淺析下一代無線局域網標準IEEE802.11ax

摘 要：無線局域網絡的發展越來越迅速，新的標準更迭頻率也在加快，作為下一代無線局域網的標準，IEEE802.11ax協議已經進入草稿完善階段。文章分析了802.11ax協議的技術現狀，指出了與現有協議的不同之處，并對協議的未來發展作了展望。

關鍵詞：IEEE802.11ax；WLAN；OFDMA

引言

隨著網絡移動接入終端數量的劇增，無線局域網（WLAN）已經成為生活、工作中最常見到的網絡連接方式之一。作為WLAN技術基礎的IEEE802.11協議族，從誕生至今已經經歷了多個版本的發展，用來滿足用戶對無線接入的需求。2016年下半年，下一代標準IEEE802.11ax的草稿方案已經出爐，不久之后就將為用戶帶來新的無線體驗。

1 IEEE協議現狀

從1997年至今，有關無線局域的IEEE802.11協議經歷了數次修訂，涉及到無線傳輸、服務質量、業務支撐、頻譜使用、組網方式等多方面的技術。目前，IEEE802.11主要標準有802.11a/b/g/n/ac，這些版本間的區別和主要修訂內容體現在無線傳輸方式，802.11b采用的直接序列擴頻技術（DSSS），最高傳輸速率為11Mbps；802.11a/g采用正交頻分復用（OFDM）技術，最高的傳輸速率達到54Mbps；802.11n是在OFDM的基礎上引入了MIMO技術，最大傳輸速率可達到600Mbps。

在當前的IEEE802.11MAC層接入方式中，存在有DCF（Distributed Coordination Function）和PCF（Point Coordination Function）兩種工作模式，由于DCF具有良好的分布式特性，從而獲得了更廣泛的應用。無線局域網的特點是所有信道屬于同一個沖突域，因此需要設計一套隨機接入機制，解決多節點同時占用網絡所產生的沖突問題。在DCF模式中，采用的是CSMA/CA（即載波偵聽多路訪問/沖突避免）機制。CSMA/CA的工作過程是發送數據前檢測信道是否有使用，如果檢測出信道繁忙，則等待一段隨機時間后，再次檢測信道，如果空閑，才開始準備發送數據。送出數據前，發送端會先發出請求傳送報文（RTS：Request to Send）給目標端，等待目標端回應 CTS： Clear to Send 報文后，就可以發送正常數據，機制利用RTS-CTS握手（handshake）程序，確保接下來傳送資料時，不會被碰撞。接收端如果正確收到數據幀，則經過一段時間間隔后，向發送端發送確認幀ACK。發送端收到ACK幀，確定數據正確傳輸。

2 IEEE802.11ax簡介

作為下一代無線網絡標準協議IEEE802.11ax在設計初始的思想與現有的802.11標準有所不同，使用場景更加關注于密集用戶環境，通過有效的使用當前的頻段資源，提高實際網絡速率。802.11ax與現有的a/b/h/n/ac協議都進行兼容，可以同時工作在2.4G和5G頻段下。在相同帶寬下，802.11ax采用點數更多的FFT，FFT點數越多，其子載波數越多，這樣子載波的帶寬也就越小，從而可以覆蓋更遠的范圍。802.11ac協議在下行中引入的MU-MIMO技術，而在802.11ax中MU-MIMO成為了上下行通用的技術，采用了新的PHY層和MAC層處理機制的802.11ax協議的傳輸速率在80MHz帶寬下可以達到600.4Mbps，在160MHz下可以達到9607.8Mbps，已經接近萬兆以太網的傳輸能力。

3 IEEE802.11ax的接入方式

802.11ax最重要的一個更新是在設計中參考了LTE中OFDMA（正交頻分多址）的使用，OFDMA采用全新的信號調制編碼算法，把一個信道分成數十甚至數百個更小的的時頻資源塊即RU（Resource unit），每個RU可以承載不同的用戶數據。這樣從總的信道上看，每一個時間片上，有可能有多個用戶同時發送數據，這樣信道的利用率就可以得到很好的提升。同時，由于對信道的劃分更加的細致，現有的802.11標準中用戶占據整個信道的情況不會再出現，如果需要發送QOS數據包，不需要獲得完整的信道才行，只需使用部分信道即可完成QOS的發送，有效的減少了QOS的延遲。

OFDMA技術的引入也使得了802.11ax協議的MAC層隨機接入機制發生了變化，現有的CSMA/CA機制被TF（Trigger Frame）以及TF-R（Trigger Frame for Random access）機制替換。TF是一種上行接入的傳輸框架，接入開始時，AP發送包含上傳所使用的RU信息的TF宣告，根據TF內容，用戶選擇其對于的RU位置，進行OFDMA接入，此時多個用戶同時向AP發送上行數據，AP接收完成后返回ACK，結束上傳過程。TF-R是802.11ax協議標準討論過程中作為TF機制的擴展被引入的，TF-R將TF的時域競爭轉為頻率的競爭。TF-R機制在TF過程之前執行，每一次接入時，AP首先發送TF-R幀，幀中部分的RU被標注成可以供用戶競爭使用，用戶在收到TF-R幀后，采用OBO（UL-OFDMA Backoff）的機制競爭RU。OBO中，用戶使用隨機數放入Backoff counter中，然后進行比較，backoff counter中數小于RU的總數的那個節點可以在競爭中勝出，獲得隨機選擇一個RU的權利，然后在選擇的RU上傳輸數據，經過幾次TF-R幀的傳輸過程，可供競爭的RU被選擇完畢，AP開始發送TF幀，進行數據的通信。

4 結束語

無線局域網的發展為我們工作和生活帶來了極大的改變，作為下一代的無線局域網標準，IEEE802.11ax更加關注密集用戶環境，通過引入OFDMA技術作為新的接入機制，改善了多用戶連接AP時的體驗效果。802.11ax充分利用現有的頻段資源，有效的提高數據傳輸速率，將來如果結合5G網絡，將會給用戶帶來更好的無線網絡環境。現在需要看到的是802.11ax標準尚處于Draft1.0階段，離最后標準落實還有一段距離，還需要研究機構和專業廠商共同努力進行完善。

參考文獻

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作者簡介：鄭智釗（1983-），男，工學學士，網絡工程師，工作單位：哈爾濱鐵道職業技術學院，主要研究方向：計算機科學與應用。