IEEE802.11与LTE在非授权频谱中的运行原理及解决方案

### IEEE 802.11与LTE在非授权频谱中的运行原理及解决方案 #### 1. IEEE 802.11运行原理 IEEE 802.11标准家族是由IEEE 802局域网/城域网标准委员会开发的一组无线局域网无线电接入技术。这些标准定义了基于载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的非同步基于竞争的多址接入方案。 ##### 1.1 CSMA/CA机制 - **基本规则**：Wi-Fi采用分散式方法启动不同设备的传输，规则是“先听后说”，若传输发生冲突，则随机等待一段时间后重试。 - **传输流程**：当Wi-Fi设备要开始传输时，会先感知介质并进行空闲信道评估（CCA）。若检测到信道在分布式帧间间隔（DIFS）内空闲，则开始传输；否则，设备会在0到16（IEEE 802.11b/g为0到32）之间随机抽取一个数，启动计数器，在信道繁忙时推迟传输。当计数器归零时，设备开始传输。若传输失败（通过未收到接收方的ACK检测），则再次随机抽取退避数并重复该过程，每次退避时随机计数器的值会翻倍，如16、32、64等。 ```mermaid graph TD A[设备准备传输] --> B{信道空闲？} B -- 是 --> C{空闲时长达到DIFS？} C -- 是 --> D[开始传输] C -- 否 --> B B -- 否 --> E[随机抽取退避数，启动计数器] E --> F{计数器归零？} F -- 是 --> D F -- 否 --> G{信道空闲？} G -- 是 --> F G -- 否 --> E D --> H{收到ACK？} H -- 是 --> I[传输成功] H -- 否 --> J[随机抽取退避数，重复过程] ``` ##### 1.2 分布式协调功能（DCF） 大多数在非授权频谱中运行的无线系统采用CSMA作为信道接入的基础，其中最常用的介质访问机制是基于CSMA/CA的分布式协调功能（DCF）。 - **节点传输规则**：发送节点感知信道，若信道在DCF帧间间隔（DIFS）内空闲，则开始传输；否则，继续监测信道直到空闲时长达到DIFS。此时，节点会生成一个在竞争窗口（CW）内均匀分布的随机退避计时器，以避免潜在冲突。退避计时器在信道空闲时递减，检测到传输时冻结，信道空闲DIFS时间后重新激活。节点在退避计时器到期前不进行传输。 - **特点**：DCF机制试图确保任何时候信道中只有一个传输，且每个节点能公平共享信道，但不保证每个节点在特定时间的信道使用，反映了非授权频谱通信的随机和竞争性质，在非授权操作中难以实现可靠服务和高效资源利用。 ##### 1.3 IEEE 802.11帧结构 通用的IEEE 802.11帧结构由一组前导码（新前导码和旧前导码）、信号字段和多个数据符号组成。 - **前导码**：是一种特殊波形，用于信号识别、自动增益控制（AGC）调整、定时和频率同步以及信道估计。前导码特别适合用于信道活动检测，因为波形检测比基于能量检测的CCA敏感10 - 20 dB，且对于接收器同步到传入帧至关重要。 - **信号符号**：前导码之后的信号符号包含调制和编码方案以及后续携带MAC PDU的数据符号的总字节数等信息。根据有效载荷不同，帧可以很短（如ACK帧）或很长（如用户流量的数据帧）。每个IEEE 802.11 MAC PDU包含一个传输持续时间字段，用于通知相邻节点当前突发的介质占用时间。 #### 2. IEEE 802.11网络架构和物理层特性 ##### 2.1 网络架构类型 IEEE 802.11支持两种网络架构类型，即基础设施模式和自组织模式。基本服务集（BSS）是IEEE 802.11网络的基本构建块，自组织网络中站点的直接关联形成独立BSS（IBSS），多个BSS通过分布式系统互连形成扩展服务集。 ##### 2.2 物理层特性 IEEE 802.11规范为无线局域网定义了多个物理层和一个通用的MAC层，该标准家族使用2.4、5和60 GHz的非授权频谱进行操作。其技术从第一代的直接序列扩频（DSSS）和互补码键控（CCK）发展到最新一代的正交频分复用（OFDM）波形，结合先进的编码和调制技术以及空分复用（SDM）多天线方案，根据信道条件，可在短距离内提供超过每秒数吉比特的数据速率。 | 标准 | 频率（GHz） | 带宽（MHz） | 传输方案 | 最高阶调制 | 编码速率 | 空间流 | 峰值数据速率（Mbps） | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 802.11 | 2.4 | 25 | DSSS | - | 卷积编码，编码速率1/2、2/3、3/4和5/6 | 1 | 1、2 | | 802.11b | 2.4 | 25 | DSSS/CCK | - | - | 1 | 1 - 11 | | 802.11a | 5 | 20 | OFDM | 64QAM | - | 1 | 6 - 54 | | 802.11g | 2.4 | 25 | OFDM、DSSS/CCK | 64QAM | - | 1 | 1 - 54 | | 802.11n | 2.4和5 | 20、40 | OFDM/SDM | 64QAM | - | 1 - 4 | 6.5 - 600 | | 802.11ac | 5 | 20、40、80、160 | OFDM/SDM/MU - MIMO | 256QAM | - | 1 - 8 | 433（80 MHz和1个空间流）<br>6933（160 MHz和8个空间流） | | 802.11ad | 60 | 2160 | OFDM | 256QAM | - | 1 | 最高6912 | | 802.11ax | 2.4和5