浅析下一代无线局域网标准IEEE802.11ax

摘 要：无线局域网络的发展越来越迅速，新的标准更迭频率也在加快，作为下一代无线局域网的标准，IEEE802.11ax协议已经进入草稿完善阶段。文章分析了802.11ax协议的技术现状，指出了与现有协议的不同之处，并对协议的未来发展作了展望。

关键词：IEEE802.11ax；WLAN；OFDMA

引言

随着网络移动接入终端数量的剧增，无线局域网（WLAN）已经成为生活、工作中最常见到的网络连接方式之一。作为WLAN技术基础的IEEE802.11协议族，从诞生至今已经经历了多个版本的发展，用来满足用户对无线接入的需求。2016年下半年，下一代标准IEEE802.11ax的草稿方案已经出炉，不久之后就将为用户带来新的无线体验。

1 IEEE协议现状

从1997年至今，有关无线局域的IEEE802.11协议经历了数次修订，涉及到无线传输、服务质量、业务支撑、频谱使用、组网方式等多方面的技术。目前，IEEE802.11主要标准有802.11a/b/g/n/ac，这些版本间的区别和主要修订内容体现在无线传输方式，802.11b采用的直接序列扩频技术（DSSS），最高传输速率为11Mbps；802.11a/g采用正交频分复用（OFDM）技术，最高的传输速率达到54Mbps；802.11n是在OFDM的基础上引入了MIMO技术，最大传输速率可达到600Mbps。

在当前的IEEE802.11MAC层接入方式中，存在有DCF（Distributed Coordination Function）和PCF（Point Coordination Function）两种工作模式，由于DCF具有良好的分布式特性，从而获得了更广泛的应用。无线局域网的特点是所有信道属于同一个冲突域，因此需要设计一套随机接入机制，解决多节点同时占用网络所产生的冲突问题。在DCF模式中，采用的是CSMA/CA（即载波侦听多路访问/冲突避免）机制。CSMA/CA的工作过程是发送数据前检测信道是否有使用，如果检测出信道繁忙，則等待一段随机时间后，再次检测信道，如果空闲，才开始准备发送数据。送出数据前，发送端会先发出请求传送报文（RTS：Request to Send）给目标端，等待目标端回应 CTS： Clear to Send 报文后，就可以发送正常数据，机制利用RTS-CTS握手（handshake）程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。接收端如果正确收到数据帧，则经过一段时间间隔后，向发送端发送确认帧ACK。发送端收到ACK帧，确定数据正确传输。

2 IEEE802.11ax简介

作为下一代无线网络标准协议IEEE802.11ax在设计初始的思想与现有的802.11标准有所不同，使用场景更加关注于密集用户环境，通过有效的使用当前的频段资源，提高实际网络速率。802.11ax与现有的a/b/h/n/ac协议都进行兼容，可以同时工作在2.4G和5G频段下。在相同带宽下，802.11ax采用点数更多的FFT，FFT点数越多，其子载波数越多，这样子载波的带宽也就越小，从而可以覆盖更远的范围。802.11ac协议在下行中引入的MU-MIMO技术，而在802.11ax中MU-MIMO成为了上下行通用的技术，采用了新的PHY层和MAC层处理机制的802.11ax协议的传输速率在80MHz带宽下可以达到600.4Mbps，在160MHz下可以达到9607.8Mbps，已经接近万兆以太网的传输能力。

3 IEEE802.11ax的接入方式

802.11ax最重要的一个更新是在设计中参考了LTE中OFDMA（正交频分多址）的使用，OFDMA采用全新的信号调制编码算法，把一个信道分成数十甚至数百个更小的的时频资源块即RU（Resource unit），每个RU可以承载不同的用户数据。这样从总的信道上看，每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送数据，这样信道的利用率就可以得到很好的提升。同时，由于对信道的划分更加的细致，现有的802.11标准中用户占据整个信道的情况不会再出现，如果需要发送QOS数据包，不需要获得完整的信道才行，只需使用部分信道即可完成QOS的发送，有效的减少了QOS的延迟。

OFDMA技术的引入也使得了802.11ax协议的MAC层随机接入机制发生了变化，现有的CSMA/CA机制被TF（Trigger Frame）以及TF-R（Trigger Frame for Random access）机制替换。TF是一种上行接入的传输框架，接入开始时，AP发送包含上传所使用的RU信息的TF宣告，根据TF内容，用户选择其对于的RU位置，进行OFDMA接入，此时多个用户同时向AP发送上行数据，AP接收完成后返回ACK，结束上传过程。TF-R是802.11ax协议标准讨论过程中作为TF机制的扩展被引入的，TF-R将TF的时域竞争转为频率的竞争。TF-R机制在TF过程之前执行，每一次接入时，AP首先发送TF-R帧，帧中部分的RU被标注成可以供用户竞争使用，用户在收到TF-R帧后，采用OBO（UL-OFDMA Backoff）的机制竞争RU。OBO中，用户使用随机数放入Backoff counter中，然后进行比较，backoff counter中数小于RU的总数的那个节点可以在竞争中胜出，获得随机选择一个RU的权利，然后在选择的RU上传输数据，经过几次TF-R帧的传输过程，可供竞争的RU被选择完毕，AP开始发送TF帧，进行数据的通信。

4 结束语

无线局域网的发展为我们工作和生活带来了极大的改变，作为下一代的无线局域网标准，IEEE802.11ax更加关注密集用户环境，通过引入OFDMA技术作为新的接入机制，改善了多用户连接AP时的体验效果。802.11ax充分利用现有的频段资源，有效的提高数据传输速率，将来如果结合5G网络，将会给用户带来更好的无线网络环境。现在需要看到的是802.11ax标准尚处于Draft1.0阶段，离最后标准落实还有一段距离，还需要研究机构和专业厂商共同努力进行完善。

参考文献

[1]谭凯，彭端.WLAN新标准IEEE 802.11ax[J].广东通信技术，

2015，10.

[2]吴强.IEEE802.11ax MAC层接入技术研究[D].西南交通大学，

2016，5.

[3]陈忠真.IEEE802.11 DCF算法的研究[D].西安电子科技大学，

2012，1.

[4]苏红梅.基于OFDMA的下一代WLAN无线资源分配研究[J].互联网天地，2016，4.

作者简介：郑智钊（1983-），男，工学学士，网络工程师，工作单位：哈尔滨铁道职业技术学院，主要研究方向：计算机科学与应用。