基于IEEE802.11n的无线局域网关键技术研究

伍转华

摘要：文中首先介绍了IEEE802.11系列标准中的几种高速物理层标准，并进行了简要的分析。接着分别从无线局域网PHY层和MAC层两个层面，重点研究了目前无线局域网领域的主流标准IEEE802.11n。细致的分析了IEEE802.11n的信道接入方式以及与系统吞吐量相关的MAC层和PHY层关键技术。

关键词：无线局域网；IEEE802.11；IEEE802.11n；关键技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）33-7906-05

目前，无线网络已经成为无时不在、无处不在的高速高质量通信网。在各种无线网络中，WLAN以其特有的可移动、高速度、低价格等优点，近年来用户数量持续保持快速增加。以IEEE802.11系列协议为代表的无线局域网技术，在当前无线网络应用当中占有主导地位。

美国电子电气学会（IEEE）802.11任务组于1997年6月推出IEEE802.11无线局域网标准，经过不断的完善发展，现已成为最具影响力的无线局域网工业标准。到目前为止，已经发布的高速物理层标准如表1所示。

1.1MIMO+OFDM技术分析

多入多出MIMO技术是一种在发射端和接收端同时使用多副天线的无线收发技术，主要包括发射分集技术和空间复用技术。MIMO技术充分利用随机衰落及多径时延扩展，在不需要增加天线发送功率和频谱资源情况下，利用MIMO信道提供的空间分集增益可以有效降低误码率，提高信道的容量和可靠性。MIMO收发模式可以用缩写“Y*Z”来表示，分别代表发送天线数和接收天线数。IEEE802.11n设备默认支持2*2模式空间流，最多支持4*4模式无线链路进行空间复用；正交频分复用OFDM技术是一种无线环境下多载波的高速扩频传输技术，通过将给定频域内的信道分成若干个正交子信道，每个子信道都可以使用独立的子载波（SubCarrier），根据具体需要选择不同调制方式进行调制，并且这些子载波可以并行发送，因此可以提高数据发送速度。同时，相互正交的子载波不但提高了频谱利用率而且减小了子载波间的相互干扰。

MIMO可以有效利用多径衰落提高信道容量，但对频率选择性衰落无能为力；OFDM技术可以有效利用频率选择性衰落，在不受带宽和功率限制条件下，OFDM技术可以以任意速率传输。实际上WLAN只能在带宽和功率受限的情况下提高信道传输能力。因此将MIMO和OFDM两种技术相结合，可扬长避短实现最佳传输效果。MIMO-OFDM技术原理如图1所示。

MIMO+OFDM技术在发送端将发送信息先进行信道编码和MIMO编码，然后将此Bit流进行串/并转换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，最后经MIMO阵列天线发送到无线信道中。接收端进行着与发射端进行相反的信号处理，并进行信道估计和同步等处理，最后恢复出与发送端发送一样的比特流信息。

1.2绑定的信道结构技术分析

比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应该看在这样的传输速率下所占信道的宽度。所以真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即频谱效率（spectrumeffectiveness），以比特每秒每赫兹为单位。

IEEE802.lln标准定义20MHz为强制信道，40MHz为可选信道。20MHz信道主要为了和802.11b/a/g兼容，且20MHz频谱在世界范围内都是可用的，可实现802.lln产品在全世界范围统一。在每个信道20MHz带宽下。IEEE802.lln使用了56个子载波，其中52个用于传输数据信号，4个用于传输导频信号。40MHz信道由两个相邻的20MHz信道绑定在一起来实现的，其中心频率处有三个空子载波（-1，0，1），原有的20MHz信道的中心频率设定在新的40MHz信道的第+/-32个子载波处。-6至6是保护频带，为了增加吞吐量，40MHz信道使用的导频子载波数是6个，数据子载波数是108个，子载波数总共为114个。尽管不是所有的子载波都可以用来传输数据，但子载波的数量仍然是越多越好，因为每多一个就意味着能多传递一组调制信号。因此，40MHz信道可提供比20MHz信道更高的数据吞吐量。

1.3短保护间隔ShortGI技术分析

无线信号的收发过程并非一刻不停。为了保证收发效果，在接收发送之间或多次发送过程中，必须有一定的时间间隔，即保护间隔。在使用OFDM调制方式发送数据时，整个帧被划分成不同的数据块进行发送，在多径环境下，后数据块的前端比前一数据块的末端更快到达接收机，从而引起数据块间产生干扰。前后数据块由不同路径到达，前一数据块尚未被接收机完全接收，后一数据块却由一个更短路径到达。数据块间干扰会降低射频链路的SNR（signaltonoiseratio）。GI是前后数据块间的一段空白时间，可以为迟到信号提供更长的缓冲时间。

GI长度根据多径状态选择。802.11a/g的GI时长为800ns，IEEE802.11n提供了一个可选项，当多径情况较少、射频环境较好时，允许用户选择启用400ns的保护间隔，即更短GI（ShortGI）特性，以得到更高的数据传输速率。在40MHz信道下，将保护间隔减小到最小的400ns，如果采用64-QAM调制方式、编码率5/6、2个空间流来传送，可将最大速率提升到300Mbps；如果采用64-QAM调制方式、编码率5/6、4个空间流传送，可将最大速率提升到600Mbps，实现802.11n定义的最高速率。

1.4低密度奇偶校验码编码技术分析

IEEE802.11n采用LDPC纠错编码技术。在数字通信的领域中，广泛使用纠错编码技术改善数字信道通信可靠性。纠错编码主要包括分组码、卷积码、LDPC码和Turbo码。LDPC是一类可以用非常稀疏的Parity-Check（奇偶校验矩阵）定义的线性分组纠错码，其特点是：不仅有逼近Shannon限的良好性能，而且具有译码复杂度较低、较大的灵活性、可验证性、可并行操作、适合硬件实现等优良特性。因此，结合LDPC编码技术的IEEE802.11n性能更加优越。

2IEEE802.11nMAC层关键技术分析

IEEE802.11n物理层数据速率尽管非常高，但为了保持与802.11a/b/g的兼容，MAC层的帧间隔时间IFS（InterFrameSpace）保持不变，PHY层包头、广播帧、组播帧和控制帧必须统一802.11数据速率发送，这导致MAC层的吞吐量受限。为此IEEE802.11n在原有的MAC层传输协议数据包切割和多速率传输基础上提出了帧聚合、双向传输、块确认、减少帧间隔等关键技术，进一步提高MAC层数据吞吐量。同时，引入IEEE802.lle进一步扩展IEEE802.11n的服务质量Qos（QualityofService）。

2.1无线媒体访问控制技术分析

IEEE802.11无线局域网MAC层具有无线媒体访问、网络连接、数据验证和加密三个主要功能。其中无线媒体访问协议称为基于分布方式的无线媒体访问控制协议（distributedfunctionwirelessMAC，DFW-MAC），它支持自组织结构（Adhoc）和基础结构（infrastructure）两种类型的WLAN。IEEE802.11nMAC层在原有IEEE802.11标准分布协调功能（distributedcoordinationfunction，DCF）和点协调功能（pointcoordinationfunction，PCF）两种无线媒体访问控制方式基础上，引入IEEE802.lle扩展支持Qos的HCF（Hybridcoordinationfunction）信道接入方式。HCF包括可以提供优先级服务的增强型DCF（enhanceddistributedchannelaccess，EDCA）和可满足参数化QoS要求的HCCA（HCFcontrolledchannelaccess，HCCA）两种接入方式。其中，DCF是IEEE802.11最基本的媒体访问控制方法，是HCF和PCF的基础，它提供基于竞争的数据接入服务，在所有站点（station，STA）上都进行实现。

DCF协议采用两路握手的基本接入机制（basicaccess）和可选的四路握手RTS/CTS两种工作机制，它们都基于载波侦听冲突避免多路访问CSMA/CA技术和二进制指数退避算法。Basicaccess的接入时序如图2（a）所示，发送端在发送数据之前，先监听信道状态，如果没有人使用信道并维持大于等于DIFS时间段后，就立即占用信道并送出数据。反之必须等到信道空闲DIFS时间段后，进入退避过程进行竞争信道使用。

RTS/CTS机制可以有效解决隐藏终端从而达到减少碰撞损失的目的，其接入时序如图2（b）所示。发送端发送数据前，先发送RTS报文（RequesttoSend）给目标端，目标端收到后，向自己范围内所有站点广播CTS（CleartoSend）报文，随后开始占用信道传送数据信息。RTS/CTS可以确保随后的数据传输不会发生碰撞。由于RTS/CTS封包很小，所以传送的无效开销比发生碰撞的开销小很多。图中NAV（networkallocationvector）表示一个减法计时器，值的大小表示信道将被占用的时间长短。其它站点的NAV取值由当前信道上传送的MAC帧中Duration域所携带的传输持续时间信息确定。

2.2数据包聚合技术分析

IEEE802.11n主要有数据帧、控制帧和管理帧三种帧（Frame）类型。数据帧（DataFrame）负责在工作站之间搬运数据；控制帧（ControlFrame）负责区域的清空、信道的取得以及载波监听的维护，并于收到数据时予以肯定确认，借此提高工作站之间数据传送的可靠性，包括RTS帧、CTS帧、ACK帧、BlockAckReq帧和BlockAck等九种类型帧；管理帧（ManagementFrame）负责监督，主要用来加入或退出无线网络以及处理接入点之间关联的转移事宜。DataFrame和ManagementFrame格式如图3所示。

IEEE802.11n在MAC层对帧结构进行了进一步优化。MAC帧主要包括MACHeader和Framebody两个部分，为了向前兼容，MACHeader必须以基本速率发送。为了降低此部分发送时间上的开销，IEEE802.11n将多个MAC帧进行聚合，使其共用一个PHYHeader，从而有效提高负载的传输效率。根据聚合所在的子层的不同分为MAC层服务数据单元聚合（A-MSDU）、MAC层协议数据单元聚合（A-MPDU）、物理层协议数据单元聚合（A-PPDU）和物理层协议数据单元突发传输（PPDUBursting）四种。A-MSDU在逻辑链路控制层（LLC）和MAC层之间实现，A-MPDU在MAC层和PHY层之间实现，A-PPDU和（PPDUBursting）在PHY层实现。其中A-MSDU和A-MPDU聚合过程如图4所示。

图4中DA是数据包的最终接收实体的地址，SA是发送数据包的MAC实体地址，Padding是填充字段，Delimiter是分隔符。A-MSDU中每个MSDU具有相同的MACHeader、PHYHeader和FCS，因此A-MSDU聚合度很高且发往同一个目的地址，同时传输可靠性较差，只适合小数据包MSDU的批量发送。A-MPDU中每个MSDU具有独立的MACHeader和FCS，因此A-MPDU可发往不同的目的地址且具有较高的传输可靠性，效率比较前者略底；采用A-PPDU和PPDU聚合方式传输，虽然可靠性提高了，但在PHY层数据速率很高且聚合个数较多时效率下降很快。

2.3双向传输机制（reversedirectionfunction）分析

双向传输机制是指通过高效利用传输机会TXOP（TransmissionOpportunity），实现无线网络高速传输的一种机制。TXOP是一个有限的时间区间，当发送方站点通过竞争独占信道之后，在TXOP时间内发送完自己的数据后，如果TXOP时间还有剩余，就可以通知接受方在剩余的TXOP时间内，进行反向传输而无需再竞争信道的使用权。双向传输机制实例如图5所示。

双向传输机制主要用于在EDCA、HCCA和非TXOP的DCF信道接入机制，并且发送方要传输数据量较少时，通过提高站点TXOP利用率来提高系统的吞吐量。

2.4块应答（BlockAck）技术分析

802.11协议为了提高数据传输的可靠性，规定接收端每收一个数据帧，应该立即采用ACK应答。因此，当采用这种方式接收端在收到聚合帧A-MPDU后，就需要对其中的每一个MPDU进行处理并逐个发送应答帧ACK。在高速的802.11n中，为了降低每一次由于竞争使用信道和多ACK应答带来的时间损耗，接收方在连续接收多个数据帧后通过BlockAcknowledgement方式，使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下ACK帧的数量，这种方式就叫做BlockACK方式。BlockACK有延迟型BlockACK和立即型BlockACK两种方式，BlockACK方式也可使用于非聚合的MPDU。块应答与帧间间隔实例如图6所示。

2.5精简帧间间隔（ReducedInterFrameSpacing）技术分析

帧间间隔IFS（InterFrameSpace）是指在收发双方传输数据帧时，每两个数据帧之间要有一个固定的时间间隔。在802.11网络中，有四种不同的帧间隔时间，这四种IFS按照时间从短到长的顺序依次为：SIFS（ShortInterFrameSpace）、PIFS（PCFInterFrameSpace）、DIFS（DCFInterFrameSpace）和EIFS（ExtendedInterFrameSpace）。在IEEE802.11不同标准中，aSlotTime和不同类型帧间间隔时间的值不同，如表2所示。

其中SIFS是最小帧间隔，发送方和接收方数据帧传输时使用，采用SIFS的节点具有访问无线链路的最高优先级，如图6（a）（b）（c）所示。DFC接入方式时使用DIFS时间间隔，PCF接入方式时使用PIFS时间间隔，EIFS时间间隔用于收发双方差错处理。此外，还有支持Qos的仲裁帧间间隔AIFS，AIFS值的大小应根据数据类型设置。在802.11n网络中采用精简帧间间隔RIFS，如图6（b）（c）所示，把原来的每发一个两个帧帧间间隔从SIFS的10μs或16μs调整为RIFS的2μs，以适应IEEE802.11n高传输速率要求。

3结束语

基于IEEE802.11n技术的无线局域网络不再是简单的接入层，已经成为与3G网络对等的移动互联网中重要的高速数据承载平台。目前，基于802.11n技术的运营商网络和终端市场份额在逐步扩大，已经超过了50%甚至更高的份额。但由于现有终端大部分只支持802.11a/b/g标准，所以要组建纯802.11n标准的网络面临着用户发展的问题。在向高速802.11n无线局域网发展过程中，必需考虑与原有802.11a/b/g标准的兼容。在802.11n发展初期，运营商可先采用双频设备组网，等到大部分终端都支持802.11n标准后，再通过对设备的重新配置等手段统一为802.11n单模组网。同时，在利用802.11n技术组网时还需要根据具体的复杂的无线环境，科学规划频率资源，合理配置网络参数，并进一步深入研究802.lln多信道管理、链路自适应、网络安全、天线选择以及与影响系统吞吐量提升的相关技术，以便使用户享受到IEEE802.11n带来的安全、高速、高质量的无线网络服务体验。

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