淺析下一代無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11ax

摘 要：無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展越來(lái)越迅速，新的標(biāo)準(zhǔn)更迭頻率也在加快，作為下一代無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11ax協(xié)議已經(jīng)進(jìn)入草稿完善階段。文章分析了802.11ax協(xié)議的技術(shù)現(xiàn)狀，指出了與現(xiàn)有協(xié)議的不同之處，并對(duì)協(xié)議的未來(lái)發(fā)展作了展望。

關(guān)鍵詞：IEEE802.11ax；WLAN；OFDMA

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)接入終端數(shù)量的劇增，無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）已經(jīng)成為生活、工作中最常見(jiàn)到的網(wǎng)絡(luò)連接方式之一。作為WLAN技術(shù)基礎(chǔ)的IEEE802.11協(xié)議族，從誕生至今已經(jīng)經(jīng)歷了多個(gè)版本的發(fā)展，用來(lái)滿足用戶(hù)對(duì)無(wú)線接入的需求。2016年下半年，下一代標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11ax的草稿方案已經(jīng)出爐，不久之后就將為用戶(hù)帶來(lái)新的無(wú)線體驗(yàn)。

1 IEEE協(xié)議現(xiàn)狀

從1997年至今，有關(guān)無(wú)線局域的IEEE802.11協(xié)議經(jīng)歷了數(shù)次修訂，涉及到無(wú)線傳輸、服務(wù)質(zhì)量、業(yè)務(wù)支撐、頻譜使用、組網(wǎng)方式等多方面的技術(shù)。目前，IEEE802.11主要標(biāo)準(zhǔn)有802.11a/b/g/n/ac，這些版本間的區(qū)別和主要修訂內(nèi)容體現(xiàn)在無(wú)線傳輸方式，802.11b采用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS），最高傳輸速率為11Mbps；802.11a/g采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，最高的傳輸速率達(dá)到54Mbps；802.11n是在OFDM的基礎(chǔ)上引入了MIMO技術(shù)，最大傳輸速率可達(dá)到600Mbps。

在當(dāng)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(yīng)用。無(wú)線局域網(wǎng)的特點(diǎn)是所有信道屬于同一個(gè)沖突域，因此需要設(shè)計(jì)一套隨機(jī)接入機(jī)制，解決多節(jié)點(diǎn)同時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的沖突問(wèn)題。在DCF模式中，采用的是CSMA/CA（即載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免）機(jī)制。CSMA/CA的工作過(guò)程是發(fā)送數(shù)據(jù)前檢測(cè)信道是否有使用，如果檢測(cè)出信道繁忙，則等待一段隨機(jī)時(shí)間后，再次檢測(cè)信道，如果空閑，才開(kāi)始準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。送出數(shù)據(jù)前，發(fā)送端會(huì)先發(fā)出請(qǐng)求傳送報(bào)文（RTS：Request to Send）給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng) CTS： Clear to Send 報(bào)文后，就可以發(fā)送正常數(shù)據(jù)，機(jī)制利用RTS-CTS握手（handshake）程序，確保接下來(lái)傳送資料時(shí)，不會(huì)被碰撞。接收端如果正確收到數(shù)據(jù)幀，則經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔后，向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)幀ACK。發(fā)送端收到ACK幀，確定數(shù)據(jù)正確傳輸。

2 IEEE802.11ax簡(jiǎn)介

作為下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEEE802.11ax在設(shè)計(jì)初始的思想與現(xiàn)有的802.11標(biāo)準(zhǔn)有所不同，使用場(chǎng)景更加關(guān)注于密集用戶(hù)環(huán)境，通過(guò)有效的使用當(dāng)前的頻段資源，提高實(shí)際網(wǎng)絡(luò)速率。802.11ax與現(xiàn)有的a/b/h/n/ac協(xié)議都進(jìn)行兼容，可以同時(shí)工作在2.4G和5G頻段下。在相同帶寬下，802.11ax采用點(diǎn)數(shù)更多的FFT，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)越多，其子載波數(shù)越多，這樣子載波的帶寬也就越小，從而可以覆蓋更遠(yuǎn)的范圍。802.11ac協(xié)議在下行中引入的MU-MIMO技術(shù)，而在802.11ax中MU-MIMO成為了上下行通用的技術(shù)，采用了新的PHY層和MAC層處理機(jī)制的802.11ax協(xié)議的傳輸速率在80MHz帶寬下可以達(dá)到600.4Mbps，在160MHz下可以達(dá)到9607.8Mbps，已經(jīng)接近萬(wàn)兆以太網(wǎng)的傳輸能力。

3 IEEE802.11ax的接入方式

802.11ax最重要的一個(gè)更新是在設(shè)計(jì)中參考了LTE中OFDMA（正交頻分多址）的使用，OFDMA采用全新的信號(hào)調(diào)制編碼算法，把一個(gè)信道分成數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)更小的的時(shí)頻資源塊即RU（Resource unit），每個(gè)RU可以承載不同的用戶(hù)數(shù)據(jù)。這樣從總的信道上看，每一個(gè)時(shí)間片上，有可能有多個(gè)用戶(hù)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣信道的利用率就可以得到很好的提升。同時(shí)，由于對(duì)信道的劃分更加的細(xì)致，現(xiàn)有的802.11標(biāo)準(zhǔn)中用戶(hù)占據(jù)整個(gè)信道的情況不會(huì)再出現(xiàn)，如果需要發(fā)送QOS數(shù)據(jù)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(fā)送，有效的減少了QOS的延遲。

OFDMA技術(shù)的引入也使得了802.11ax協(xié)議的MAC層隨機(jī)接入機(jī)制發(fā)生了變化，現(xiàn)有的CSMA/CA機(jī)制被TF（Trigger Frame）以及TF-R（Trigger Frame for Random access）機(jī)制替換。TF是一種上行接入的傳輸框架，接入開(kāi)始時(shí)，AP發(fā)送包含上傳所使用的RU信息的TF宣告，根據(jù)TF內(nèi)容，用戶(hù)選擇其對(duì)于的RU位置，進(jìn)行OFDMA接入，此時(shí)多個(gè)用戶(hù)同時(shí)向AP發(fā)送上行數(shù)據(jù)，AP接收完成后返回ACK，結(jié)束上傳過(guò)程。TF-R是802.11ax協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)討論過(guò)程中作為T(mén)F機(jī)制的擴(kuò)展被引入的，TF-R將TF的時(shí)域競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)為頻率的競(jìng)爭(zhēng)。TF-R機(jī)制在TF過(guò)程之前執(zhí)行，每一次接入時(shí)，AP首先發(fā)送TF-R幀，幀中部分的RU被標(biāo)注成可以供用戶(hù)競(jìng)爭(zhēng)使用，用戶(hù)在收到TF-R幀后，采用OBO（UL-OFDMA Backoff）的機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)RU。OBO中，用戶(hù)使用隨機(jī)數(shù)放入Backoff counter中，然后進(jìn)行比較，backoff counter中數(shù)小于RU的總數(shù)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在競(jìng)爭(zhēng)中勝出，獲得隨機(jī)選擇一個(gè)RU的權(quán)利，然后在選擇的RU上傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)幾次TF-R幀的傳輸過(guò)程，可供競(jìng)爭(zhēng)的RU被選擇完畢，AP開(kāi)始發(fā)送TF幀，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展為我們工作和生活帶來(lái)了極大的改變，作為下一代的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11ax更加關(guān)注密集用戶(hù)環(huán)境，通過(guò)引入OFDMA技術(shù)作為新的接入機(jī)制，改善了多用戶(hù)連接AP時(shí)的體驗(yàn)效果。802.11ax充分利用現(xiàn)有的頻段資源，有效的提高數(shù)據(jù)傳輸速率，將來(lái)如果結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)更好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。現(xiàn)在需要看到的是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)尚處于Draft1.0階段，離最后標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)還有一段距離，還需要研究機(jī)構(gòu)和專(zhuān)業(yè)廠商共同努力進(jìn)行完善。

參考文獻(xiàn)

[1]譚凱，彭端.WLAN新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ax[J].廣東通信技術(shù)，

2015，10.

[2]吳強(qiáng).IEEE802.11ax MAC層接入技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，

2016，5.

[3]陳忠真.IEEE802.11 DCF算法的研究[D].西安電子科技大學(xué)，

2012，1.

[4]蘇紅梅.基于OFDMA的下一代WLAN無(wú)線資源分配研究[J].互聯(lián)網(wǎng)天地，2016，4.

作者簡(jiǎn)介：鄭智釗（1983-），男，工學(xué)學(xué)士，網(wǎng)絡(luò)工程師，工作單位：哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用。