IEEE 802.11 MAC层改进技术

IEEE 802.11架构，通常被称为WiFi，被广泛用于实现随时随地的网络连接。随着全球互联互通需求的发展与提升，新的改进措施不断被引入。IEEE 802.11的修正案就是为了提升传统802.11协议的性能，从而实现更高的传输速率，并改善无线通信技术。

这项修正案的主要目标是提升MAC层中的服务质量。通过改进服务质量，IEEE希望能够更有效地满足日益增长的带宽需求。在如今这个时代，高清流媒体播放、在线游戏、远程办公以及物联网设备的不断增加，都导致了前所未有的数据流量需求。因此，提高MAC层的质量显得尤为重要。

在本文中，我们将更深入地探讨这项修正案所引入的改进措施。这些改进涉及物理层通信设计的优化以及MAC层的改进。我们将讨论这些改进如何不仅提升了系统的吞吐量，还使得无线通信系统更加可靠且高效。

IEEE 802.11到底是如何工作的呢？

步骤/步骤1. 数据框的准备工作：

当某个站点想要传输数据时，它会生成一个MAC服务数据单元（MSDU）。这实际上就是该站点希望发送的原始数据。为了确保数据传输的顺利进行以及通信的正常运行，该站点会在MSDU中添加一些特定的头部信息。添加了这些头部信息之后，这个数据单元就被称为MAC协议数据单元（MPDU）了。

步骤2：传输前请等待：

在快速传输MPDU之前，站点会先等待一段被称为“DCF Interframe Space”（DIFS）的时间。这段时间是预先设定的，它确保了介质不会被立即访问，从而降低了发生冲突的可能性。

步骤3：渠道评估：

在采用CSMA/CA协议的情况下，设备会检查传输介质是否处于被使用的状态。如果检测到信道被占用，那么该设备就不会立即进行传输，而是会进入延迟发送阶段。如果信道空闲，那么该设备就可以开始进行传输了。

步骤4：回退程序：

在介质空闲后，各个站点并不会立即再次尝试传输。相反，每个站点会从“争用窗口”中选择一个随机的时间段来等待。这种随机性可以减少多个站点同时传输时发生冲突的概率。在等待时间结束后，站点会再次检测介质是否仍然空闲。

步骤5：数据传输：

如果在延迟时间过后（或者如果信道最初是空闲的，那么就在DIFS之后），该信道被检测为处于空闲状态，那么该电台就会发送其MPDU。

步骤6：致谢流程：

当接收站接收到MPDU后，确认该MPDU是发给自己的且没有错误时，它会等待一个被称为“短帧间隔”的时间段，然后再进行确认。在等待结束后，接收站会向发送方发送ACK帧，以表明MPDU已成功接收。

步骤7：成功的传输：

当发送站接收到ACK帧后，它就知道自己的数据已经成功传输和接收了。这标志着该数据单元的当前DCF周期已经结束。

局限性/限制条件

在整个传输过程中，传输时间被分为以下几个部分：DCF帧间间隔、争用窗口的退避时间，以及物理层的相关时间。协议数据单元PPDU的传输时间、短帧间隔时间以及ACK帧的传输时间。这种机制所涉及的额外开销和等待时间，会导致信道利用率低下，从而限制了数据传输速率。

物理层方面的改进/提升

在物理层方面，802.11n采用了MIMO技术。通过利用多个天线，可以提升数据传输速度或扩大信号覆盖范围。

此外，它还采用了信道合并技术，将旧版802.11标准中的两个20 MHz的信道合并为1个40 MHz的信道，从而提升了数据传输速率。

多输入多输出技术（MIMO）

这种技术能够实现高达600 Mbit/s的数据传输速率，且传输范围也更为广泛。MIMO技术使得设备能够通过多个天线同时进行接收和/或发送操作。802.11n设备的所使用的天线数量越多，其最大数据传输速率也就越高。

空间分复用

在SDM技术中，一个单一的发射信号被分割成多个数据流。这些数据流随后通过不同的天线同时发送出去，但它们仍然处于同一个频率频道内。

时空块编码

在STBC方法中，同一数据的多个副本会通过多个天线发送出去。通过分析这些不同的数据流，即使在存在干扰或信号失真的情况下，接收器也能更准确地识别出原始数据。

通道连接

传统的802.11设备使用的是20MHz的频道。而基于802.11n标准的产品则支持20MHz和40MHz的频道。

在频谱资源有限的情况下，通常会使用20MHz的频道。而40MHz的频道则是由两个相邻的频道组合而成的。这就是所谓的“频道合并”技术，即把某个频率范围内相邻的两个频道合并在一起。这种方式能够提升数据传输速率，同时还能实现双峰值传输效果。

MAC层方面的改进

该修正案引入了三项显著的MAC层改进措施：

帧聚合

该方法是将多个数据帧合并成一个聚合帧。新的802.11n设备可以选择将多个帧合并在一起进行传输。帧的合并可以减少由于帧间间隔和前导码所导致的MAC层开销。同时，这种方法还可以避免因802.11 MAC协议中的退避机制以及冲突而导致的资源浪费。

802.11n支持两种不同类型的聚合方式：

MAC服务数据单元聚合（A-MSDU）

MSDU由以下部分组成：LLC头部（逻辑链接控制）IP头部以及IP数据包的有效载荷。这种技术将多个具有相同802.11 QoS属性的MSDU合并为单个数据包。MAC帧(MPDU)

MAC协议数据单元聚合（A-MPDU）

这种聚合操作发生在为每个MSDU添加MAC头部之后。它将多个MPDU帧合并成一个单独的帧。与A-MSDU不同，所有的MSDU并不都需要指向同一个MAC地址。

块确认

在传统的802.11 MAC协议中，发送到特定地址的每一条数据都会立即得到接收方的确认。

为了减少相关的工作量，802.11n标准引入了“块确认”技术。与单独确认每一条数据不同，该技术将多个确认信息合并为一次响应。这样一来，一个BACK帧就可以确认多个MPDU的接收情况。

反向行驶

反向传输是一种能够加快无线网络中数据交换速度的工具。尤其是在需要数据来回传输的情况下，比如IP语音或TCP通信中，由于TCPAck流的存在，反向传输就显得非常重要了。

其运作方式如下：

• 通常情况下，各个设备会轮流进行数据的发送和接收操作，这可能会降低数据传输的速度。
• 在反向传输的情况下，每当有发送数据的机会时（即所谓的TXOP），通常只是接收数据的设备也可以同时发送自己的数据。
• 想象一下，有一条双向道路，而不是单向车道。这样一来，车辆就可以双向通行，从而让整个流程更加高效且快速。