(shù)原理如圖1所示。

MIMO+OFDM技術(shù)在發(fā)送端將發(fā)送信息先進行信道編碼和MIMO編碼，然后將此Bit流進行串/并轉(zhuǎn)換分為多個分支，每個分支都進行OFDM處理，最后經(jīng)MIMO陣列天線發(fā)送到無線信道中。接收端進行著與發(fā)射端進行相反的信號處理，并進行信道估計和同步等處理，最后恢復出與發(fā)送端發(fā)送一樣的比特流信息。

1.2綁定的信道結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

比較不同通信系統(tǒng)的有效性時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應該看在這樣的傳輸速率下所占信道的寬度。所以真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的應當是單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率，即頻譜效率（spectrumeffectiveness），以比特每秒每赫茲為單位。

IEEE802.lln標準定義20MHz為強制信道，40MHz為可選信道。20MHz信道主要為了和802.11b/a/g兼容，且20MHz頻譜在世界范圍內(nèi)都是可用的，可實現(xiàn)802.lln產(chǎn)品在全世界范圍統(tǒng)一。在每個信道20MHz帶寬下。IEEE802.lln使用了56個子載波，其中52個用于傳輸數(shù)據(jù)信號，4個用于傳輸導頻信號。40MHz信道由兩個相鄰的20MHz信道綁定在一起來實現(xiàn)的，其中心頻率處有三個空子載波（-1，0，1），原有的20MHz信道的中心頻率設(shè)定在新的40MHz信道的第+/-32個子載波處。-6至6是保護頻帶，為了增加吞吐量，40MHz信道使用的導頻子載波數(shù)是6個，數(shù)據(jù)子載波數(shù)是108個，子載波數(shù)總共為114個。盡管不是所有的子載波都可以用來傳輸數(shù)據(jù)，但子載波的數(shù)量仍然是越多越好，因為每多一個就意味著能多傳遞一組調(diào)制信號。因此，40MHz信道可提供比20MHz信道更高的數(shù)據(jù)吞吐量。

1.3短保護間隔ShortGI技術(shù)分析

無線信號的收發(fā)過程并非一刻不停。為了保證收發(fā)效果，在接收發(fā)送之間或多次發(fā)送過程中，必須有一定的時間間隔，即保護間隔。在使用OFDM調(diào)制方式發(fā)送數(shù)據(jù)時，整個幀被劃分成不同的數(shù)據(jù)塊進行發(fā)送，在多徑環(huán)境下，后數(shù)據(jù)塊的前端比前一數(shù)據(jù)塊的末端更快到達接收機，從而引起數(shù)據(jù)塊間產(chǎn)生干擾。前后數(shù)據(jù)塊由不同路徑到達，前一數(shù)據(jù)塊尚未被接收機完全接收，后一數(shù)據(jù)塊卻由一個更短路徑到達。數(shù)據(jù)塊間干擾會降低射頻鏈路的SNR（signaltonoiseratio）。GI是前后數(shù)據(jù)塊間的一段空白時間，可以為遲到信號提供更長的緩沖時間。

GI長度根據(jù)多徑狀態(tài)選擇。802.11a/g的GI時長為800ns，IEEE802.11n提供了一個可選項，當多徑情況較少、射頻環(huán)境較好時，允許用戶選擇啟用400ns的保護間隔，即更短GI（ShortGI）特性，以得到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在40MHz信道下，將保護間隔減小到最小的400ns，如果采用64-QAM調(diào)制方式、編碼率5/6、2個空間流來傳送，可將最大速率提升到300Mbps；如果采用64-QAM調(diào)制方式、編碼率5/6、4個空間流傳送，可將最大速率提升到600Mbps，實現(xiàn)802.11n定義的最高速率。

1.4低密度奇偶校驗碼編碼技術(shù)分析

IEEE802.11n采用LDPC糾錯編碼技術(shù)。在數(shù)字通信的領(lǐng)域中，廣泛使用糾錯編碼技術(shù)改善數(shù)字信道通信可靠性。糾錯編碼主要包括分組碼、卷積碼、LDPC碼和Turbo碼。LDPC是一類可以用非常稀疏的Parity-Check（奇偶校驗矩陣）定義的線性分組糾錯碼，其特點是：不僅有逼近Shannon限的良好性能，而且具有譯碼復雜度較低、較大的靈活性、可驗證性、可并行操作、適合硬件實現(xiàn)等優(yōu)良特性。因此，結(jié)合LDPC編碼技術(shù)的IEEE802.11n性能更加優(yōu)越。

2IEEE802.11nMAC層關(guān)鍵技術(shù)分析

IEEE802.11n物理層數(shù)據(jù)速率盡管非常高，但為了保持與802.11a/b/g的兼容，MAC層的幀間隔時間IFS（InterFrameSpace）保持不變，PHY層包頭、廣播幀、組播幀和控制幀必須統(tǒng)一802.11數(shù)據(jù)速率發(fā)送，這導致MAC層的吞吐量受限。為此IEEE802.11n在原有的MAC層傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)包切割和多速率傳輸基礎(chǔ)上提出了幀聚合、雙向傳輸、塊確認、減少幀間隔等關(guān)鍵技術(shù)，進一步提高MAC層數(shù)據(jù)吞吐量。同時，引入IEEE802.lle進一步擴展IEEE802.11n的服務質(zhì)量Qos（QualityofService）。

2.1無線媒體訪問控制技術(shù)分析

IEEE802.11無線局域網(wǎng)MAC層具有無線媒體訪問、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)驗證和加密三個主要功能。其中無線媒體訪問協(xié)議稱為基于分布方式的無線媒體訪問控制協(xié)議（distributedfunctionwirelessMAC，DFW-MAC），它支持自組織結(jié)構(gòu)（Adhoc）和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（infrastructure）兩種類型的WLAN。IEEE802.11nMAC層在原有IEEE802.11標準分布協(xié)調(diào)功能（distributedcoordinationfunction，DCF）和點協(xié)調(diào)功能（pointcoordinationfunction，PCF）兩種無線媒體訪問控制方式基礎(chǔ)上，引入IEEE802.lle擴展支持Qos的HCF（Hybridcoordinationfunction）信道接入方式。HCF包括可以提供優(yōu)先級服務的增強型DCF（enhanceddistributedchannelaccess，EDCA）和可滿足參數(shù)化QoS要求的HCCA（HCFcontrolledchannelaccess，HCCA）兩種接入方式。其中，DCF是IEEE802.11最基本的媒體訪問控制方法，是HCF和PCF的基礎(chǔ)，它提供基于競爭的數(shù)據(jù)接入服務，在所有站點（station，STA）上都進行實現(xiàn)。

DCF協(xié)議采用兩路握手的基本接入機制（basicaccess）和可選的四路握手RTS/CTS兩種工作機制，它們都基于載波偵聽沖突避免多路訪問CSMA/CA技術(shù)和二進制指數(shù)退避算法。Basicaccess的接入時序如圖2（a）所示，發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先監(jiān)聽信道狀態(tài)，如果沒有人使用信道并維持大于等于DIFS時間段后，就立即占用信道并送出數(shù)據(jù)。反之必須等到信道空閑DIFS時間段后，進入退避過程進行競爭信道使用。

RTS/CTS機制可以有效解決隱藏終端從而達到減少碰撞損失的目的，其接入時序如圖2（b）所示。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)前，先發(fā)送RTS報文（RequesttoSend）給目標端，目標端收到后，向自己范圍內(nèi)所有站點廣播CTS（CleartoSend）報文，隨后開始占用信道傳送數(shù)據(jù)信息。RTS/CTS可以確保隨后的數(shù)據(jù)傳輸不會發(fā)生碰撞。由于RTS/CTS封包很小，所以傳送的無效開銷比發(fā)生碰撞的開銷小很多。圖中NAV（networkallocationvector）表示一個減法計時器，值的大小表示信道將被占用的時間長短。其它站點的NAV取值由當前信道上傳送的MAC幀中Duration域所攜帶的傳輸持續(xù)時間信息確定。

2.2數(shù)據(jù)包聚合技術(shù)分析

IEEE802.11n主要有數(shù)據(jù)幀、控制幀和管理幀三種幀（Frame）類型。數(shù)據(jù)幀（DataFrame）負責在工作站之間搬運數(shù)據(jù)；控制幀（ControlFrame）負責區(qū)域的清空、信道的取得以及載波監(jiān)聽的維護，并于收到數(shù)據(jù)時予以肯定確認，借此提高工作站之間數(shù)據(jù)傳送的可靠性，包括RTS幀、CTS幀、ACK幀、BlockAckReq幀和BlockAck等九種類型幀；管理幀（ManagementFrame）負責監(jiān)督，主要用來加入或退出無線網(wǎng)絡(luò)以及處理接入點之間關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)移事宜。DataFrame和ManagementFrame格式如圖3所示。

IEEE802.11n在MAC層對幀結(jié)構(gòu)進行了進一步優(yōu)化。MAC幀主要包括MACHeader和Framebody兩個部分，為了向前兼容，MACHeader必須以基本速率發(fā)送。為了降低此部分發(fā)送時間上的開銷，IEEE802.11n將多個MAC幀進行聚合，使其共用一個PHYHeader，從而有效提高負載的傳輸效率。根據(jù)聚合所在的子層的不同分為MAC層服務數(shù)據(jù)單元聚合（A-MSDU）、MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元聚合（A-MPDU）、物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元聚合（A-PPDU）和物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元突發(fā)傳輸（PPDUBursting）四種。A-MSDU在邏輯鏈路控制層（LLC）和MAC層之間實現(xiàn)，A-MPDU在MAC層和PHY層之間實現(xiàn)，A-PPDU和（PPDUBursting）在PHY層實現(xiàn)。其中A-MSDU和A-MPDU聚合過程如圖4所示。

圖4中DA是數(shù)據(jù)包的最終接收實體的地址，SA是發(fā)送數(shù)據(jù)包的MAC實體地址，Padding是填充字段，Delimiter是分隔符。A-MSDU中每個MSDU具有相同的MACHeader、PHYHeader和FCS，因此A-MSDU聚合度很高且發(fā)往同一個目的地址，同時傳輸可靠性較差，只適合小數(shù)據(jù)包MSDU的批量發(fā)送。A-MPDU中每個MSDU具有獨立的MACHeader和FCS，因此A-MPDU可發(fā)往不同的目的地址且具有較高的傳輸可靠性，效率比較前者略底；采用A-PPDU和PPDU聚合方式傳輸，雖然可靠性提高了，但在PHY層數(shù)據(jù)速率很高且聚合個數(shù)較多時效率下降很快。

2.3雙向傳輸機制（reversedirectionfunction）分析

雙向傳輸機制是指通過高效利用傳輸機會TXOP（TransmissionOpportunity），實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)高速傳輸?shù)囊环N機制。TXOP是一個有限的時間區(qū)間，當發(fā)送方站點通過競爭獨占信道之后，在TXOP時間內(nèi)發(fā)送完自己的數(shù)據(jù)后，如果TXOP時間還有剩余，就可以通知接受方在剩余的TXOP時間內(nèi)，進行反向傳輸而無需再競爭信道的使用權(quán)。雙向傳輸機制實例如圖5所示。

雙向傳輸機制主要用于在EDCA、HCCA和非TXOP的DCF信道接入機制，并且發(fā)送方要傳輸數(shù)據(jù)量較少時，通過提高站點TXOP利用率來提高系統(tǒng)的吞吐量。

2.4塊應答（BlockAck）技術(shù)分析

802.11協(xié)議為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?guī)定接收端每收一個數(shù)據(jù)幀，應該立即采用ACK應答。因此，當采用這種方式接收端在收到聚合幀A-MPDU后，就需要對其中的每一個MPDU進行處理并逐個發(fā)送應答幀ACK。在高速的802.11n中，為了降低每一次由于競爭使用信道和多ACK應答帶來的時間損耗，接收方在連續(xù)接收多個數(shù)據(jù)幀后通過BlockAcknowledgement方式，使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答，以降低這種情況下ACK幀的數(shù)量，這種方式就叫做BlockACK方式。BlockACK有延遲型BlockACK和立即型BlockACK兩種方式，BlockACK方式也可使用于非聚合的MPDU。塊應答與幀間間隔實例如圖6所示。

2.5精簡幀間間隔（ReducedInterFrameSpacing）技術(shù)分析

幀間間隔IFS（InterFrameSpace）是指在收發(fā)雙方傳輸數(shù)據(jù)幀時，每兩個數(shù)據(jù)幀之間要有一個固定的時間間隔。在802.11網(wǎng)絡(luò)中，有四種不同的幀間隔時間，這四種IFS按照時間從短到長的順序依次為：SIFS（ShortInterFrameSpace）、PIFS（PCFInterFrameSpace）、DIFS（DCFInterFrameSpace）和EIFS（ExtendedInterFrameSpace）。在IEEE802.11不同標準中，aSlotTime和不同類型幀間間隔時間的值不同，如表2所示。

其中SIFS是最小幀間隔，發(fā)送方和接收方數(shù)據(jù)幀傳輸時使用，采用SIFS的節(jié)點具有訪問無線鏈路的最高優(yōu)先級，如圖6（a）（b）（c）所示。DFC接入方式時使用DIFS時間間隔，PCF接入方式時使用PIFS時間間隔，EIFS時間間隔用于收發(fā)雙方差錯處理。此外，還有支持Qos的仲裁幀間間隔AIFS，AIFS值的大小應根據(jù)數(shù)據(jù)類型設(shè)置。在802.11n網(wǎng)絡(luò)中采用精簡幀間間隔RIFS，如圖6（b）（c）所示，把原來的每發(fā)一個兩個幀幀間間隔從SIFS的10μs或16μs調(diào)整為RIFS的2μs，以適應IEEE802.11n高傳輸速率要求。

3結(jié)束語

基于IEEE802.11n技術(shù)的無線局域網(wǎng)絡(luò)不再是簡單的接入層，已經(jīng)成為與3G網(wǎng)絡(luò)對等的移動互聯(lián)網(wǎng)中重要的高速數(shù)據(jù)承載平臺。目前，基于802.11n技術(shù)的運營商網(wǎng)絡(luò)和終端市場份額在逐步擴大，已經(jīng)超過了50%甚至更高的份額。但由于現(xiàn)有終端大部分只支持802.11a/b/g標準，所以要組建純802.11n標準的網(wǎng)絡(luò)面臨著用戶發(fā)展的問題。在向高速802.11n無線局域網(wǎng)發(fā)展過程中，必需考慮與原有802.11a/b/g標準的兼容。在802.11n發(fā)展初期，運營商可先采用雙頻設(shè)備組網(wǎng)，等到大部分終端都支持802.11n標準后，再通過對設(shè)備的重新配置等手段統(tǒng)一為802.11n單模組網(wǎng)。同時，在利用802.11n技術(shù)組網(wǎng)時還需要根據(jù)具體的復雜的無線環(huán)境，科學規(guī)劃頻率資源，合理配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并進一步深入研究802.lln多信道管理、鏈路自適應、網(wǎng)絡(luò)安全、天線選擇以及與影響系統(tǒng)吞吐量提升的相關(guān)技術(shù)，以便使用戶享受到IEEE802.11n帶來的安全、高速、高質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)服務體驗。

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