下一代高效无线局域网技术解析

### 下一代高效无线局域网技术解析 #### 全双工 MAC 方案研究 在无线通信领域，全双工 MAC 方案是一个重要的研究方向。基于 CSMA/CA 的全双工 MAC 方案不断发展，但也面临一些挑战。例如，当主数据包和次数据包长度不同时，IFD 无法解决隐藏终端问题。以图 7 为例，若次传输比主传输短，隐藏终端就不再受抑制。 为解决这一问题，有研究采用了忙音机制。当节点在接收完成前完成发送时，会发送预定义的忙音，直至接收完成；当节点接收到数据包但无数据包要发送时，也会发送忙音。通过两个全双工节点相互传输数据包的简单硬件实现案例表明，所提出的全双工 MAC 方案在数据包接收率、吞吐量和公平性方面优于半双工 MAC 方案。 还有研究提出并实现了全双工物理层（FD - PHY），在此基础上为基于基础设施的 WLAN 开发并实现了全双工 MAC（FD - MAC）方案。为了最大化全双工能力并保证公平性，FD - MAC 采用了以下三种机制： 1. **共享随机退避**：两个通信节点的退避计数器同步，使它们能同时传输，同时允许其他节点在通信节点退避期间访问信道。 2. **监听无线电范围内所有传输的头部**：即使节点在网络分配向量（NAV）期间不进行传输，也能通过监听头部信息来估计本地拓扑结构，发现与自身相关的团或隐藏节点。 3. **虚拟竞争解决机制**：进一步平衡最大化全双工机会和公平性的目标。 目前，基于 IFD 的 MAC 研究仍处于起步阶段。目标 MAC 方案应能够在基础设施和独立 BSS 中最大化全双工能力的优势，支持半双工操作以实现向后兼容，并在所有半双工和全双工 STA 之间保持公平性。此外，采用这种技术还将有助于开发更高效的发射功率控制和干扰缓解方案。 #### 增强访问类别 高效无线局域网（HEWs）的目标是在密集室内和密集室外环境中满足各种应用的 QoS 要求，同时降低功耗。在 HEWs 中，由于 DCF 方案，STA 的平均吞吐量会随着 AP 服务的 STA 数量增加和信道条件变差而降低。前者是由于传输冲突增加，后者是因为信道较弱的 STA 数据传输时间较长。 为满足 STA 的 QoS 要求，以前的 WLAN 标准提供了基本的访问类别（AC）方案和增强的 DCF 方案，即增强分布式信道访问（EDCA）。在 AC 方案中，STA 根据从其最小物理层速率计算出的介质时间被接受或拒绝。然而，这种 AC 方案效率低下，因为计算介质时间会导致信道利用率不足。此外，基于 AC 的 EDCA 无法保证实时语音和视频服务的严格 QoS 要求。 因此，人们提出了其他 AC 方案和对 EDCA 的进一步改进。但这些方案都未针对室外密集 WLAN 部署进行设计。在这种部署场景中，多个 AP 共存，无线信道快速变化，相邻 AP 会利用所有 WLAN 频率信道。所以，需要开发基于这些特性的高级 AC 和动态切换方案，以实现强大且最优的吞吐量和 QoS 性能。 #### 空间频率复用 重叠基本服务集（OBSS）是 HEW 旨在解决的主要问题之一，因为高密度 WiFi 网络部署是 HEW 的目标场景之一。直观地说，提高空间复用可以有效缓解 OBSS 问题。空间复用在相关文献中已得到广泛研究，下面介绍两种改进空间复用的方法：增强空闲信道评估（CCA）和发射功率控制（TPC）。 ##### 增强空闲信道评估 CCA 是 WiFi 用于确定无线介质当前使用状态的功能，在 IEEE 802.11 - 2007 标准中进行了定义。CCA 有两个功能：载波感知（CCA - CS）和能量检测（CCA - ED）。前者用于接收器检测和解码 WiFi 前导码，后者用于检测非 WiFi 能量。如果在 STA 检测到高于 CCA - CS 水平（或 CCA - CS 阈值）的 WiFi 信号，或高于 CCA - ED 水平（或 CCA - ED 阈值）的非 WiFi 信号，则表明无线介质当前被其他 STA 或非 WiFi 设备占用，STA 必须停止传输以避免冲突。 IEEE 802.11 - 2007 标准中定义的 CCA 水平相对较低，这可以保证 WLAN 的大范围覆盖，最小化干扰（低于 CCA 水平的信号被视为噪声），并缓解隐藏终端问题。在低密度 WiFi 环境中，结合适当的 AP 信道选择算法，这种设置效果良好。然而，在 HEW 中，BSS 部署密集，OBSS 非常普遍。因此，在 HEW 中，较低的 CCA 水平会导致正在进行的传输阻止附近 BSS 的许多 STA 进行