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1、802.11n 无线帧聚合介绍 目录1、引言22、802.11n MAC帧格式23、802.11n帧聚合概述24、A-MSDU聚合简介45、A-MPDU聚合简介56、Block Ack 块确认87、802.11n帧聚合的意义91、引言1997年6月，美国电气电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE）制定了全球第一个无线局域网标准IEEE 802.11。其后IEEE又相继推出了IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g等标准。随着Internet 业务的高速增长，实时业务和多媒体
2、应用的不断增加，对网络的带宽、QoS 可扩展性也提出了更高要求。为了解决上述问题，下一代无线局域网IEEE 802.11n 应运而生。2003年，IEEE启动802.11n 标准的制订工作,此后很多厂家都参与到其中, 逐渐形成了全球信道效率联盟(WWiSE)和TGn Synch两大阵营,它们各自向IEEE 提出了自己的标准。在2005 年10 月,两大阵营基于共同的利益达成和解,并于2007 年2 月发布了802.11n的2.0草案。IEEE 802.11n 使无线通信的可靠性、速度与范围都得到了显著改进。802.11n任务组的速率指标是大于或等于100Mb/s，目前已经达到的速率是150Mb
3、/s,甚至可以高达300 Mb/s和600 Mb/s。为了提高WLAN的吞吐能力，IEEE 802.11n 标准在物理层和MAC层都采用了多种措施。MAC层采用的帧聚合技术就是提高吞吐量的有效方法。2、802.11n MAC帧格式为了提升整个网络的吞吐量，IEEE 802.11系列标准使用了复杂的MAC协议，也使用了相当复杂的MAC帧。802.11n标准是对802.11标准的改进，其MAC帧通用格式如图所示： 如图2.1所示，在802.11n 的协议当中,MAC Header包含如下字段：Frame Control（帧控制字段）、Duration/ID（持续时间字段）、Address1-Add
4、ress4（地址字段）以及可选的Sequence Control（序列控制字段）、QoS Control(Qos控制字段)和HT control(高吞吐量控制字段)。其中QoS控制字段为802.11e新增控制字段，仅用于支持QoS数据的传输。高吞吐量控制( HT Cont rol)是802.11n新增控制字段，仅用于支持11n模式下大吞吐量工作站之间的数据传输。在802.11n的基本MAC协议中，为了确保各个站都能公平地取得媒质使用机会并尽量避免冲突，使用了一系列控制机制。这些机制在提高系统性能的同时也带来了固定开销，而这些开销则限制了系统吞吐量的提高。一般来说，对于MAC层，这些固定开销包括
5、:MAC头、各种类型IFS、RTS/CTS、ACK、Backoff等。3、帧聚合概述为了减少开销，802.11n提出帧汇聚技术。帧汇聚即把两个以上帧组合成一个帧进行传输。从而可以达到简化了帧的结构,去除了以往协议帧之间的帧间间隔和竞争时间，从而提高了MAC层的吞吐量。802.11n提供两种帧汇聚方法：MAC服务数据单元（MSDUMac Service Data Units）汇聚及信息协议数据单元（MPDUMessage Protocol Data Unit）汇聚。 因为多个帧以单个进行传输，潜在冲突时间及回退时间大大减少。为了容纳这些大的汇聚帧，802.11n最大帧长度也从4KB提高到64KB
6、。 在传输双方在协商是否使用到帧聚合的格式，在管理帧中Beacon（信标）、Probe request（探测请求）、Probe response（探测响应）、Association request（关联请求）、Association response（关联响应）中HT信息里的A-MPDU参数字段，用于告知对方本端设备可支持802.11n帧聚合传输。Maximum Rx A-MPDU Size：指出站点可接收的最大长度的A-mpdu数据包，值可取03，可接收最大A -mpdu的长度为Minimum MPDU Start spacing：指出站点可接收的在一个A-mpdu中相邻两个mpdu子帧发送
7、的最小时间间隔，值可取07，含义如下所示。 在具体对帧聚合的两种聚合方式介绍之前，通过下面的图示，大家可大致了解帧聚合实现的过程。在进入MAC处理过程之前，所有的报文都以MSDU形式存在，经过MAC层处理之后，MSDU转换成MPDU。A-MSDU在进入MAC层之前完成聚合，而A-MPDU在MAC层之后完成聚合。4、A-MSDU: MAC服务数据单元（MSDU）汇聚 802.11 协议栈收集一定数量的上层MSDU报文，先将其聚合，再转化为 802.11 MAC 帧，即为 MSDU 聚合。 A-MSDU帧格式如下：一个A-MSDU由多个A-MSDU子帧所构成，每个A-MSDU子帧包括A-MSDU子
8、帧头、可变长度的MSDU字段和0-3个字节的填充字段Padding。每个A-MSDU子帧（除了最后一个）都被填充为4个字节的整数倍。最后一个A-MSDU子帧没有填充字段。A-MSDU子帧头仅仅包含了三部分：目的站点地址（Destination Address ，DA），源站点地址（Source Address ，SA)和长度(Length)。A-MSDU子帧头的目的站点地址和源站点地址部分字段的值分别对应的mac地址。长度字段包含了MSDU的长度（以字节为单位）。由于聚合后的MSDU子帧没有独立的802.11 MAC帧头，这就要求所聚合的子帧的 SA和DA所映射的TA和RA是相同的，即所聚合的
9、帧由同一个无线端发送，由同一个无线端接收。聚合后，所有的子帧都会采用统一的加密方式，而且经聚合的帧将只能具备一种 QoS 属性，不允许将不同QoS 属性的帧聚合。A-MSDU的传送也存在许多限制。STA不能传送A-MSDU到不接收高速率传送的STA，即不接收包含HT Control字段的MAC帧的STA。如果一个STA的A-MSDU的长度超过了其对等实体所能接收的最大A-MSDU长度，则这个STA不能向此对等实体发送此A-MSDU聚合帧。Maximum A-MSDU Length：定义了最大可支持的A-MSDU的长度。当值为0，可支持 最大长度为3839字节；当值为1，可支持长度为7935字节
10、。 局限性： A一MSDU只适合用于较小的MSDU的聚合，由于当聚合帧较长，只有一个FCS，所以A一MSDU的传输可靠性较差。聚合A-MSDU的缺点在高误码率的信道中表现明显。所有的MSDU被聚合为一个MPDU, 只被分配一个MAC的序列号, 若有一个MSDU子帧在传输过程中出现错误, 整个A-MSDU将会被重传。5、A-MPDU: MAC协议数据单位（MPDU）汇聚 MPDU 帧聚合是更低层次的聚合，802.11 协议栈首先收集一定数量的 802.11 MAC帧，再将其进行聚合后打上PHY 标头进行传输。MPDU 聚合帧中的每个子帧均具有完整的802.11 MAC帧头。与MSDU 类似，MP
11、DU 要求所有的成分帧具有一样的 QoS 等级。MPDU 的每一个成分帧有一个额外的802.11 帧头，在这一点上 MPDU 不如 MSDU 高效。这种对比在 MPDU 使用加密的时候变得更加明显，因为MPDU 在每一个成分帧上都加上了开销，而 MSDU 仅仅对一个汇聚帧加密，仅有单个开销。如上图所示，一个A-MPDU由一个或多个A-MPDU子帧所构成。每个A-MPDU子帧由MPDU Delimiter（MPDU分界符）和MPDU实体组成。对于一个A-MPDU，除了最后一个A-MPDU子帧以外，其它A-MPDU子帧都会添加0-3个字节的填充字段，使子帧长度成为4字节的整数倍。对于一个A-MPD
12、U中的所有MPDU，其MAC帧的Duration/ID字段都是相同的值。如果组成A-MPDU的MPDU子帧的最大长度为4095个字节，一个STA能传送长度为7935个字节的A-MSDU，那么此STA传送的组成一个A-MPDU的A-MSDU将被限制，从而使A-MSDU中的MPDU的长度小于4095个字节。MPDU分界符的长度为4个字节。其格式与说明如表所示：MPDU分界符字段长度(bits)内容描述保留4无MPDU长度12MPDU的长度(以字节为单位)CRC8用于循环冗余机冲校检特定模式字段8当扫描分界符时,用于监测一个MPDU分界符表3.2.1 MPDU分界符字段MPDU分界符的目的是强制性的
13、将聚合帧里的每个MPDU分开。强制的原因是因为当一个或多个MPDU分界符接收错误时，聚合帧的结构通常会被重新覆盖。每一个分界符与周围的MPDU具有相同的误码率，所以也会丢失。对于一个聚合帧里的所有MPDU，MAC帧头里的持续时间域取值相同。注意，一个MPDU长度为零，它的分界符依然有效。这样可以填充到MPDU之间满足MPDU密度的限制要求或加在A一MPDU的最后。6、Block Ack 块确认为保证数据传输的可靠性，802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以ACK帧。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，因此同样针对每一个MPDU发送应答
14、帧。Block Acknowledgement通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。通过ADDBA Request/ADDBA Response可以建立BlockAck的过程。流程如下： 通过ADDBA Request/Response报文协商建立Block ACK协定。 协商完成后，发送方可以发送有限多个QoS数据报文，接收方会保留这些数据报文的接收状态，待收到发送方的BlockAckReq报文后，接收方则回应以BlockAck报文来对之前接收到的多个数据报文做一次性回复。 通过DELBA Request报文来撤消一个已经建立的Block Ack协定。 对于BlockAck的确认分即时确认与延时确认两种。对于即时确认一般由硬件完成，
