高速局域网标准

超高速无线局域网标准）
摘要：IEEE802.11ac是IEEE委员会正在制定的最新无线局域网标准之一，目标是在保证覆盖范围不降低的前提下，在6GHz以下频段达到Gbit/s的数据传输速率。

本文主要阐述了IEEE802.11ac标准的技术内容，重点分析MU MIMO技术和信道绑定技术，并分析了IEEE802.11ac标准对未来无线局域网建设的影响。

关键词：VHT；WLAN；802.11ac；多用户MIMO；信道绑定
中图分类号：TN915.04 文献标识码:A
Study on key Technology about Very High Throughput Wireless Local Area Network Standard of IEEE802.11ac
Bingting Wang1, Qibin Lin 1, Yangyi Zhang1, Yonghua Shi1, Lijuan Xu2 ( 1. School of Mechanical and Electronic Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, Anhui;
2. Anhui University Key Laboratory of Intelligent Computing & Signal Processing, Ministry of Education, Hefei
230039, Anhui)
Abstract:IEEE802.11ac is one of upcoming standards which are development by IEEE standardization committee. The objective is to achieve maximum throughput of at least 1Gbps operation below 6GHz. This paper introduces the technology of the IEEE802.11ac, mainly introduce the technology of MU MIMO and channel bonding, and the profound significance of the construction of the WLAN is analyzed.
Key words: VHT; WLAN; IEEE802.11ac; MU MIMO; Channel Bonding
1 引言
无线局域网（Wireless Local Area Network，简称WLAN）自其诞生以来，凭借优越的灵活性和便捷性，得到了迅速的发展。

目前，IEEE802.11是无线局域网的主流标准，自1997年第一部802.11标准的制定，之后IEEE陆续发布了很多改进版本，例如1999年颁布的IEEE802.11a[1]标准和IEEE802.11b[2]标准，前者定义了一个在5GHz频段上的数据传输速率可达54Mbps的物理层，后者定义了2.4GHz频段上数据传输速率为11Mbps。

2003年颁布的802.11g[3]标准，在2.4GHz频段数据传输速率和802.11a一样可达54Mbps。

而2009年颁布的标准IEEE802.11n[4]，采用MIMO-OFDM、40MHz带宽和帧聚合等技术来提高数据速率，理论速度可达600Mbps，这也标志着无线局域网进入了高速发展的时代。

推进无线LAN标准化的IEEE802委员会于2008年下半年开始制定的传输速度比现行高速无线局域网标准IEEE802.11n更高速的新一代标准IEEE802.11ac[5]。

目标是把实际数据传输速率提高至数Gbps，标准计划名为“超高吞吐量（Very High Throughput，简称VHT）”。

在2008年7月13日～18日于美国科罗拉多州丹佛召开的会议上，VHT被确定升级为正式工作组（Task Group 简称TG）。

目前，IEEE802.11ac标准已进入草案阶段，最终正式规范则有望在2013年完成。

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收稿日期：2014-07-16；修回日期基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目(No.KJ2014A188)；滁州学院自然科学研究项目（2012kj007B）；滁州学院本科教学质量与教学改革工程项目（Nos. 2013jyy006, 2012jyy012）。

作者简介: 王炳庭(1984－), 男, 安徽省滁州市人, 助教, 硕士, 主要研究方向为超高速无线局域网,传感器网络(wangbingting2010@)
2 IEEE802.11ac关键技术
作为802.11n的演进版本，802.11ac关键技术主要是沿用802.11n更宽信道和更多空间流数目的思想[6-7]，802.11ac的核心技术是基于5G频段，将原本工作的20MHz和40MHz 扩展到80MHz和160MHz并结合MIMO技术，来提供1Gbps以上的吞吐量，同时通过协议设计提供向后兼容的能力。

此外，802.11ac增强调制方式从64QAM上升到256QAM，空间流的数目也增加到8阶来更好地支持DL MU-MIMO。

图表一给出的是IEEE802.11ac标准和目前主流802.11标准技术参数的一个比较，可以看出802.11ac在速率上有飞跃的上升，而各物理层核心参数进一步增强同时又保证向后兼容。

IEEE802.11a IEEE802.11b IEEE802.11g IEEE802.11n IEEE802.11ac 发布时间1999年7月1999年7月2003年6月2009年9月待定
工作频段5GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4/5GHz 5GHz
最大数据
速率
54Mbps 11Mbps 54Mbps 600Mbps 7Gbps
频宽20MHz 20MHz 20MHz 20/40MHz 20/40/80/160MHz 编码类型OFDM DSSS OFDM,DSSS MIMO-OFDM MIMO-OFDM
调制方式BPSK,QPSK
,16QAM,
64QAM
CCK
BPSK,QPSK,
16QAM,64Q
AM,DBPSK,
DQPSK,CCK
BPSK,QPSK,
16QAM,
64QAM
BPSK,QPSK,
16QAM,64QAM,
256QAM
空间流数 1 1 1 1,2,3,4 1,2,3,4,5,6,7,8
编码卷积码/ 卷积码卷积码，LDPC 卷积码，LDPC 兼容性802.11a 802.11b 802.11b/g 802.11a/b/g/n 802.11a/g/n
目前，IEEE802.11ac已进入草案2.0版本，2012年3月11日～16日在夏威夷召开的IEEE802.11ac会议正在征集对草案2.0的修改建议稿，并征集建议稿的修改提案。

最终的标准预计在2013年底颁布。

本文主要是分析和研究IEEE802.11ac关键技术，接下来的部分将详细讲述信道绑定和MU MIMO技术并简要介绍IEEE802.11ac PHY和MAC层的一些新特征。

2.1 信道绑定
增加吞吐量最直接的方法之一是增加无线信号传输的带宽，传统的无线传输标准802.11a,b,g都采用20MHz的传输带宽，802.11n推出信道绑定的技术，将带宽扩展到40MHz 信道传输。

信道绑定技术即同时利用两个或者多个信道扩展成单一宽信道传输，是通过物理层与MAC层的协同工作。

为实现信道绑定，802.11n定义了主信道和辅助信道的概念，主信道是指无线服务的广播信道，用以发送广播帧标识无线服务的存在，辅助信道是与主信道进行绑定的信道。

绑定后的40MHz信道由两个相邻的20MHz信道组成。

若采用原先单独的20MHz信道，信道最低及最高频段保留一部分带宽避免信道间干扰。

而当使用40MHz 绑定信道时，这些保留带宽可以用来传输信息。

通过利用保留带宽，802.11n的信道应用效率更高，通常可比20MHz带宽的两倍要稍高[4]。

IEEE802.11ac通过信道绑定(如图1，2所示)将信道带宽扩展到80MHz及160MHz以此来达到1Gbps速率传输的要求。

在最新版的IEEE802.11ac草案2.0中20/40/80MHz信道为
表1 802.11系列协议技术参数比较
必选项，而160MHz 传输为可选，80MHz 的信道由相邻的40MHz 信道组成，而160MHz 信道传输又可分为连续的160MHz 信道传输—由两个相邻的80MHz 信道组成(如图1所示)和非连续的160MHz 信道传输—由任何两个非连续的80MHz 信道组成[5,8]。

517057355710549053305835MHz
160MHz
80MHz 40MHz 20MHz
6
6
2
8
4
4
00
28
24
20
16
12
08
04
57
53
49
40
36
32
65
61
5170MHz
5735MHz
5710MHz 5490MHz
5330MHz 5835MHz
80MHz 40MHz 20MHz 160MHz
160MHz 160MHz
2.2 MU MIMO 技术
MIMO 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。

空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。

802.11ac 沿用802.11n 的MIMO 技术，但又区别于802.11n 中的技术，主要是在802.11ac 中将采用MU MIMO 技术。

一个简单的多用户MIMO 系统的示意图如图3所示：
STA2
对于802.11n 中的MIMO STA 。

而多用户MIMO 是STA 同时传输多个流给若干个其他的STA 。

比如，4天线AP(Access point ，接入点)传输两个流给STA1和两个流给STA2，这么做的目的主要是增加网络容量。

多用户MIMO 上行链路通常被称作多址接入信道，下行链路则为广播信道。

在上行链路中，所有用户工作在相同的频段上，向同一个AP 发送信号，AP 可以根据不同的多址接入方式采用阵列处理，利用多用户检测等技术分离出各个用户的数据。

下行链路中，AP 同时向通信中的移动台发送数据，一个移动台对应一个用户。

在802.11ac 中，主要采用的是DL MU MIMO ，如示意图3所示，一个AP 可以同时传输一个数据流给STA1，两个数据流给STA2以及2个数据流给STA3。

DL MU MIMO 主要是聚合了多个STA 同时进行传输，这样就减少了比如有的STA 就1根天线而数据速率又低而又会长期占用资源的不利因素，但同时MU MIMO 也增加了开销和复杂度。

为此，在802.11ac 中定义了传输中最大的用户数为4个，而每一个用户最大的空间流也为4个，并且同时传输的用户的空间流数目不得超过8个。

在MAC 层，当采用DL MU MIMO 时，多个分组同时发送给不同的站点，就必须提出一种机制来解决应答问题，802.11ac 采用的是基于802.11n 中的块确认（BA ）机制[4,5,9]，如下图4所示。

从图4可以看出，在发送一个DL MU MIMO 数据流之后，AP 会在第一个数据包中告知STA1进行回复确认，收到BA 后会依此轮询第二第三个STA ，直到收到所有站点回复BA 。

这种块确认机制需要STA 了解他们是多用户传输并且知道自己在传输中的序号，这是通过VHT-SIG-S 中的组ID 获取的。

2.3 IEEE802.11ac 的PHY 设计和MAC
特征
802.11ac PHY 层的设计和MAC 层的修正也主要基于上述两项关键技术80/160MHz 信道和MU MIMO 技术，并且保证与现有版本的同频段802.11协议兼容。

以802.11ac 分组前导(preamble)为例，前导由如下字段组成：传统的短训练字段(Legacy short training field ，记为STF)、传统的长训导字段( Legacy long training field ，记为LTF)、传统的SIGNAL 字段(Legacy signal field ，记为L-SIG)，这些字段的设置主要是为了与现有的标准的STA 共存，以及HT-SIG-A 、VHT-STF 、VHT-LTF 、VHT-SIG-B 字段，这些字段的设计主要是基于在802.11ac 中增加了多用户MIMO 和更宽的信道。

802.11ac 对802.11n 的MAC 层的修正主要是解决共存和更宽信道的介质接入问题。

由于在802.11ac 中采用了更宽的信道，邻居BSS 之间容易发生重叠，对于重叠网络主信道的选择也就更加困难，为了解决这个问题，802.11ac 提出三方面来增强共信道操作：增强的次级信道空闲信道侦听（channel Clear Channel Assessment ,简称CCA ），增强的动态信道带宽操作和一个新的操作模式指示帧的提出。

而在802.11n 的帧聚合机制上只做了很小的修改，以提高传输的效率。

3 结束语
通过对802.11ac 关键技术介绍，我们可以看出802.11ac 标准的设计出发点主要是基于
多用户MIMO和更宽的信道来达到超高吞吐量的目的，而PHY和MAC层的设计也主要是基于多用户MIMO和更宽信道进行增补改进。

目前802.11ac标准还在制定过程中，等正式标准确立以后，802.11ac将开始大规模商用，并将逐步替代5GHz频段的802.11a/n。

可以预见IEEE802.11ac将会在中短距离无线通信市场占据非常重要的地位[10,11]。

参考文献
[1]IEEE 802.11a-1999, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications:
High-speed Physical Layer in the 5 GHz band[S], 1999.
[2]IEEE 802.11b-1999, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification:
Higher speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz band[S].1999.
[3]IEEE 802.11g-2003, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)
specifications Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band[S], 2003.
[4]IEEE 802.11n-2009, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications:
Enhancements for Higher Throughput[S], Oct. 2009.
[5]IEEE P802.11ac/D2.0, Wireless Medium Access Control (MAC) and physical layer(PHY) specifications:
Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz[S], 2012.
[6]IEEE 802.11-09/0633r0, Strawmodel 802.11ac Specification Framework[S], MAY.2009.
[7]IEEE 802.11-08/0307, On the feasibility of 1Gbps for various MAC/PHY architectures[S], Mar. 2008.
[8]IEEE 802.11-10/1064r2, Channelization for 11ac[S], Sep.2010.
[9]Michelle X Gong, Eldad Perahia, Robert Stacey, et al. A CSMA/CA MAC Protocol for Multi-User MIMO
Wireless LANs[C], IEEE Globecom 2010, Miami,USA. Dec 6-10. 2010,1-6.
[10]Navid G, Martin M. Hierarchical frame aggregation techniques for hybrid fiber-wireless access networks[J],
IEEE Communications Magazine.2011,49(1):64-73.
[11]罗振东，下一代WLAN 技术标准802.11ac/ ad[J]，现代电信科技，2010,12(1)：10-14.。