高速无线局域网主要技术解析

摘要 :802. 11n 作为最新的无线局域网标准。

其传输速率最高达到600M b p s , 是 802. 11b 的 50 倍 , 802. 11g 的 10 倍左右。

同时 802. 11n 的覆盖范围也更大。

这些性能的提升与 802. 11n
采用的许多先进技术有密切关系。

通过对这些关键技术的分析研究 , 可以了解 802. 11n 的基
本原理 , 最后提出改进的措施。

关键词 :802. 11n , M A C , 块确认 , 帧聚合
中图分类号 :T P 393. 04
1 引言
自上世纪 90 年代无线计算机通信出现以来 , 无线局域网技术发展迅速。

和传统有线网
络比较 , 无线局域网具有安装方便 , 移动性高 , 维护容易等优点。

从第一个无线通讯网络
A L O H A N E T 到采用 O F D M +M I M O 技术的 802. 11n 标准无线网络 , 经过不断的改进。

无线
局域网的性能有了极大的提升。

2009 年 9 月 11 日 :I E E E 标准委员会终于批准通过 802. 11n 成为正式标准 , 802. 11n 成
为最新的无线局域网标准。

其中采用了很多改善系统性能的新技术 , 比如物理层采用
O F D M +M I M O 系统 , M A C 层采用了聚合、分割、反向传输、
块确认等等 , 这些都有助于提
升网络的传输速率和信号质量 , 并且也使传输范围扩大 [1][3]。

本文关注于 802. 11n 标准中 M A C 层的关键技术 , 分析其工作原理。

2 802. 11n M A C 层的主要关键技术
无线局域网性能的改善 , 物理层所采取的一些相关技术至关重
要 , 也不能够忽视了 M A C
层相关技术的增强对速率提高的影响。

802. 11n 通过增加或者增强一系列的 M A C 的技术来
实现网络性能的优化 , 这些改变的技术最主要是包含在以下几个方面 , 帧聚合 (A -M S D U 和
A -M P D U 、块确认机制 (
B l o c k A c k 、反向传输、空间多路节能、多轮询节能 (P S M P 等等
[2][4]。

2. 1 聚合帧
在传统的 I E E E 802. 11 标准的 W L A N 中 , M A C 层从上层得到一个准备发送的 M A C 业
务数据单元 M S D U 后 , 首先会为数据包加上 M A C 头和帧校验等附加信息 , 构成物理层汇
聚协议 ((P L C P 的物理层业务数据单元 P S D U , 再加上 P L C P 前导等信息得到物理层协议数
据单元 P P D U , 从而形成一个传输帧 , 然后交由物理层进行发
送。

每一个传输帧都需要接收
方回复一个确认 A C K 帧 , 每个传输帧附加的信息对应每个传输帧的 A C K 帧构成了传输中
的协议负荷。

从刚刚的分析中我们可以看出来这些额外开销主要包括 M A C 层开销和物理层
的开销 , M A C 层的开销主要包括 :M A C 头 , 各类的 I F S , R T S /C T S , A C K , B a c k o f f 等
等 , 在物理层的开销主要包括 :P L C P 头和 P L C P 前导等等。

802. 1l n 采用了帧聚合机制 , 多个 M S D U 聚合成为一个 M A C 协议数据单元 M P D U ,
而多个 M P D U 又可以聚合成为一个 P S D U 。

这样做可以使得对于几个接收地址相同的 M A C
帧来说 , 它们可以被封装成一个聚合帧 , 从而可以只是用一个帧头 , 这样可以减少每个传输
帧中的附加信息 , 减少所需要的 A C K 帧数目 , 从而降低了协议负荷 , 可以提高网络吞吐量。

802. 11n 协议给出的两种聚合方式 :A -M S D U 和 A -M P D U [2]。

A -M S D U 的架构图 :
A -M P D U 架构图 :
2. 2 块确认 (B l o c k A c k 机制
块确认 , 就是通过将一帧一确认的普通传输方式修改为连续传输多个帧然后一次确认多
个帧的方式 , 来提高 M A C 层的传输效率。

在传统的 802. 11 网络中 , 为了保证传输的质量 , 一个数据帧会对应一个应答帧。

在
802. 11n 标准很好的借鉴了 802. 11e 中的 B l o c k A C K 机制。

802. 11n 标准中的 B l o c k A C K 有
两类 :N 立即型 B l o c k A C K 和 N 延迟型 B l o c k A C K 。

N 立即型 B 10c k A C K 机制允许将 M P D U
进行批量传输 , 每两个 M P D U 之间有一个时间问隔 , 最后由接收方回复一个 A C K 对接收到
的帧进行确认 , 而接收方所回复的 A C K 帧就称为 B l o c k A C K 。

每一个 B l o c k A C K 中都有传
输中每个 M P D U 相对应的比特域 , 里面含有该 M P D U 的接收信息 [2]。

块确认的传输示意图如下 : 2. 3 预约时间措施
无线环境与有线环境不同 , 多于两个站点同时发送数据时信号可能发生碰撞而无法识
别。

频繁重传无疑会浪费通信资源并影响网络吞吐量 , 因此 , 在协议设计中会尽量避免传输
冲突的发生。

为了解决冲突问题 , I E E E 802. 11 使用 N A V (网络分配矢量执行虚拟载波侦听
功能。

N A V 是一个计时器 , 标志正在通信的站点需要持续占用介质的时间 , 其它站点通过 &l d q u o ; 侦
听 &r d q u o ; 避免在这段时间内收发数据来减少冲突发生。

I E E E 802. 1l e 进而提出 T X O P (传输机会 ,
即站点获得的收发数据权利持续时间。

规定一个站点获得 T X O P 后 , 其它站点在此段时间
内不进行数据传输。

I E E E 802. 11n 在此基础上提出了一些新的
预约时间措施来避免冲突 [1][2]。

N A V 是表示媒介空间剩余时间的值。

每个 S T A 的 N A V 都是从媒介传输的帧里取出时
间长度值来保持最新值。

S T A 则通过检查 N A V 决定是否发
送。

有可能 N A V 表示媒介忙 ,
而物理载波检测却显示媒介空闲 , 这时 S T A 不能发送。

因此 , N A V 也被称为虚拟载波检测。

通过物理载波检测和虚拟载波检测策略的结合 , M A C 得以实现C S M A /C A 的碰撞避免机制。

当一个站检测到正在信道中传送的 M A C 帧首部的 &l d q u o ; 持续时间 &r d q u o ; 字段时 , 就调整自己的网
络分配向量 N A V 。

N A V 指出了必须经过多少时间才能完成这次传输 , 才能使信道转入到空
闲状态。

因此 , 信道处于忙态 , 或者是由于物理层的载波监听检测到信道忙 , 或者是由于
M A C 层的虚拟载波机制指出了信道忙。

2. 4 反向传输与链路自适应
反向传输是 I E E E 802. 1l n 提案提出的对普通传输方式的一种改进。

在反向传输时 , 发
起站点可以在序列交换过程中发送 P P D U 并从某单个站点 (响应站点获得响应 P P D U 。

这种
传输方式使某个时间内正在占用信道的通信站点可以有帧就发 , 不用单方向传输结束后释放
信道再重复进行竞争等一系列动作以传输另一方数据。

宏观上看能进一步减少普通传输方式
中的部分控制帧和响应帧 , 提高帧传输效率。

反向传输机制允许包含数据帧的响应 , 响应帧
可以包括一个或多个 P P D U 。

如果发送方 P P D U 的 R D G 消息字段表明支持反向传输机制 ,
则在最后一个 P P D U 发送完毕后 , 经过一个时间间隔 , 接收方即
开始发送响应 , 响应的非末
尾和末尾 P P D U 都会在相应消息字段作出标识。

在此响应过程中 , 只有响应站点可以传输 ,
包括发起站点在内的其它站点一概不收发数据。

响应站点负责保证其 P P D U 和预期响应都包
括在剩余的 T X O P 持续时间中。

M I M O 技术和 O F D M 技术的应用将信号空间扩展到三维 :时
域、频域和空域。

对于一
个 M l M O -O F D M 系统来说 , M C S (编码调制方案的选择不单取决于时域 , 而且可以取决
于频域和空域 , 比如在不同子载波和不同数据流上采用不同的 M C S 。

在我们这里主要关注
时域的 M C S 选择。

在通信中 , 我们都希望在最短的时间内传输尽可能多的数据 , 但是数据
传输的有效性与可靠性之间存在复杂的制约关系 , 而链路自适应就是解决这一问题的有效方
法。

当用户拥有较好的信道环境时 , 发送数据选择高阶调制方式和高编码速率的信道编码 ,
此时抗干扰和纠错能力较差 , 但是能够提高链路的数据吞吐量 ; 当用户处于较差的信道环境
时 (如处于深衰落、存在强噪声和干扰 , 则选取低阶调制和低编码速率的信道编码 , 此时链
路的数据吞吐量较低 , 却具有较强的抗干扰和纠错能力 , 传输数据的可靠性提高 , 使重传次
数减小 , 使吞吐量最大化。

链路自适应方案是在一定的信道质量下 , 选择最佳物理层传输模
式 , 以取得最大的系统吞吐量。

它是链路可靠性与传输速率之间的一种折衷。

我们的物理层
仿真结果抽象均假定固定数据流数 , 调制和编码方式 , 获得的仿真数据对我们分析不同信道
条件下各种模式的最优参数配置具有指导性。

当系统实际运行中要获得最大吞吐量就要求系
统能够根据每一时刻信道状况、收发设备的能力选择合适的发送模式以及最优的自适应调制与编码方式我们通过分析信道的各种统计特性及其对各种模式下系统性能的影响，可以提出各种参数配置准则。

实际还要考虑到发送端获得完全的信道信息、部分信道信息或者仅由收端反馈建议参数配置的情况。

因此必须根据系统可获得的各种信道信息提出相应的最优参数选取和自适应编码调制准则。

802．11n 中虽然给出了编码、调制的链路自适应机制，但是协议中并没有明确规定链路自适应算法，这要由具体厂商决定。

3 小结 802.11n 技术不但使传输速率得到了极大的提高，还大大提高了无线传输的稳定性，扩大了无线网络的覆盖范围。

802．1ln 标准的推出对于无线局域网市场产生了巨大的推动力，它有着其他WLAN 不可比拟的传输速率、距离、安全性等优势。

这些都与其采用一系列新的MAC 层机制有着密不可分的关系，这些机制大大降低了网络传输的开销，提高网络传输的质量，提升了网络传输性能。

无线局域网会朝着更安全、快速、方便、经济的方向发展。