（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211ac的无线局域网mac层信道绑定技术研究.pdf

摘要 摘要 第三代移动通信( 3 r d g e n e r a t i o n ，简称3 g ) 作为移动通信市场发展的引擎， 推动着全球移动通信市场的快速发展，这也带来了数据业务量的激增，电信运营 商们迫切需要其他的技术来转移巨大的业务量。近年来，w l a n 凭借高吞吐、 低成本等特点，受到电信运营商的高度重视，并将其作为固网和蜂窝网的补充和 重要组成部分，大规模部署w l a n 热点，极大的推动了w l a n 的发展。同时， w l a n 相关标准的制定和发展也为w l a n 的发展提供了技术和兼容性方面的保 证。现在无线局域网标准已经受到全球广泛的关注，各大制造商和运营商等积极 参与制定了一系列w l a n 接入标准，i e e e 8 0 2 1 1 是目前无线局域网的主流标准， 自1 9 9 7 年第一部无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 诞生以来，到目前为止已形成数十 版本，涉及安全、服务质量、频谱管理、网络融合及新应用等内容。i e e e 8 0 2 11 a e 是正在制定的最新无线局域网标准之一，目标是利用6 g h z 以下频段制定1 g b i t s 以上数据传输速率的超高速w l a n 标准。 为了支持新一代超高速无线局域网标准，需要在关键技术方面取得一系列的 突破。新一代超高速无线局域网的高吞吐量传输也对m a c 层提出了新的挑战。 传统的无线局域网m a c 传输机制一方面实现简单，另一方面也制约了系统m a c 层的效率，降低了系统对于无线资源的利用率。随着无线网络业务量的剧增，用 户在享受高速宽带无线接入的同时，对于鲁棒、有效的服务质量保证的需求也越 来越突出。服务质量的保证需要无线带宽足够时不增加数据传输的时延，而在无 线带宽不足时，可以优先保证高优先级业务的传输服务，并且可准确、灵活地调 整用户间带宽占用比例。对i e e e 8 0 2 1 1 a c 关键技术进行研究和总结是本文主要 工作之一，i e e e 8 0 2 1 l a c 关键技术主要是沿用高速无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 n 中的多天线和更宽信道的思想，采用信道绑定、多用户m i m o 、帧聚合等技术将 数据传输速率提高到g b i t s 。通过详细介绍了其中的信道绑定、多用户m i m o 和 帧聚合技术。针对i e e e 8 0 2 11 a c 信道绑定技术缺乏服务质量支持，对基于服务 质量的信道绑定改进机制进行研究，基于服务质量，根据不同业务的优先级，有 选择性的绑定不同数量的信道进行多信道数据传输。通过m a t l a b 建立信道模 型，仿真结果表明，信道绑定改进机制提高了整体的吞吐量并降低了业务传输时 摘要 延，提供了服务质量保证的同时减轻了网络业务冲突，比传统的信道绑定机制更 加符合超高速无线局域网的需要。 关键字：超高速无线局域网；媒体接入控制；服务质量；信道绑定 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( r e f e r r e dt oa s3g ) p r o p e l s d e v e l o p m e n to fg l o b a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nm a r k e tl i k ea ne n g i n ef o rd e v e l o p m e n t o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nm a r k e t a n dt h es e r v i c e so f3 ga l s ob r i n gah u g ev o l u m eo f t r a f f i c t e l e c o m m u n i c a t i o no p e r a t o r sh a v ea nu r g e n tn e e df o ro t h e rt e c h n o l o g i e st o t r a n s f e rt h e s eh u g ev o l u m e so ft r a f f i c r e c e n t l y ，w i t ha d v a n t a g e so fh i 曲t h r o u g h p u t ， l o wc o s t , a n ds oo n w l a nh a sb e e nt a k e na c c o u n ti n c r e a s i n g l yb yo p e r a t o r s ，a n da s i ta l li m p o r t a n tp a r to ft h ef i x e dn e t w o r ka n dc e l l u l a rn e t w o r k ，m a s sd e p l o y m e n to f w l a nh a sb e e nd o n eg r e a t l yp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ew l a n f o r m u l a t i o n a n dd e v e l o p m e n to ft h ew l a ns t a n d a r da l s op r o v i d et h ed e v e l o p m e n to ft h ew l a n t e c h n o l o g ya n dc o m p a t i b i l i t yg u a r a n t e e dm e a n w h i l e w l a ns t a n d a r dh a sb e e n w i d e s p r e a dc o n c e r n sa r o u n dt h ew o r l d m a n yt e l e c o m m u n i c a t i o nm a n u f a c t u r e r sa n d o p e r a t o r sa c t i v e l yt a k ep a r ti nd e v e l o p i n gt h es t a n d a r d so fw l a n t h em a i nw l a n s t a n d a r di st h es t a n d a r do fi e e e 8 0 2 1 1n o w s i n c et h ef i r s tw l a ns t a n d a r do f i e e e 8 0 2 11w a sb o mi n19 9 7 ，s of a rh a sf o r m e dd o z e n so fv e r s i o n s ，i n v o l v i n gt h e c o n t e n to fs a f e t y , q u a l i t yo fs e r v i c e ，s p e c t r u mm a n a g e m e n t ，n e t w o r ki n t e r f u s i o n ， t e c h n o l o g yo fn e wa p p l i c a t i o n i e e e 8 0 2 1 la ci so n eo ft h el a t e s tw l a ns t a n d a r d s b e i n gw o r k i n go n ，t h eg o a li sa c h i e v i n gd a t a t r a n s f e rr a t eo f1g b i t sb e l o wt h e f r e q u e n c yb a n d so f6 g h z i no r d e rt os u p p o r tt h en e w g e n e r a t i o no fv e r yh i 曲t h r o u g h p u tw l a ns t a n d a r d ， as e r i e so fb r e a k t h r o u g hs h o u l db ea c h i e v e di nk e yt e c h n o l o g i e s h i 曲t h r o u g h p u t t r a n s m i s s i o no ft h en e wg e n e r a t i o nw l a na l s op r o p o s ean e wc h a l l e n g et ow l a n m a c l a y e r o nt h eo n eh a n d ，t r a d i t i o n a lw l a nm a ct r a n s p o r tm e c h a n i s mi ss i m p l e t or e a l i z e ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sm e c h a n i s mr e s t r i c t st h ee f f i c i e n c yo ft h em a cl a y e r , r e d u c i n gt h eu t i l i z a t i o no fw i r e l e s sr e s o u r c e si nt h es y s t e m w i t ht h es h a r pi n c r e a s eo f t h ew i r e l e s sn e t w o r kt r a f f i c ，u s e r sa r el o o k i n gf o r w a r dt oa ne f f e c t i v e ，r o b u s tq u a l i t y o fs e r v i c eg u a r a n t e e dw h i l ee n j o y i n gh i g hs p e e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s t h e q u a l i t yo fs e r v i c eg u a r a n t e e dm e a n sn o tt oi n c r e a s et h ed a t at r a n s m i s s i o nd e l a yw h e n w i r e l e s sb a n d w i d t hs u f f i c i e n t , w h i l el a c k i n go fw i r e l e s sb a n d w i d t h ，i tc a ng i v e i i i a b s t r a c t p r i o r i t yt oe n s u r i n gt h et r a n s m i s s i o no fh i g hp r i o r i t ys e r v i c e s ，a n da c c u r a t e ，f l e x i b l et o a d j u s t t h ep r o p o r t i o no fb a n d w i d t hb e t w e e nu s e r s t h ek e yt e c h n o l o g i e so f i e e e 8 0 2 11a ci sb e i n gw o r k i n gi nt h i st h e s i s ，t h ek e yt e c h n o l o g yr o u t e so ft h e i e e e 8 0 2 11a ca r em u l t i a n t e n n aa n dw i d e rc h a n n e l sf o l l o w i n gt h eh i g hs p e e dw l a n s t a n d a r di e e e 8 0 2 1in a n dt h et e c h n o l o g i e so fc h a n n e lb o n d i n g ，m um i m oa n d f r a m ea g g r e g a t i o na r eu s e dt ob o o s td a t as p e e d st o1g b i t s t h et e c h n o l o g i e so f c h a n n e lb o n d i n g ，m u l t i u s e rm i m o ，f r a m ea g g r e g a t i o na r ei n t r o d u c e di nt h i sc o n t e x t a sl a c k i n go fq o ss u p p o r ti nw l a ns t a n d a r di e e e 8 0 2 11a c ，an e wc h a n n e lb o n d i n g m e c h a n i s mb a s e do nt h eq u a l i t yo fs e r v i c ew a sp r o p o s e d ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t p r i o r i t i e so ft h et r a f f i c ，a n db o n d i n gad i f f e r e n tn u m b e ro fc h a n n e l ss e l e c t i v e l yf o r m u l t i c h a n n e ld a t at r a n s m i s s i o n c h a n n e lm o d e le s t a b l i s h e db ym a t l a b s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc h a n n e lb o n d i n gm e c h a n i s mn o to n l yi m p r o v i n gt h e t h r o u g h p u t ，b u ta l s or e d u c i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o nd e l a y t h i sm e t h o dr e d u c e st h e n e t w o r kc o n g e s t i o nw h i l ep r o v i d i n gq u a l i t yo fs e r v i c eg u a r a n t e e d m o r ei nl i n ew i t h t h en e e d so ft h ev e r yh i g ht h r o u g h p u tw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kt h a nt h et r a d i t i o n a l c h a n n e lb o n d i n g k e y w o r d s ：v e 巧h i 曲t h r o u g h p u tw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ；m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ；q u a l i t yo fs e r v i c e ；c h a n n e lb o n d i n g i v 第一章绪论 1 1 无线局域网概述 第一章绪论 1 1 1 无线局域网的应用及发展 利用无线通信技术在一定范围内建立网络，无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，简称w l a n ) 结合计算机网络与无线通信技术，可以覆盖有线网络不 可及的地方，是有线网络地延伸和拓展。作为一种实现宽带无线接入的典型形式， w l a n 具有架构组网灵活、移动便捷、维护费用低和可扩展性好等优点。在众 多地区，如机场、企业、宾馆、学校等需要提供高速宽带无线接入，并且移动速 度又不高的场合有着其独特优势。此外，芯片和设备价格便宜，使用无需交纳频 率占用费的工作频段，用户使用成本低等特点也加速着w l a n 产业的成熟。第 三代移动通信( 3 r d g e n e r a t i o n ，简称3 g ) 作为移动通信市场发展的引擎，推动 着全球移动通信市场得快速发展，而3 g 业务也带来了数据业务量地激增，而且 大部分数据业务量发生在办公室、家庭等室内环境，这也为w l a n 得广泛应用 提供了条件。随着3 g 业务的深入推进，移动运营商需要转移3 g 带来的巨大业 务量，w l a n 凭借其独特的优势也就成为移动运营商们辅助3 g 发展的重要手段， 这也更加促进了w l a n 的发展。同时，w l a n 相关标准的制定和发展也为w l a n 的发展提供了技术和兼容性方面的保证【1 , 2 】。 近年来，无线局域网标准已经受到全球广泛的关注，各大制造商和运营商等 积极参与制定了一系列无线局域网接入标准，其中主流为国际标准化组织美国电 气与电子工程师协会( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，简称 i e e e ) 制定的8 0 2 1 1 系列标准。第一部无线局域网标准i e e e 8 0 2 11 3 1 于1 9 9 7 年 颁布，由大量的局域网以及计算机专家审定通过，速率最高能达到2 m b p s ，工作 频段在2 4 g h z 频段，采用直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，简 称d s s s ) 和跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，简称f h s s ) 技术。 在此基础上，1 9 9 9 年9 月又提出了i e e e 8 0 2 1 l a 标准【4 1 和i e e e 8 0 2 11 b 标澍5 1 。 而2 0 0 9 年完成的标准i e e e 8 0 2 1 1 n 【6 】贝0 是无线局域网发展的里程碑，通过采用 m i m o o f d m 、信道绑定和帧聚合等技术，最大传输速率可达6 0 0 m b p s 。这也标 超高速w l a n 多信道白适应m a c 机制研究 志着w l a n 进入高速w l a n 发展的时代。为了更好得满足快速增长的高宽带无 线数据业务等市场需求，目前，i e e e 己启动下一代w l a n 技术标准8 0 2 1 1 a c 和8 0 2 1l a d 的制定工作，数据吞吐量将达到g b i t s ，正式的标准预计在2 0 1 3 年 发布【。 1 1 2i e e e 8 0 2 1 1 系列标准介绍 i e e e 在w l a n 方面的工作是只定义媒体接入控制层( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，简称m a c ) 和物理层( p h y s i c a ll a y e r ，简称p h y ) 两层的协议，内容 主要包括所采用的工作频段和无线介质接入协议等7 1 。i e e e 每个标准在诞生前 主要得经历以下几个阶段：研究组( s t u d yg r o u p ) 、项目认证需求( v r o j e c t a u t h o r i z a t i o nr e q u e s t ，简称p a r ) 、使用案例( u s ec a s e ) 、提案( p r o p o s a l ) 、草 案( d r a f t ) 和工作组评审( r e v i e w ) 。自1 9 9 7 年第一部i e e e 8 0 2 1 l 标准地制定， 之后i e e e 陆续发布了很多改进版本，如下图1 1 所示为8 0 2 1 1 系列标准得主要 时间表。 - l r c h l 一 篚 2 0 0 32 0 毗2 0 0 52 0 0 62 0 0 i e e e 8 0 2 1 i - 2 0 0 7 图1 1i e e e 8 0 2 1 1 系列标准时i 司表 从图1 1 可以看出，1 9 9 7 年诞生了第一部i e e e 8 0 2 1 l ，1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 工作组通过了两个分支：一个是8 0 2 1 l a ，另一个是8 0 2 1 l b 。其中8 0 2 1 l a 工作 频段规定为5 g h z ，传输速率最高可达到5 4 m b p s ，该标准扩充了标准的物理层， 采用正交频分复用( 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 ，简称o f d m ) 技术。8 0 2 1 l b 工作在2 4 g h z 频段，传输速率为1 1 m b p s ，采用补偿编码键控 ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，简称c c k ) 调制方式和d s s s 技术。而2 0 0 3 年 通过的8 0 2 1 l g 标准【8 1 ，工作在2 4 g h z 频段，兼容8 0 2 1 i b ，并采用o f d m 支持 2 第一章绪论 5 4 m b p s 的物理层速率。 2 0 0 4 年i e e e 制定了8 0 2 1 1 i 标准，以改善w l a n 的安全性。数据传输的安 全性是w l a n 必须考虑的重要问题，该标准修改整合w l a nm a c 层，定义了 严格的加密格式和鉴权机制。 2 0 0 5 年完成了提供服务质量保证的8 0 2 1 1 e 标准【9 】，改进w l a nm a c 层， 支持语音视频等多媒体传输，并提供服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，简称q o s ) 保证 机制。8 0 2 1 l h 标准用于无线局域网的频谱管理。i e e e 在w l a n 物理层和m a c 的进展总结如下图1 2 所示。 p h y 8 0 2 1 1 ( 1 2 m b p s _ _ 1 9 9 7 年) 垂巫受p 司 8 0 2 1la ( 最大5 4 m b p s ) 8 0 2 1l n ( 最大6 0 0 m b p s ) 回 岍亟画巫固 8 0 2 1 l e q o s 8 0 2 1 l f - 一漫游和切换! 匦互匦 ；8 0 2 1 1 h 动态频率选； 择和功率控制 图1 2i e e e 8 0 2 1 1 在w l a n 方面的进展 2 0 0 7 年7 月，结合了所有之前演进的8 个增补部分，包括8 0 2 1l a ，b ，d ，e ，g ，h ，i 和i ，通过了i e e e 8 0 2 11 - 2 0 0 7w l a n 标泄10 1 。2 0 0 9 年，完成了对i e e e 8 0 2 11 - 2 0 0 7 标准的增补，命名为i e e e 8 0 2 1 i n 一2 0 0 9 。其中规定了采用多天线、信道绑定以及 帧聚合等技术，在4 0 m h z 的信道带宽下，2 4 g h z 和5 g h z 频段下实现高达 6 0 0 m b p s 的传输速率【6 】。在8 0 2 1i n 标准化工作进行过程中，人们已经提出对于 高速无线局域网数据传输的要求，i e e e 工作组开始针对8 0 2 1 l a 进行增补，提出 了在6 g h z 频段以下要达到1 g b i t s 超高吞吐量的i e e e 8 0 2 1 l a c 标准，以及工作 频率在6 0 g h z 的i e e e 8 0 2 1 l a d 标准。i e e e 8 0 2 1 l a c 预计在2 0 1 3 年完成，其中 指出要定义新的物理层和m a c 层，以达到最少1 g b i t s 的超高吞吐量并且在低 于6 g h z 载波频率工作下实现能向后兼容现存的5 g h z 频段的设备【l 】。 1 1 3i e e e 8 0 2 1 l a c 标准及其进展简介 本文所研究的i e e e 8 0 2 1 1 a c 是正在制定的最新无线局域网标准之一，目标 超高速w l a n 多信道白适应m a c 机制研究 是利用6 g h z 以下频段制定1 g b i t s 以上数据传输速率的w l a n 标准。推进 w l a n 标准化的i e e e 工作组于2 0 0 8 年下半年，丌始制定传输速率比现行高速 无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l n 更高的新一代标准。由于目标是把实际数据传输速 率提高至数g b p s ，标准计划命名为“超高吞吐量( v e r yh i g ht h r o u g h p u t ，简称 v h t ) p p o2 0 0 8 年7 月1 3 日1 8 日在美国科罗拉多州丹佛召开的会议上，v h t 被确定正式升级为工作组( t a s kg r o u p ，简称t g ) 【l ，i e e e 8 0 2 11 a c 标准也开 始进入提案阶段。 目前，i e e e 8 0 2 1 l a c 标准已进入草案阶段，最终正式规范则有望在2 0 1 3 年 初完成。表1 1 给出的是i e e e 8 0 2 1 l a c 标准( 草案) 和目前主流8 0 2 1 l a ，b ，g ，n 标 准技术参数的一个比较，由表1 1 可以看出，w l a n 数据传输速率在逐年上升， 8 0 2 1 l a c 更是将无线局域网的传输速率带到g b i t s 上来。同时和其他标准技术参 数比较，可以看出8 0 2 1 1 a e 在速率上有飞跃的上升之外，物理层核心参数进一步 增强并同时保证向后兼容。 表1 1i e e e 8 0 2 1 1 系列标准参数比较 8 0 2 1 1 i e e e 8 0 2 系列 i e e e 8 0 2 1 l ai e e e 8 0 2 1 1 b i e e e 8 0 2 1 l g l e e e 8 0 2 1 l n 标准 1 l a e 发布 1 9 9 9 年7 月1 9 9 9 年7 月 2 0 0 3 年6 月2 0 0 9 年9 月 待定 时间 最大 数据 5 4 m b p s1 1 m b p s5 4 m b p s 6 0 0 m b p s7 g b p s 速率 2 0 4 0 8 0 频宽2 0 m h z2 0 m h z2 0 m h z2 0 4 0 m h z 1 6 0 m h z 编码 m i m o o 类型 o f d md s s s o f d m ，d s s s m i m o 旬f d m f d m b p s k , q p 调制 b p s k , q p s k , b p s k , q p s k , b p s k , q p s k , s k , 1 6 q a m ， c c k 16 q a m ，6 4 q 1 6 q a m ， 1 6 q a m ，6 方式 a m d b p s k , 6 4 q a m6 4 q a m 4 q a m ， d q p s k , c c k 2 5 6 q a m 空间 流数 l ll 1 , 2 ，3 ，4 1 , 2 ，3 ，4 ，5 ，6 目 ，7 , 8 兼容 性 8 0 2 1 l a 8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 l b g 8 0 2 1l a b g n8 0 2 1 l a n i e e e 8 0 2 1 l a e 的框架结构【1 2 】主要包括两层：p h y 层和m a c 层。p h y 层主 4 第一章绪论 要考虑的是导频、前导信号、更宽带宽的调制、编码、空问映射和循环延迟等内 容的制定。m a c 层主要考虑内容有节能、能力协商和帧格式等。作为8 0 2 1 l n 的演进版本，8 0 2 1 1 a c 提高吞吐量的技术主要是沿用8 0 2 1 1 n 更宽信道和多入多 , l , ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，简称m i m o ) 技术的思想，采用8 0 m h z 和 1 6 0 m h z 信道带宽，以及下行多用户多入多出( d o w n l i n km u l t i u s e rm u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，简称d lm u m i m o ) 技术等。此外，8 0 2 11 a c 采用增强的m c s 调制从6 4 q a m 上升到2 5 6 q a m ，空间流的数目也增加到8 个来更好得支持d l m u m i m o 。为了更好得支持高速的数据速率，分组聚合地大小也增加了限制， 并且增强共存机制来支持更宽的信道带宽【1 3 , 1 4 】。 1 2 论文的选题及意义 超高速w l a n 在未来具有广阔的应用前景。凭借极高的数据速率，可支持 笔记本电脑、手机等无线终端通过w l a n 实现高速上网。目前手机或笔记本用 户等如果通过移动通信网上网的话，存在数据速率低、费用昂贵和不支持实时业 务等缺点。而若通过超高速w l a n 接入互联网，手机和笔记本用户将可享受到 流畅的上网观看网络视频、可以通过互联网进行实时的视频通话。超高速无线局 域网技术也将成为物联网中传感器网络的汇聚传输网，对于数字家庭、数字城市、 数字地球等未来社会信息化建设发挥重大的作用。 为了支持新一代超高速无线局域网传输，需要在关键技术方面取得一系列的 突破。新一代超高速无线局域网的高吞吐量传输也对m a c 层机制提出了新的挑 战。传统的w l a n 载波监听多址接入( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ，简称c s m a ) 传输机制一方面实现简单，另一方面也制约了系统m a c 层的效率，降低了系统 对于无线资源的利用率。在传统单信道m a c 机制下，物理层数据速率得增加将 会引起m a c 层开销( 聚合开销和冲突开销) 得增加，因此m a c 层的效率会随 着物理层数据速率地上升而显著下降。此外，随着无线网络上业务流量的剧增， 用户在享受宽带高速无线接入的同时，对于有效、鲁棒的q o s 保证的需求也越 来越突出。i e e e 8 0 2 1 1 标准最初提出的是个简单的、支持尽力而为业务的无 线接入技术，由于其缺乏服务质量保证的支持，因而在多媒体业务的应用中面临 严峻的挑战。 w l a n 中m a c 层主要内容包括两个方面：一是帧格式，即m a c 传送的内 超高速w l a n 多信道白适应m a c 机制研究 容并控制传输过程；二是协调功能，即协调站点何时发送何时接收并对介质进 行忙闲判断。本文主要通过在参与8 0 2 1 l a c 标准化过程中，对i e e e 8 0 2 1 1 a cm a c 层关键技术进行研究和总结，并针对信道绑定技术提出基于q o s 的信道绑定改 进机制。基于服务质量，根据不同业务的优先级，有选择性的绑定不同数量的信 道进行多信道数据传输的信道绑定。并且通过仿真验证，本文研究的基于服务质 量的信道绑定改进机制不仅保证了服务质量，还减轻了网络拥塞，比传统的信道 绑定机制更加符合超高速无线局域网的需要。 1 3 论文的内容和结构 论文的项目背景来源于国家科技重大专项一新一代超高速无线移动通信网， 该项目启动于2 0 1 0 年。新一代超高速无线局域网的超高速率传输需求对p h y 和 m a c 层都提出了新的挑战：p h y 层，在带宽受限( 如2 0 m h z 4 0 m h z ) 条件下 要提供高于1 g b i t s 的无线传输，需要研究各种物理层增强技术，特别是研究更 高阶的调制方式、更有效的信道编译码、单信道多信道并行传输技术、多天线 技术以及多载波技术等，从而更好地开发空间、频率、时间等多维无线资源，实 现更高的频谱效率；对于m a c 层，由于传统w l a n 的m a c 层传输机制一方面 实现简单，另一方面也制约了系统m a c 层的效率，降低了系统对于无线资源的 利用率。此外，新一代超高速无线局域网还要求以多样化的q o s 需求支持灵活 的多用户多业务接入以及多媒体业务传输，从而对各种m a c 层增强技术的研究 提出了迫切的需求。 本文首先对无线局域网的发展及i e e e 8 0 2 11 系列协议进行了介绍，然后主 要针对超高速无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 a c ( 草案) 关键技术一信道绑定、多用 户m i m o 以及帧聚合技术进行了深入的研究和分析，并概要介绍目前的8 0 2 1 l a c p h y 和m a c 层补充设计的其他内容。本文得主要内容是对8 0 2 1 1 a c 关键技术 进行研究和分析，并对传统信道绑定技术提出改进方案： 基于q o s 的信道绑定机制，针对不同优先级的业务绑定不同数量的信道， 以区分业务优先级，保证服务质量，并以多信道传输地形式进行数据传输。本文 利用m a t l a b 对所提出的基于q o s 的信道绑定改进机制进行仿真评估，并对仿 真结果进行分析比较。 本文的章节安排如下： 6 第一章绪论 第一章，绪论部分，阐述了无线局域网的发展概况以及i e e e 8 0 2 1 1 的系列 标准，通过8 0 2 1 1 系列标准时间表介绍了主流的8 0 2 1 l a ，b ，g ，i ，e ，n 标准的内容。 然后重点介绍了i e e e 8 0 2 1 1 a c 的标准框架及标准目前进展工作，由此引入本文 得主要研究内容及开展此类研究的意义，并给出了文章的总体框架。 第二章，定义无线局域网，以及对基本服务集、独立基本服务集和扩展服务 集这三种组网结构进行介绍，然后重点介绍了i e e e 8 0 2 1 l 协议的m a c 层帧类 型、工作原理，对无线介质访问、网络连接和数据加密和验证这三种基本m a c 功能进行了详细介绍。重点介绍i e e e 8 0 2 1 l e 中e d c a 业务优先级映射，以及 t x o p 内数据传输模式。网络连接主要介绍了用户接入的三个阶段：扫描、认证 和关联。 第三章，详细介绍i e e e 8 0 2 11 a c 标准( 草案) 的内容以及主要采用得三种 关键技术：信道绑定、多用户m i m o 以及帧聚合机制，并对i e e e 8 0 2 11 a c 的p h y 层和m a c 层设计进行简要地说明。 第四章，主要介绍本文研究的基于q o s 的信道绑定改进机制，基于服务质 量，根据不同业务的优先级，有选择性的绑定不同数量的信道进行多信道数据传 输的信道绑定。并通过m a t l a b 系统仿真，对本文提出的基于q o s 的信道绑定 改进机制和传统信道绑定机制进行比较，结果表明本文提出的方法更加符合超高 速无线局域网的需要。 第五章，结束语，总结本文的主要工作内容，并提出对未来工作方向的展望。 最后一部分内容依次为参考文献、附图录，致谢及研究生期间的研究成果。 1 4 本章小结 本章主要是结合目前移动通信的3 g 技术对无线局域网的发展概况进行介 绍，通过i e e e 8 0 2 1 1 系列标准时间表，介绍8 0 2 1 l a , b ，g ，n 等主流标准的基本内 容，然后引出本文的主要研究内容背景i e e e 8 0 2 1 1 a c ，简单介绍了i e e e 8 0 2 1 1 a c 标准( 草案) 的内容及标准目前的进展情况。 其次介绍了论文的选题意义，支持高清视频传输的超高速无线局域网具有广 泛的应用前景，而m a c 层关键技术对提高吞吐量的影响意义重大，并且多媒体 业务传输对服务质量的要求也提出了新的挑战。 最后介绍了本文所做的主要工作，并给出论文结构。 7 第二章i e e e 8 0 2 11 m a c 简介 第二章i e e e 8 0 2 1 1m a c 简介 2 1i e e e 8 0 2 1 1 网络的基本结构 w l a n 利用无线技术在空中传输数据、语音和视频信号，是计算机网络与 无线通信技术相结合的产物【1 1 。基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，简称b s s ) 是 w l a n 的基本组网结构，如图2 1 所示。b s s 由若干工作站( s t a t i o n s ，简称s t a ) 和一个接入点( a c c e s sp o i n t ，简称a p ) 组成，s t a 为任意无线终端设备，a p 是一种特殊的s t a ，能将无线工作站接入到网络中，主要是提供从s t a 到有线 网络和从有线网络到s t a 的访问，在a p 覆盖范围内的s t a 可以通过a p 进行 相互通信。 b i ll ( ? ) ) ” 、 琴 图2 ib s s 又称基础架构模式 w l a n 还存在另外一种组网结构即独立b s s ( i n d e p e n d e n tb s s ，简称i b s s ) ， 又称点对点模式。如下图2 2 所示，该网络是由一组s t a 独立组成，这些s t a 以对等的方式相互直连，在w l a n 的覆盖范围之内，进行点对点，或点对多点 的通信，这种网络不能直接接入到有线网络中，只能独立使用。没有a p ，安全 由各个s t a 自行维护。 ，矽 图2 2i b s s 又称点对点模式 由多个a p 以及连接它们的分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，简称d s ) 组 8 超高速w l a n 多信道自适应m a c 机制研究 成的基础架构模式网络称为扩展服务集( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，简称e s s ) 。扩展 服务集内得每个a p 可以与s t a 组成一个独立的无线网络b s s ，扩展服务集内 a p 共享同一个扩展服务集标示符( e s si d e n t i f i e r ，简称e s s i d ) 。相同e s s i d 的 无线网络间可以通过漫游进行相互通信。如下图2 3 所示。 s t a i 护一一一臣+ 一 勾翅、 图2 3 扩展服务集e s s 一个e s s 网络中可以存在多个b s s ，a p 在分布式系统d s 支持下，实现不 同b s s 间站点的通信，并支持站点从一个b s s 移动到另一个b s s 中。e s s 可以 组成较大型的多个覆盖区域的无线局域网系统。d s 一般由以太网或其他有线网 络来支撑【15 1 。 2 2i e e e 8 0 2 1 1m c 工作原理 无线局域网提高吞吐量得研究热点主要集中在物理层，但是物理层作用的发 挥离不开m a c 层协议的支持，所以对m a c 层协议的研究很有必要。 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层关注的是基于帧的传输【1 0 , 1 5 】，8 0 2 1 1 帧格式基本结构如 下表2 1 所示： 表2 18 0 2 1 1m a c 基本帧格式 其中p r e a m b l e 和p l c p ( p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 字段包含得 是物理层得一些细节，p r e a m b l e 是一个用于接收设备识别8 0 2 1 l 的前导标识， 9 念冷 第二章i e e e 8 0 2 1i m a c 简介 而p l c p 字段中包含一些物理层的协议参数。表2 1 中m a c 头标开始的部分构 成如下表2 2 所示： 表2 2m a c 帧格式内容 f r a m ec o n t r o l ( 帧控制字段) 、d u r a t i o n i d ( 持续时间标识符) 、a d d r e s s ( 地 址字段) 、s e q u e n c ec o n t r o l ( 序列控制字段) 、q o sc o n t r o l ( 服务质量控制) 构 成了m a ch e a d e r ( m a c 头标) ；而f r a m eb o d y ( 帧体部分) ：根据帧的类型包 含的信息不同，主要封装的是上层的数据单元。f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ， 帧校验序列) 作为校验字段则包含3 2 位循环冗余码。其中f r a m ec o n t r o l ( 帧控 制字段) 如下表2 3 所示：这里主要介绍t y p e 和s u b t y p e 这两个子字段。 表2 3f r a m ec o n t r o l ( 帧控制字段) p r o t o c o l t y p es u b t y p