淺析下一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11ax

摘 要：無線局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展越來越迅速，新的標(biāo)準(zhǔn)更迭頻率也在加快，作為下一代無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11ax協(xié)議已經(jīng)進(jìn)入草稿完善階段。文章分析了802.11ax協(xié)議的技術(shù)現(xiàn)狀，指出了與現(xiàn)有協(xié)議的不同之處，并對協(xié)議的未來發(fā)展作了展望。

關(guān)鍵詞：IEEE802.11ax；WLAN；OFDMA

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)移動接入終端數(shù)量的劇增，無線局域網(wǎng)（WLAN）已經(jīng)成為生活、工作中最常見到的網(wǎng)絡(luò)連接方式之一。作為WLAN技術(shù)基礎(chǔ)的IEEE802.11協(xié)議族，從誕生至今已經(jīng)經(jīng)歷了多個版本的發(fā)展，用來滿足用戶對無線接入的需求。2016年下半年，下一代標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11ax的草稿方案已經(jīng)出爐，不久之后就將為用戶帶來新的無線體驗(yàn)。

1 IEEE協(xié)議現(xiàn)狀

從1997年至今，有關(guān)無線局域的IEEE802.11協(xié)議經(jīng)歷了數(shù)次修訂，涉及到無線傳輸、服務(wù)質(zhì)量、業(yè)務(wù)支撐、頻譜使用、組網(wǎng)方式等多方面的技術(shù)。目前，IEEE802.11主要標(biāo)準(zhǔn)有802.11a/b/g/n/ac，這些版本間的區(qū)別和主要修訂內(nèi)容體現(xiàn)在無線傳輸方式，802.11b采用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS），最高傳輸速率為11Mbps；802.11a/g采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，最高的傳輸速率達(dá)到54Mbps；802.11n是在OFDM的基礎(chǔ)上引入了MIMO技術(shù)，最大傳輸速率可達(dá)到600Mbps。

在當(dāng)前的IEEE802.11MAC層接入方式中，存在有DCF（Distributed Coordination Function）和PCF（Point Coordination Function）兩種工作模式，由于DCF具有良好的分布式特性，從而獲得了更廣泛的應(yīng)用。無線局域網(wǎng)的特點(diǎn)是所有信道屬于同一個沖突域，因此需要設(shè)計一套隨機(jī)接入機(jī)制，解決多節(jié)點(diǎn)同時占用網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的沖突問題。在DCF模式中，采用的是CSMA/CA（即載波偵聽多路訪問/沖突避免）機(jī)制。CSMA/CA的工作過程是發(fā)送數(shù)據(jù)前檢測信道是否有使用，如果檢測出信道繁忙，則等待一段隨機(jī)時間后，再次檢測信道，如果空閑，才開始準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。送出數(shù)據(jù)前，發(fā)送端會先發(fā)出請求傳送報文（RTS：Request to Send）給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng) CTS： Clear to Send 報文后，就可以發(fā)送正常數(shù)據(jù)，機(jī)制利用RTS-CTS握手（handshake）程序，確保接下來傳送資料時，不會被碰撞。接收端如果正確收到數(shù)據(jù)幀，則經(jīng)過一段時間間隔后，向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)幀ACK。發(fā)送端收到ACK幀，確定數(shù)據(jù)正確傳輸。

2 IEEE802.11ax簡介

作為下一代無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEEE802.11ax在設(shè)計初始的思想與現(xiàn)有的802.11標(biāo)準(zhǔn)有所不同，使用場景更加關(guān)注于密集用戶環(huán)境，通過有效的使用當(dāng)前的頻段資源，提高實(shí)際網(wǎng)絡(luò)速率。802.11ax與現(xiàn)有的a/b/h/n/ac協(xié)議都進(jìn)行兼容，可以同時工作在2.4G和5G頻段下。在相同帶寬下，802.11ax采用點(diǎn)數(shù)更多的FFT，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)越多，其子載波數(shù)越多，這樣子載波的帶寬也就越小，從而可以覆蓋更遠(yuǎn)的范圍。802.11ac協(xié)議在下行中引入的MU-MIMO技術(shù)，而在802.11ax中MU-MIMO成為了上下行通用的技術(shù)，采用了新的PHY層和MAC層處理機(jī)制的802.11ax協(xié)議的傳輸速率在80MHz帶寬下可以達(dá)到600.4Mbps，在160MHz下可以達(dá)到9607.8Mbps，已經(jīng)接近萬兆以太網(wǎng)的傳輸能力。

3 IEEE802.11ax的接入方式

802.11ax最重要的一個更新是在設(shè)計中參考了LTE中OFDMA（正交頻分多址）的使用，OFDMA采用全新的信號調(diào)制編碼算法，把一個信道分成數(shù)十甚至數(shù)百個更小的的時頻資源塊即RU（Resource unit），每個RU可以承載不同的用戶數(shù)據(jù)。這樣從總的信道上看，每一個時間片上，有可能有多個用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣信道的利用率就可以得到很好的提升。同時，由于對信道的劃分更加的細(xì)致，現(xiàn)有的802.11標(biāo)準(zhǔn)中用戶占據(jù)整個信道的情況不會再出現(xiàn)，如果需要發(fā)送QOS數(shù)據(jù)包，不需要獲得完整的信道才行，只需使用部分信道即可完成QOS的發(fā)送，有效的減少了QOS的延遲。

OFDMA技術(shù)的引入也使得了802.11ax協(xié)議的MAC層隨機(jī)接入機(jī)制發(fā)生了變化，現(xiàn)有的CSMA/CA機(jī)制被TF（Trigger Frame）以及TF-R（Trigger Frame for Random access）機(jī)制替換。TF是一種上行接入的傳輸框架，接入開始時，AP發(fā)送包含上傳所使用的RU信息的TF宣告，根據(jù)TF內(nèi)容，用戶選擇其對于的RU位置，進(jìn)行OFDMA接入，此時多個用戶同時向AP發(fā)送上行數(shù)據(jù)，AP接收完成后返回ACK，結(jié)束上傳過程。TF-R是802.11ax協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)討論過程中作為TF機(jī)制的擴(kuò)展被引入的，TF-R將TF的時域競爭轉(zhuǎn)為頻率的競爭。TF-R機(jī)制在TF過程之前執(zhí)行，每一次接入時，AP首先發(fā)送TF-R幀，幀中部分的RU被標(biāo)注成可以供用戶競爭使用，用戶在收到TF-R幀后，采用OBO（UL-OFDMA Backoff）的機(jī)制競爭RU。OBO中，用戶使用隨機(jī)數(shù)放入Backoff counter中，然后進(jìn)行比較，backoff counter中數(shù)小于RU的總數(shù)的那個節(jié)點(diǎn)可以在競爭中勝出，獲得隨機(jī)選擇一個RU的權(quán)利，然后在選擇的RU上傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過幾次TF-R幀的傳輸過程，可供競爭的RU被選擇完畢，AP開始發(fā)送TF幀，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。

4 結(jié)束語

無線局域網(wǎng)的發(fā)展為我們工作和生活帶來了極大的改變，作為下一代的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11ax更加關(guān)注密集用戶環(huán)境，通過引入OFDMA技術(shù)作為新的接入機(jī)制，改善了多用戶連接AP時的體驗(yàn)效果。802.11ax充分利用現(xiàn)有的頻段資源，有效的提高數(shù)據(jù)傳輸速率，將來如果結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)，將會給用戶帶來更好的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。現(xiàn)在需要看到的是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)尚處于Draft1.0階段，離最后標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)還有一段距離，還需要研究機(jī)構(gòu)和專業(yè)廠商共同努力進(jìn)行完善。

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作者簡介：鄭智釗（1983-），男，工學(xué)學(xué)士，網(wǎng)絡(luò)工程師，工作單位：哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要研究方向：計算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用。