樊晓方，冀保峰，李万坤，陈苏丹，王宇坤

(1.河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳 471023;2.中国南车集团股份有限公司，河南 洛阳 471000;3.河南科技大学 林学院，河南 洛阳 471023;4.东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)

近年来，短距离通信受到越来越广泛的关注，因为它高速的传输速率，并且能够做到降低宏小区的负载均衡，802.11ac 的制定工作从2008 年的上半年起就已开始，并且成立了VHT(Very High Throughput)项目组，顾名思义为了实现超高吞吐量使无线Wi-Fi 能达到1 Gbps 的传输速率。

IEEE 802.11ac 的建立是基于IEEE 802.11n 和IEEE 802.11a 之上的，并且包括802.11a 的5GHz 频段。不过在通道的设置上，802.11ac 继承了802.11n 的MIMO (Multiple Input and Multiple Output，MIMO)技术，并将IEEE 802.11n的信道带宽从20 M 拓宽到了160 M，同时提升了实际频率调制效率的将近10%。最终理论传输速度将由802.11n 最高的600 Mbps 跃升至1 Gbps。同时IEEE 802.11ac 引入多用户MIMO(Multi－user MIMO)技术，使得系统的吞吐量有了质的飞跃。其实际传输率可能在300 Mbps～400 Mbps 之间，接近目前802.11n 实际传输率的3 倍(目前802.11n 无线路由器的实际传输率为75 Mbps～150 Mbps 之间)，完全足以在一条信道上同时传输多路压缩视频流。

此外，802.11ac 还将兼容802.11 现有和即将发布的所有标准和规范，包括即将发布的802.11s 无线网状架构以及802.11u 等。安全性方面，它将完全遵循802.11i 安全标准的所有内容，使得无线Wi－Fi 能够在安全性方面达到企业级用户的需求。同时2015 年以来由中国起草主持的IEEE 802.11aj 利用IEEE 802.11ac 的主要技术，并将其工作频段提升至60 GHz，带宽有了几十倍的增加，其理论传输速率将跃至30 Gbps，这将对人们的日常生活带来全新的改变。

本文重点研究新一代Wi－Fi 的MAC 层技术，结构安排如下:第二部分分析了分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)和增强的分布式信道接入技术(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)的差异，并对MAC 层的帧聚合机制以及应答机制等关键技术进行了研究;第三部分对MAC 层的关键技术进行了仿真和分析;第四部分对全文进行了总结。

1 MAC 层关键技术

1.1 MAC 层接入技术

在一个系统中IEEE 802.11 所有站点共享一个公共无线媒介，MAC 层协议规定了所有的站点(STAs)必须通过几个访问机制来实现，其中IEEE 802.11 标准主要定义了三种接入机制:分布式协调接入(DCF)、点协调功能(Point Coordination Function，PCF)以及分布式的信道接入机制(EDCA)［1］，IEEE 不同MAC 层接入机制如图1 所示。其中DCF是工作于传统无线局域网标准的分布式接入机制，而PCF是工作于无竞争模式下的轮询调度接入机制，这两种机制未定义用户的服务质量要求，EDCA 接入机制是一种带优先级服务质量(Quality of Service，QoS)约束的增强信道接入模式，可以针对不同接入类别(Access Category，AC)的数据流赋予其传输优先级，在一个传输机会(Transmission Opportunity，TXOP)实现多个数据帧的传输，从而解决网络延迟和阻塞等问题。

混合协调功能HCF(Hybrid Coordination Function)以DCF 和PCF 为基础，但是对它们进行了改进。HCF 包括两种信道接入机制，一种是基于竞争的增强分布式信道接入EDCA(enhanced distributed channel access)，另一种是基于非竞争的混合协调控制信道接入HCCA(HCF controlled channel access)。EDCA 适用带有优先级的QoS 业务，HCCA 适用于参数化的QoS 业务。

图1 IEEE 802.11 的MAC 层不同接入机制的结构图

分布道接入是采用一种带碰撞避免的载波侦听CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)技术来实现无线媒体的接入，是IEEE 802.11 MAC 媒体接入的基础。一个STA(站点)在发送之前，首先会对信道进行一个固定时长的侦听，然后评估信道是否可用(CCA)，固定时长即DCF 帧间距(DIFS，DCF inter-frame space)。当评估之后判断媒体空闲，那么该STA 能有媒体并进行一个帧交换。当检测到媒体繁忙时，STA 要等到媒体变为空闲，这时会后延一个DIFS 时长，然后等待一个随即的回退时段。当媒体状态在站点后延的DIFS 以及回退的期间空闲的话，则站点被允许占有媒体进行一个帧交换［3］。因此CSMA/CA 就是通过设置不同STAs 的随机回退时长，来有效的减小站点碰撞的概率，如图2 所示是IEEE802.11 采用的CSMA/CA 的回退过程。

图2 CSMA/CA 回退过程

CSMA/CA 的关键是载波帧听(CS)，DCF 通过虚拟载波侦听和物理载波侦听来判断媒介是否。物理载波监听位于PHY 层，它通过能量检测和带后延的前导码检测判断媒介繁忙还是空闲。虚拟载波侦听位于MAC 层，由MAC 帧头中的“时长/ID”字段中所承载的预定信息，来声明站点对媒体独占接入的时长。一个站点接收到“时长/ID”后，根据它携带的信息设置网络分配矢量NAV(Network allocation vevtor)。处于NAV 期间内，该站点自动认定媒介处于繁忙。只有站点在虚拟载波侦听和物理载波侦听同时认为媒介空闲时，才被允许媒体的接入。

1.2 MAC 层的帧聚合

IEEE 802.11ac 继承了IEEE 802.11n 的两种帧聚合方案，提高了MAC 层的吞吐率。逻辑上这两种不同类型的聚合分别位于MAC 层的顶端与下端。在建立MPDU 时首先在流出方向上对MSDU 进行聚合的方式是MSDU 聚合(A-MSDU)，它位于MAC 层顶端。在流出方向上将多个MPDU 聚合成一个PSDU 的聚合方式是MPDU 聚合(A-MPDU)，它位于MAC 层下端。反向操作定界了MPDU 与MSDU 两种聚合方式。

当来自逻辑链路控制子层(Logic Link Control，LLC)的MAC 数据服务单元(MSDU)拥有相同的通信标识符(TID)，并且向同一个接受端传输时，可以将它们聚合在一起，放入MAC 协议MPDU 中。给每个MSDU 添加三个字段并填充0～3 字节组成A-MSDU 子帧。三个字段分别为DA(目的地址)、SA(源地址)和一个长度。其中DA 和SA 可以不同，但RA(发送地址)和TA(接收地址)必须一样。为了使A-MSDU 子帧能够在32 bits 字长上对齐在后面有0～3 字节的填充字段，将MPDU 头和FCS 校验作为两端，各个A-MSDU 子帧按顺序聚合成一个A-MSDU 帧作为整体便封装成了一个MPDU。在QoS 数据帧、QoS 数据+CF－Poll、QoS 数据+CF－ACK、QoS 数据+CF－ACK+CF－Poll 中可以出现具有一个A-MSDU 的MPDU［4］。

值得一提的是，一个接收端提取出A-MPDU 子帧中分隔符携带的长度信息，进而取出紧随的MPDU，就能判断出A-MPDU 的帧结构。当在传送过程中MPDU 分隔符信息发生了错误，接收端会自行寻找下一个分隔符。通常接收端能重新在真实的分隔符处实现同步。然后接收端就能解析出该MPDU 与后续的MPDU。A-MPDU 帧中各分隔符给系统提供了一定的鲁棒性。所以说即使MPDU 的分隔符被破坏了，A-MPDU 帧也能够将其恢复［5］。

2 提出方案

由于AP 取得信道接入是基于主AC 的，当使用短数据帧来初始化MU-TXOP 时，传统机制对于同样是主AC 的其它STA 来说显然是不公平的，同时也可能造成TXOP 的浪费，降低传输效率。同样是主AC 的站点被轮询时，若AP 用短数据帧只对第一个站点进行轮询未收到反馈的BA 帧，就判定初始化失败显然对其他主AC 站点而言是不公平的，因此本文分析了当第一个站点初始化失败后，对其他主AC 站点进行轮询以提高系统初始化成功的概率，基于主AC 轮询的差错恢复与回退机制如图3 所示［6］。

图3 基于主AC 轮询的差错恢复与回退机制

3 仿真与分析

通过仿真分析发现，在DCF 接入机制下AP 与STAs 竞争到的信道的概率在0.12 左右几乎没有差别，这就不能更好满足不同优先级的用户的需求了，而由图4 在EDCA 下，AP 在对外通信时被分成了四组。在同时的情况下，其优先级不同明显其竞争到信道的概率也是不同的，优先级最高的AC-VO 的竞争概率达到了0.35，AC-VI 为0.27，AC-BE 为0.12，而相同优先级的STAs 的信道竞争率都在0.03 左右。这样就能让优先级更高的用户需求优先传输，从而达到了优化无线接入机制的目的。

如图5 对使用帧聚合后MAC 层相对PHY 层数据速率进行了仿真。从图中可以看出来MAC 吞吐率随着PHY 层数据速率的提高不断增长，当PHY 层速率提高到900 Mbps时，吞吐率的增长开始逐渐变得缓慢下来。一个PHY 层速率为1 Gbps 的160 MHz 8 ×8 系统在MAC 层上吞吐率能够达到350 Mbps，一个PHY 层数据速率为1 Gbps 的160 MHz 8×8 系统吞吐率也能达到840 Mbps。比起未使用帧聚合时吞吐量大大的提高了。

图4 EDCA 下AP 和STA 竞争到信道的概率

图5 使用帧聚合后MAC 层相对PHY 层数据速率的吞吐率

4 结论

本文针对IEEE 802.11ac 的MAC 层的关键技术进行了仿真和分析，通过研究表明新一代Wi-Fi 能够提供更高的传输速率，与IEEE 802.11n 相比采用了最大160 MHz 的带宽发送模式，且引入了多用户MIMO 技术，从本质上有效提高了无线局域网系统的吞吐量。短距离通信作为未来5G 通信系统的主要支撑技术，无线局域网的发展扮演着非常重要的角色，近年来IEEE 802.11 aj 旨在修改IEEE 802.11ac 和IEEE 802.11ad 的物理层和媒介接入控制层(MAC)使其适应中国的毫米波频段59～64 GHz 频段，该标准预计将在2016 年底完成，这些技术的研究将为5G 通信系统的研究奠定良好的理论基础。

［1］Supplement to Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications－ Amendment 8:Medium Access Control (MAC)Quality of Service Enhancements.ANSI/IEEE Std 802.11e－2005，IEEE，November 2005.

［2］Eldad Perahia，Robert Stacey.下一代无线局域网802.11n 的吞吐率、强健性和可靠性［M］.罗训，赵利译.北京:人民邮电出版社，2010.

［3］Bianchi G.Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function［J］.IEEE Journal on Selected in Communications，2000，18(3):535－547.

［4］Baofeng Ji，Kang Song，Chunguo Li，et al.Throughput Enhancement for VHT WLANs Based on Two-Level Network Allocation Vector［C］.Proceedings of the 2012 IEEE Global Teleco-mmunications Conference:Management of Emerg-ing Networks and Services Workshop，2012，1:881－885.

［5］冀保峰，杨绿溪.VHT WLANs 多用户MIMO 传输时OBSS 干扰问题的解决方案研究［J］.信号处理，2013，29(1):44－53.

［6］沈丹萍，沈连丰，吴名，等.基于自适应帧聚合机制的无线局域网吞吐量分析［J］.东南大学学报，2011，41(4):665－671.