（通信与信息系统专业论文）高速无线局域网80211n协议关键技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 无线局域网( w l a n ) 技术发展迅速，但传输速度慢的缺点始终是阻碍w l a n 进 一步发展的“瓶颈”。实现更高的传输速率，取得更可靠的性能，需要全面采用下 一代无线移动通信的关键技术。2 0 0 6 年1 月份，i e e e 宣布采纳e w c 的规格建议， 批准了8 0 2 1 l n 协议l0 版本草案。i e e e 8 0 2 1 l n 协议草案全面改进了8 0 2 i i 标 准，在物理层引入正交频分复用( o f d m ) 与多入多出( m i m o ) 相结合的技术，即 m i m o - o f d m 技术，使传输速率成倍提高：在媒体访问控制层( m a c ) 采用帧聚合、 b a 、p s m p 、p c 0 等多项技术，使数据帧结构得到优化，m a c 层的性能得到提升，网 络吞吐能力得到提高。 本论文主要以i e e e 8 0 2 1 l n 协议1 0 版本草案为基础，研究的主要内容有两 个。第一是研究了8 0 2 1 l n 协议介质控制访问层( m a c ) 的聚合帧、帧结构简化、 预约时间、p s m p 等多种有效提高网络吞吐量的关键技术。第二是研究了8 0 2 1 l n 协议中物理层的信道估计技术。 论文中，我们研究了两种基于训练序列的估计方法，一种是l s 估计方法，另 外一种是l m m s e 估计方法。l s 估计方法算法复杂度低，容易实现，但足容易受到 噪声的影响，信噪比降低到比较低的时候，系统性能卜降较快。l m m s e 方法估计准 确度高，但是算法复杂度相对也高。为了降低l m m s e 算法的复杂度，我们提出一 种利用奇异值分解( s v d ) 的低阶l m m s e 方法，通过仿真证明，在低信噪比情况下性 能接近l m m s e 算法，但是复杂度要低。 为了跟踪信道变化，我们研究了利用导频符号进行估计的频域插值方法。在 通过导频子载波估计得到信道信息后，通过线形内插等几种插值算法来得到其它 子载波上的信道信息。在8 0 2 1 l n 系统中，导频符号作用是用来估计和补偿由于 同步误差引入的相位误差。最后，我们通过i e e e s 0 2 1 l n 系统比较了利用导频符 号进行相位补偿的仿真结果，证明当使用了相位跟踪，即使足在较高的比特，物理 帧的条件下系统性能相对于没有相位误差的情况并没有明显的下降，对相位误差 的跟踪效果也非常的明显。 关键词l8 0 2 1 l n ；聚合帧；m i m o - o f d i ；信道估计；训练序列；导频符号 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) h a sn o ty e t b r o k e nt h eb o r l e n e c kt h a tt h el o wt r a n s m i s s i o ns p e e dh i n d e r st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t o fw l a n b u tn o w ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e sf o rn e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sc a l ls o l v et h ep r o b l e mb ys u p p o r t i n gh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o na n d e n s u r i n gr e l i a b l ep e r f o r m a n c e i e e ed e c l a r e dt h a tt h e yh a da c c e p t e dt h es t a n d a r do f e w ca n dp a s s e dt h e1 0d r a f to f8 0 2 1inp r o t o c o la tt h ef i r s tm o n t ho f2 0 0 6 t h ed r a f t h a sm a d eg e n e r a la m e n d m e n tt o8 0 2 1 1 b a s e do ni e e e 8 0 2 1l i lt h et r a n s m i s s i o ns p e e d c o nb ed o u b l e db yt h ea p p l i c a t i o no fo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) a n dm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g i e so nt h ep h y s i c a ll a y e r ； i to p t i o n i z e dt h ed a t af r a m ea n di m p r o v e dn e t w o r kt h r o u g h p u tb yt h ea d o l o t i o no f f r a m e c o n v e r g e n c e ，b l o c ka c k n o w l e d g e ，p s m p ，p c oa n d s oo nt e c h n i q u e so nt h em a c l a y e r t h ep a p e rr e s e a r c ht w oa s p e c to nd r a f t1 o ：o n ei st h ek e yt e c h n o l o g i e si nm a c l a y e r , s u c h 嬲c o n v e r g e n c ef r a m e ，b a ，p s m et h eo r t h e ri st h ec h a n n e le s t i m a t i o ni n m i m o o f d ms y s t e mo f 8 0 2 1 l np r o t o c 0 1 i nt h i s p a p e r , w ei n v e s t i g a t et w oc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d sw i t l l t r a i n i n g s e q u e n c e s o n ei sb a s e do nl s ，t h eo t h e rb a s e do nl m m s e t h el sm e t h o di sl o w c o m p l e x i t ya n de a s yt or e a l i z e ，b u ti ti ss e n s i t i v et ot h en o i s e s y s t e m sp e r f o r m a n c e d e g r a d e sq u i c k l yw h e nt h es n ri sl o w t h el 删s em e t h o dp r o v i d e sab e t t e ra c c u r a c y t h a nt h el sm e t h o d ，b u tt h ec o m p l e x i t yi sh i g hr e l a t i v e t or e d u c et h ec o m p l e x i t yo f l m m s em e t h o d ，w ep r o p o s eal o wr a n kl m m s em e t h o db a s e do ns v dw h i c h p e r f o r m a n c ec l o s et ot h el m m s e m e t h o dw h e ns n ri sl o w e r f o rt h ep u r p o s eo ft r a c i n gt h ec h a n g eo fc h a n n e l ，w ei n v e s t i g a t ef r e q u e n c y i n t e r p o l a t em e t h o dw h i c he s t i m a t et h ec h a n n e li n f o r m a t i o no f p i l o ts u bc a r d e r sa n dt h e n w ei n t r o d u c e ds e r v e r a li n t e r p o l a t ea l g o r i t h mt oc a l c u l a t ec h a n n e li n f o r m a t i o no ft h e o t h e rs u b e a r r i e r s f o r8 0 2 1 l ns y s t e m ，t h ep i l o t sa r eu s et oe s t i m a t ea n dc o r r e c tt h e p h a s e e r r o rw h i c hi sc a u s e db ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o re s p e c i a l l y l a s t l y , t h ep e r f o r m a n c e o fm e t h o da b o v ea r ee v a l u a t e da n dc o m p a r e db a s e do nt h er e s u l to fc o m p u t e r s i m u l a t i o no f a ni e e e 8 0 2 1i nb a s eb a n ds y s t e m k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 1i n ；a g g r e g a t i o n ；m i m o - o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ； t r a i n i n gs e q u e n c e ；p i l o ts i g n a l 山东大学硕士学位论文 a b f m i m o a c k a p a s a s c b p s k c r c c s i c t s d l t e r p e p p f c s f e c g f g i h t h t - s i g l i t - s t f i e l d p c l l c l l t f l - s i g l - s t f 缩略词索引 a d v a n c e db e a m f o r m i n gm i m o a c k n o w l e d g e m e n t a c c e s sp o i n t a n t e n n as e l e c t i o n a n t e n n as e l e c t i o nc o n t r o l b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c h a n n e ls t a t ei n f o r m a ti o n c l e a rt os e n d d o w nl i n kt r a n s m i s s i o n e x t e n d e dr a t ep h y e x t e n d e dp h yp r o t e c t i o n f r a m ec h e c ks e q u e n c e f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n g r e e nf i e l d g u a r di n t e r v a l g ht h r o u g h p u t g ht h r o u g h p u ts i g n a lf i e l d g ht h r o u g h p u ts h o r tt r a i n i n g i n f o r m a t i o ne l e m e n t l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k l o g i c a ll i n kc o n t r o l l e g a c yl o n gt r a i n i n gf i e l d l e g a c ys i g n a lf i e l d l e g a c ys h o r tt r a i n i n gf i e l d 高级波束成型m i m o 确认帧 接入点 天线选择 天线选择控制 二进制相移键控 循环冗余校验 信道状态信息 清除发送 下行链路传输 物理层扩展速率 扩展物理层保护 帧检测序列 前向纠错 节能模式 保护间隔 高吞吐量( 高速率) 高速率信息域 f i e l d 高速率短训练域 信息单元 低密度校验 逻辑链路层 遗留长训练域 传统信号域 传统的段训练域 山东大学硕士学位论文 l t f l o n gt r a i n i n gf i e l d 长训练域 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l l e r 介质访问控制层 m c sm o d u l a r i o nc o d i n gs c h e m e调制及解调机制 删 m i x e dm o d e混合模式 m i m o m u l t i p l ei n p u t ，m u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m r q m c sr e q u e s tm c s 请求 m s d um a cs e r v i c ed a t au n i tm a c 服务数据单元 m t b a m u l t i p l et i db 1 0 c ka c k 多t i d 块应答 m t b a r m u l t i p l et i db l o c ka c kr e q u e s t 多t i d 块应答请求 n a yn e t w o r ka 1l o c a ti o nv e c t o r网络分配适量 n s dn u m b e ro fd a t as u b c a r r i e r s数据子载波的数量 n s sn u m b e ro fs p a t i a ls t r e a m s空间数据流数量 n r xn u m b e ro fr e c e i v ea n t e n n a s接收天线数 n t xn u m b e ro ft r a n s m ita n t e n n a s发射天线数 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 p c o p h a s e dc o e x is t e n c eo p e r a ti o n 相位共存操作 p h y p h y s i c a ll a y e r 物理层 p l c pp h yl a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c o l物理层交换协议 p p d up h yp r o t o c o ld a t au n i t物理层协议数据单元 p s d up h ys e r v i c ed a t au n i t物理层服务数据单元 p s m pp o w e rs a v em u l t i p o l l电源节能多轮训 q a pq o sa c c e s sp o i n t 服务质量接入点 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 q p s kq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 四进制相移键控 q s t aq o ss t a t i o n服务质量工作站 r i f sr e d u c e di n t e r - f r a m es p a c i n g 减少帧间隔 r s s ir e c e i v es i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r接收信号强度指示 r t s r e q u e s tt os e n d 请求发送 r x r e c e i v e r 接收机 山东大学硕士学位论文 s a ps e r v i c ea c c e s sp o i n t 服务接入点 s f s i f s s n r s t a s t b c s t f t g n t s t x t x b f t x o p u l t z l f si g n a lf i e l d s h o r ti n t e r f r a m es p a ci n g s i g n a lt on o i s er a t i o s t a t i o n s p a c et i m eb l o c kc o d e s s h o r tt r a i n i n gf i e l d 8 0 2 1 1t a s kg r o u pn t r a f f i cs t r e a m t r a n s m i t t e r t r a n s m i tb e a mf o r m i n g t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y u pl i n kt r a n s m i s s i o n z e r ol e n g t hf r a m e 信息域 短帧间隔 信噪比 工作站 空时块玛 短训练域 8 0 2 1 1 n 工作组 拥塞数据流 发射机 传输波束成型 传输机会 上行链路传输 零长度帧 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 论 堋聊。歹万 期：丝z ：兰：乡 山东大学硕士学位论文 第一章前言 随着无线技术和i n t e r n e t 的发展，对可携带、可移动的计算机或工作站的需 求不断增长。而w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 以其高灵活性、紧急状 况下的健壮性被广泛应用。无线局域网不仅可以实现许多新的应用，还可以克服 线缆限制引起的不便性，解决某些特殊区域无法布线的问题。目前，无线局域网 已经被广大用户作为一般目的的网络连接来使用，很多场所都配置了w l a n ，例如 大学校园、企业公司等。w e a n 现有的标准有很多，例如：i e e e 8 0 2 1 1 、h i p e r l a n 、 b l u e t o o t h 等，但足应用最为广泛的却是i e e e 8 0 2 1 1 系列标准。 在8 0 2 1 1 当中，已经投入市场的有8 0 2 1 l a b g 等协议的产品，但随着市场 对性能更高的无线局域网的需求越来越大，上述产品的传输速率已经不能满足人 们对视频流媒体传输的高速率要求。研究更高速率的无线局域网协议追在眉睫， i e e e 8 0 2 1 l n 协议呼之欲出。 1 18 0 2 1 1 n 协议发展现状 由于市场对性能更高的无线局域网( w l a n ) 的需求越来越大，电气和电子工 程师协会一标准协会( i e e e s a ) 在2 0 0 3 年下半年成立i e e e 8 0 2 1 i n 任务小组 ( 8 0 2 1 l t g n ) 。t g n 的目标是定义物理层和介质访问控制层( p h y m a c ) 的改进， 从而在介质访问控制层服务访问点( m a cs a p ) 至少提供l o o m b p s 的速率。要至少 达到这种速率就意味着w l a n 速率性能将比现今的8 0 2 1 l a g 网络大约提高4 倍。 t g n 要求礼a n 性能迈上一个台阶，旨在改善用户在使用现有w l a n 应用时获得的体 验，同时实现新的应用、创造新的市场。与此同时，通过与现有的i e e e 8 0 2 1 l w l a n 遗留解决方案( 8 0 2 1 l a b g ) 向后兼容，从而确保顺利过渡。i e e e 8 0 2 1 i n 标准 的任务定义概括如f ： i e e e 8 0 2 1 1 n 为横跨m a c 和p h y 两层的标准。 增加原i e e e s 0 2 11 标准的m a c 和p h y 层的传输输出性能，预计将使带宽 达到1 0 8 m b p s ，最高速率可达到5 4 0 m b p s 。 山东大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1i n 工作在2 4 g 和5 g 双频模式，保证向后的兼容性 加入服务质量管理功能，以支持语音和视频应用。 在对待8 0 2 1 1 n 标准的问题上，业界明显的分为两大技术阵营：一派足以w w i s e 为代号的制造商协作联盟，w i f i 联盟对t g n 开艘的8 0 2 1 l n 工作表示了兴趣。在 w i f i 高速率联盟市场任务组的领导卜，行业代表共同定义及发布了市场需求文档 ( m r d ) 。w i f i 联盟的m r d 具体规定了性能方面的预期目标，将通过以下几方面为 最终用户改善体验：提高速率、扩大传输范围、增强抗干扰性、让用户可以更可靠 地体验整个基本服务集( b s s ) 他们的提案重点有如卜| 几点： 使用经过验证的、既存全球的2 0 m h z w i f i 通道带宽。 采用增强型m i m o - o f d m 技术，它足在最低2 2 强制配置以及单个2 0m h z 通道中获得最大1 3 5 m b p s 数据速率的关键，以保持较低的实施成本。 在各规范机构允许的条件f ，采用4 x 4 m i m o 结构和4 0m l l z 信道带宽相结 合实现高达5 4 0 m h z 的速率。 强制模式可提供与5 g h z 和2 4 g h z 频段下现有w i - f i 器件的后向兼容性与 互操作性。 高级前向纠错编码选项有助于实现覆盖率及覆盖范围的最大化，适用于所 有m i m o 配置与信道带宽。 另一派是以杰尔系统、思科、因特尔等为首组成的t g ns y n c 联盟，他们的提 案有以下几点： 采用m i m o 空分多路技术，通过两组天线可支持2 4 3 m b p s 的速率，在大型 系统中速率可超过6 0 0 m b p s 。 可扩展的灵活结构可支持2 - 4 组天线，频宽可配置为1 0 、2 0 、或4 0m h z 。 可与现有的8 0 2 i i a b g 和新的操作模式无缝互通。 通过定时接收和多路接收两种模式来减小接收设备的功耗。 采用自适应射频技术来自动调整频率以满足不同国家对频率的要求。 不过，令人高兴的是w w i s e 和t g ns y n c 在2 0 0 5 年8 月份的时候曾经同意在 i e e e 的框架内合作设计折中的解决方案。但在9 月份，i n t e l 在i e e e 之外牵头成 立了e w c ( e n h a n c e dw i r e l e s sc o n s o r t i u m ，增强无线联盟) ，将这两个阵营的公 2 山东大学硕士学位论文 司联合起来。 2 0 0 6 年1 月份，i e e e 宣布采纳e w c 的规格建议，i e e e 结合t g n 与w w i s e 两大 阵营的技术，批准了8 0 2 1 l n 协议草案1 0 版本。e w c 版本的8 0 2 1 l n 标准同时支 持2 4 g h z s g h z 双频段操作与2 0 删z 4 0 删z 通道，能向后兼容于当前的8 0 2 1 l a b g 网络，并采用空间多任务( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 技术，能支持l 一4 个数 据串流，以提升传输能力。e w c 的8 0 2 1 l n 规格还包括一些其它的技术元素，包括 与i e e e 8 0 2 1 1 a b g 网络混合设定的互操作性，使用2 4 g h z 或5 g h z 无限制波段， 2 0 h i z 和4 0 f l t z 频道支持和空间混合设定，以及支持4 x 4m i m o ( 多入多出) 系统。 经过2 0 0 6 年3 月份，5 月份，7 月份和9 月份的i e e e 会议表决，8 0 2 1 l n 协 议的1 0 草案最终没有成为正式标准。据最新消息，2 0 0 7 年1 月份将会出现第二 个草案。如果是这样，我们寄希望在2 0 0 8 年前，i e e e 8 0 2 1 l n 协议的正式标准能 够出炉。 1 28 0 2 1 1 n 的特点 在传输速率方面，i e e e 8 0 2 1 l n 可以将w l a n 的传输速率由目前i e e e8 0 2 1 1a ， 及i e e e 8 0 2 1 l g 提供的5 4 m b p s 提高到1 0 8 m b p s ，甚至高达6 0 0 m b p s ，比现有的w i f i 技术快2 一1 0 倍。这得益于将m i m o ( 多入多出) 与o f d m ( 正交频分复用) 技术相结 合而应用的m i m o - o f o m 技术，这个技术不但提高了无线传输质量，也使传输速率 得到极大提升n ，。 在覆盖范围方面，8 0 2 1 l n 采用智能天线技术，通过多组独立火线组成的灭线 阵列，可以动态调整波束，保证w l a n 用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信 号的干扰。因此覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使w l a n 移动性得到极大提高。 m i m o 技术运用多组发送、接收天线，在通讯空间中增辟传送路径数来加速传输。 在兼容性方面，8 0 2 1 l n 采用了一种软件无线电技术，它是个完全可编程的硬 件平台，不同系统的摹站和终端都可以通过这个平台的不同软件实现瓦通和兼容， 使得w l a n 的兼容性得到极大改善。这意味着w l a n 将不但能实现8 0 2 1 l n 向后兼 容，而且可以实现无线局域网( w l a n ) 与无线广域网络的结合。 山东大学硕士学位论文 1 38 0 2 1 1n 百兆无线网络的美妙前景及意义 随着i e e e8 0 2 1 l n 的引入，无线网络将真正进入百兆时代，虽然之前也有百 兆以上的无线解决方案，但足标准不够统一，用户也不知如何选择，各种解决方 案的兼容问题也无法解决。随着i e e e 8 0 2 1 l n 标准的确立，采用i e e e 8 0 2 1 1n 技 术的无线局域网产品将统一百兆无线市场。 i e e e 8 0 2 1 l n 将使w l a n 传输速率达到目前传输速率的2 一l o 倍，随着无线网络 带宽的增加，它可以满足用户对带宽越来越高的需求，而且可以支持高质量的语 音和视频传输：i e e e 8 0 2 1 1 n 抗干扰能力的加强，可以带来更大的无线信号覆盖范 围，使无线网络用户可以在更大的范围内移动，让我们真正体验移动办公和移动 生活带来的便捷和快乐。与此同时，i e e e 8 0 2 1 l n 支持向后兼容i e e e8 0 2l l a b g 的设备，使用i e e e 8 0 2 1 l n 标准的无线产品能够在这几种无线网络中漫游并互相 通信。 1 4 论文的主要内容 本文主要针对8 0 2 1 1 n 协议的m a c 层关键技术和p h y 层的信道估计作了详细 的探讨和研究。 论文的丰要内容和章节安排如下： 第一章，丰要介绍无线局域网8 0 2 1 1 n 协议的研究背景，研究现状、研究意 义以及论文的主要工作及章节安排。 第二章，主要研究了8 0 2 1 i n 协议m a c 层提高数据传输速率的几项关键技术。 在非数据帧数量庞大的协议体系中，即使一再提高物理层数据速率，通信质量也 不会有很大提高。为了解决这个瓶颈问题，本章丰要研究了i e e e 8 0 2 1 1 n 提案中 的预约传输时间、简化帧结构、传输方式，帧聚合等一系列简约通信机制的技术， 从而减小了协议开销，有效提高了帧效率，保证了整体数据速率的提高。 第三章，鉴于i e e e s 0 2 1 l n 协议草案物理层采用的丰要技术足m i m o o f d m 技术，在这一章丰要探讨了o f d m 以及m i m o 的基本原理，在此基础上探讨了 m i m o - o f d m 的系统结构和工作原理以及系统模型。最后给出了8 0 2 1 l n 协议物 理层的系统结构和主要参数，为对信道估计进行研究和计算机仿真奠定基础。 4 山东大学硕士学位论文 第四章，主要研究了8 0 2 1 1 n 协议中m i m o - o f d m 系统基于训练序列的频域信 道估计。探讨了算法复杂度低的l s 信道估计和有效克服噪声影响的l m m s e 信道估 计，为了降低l m m s e 算法的复杂度，提出了基于s v d 分解的低阶l m m s e 信道估计 方法。并用8 0 2 1 l n 协议中的系统参数对上述的三种信道估计算法进行了计算机 仿真。通过对仿真结果的比较分析，证明在低信噪比情况f ，可以使用基于s v d 的低阶l m m s e 算法，这样可以达到用较低的复杂度获得较好性能的目的。 第五章，丰要研究了8 0 2 1 l n 协议中基于导频符号的信道估计方法。探讨了导 频符号设计的原则和梳状导频、块状导频以及二维散布导频三种主要的导频方法： 继而研究了在利用导频符号得到信道信息的基础上，如何利用线形插值、多项式 插值和基于变换域的插值方法得到其他数据导频子载波上的信道信息。最后，针 对8 0 2 1 l n 协议中导频符号的设计，提出了如何利用导频符号进行相位补偿，消除 由于同步误差所带来的影响，并给出了利用相位补偿后的仿真结果。证明当使用 了相位跟踪，即使是在较高的比特物理帧的条件f 系统性能相对于没有相位误差 的情况并没有明显的f 降，对相位误差的跟踪效果也是非常的明显；系统性能比 没有相位跟踪时的情况有明显的提高，速率越高，效果越明显。 第六章，对论文进行概括总结并提出进一步完善和改进的思路，最后展望了” i e e e 8 0 2 1 i n 协议的发展和未来。 山东大学硕士学位论文 第二章8 0 2 1i n 协议m a c 层关键技术研究 i e e e 8 0 2 1 l a 、b 、g 标准规定了相同的m a c 层和不同的物理层，随着i n t e r n e t 业务的高速增，实时业务和多媒体应用的不断增加，对网络的带宽、o o s 可扩展 性也提出了更高的要求。为使无线局域网的速率有更高的突破，i e e e 8 0 2 1 l n 小组 全面改进了i e e e 8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物理层标准，同时还采用新技术，提升m a c 层性能。i e e e 8 0 2 1 l n 可以将无线局域网的传输速率由目前的最高5 4 m b p s 提高到 1 0 0 l b p s ，采用智能天线技术，覆盖范围可以扩大到若干平方公里。e w c 组织提案 的m a c 增强技术的丰要目的是尽力提高m a c 层的吞吐量，使用基础指柄，在m a c 数据服务访问点( s a p ) 处的吞吐量至少达到l o o m b p s 。新创或改进的m a c 层技术 主要包括帧聚合( a _ m p d u 和a - m s d u ) 、块应答( b a ) 机制( 包括延迟块确认和立即 块确认) 、m i m o 功率节省、p s m p 、p c o 等多项技术。本章的主要内容是对e w c 的 v e r t i o n l 2 4 版草案所采用的m a c 层中提高传输吞吐量的几项关键技术进行了研究 和分析。 2 1 聚合帧 在8 0 2 1 l n 标准中采用了a m s d u 和a - m p d u 聚合帧格式，减少了每个传输帧 中的附加信息，同时也减少了所需的a c k 帧数目，从而降低了协议负荷，有效地 提高了网络吞吐量。 在传统i e e e 8 0 2 il 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 以后，首先会为数据包加上m a c 头和帧校验等附加信息，构成 物理层会聚协议( 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 头以及前导等 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。每一个传输帧都要求接收方回复一个确认a c k 帧。每个传输帧中附加的信 息以及对应于每个传输帧的a c k 帧构成了传输中的协议负荷。随着物理层数据速 率的提高，协议负荷将会严重地影响m a c 层的传输效率，进而影响到整个网络的 吞吐量。而8 0 2 1 l 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 6 山东大学硕士学位论文 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，对于接收地址相同的几 个m a c 帧来说，它们可以被封装成一个聚合帧，从而可以只使用一个p l c p 。一个 聚合帧中可能包含不同类型的m a c 帧，例如数据帧和控制帧等。这种做法减少了 每个传输帧中的附加信息，同时也减少了所需要的a c k 帧数目，从而降低了协议 负荷，可以有效地提高网络吞吐量。 2 1 1a - m s d u 聚合帧 聚合m s d u 的目的足将具有相同接收地址的多个m s 叫聚集成一个m p d u 进行发 送，这样可以提高m a c 层的传输效率，特别是对于有很多像t c p 确认这样的短淞叫。 在8 0 2 1 l n 中，对于接收机而言，必须支持聚合的m s d u 帧格式。然而发射机可以 根据传输特性和链路环境的信息自由选择是否使用聚合惦d u 。 一个m p d u 数据帧包含一个聚合m s d u ，它由n 个m s d u 子帧组成的。如图2 - 1 所示，每一个子帧是由子帧头部，m s d u 和o 个字节的填充符组成的。除了最后二 一个子帧，每个子帧必须追加填充符达到4 个字节。子帧头部包含3 个域：目的 地址( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) ，源地址( s o u r c ea d d r e s s ) 和长度域。长度域表 明了m s d u 所包含的字节数。 _ - - - - - - - - 一c a f r k e f l 崾p d i j - - - - - - - - - - - 6 b6 b2 b 图2 - 1k - m s o u 帧结枸 在m p d u 头部里的目的地址d a 和源地址s a 字段问的关系见表2 - 1 ： 可以看出，只要是发送到相同的接收地址，在同一个a m s d u 帧里，目的地址 7 山东大学硕士学位论文 和源地址可以不同。传送聚合m s d u 和传送其它m s d u 一样。使用能够支持这种格 式的q o s 数据子类型传送聚合m s d u 。 表2 - 1 目的地址d a 和源地址s a 字段问的关系 t o d sf r i 璐地址l地址2 地址3 地址4 o0目的地址源地址 b s s i d 朱使用 0l 目的地址 b s s i db s s i d未使用 10b s s i d 源地址 b s s i d 朱使用 l l 接收站地址发送站地址 b s s i db s s i d 一个a - m s d u 的牛存周期将被设置为m s d u 的最大生存周期。一个聚合a - m s d u 帧可以一直被传送直到其生存周期终结或接收站正确接收为止。这可以保证一个 聚合m s d u 里的单个m s d u 帧在生存周期后被继续传送。 2 1 2a - - m p d u 聚合帧 一个m s d u 帧的最大长度是2 3 0 4 个字节。而一个聚合m p d u 的最大长度是6 5 5 3 5 字节。在聚合卿叫帧的m a c 帧头里，持续时间域的取值都是相同的。 在m p d u 最大密度域描述了一个时间限制，在这个时间限制之内，工作站将不 允许有多个m p d u 同时传送。物理层的服务接入点( p h y s a p ) 将会测量这个时间限 制，在一聚合m p d u 里，两个连续的m p d u 之间的间隔数将等于或大于m p d u 密度与 八分之一物理层( p h y ) 速率的乘积。 8 蘸 量gi 奏薹 l 霎l 耋l 萋l 量【i ：ll 蓁l 翼l 萋 蓦带 暑鬟 誊壤净萋 p s d u 图2 - 2a - m p d u 帧格式 在一个t r o p 期间，传送一个聚合m p d u 的典型序列是： l 盆自茸 u 崔u毒嚣i 毒r i 山东大学硕士学位论文 m p d u + s i f s + b a + s i f s + a m p d u + s l f s + b a + s i f s 块应答可以在一个t x o p 时间内传送。传送失败的m p d u 能够作为f 一个聚合 m p d u 的一部分在同一个t r o p 里传送或者在f 一个t r o p 里传送。 除了最后一个m p d u ，在聚合m p d u 里的每一个m p d u 后都跟着一个m p d u 分界符。 填充字节追加在每个部分之后使它们达到4 个字节的长度，如图2 - 2 所示。 其中m p d u 分界符的k 度足4 个字节。定义如f 表2 2 ： 表2 - 2m p d u 分界符定义 i 伊i ) u 分界符域长度( b i t s )内容描述 保留域 40 肝叫长度域1 2描述了肝叫大小 c r c 域8用j 二循环冗余校验 当扫描一个分界符时，町以用来监测一个肝叫 特定模式域 8 分界符。 m p d u 分界符的目的足强制性的将聚合帧里的每个m p d u 分开。强制的原因足因 为当一个或多个m p d u 分界符接收错误时，聚合帧的结构通常会被重新覆盖。每一 个分界符与周围的m p d u 具有相同的误码率，所以也会丢失。对于一个聚合帧里的 所有m p d u ，m a c 帧头里的持续时问域取值相同。 注意，一个妒d u 长度为零，它的分界符依然有效。这样可以填充到m p 叫之 问满足m p d u 密度的限制要求或加在a - m p d u 的最后。 2 2 帧结构简化措施 为了解决无线传输质量和隐藏站点问题，i e e e 8 0 2 1 1 规定所有发送的帧必须 收到确认信号。传统方式是一个数据帧对应一个应答帧，在确保提供可靠通信服 务的同时也产生多个不传送实际数据的冗余帧。i e e e8 0 2 1 l e 提出了队( 块应答) 的概念，即站点或a p 在发送数帧后并不期待接收对应的数个a c k ( 应答) 帧，等到 同一t x o p 内所有帧发送完毕后得到对方发回的确认b a 帧。i e e e 8 0 2 1 l n 对以上的 b a 规则进行了进一步改进，以用于h t ( 高速率) 设备通信。 作为8 0 2 1 1 协议族中第一个支持q o s 的标准，8 0 2 1 l e 引入了传输机会( t x o p ) 与拥塞确认( b l o c ka c k ) 。t x o p 是8 0 2 1 1 e 标准最重要的特性之一，在采用t x o p 的m a c 协议中，节点在需要传输一个m s d u 时，并不会在获得接入机会后马上就接 9 山东大学硕士学位论文 入信道，而足等待一段时间后再进行发送。一个节点从其获取接入信道的机会到 其开始传输的这段时问就被称作一个t x o p 。通过轮询或者竞争的机制可以调整不 同站点t x o p 的大小，使得信道可以得到更好的利用。b l o c ka c k 属于一种具有选 择拒绝功能的自动重发请求( a r o ) 机制，被引入到无线领域中来解决w l a n 中的 系统效率。b l o c ka c k 的概念较简单，实际上就是对接收到的多个数据帧只回应一 个a c k ，从而提高信道利用率，降低开销。 8 0 2 1 l n 标准