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. 041 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 13。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24。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 12。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