6.3 IEEE 802.11标准家族

6.3.1 IEEE 802.11

1997年6月，IEEE推出了第一代WLAN标准——IEEE 802.11（1997版），随后在1999年推出了新的IEEE 802.11（1999版）。该标准定义了物理层和媒介访问控制子层（MAC）的技术规范，允许WLAN及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。任何LAN应用、网络操作系统或协议（包括TCP/IP和Novell NetWare）在遵守IEEE 802.11标准的无线WLAN上运行时，就像它们运行在以太网上一样容易。

IEEE 802.11在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法，定义了两种无线电射频（RF）传输方式和一种红外线传输方式。其中，RF传输标准包括直接序列扩频技术（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）和跳频扩频技术（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）。DSSS采用一个长度为11位的Barker序列来对以无线方式发送的数据进行编码。每个Barker序列表示一个二进制数据位（1或0），并被转换成可以通过无线方式发送的波形信号。这些波形信号如果使用二进制相移键控（BPSK）调制技术，可以以1Mb/s的速率进行发射；如果使用正交相移键控（QPSK）调制技术，发射速率可以达到2Mb/s。FHSS利用GFSK二进制或四进制调制方式可以达到2Mb/s的工作速率。

由于在无线网络中碰撞检测较困难，IEEE 802.11规定媒介访问控制（MAC）子层采用碰撞回避（CA）协议，而不是碰撞检测（CD）协议。为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序争用信道，WLAN采用与以太网CSMA/CD相类似的CSMA/CA（载波侦听多址访问／碰撞回避）协议。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送数据，实现了网络系统的集中控制。因传输媒介不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测3种检测信道空闲的方式。

6.3.2 IEEE 802.11b

由于现行的以太网技术可以实现10Mb/s、100Mb/s乃至1000Mb/s等不同速率以太网络之间的兼容，为了支持更高的数据传输速率，IEEE于1999年9月批准了IEEE 802.11b标准。IEEE 802.11b标准对IEEE 802.11标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在IEEE 802.11的基础上增加了两种更高的通信速率——5.5Mb/s和11Mb/s。因此，有了IEEE 802.11b标准之后，移动用户将可以得到以太网级的网络性能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种LAN技术集成起来，形成一种能够最大限度地满足用户需求的网络。IEEE 802.11b的基本结构、特性和服务仍然由最初的IEEE 802.11标准定义。IEEE 802.11b技术规范只影响IEEE 802.11标准的物理层，它提供了更高的数据传输速率和更牢固的连接。

IEEE 802.11b可以支持两种速率——5.5Mb/s和11Mb/s。要做到这一点，就需要选择DSSS作为该标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违反FCC规定的前提下，采用跳频扩频技术无法支持更高的速率。这意味着IEEE 802.11b系统可以与速率为1Mb/s和2Mb/s的IEEE 802.11 DSSS系统兼容，但无法与速率为1Mb/s和2Mb/s的IEEE 802.11 FHSS系统兼容。

为了增加数据通信速率，IEEE 802.11b标准不是使用11位长的Barker序列，而是采用了补充编码键控（CCK），CCK由64个8位长的码字组成。作为一个整体，这些码字具有自己独特的数据特性，即使在出现严重噪声和多径干扰的情况下，接收方也能够正确地予以区别。IEEE 802.11b规定在速率为5.5Mb/s时使用CCK，对每个载波进行4位编码；而当速率为11Mb/s时，对每个载波进行8位编码。这两种速率都是用QPSK作为调制技术。

6.3.3 IEEE 802.11a

IEEE 802.11a标准是已在办公室、家庭、宾馆和机场等众多场合得到广泛应用的IEEE 802.11b标准的后续标准。IEEE 802.11a工作在5GHz U-NII频带，物理层速率可达54Mb/s，传输层可达25Mb/s。IEEE 802.11a选择具有能有效降低多径衰落影响与有效使用频率的正交频分复用（OFDM）作为调制技术，可提供25Mb/s的无线ATM接口和10Mb/s的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口；支持语音、数据和图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。

尽管IEEE 802.11a的MAC层和IEEE 802.11b的MAC层很相似，但是这两个标准的物理层却有很大差别。IEEE 802.11b协议使用DSSS方式进行调制，而IEEE 802.11a协议则采用OFDM技术进行调制。OFDM技术将20MHz的高速率数据传输信道分解成52个平行传输的低速率子信道，用其中的48个子信道来传输数据，其余的4个保留信道用于进行差错控制。由于这些子载波相互之间是彼此独立的，同时这些子载波之间又处于正交方式，因此，它们可以比标准的频分复用更加紧密地被放在一起，可以更有效地节省频带，提高频带利用率，这些优势都应该归功于OFDM频谱利用效率比较高。OFDM技术可以提高数据传输速率并改进信号的质量，还可克服干扰。它的基本原理是把高速的数据流分成许多速率较低的数据流，然后它们将同时在多个负载波频率上进行传输。由于低速的平行负载波频率会增加波形的持续时间，所以多路延迟传播对时间扩散的影响将会减小。通过在每个OFDM波形上引入一个警戒时间几乎可以完全消除波形间的干扰。在警戒时间内，OFDM波形会通过循环扩展来避免载波干扰问题。IEEE 802.11b中的扩频技术必须以DSSS方式发送信号，而OFDM技术则不同，这种技术可以对无线信道进行重新规划，将其分成以低数据速率并行传输的分频率，然后OFDM技术可以把这些频率一起放回到接收端。这一方法可大大提升无线局域网的速度和整体信号的质量。

IEEE 802.11a标准的数据传输速率与高速以太网的相比，能够达到54Mb/s，而IEEE 802.11b只能达到11Mb/s。宽带对于频段的消耗也降低了，IEEE 802.11a协议试图通过使用更有效的数据编码方案和增强措施将信号发送到一个更高的频段上，通过这个方法来解决数据传输距离问题。

6.3.4 IEEE 802.11g

IEEE 802.11a与IEEE 802.11b两个标准都存在各自的优缺点，IEEE 802.11b的优势在于价格低廉，但是基于该标准的无线局域网数据传输速率比较低。IEEE 802.11a标准与IEEE 802.11b完全相反，其优势在于数据传输速率快，受到的干扰少，但是价格昂贵。在2.4GHz的频段范围内，IEEE 802.11b标准的数据传输速率比IEEE 802.11标准的无线局域网数据传输速率要高，已安装2.4GHz的无线局域网基础设施和市场对高速率数据传输的需求促成了2000年3月成立的高速IEEE 802.11b工作组，该工作组的工作又导致了同年9月份IEEE 802.11g学习组的组建。IEEE 802.11g学习组的任务是创建适合2.4GHz 22Mb/s数据率的标准。在没有更多带宽或不同频率的情形下，可以通过使用更多成熟的调制技术来达到这一点。IEEE 802.11g标准有两个有利因素：一是随着无线用户的快速增加，无线用户需要使用价格比较低廉同时数据传输率较高的无线产品，而IEEE 802.11g同时满足这两个要求；二是IEEE 802.11g标准能满足无线网络用户升级的要求。因为IEEE 802.11g不但使用了OFDM调制，同时仍然保留了IEEE 802.11b中的调制方式，而且它运行在2.4GHz频段。所以，IEEE 802.11g可向下兼容IEEE 802.11b。它的优势包括运行速度快，传输距离远，兼容性好，多传输速率选择等。然而它与IEEE 802.11b相似，仍存在信道干扰和信道受限等缺点。

6.3.5 IEEE 802.11n

IEEE 802.11n的PHY数据速率相对于802.11a和802.11g有显著的增长，这主要归功于使用MIMO进行空分复用以及40MHz运行。为了利用这些技术所提供的高得多的数据速率，对MAC的效率也通过帧聚合和增强块确认协议进行了提升。这些特性叠加在一起，提供了802.11n相对于802.11a和802.11g所能达到的吞吐率提升的绝大部分。

多个天线的使用提供了更大的空间分集，从而在根本上改善了强健性。作为PHY可选项的空时块编码（STBC）进一步提高了强健性。同样做出贡献的还有快速链路适应，一种用于快速跟踪信道情况改变的机制。802.11n采用了形式为低密度奇偶校验（LDPC）码的更为强健的信道码。标准修订还引入了传输波束成型，该技术对PHY和MAC都做出了增强以进一步改善强健性。

其他一系列的增强提供了很多好处。在PHY中，这些增强包括可以在某些特定信道状况下使用的更短保护区间。PHY还包含了比强制的混合格式前导码更短的绿野（greenfield format）前导码。然而，与混合模式不同的是，绿野前导码不能在没有MAC保护的情况下与现有的802.11a和802.11g设备后向兼容。在MAC中，逆向协议为一些特定的通信模式提供了性能上的改善。这是通过允许站点把分配给它但没有被用上的传输机会转让给其远端的对应站点，从而减少整体信道接入的系统开销。在发送突发帧时使用精简帧间距（RIFS），与现有的短帧间距（SIFS）相比可以减少系统开销。

图6-1综述了802.11n PHY的强制特征和可选特征，其中，“空间流”指的是天线所发送的一个或多个独立数据流。图6-2给出了802.11n中MAC所增加特性的综述。除了已经提到的吞吐率和强健性的增强特性，MAC功能也在许多其他方面进行了扩展。

802.11n中众多的可选功能意味着它需要使用许多设备能力信令以确保共存性和互操作性。举例来说，一个设备是否支持特定的PHY特性（例如，绿野前导码）或MAC特性（例如，参与逆向协议交换）。

40MHz操作的存在也带来很多共存性问题。AP需要管理40MHz BSS以使40MHz和20MHz（包括传统与高吞吐率）的设备能够与BSS相关联并且运行。因为40MHz运行使用两个20MHz信道，需要一些机制缓减对附近独立使用这些20MHz信道的BSS的影响。共存性主要是靠仔细的信道选择来实现，也就是说，选择一对很少有或者是没有临近BSS变得活跃时，将BSS迁移到另一个信道对的能力。如果不能避免邻近BSS，则可以使用一个称为分相共存运行（PCO）的应变技术。这允许BSS在20MHz信道和40MHz信道之间交替运行。当在两个20MHz信道上的帧交换告诉其上运行的设备停止活动后，BSS即进入到40MHz信道上。

最后因为认识到手持设备日益增长的重要性，一个称为节能多询（PSMP）的信道调度技术被加入到802.11n，以有效地支持数量众多的站点。

6.3.6 IEEE 802.11ac

802.11n技术可以使当今WLAN达到300Mb/s，未来将可以实现600Mb/s。不过，802.11工作组想要实现1Gb/s的高吞吐量。在研究了获得千兆网速的几种方案后，802.11无线工作组最终制定了未来实现无线千兆网速的两个标准：802.11ac和802.11ad。

适合高清视频的Wi-Fi无线网络IEEE 802.11ac是下一代Wi-Fi无线标准。目前的Wi-Fi标准IEEE 802.11n在2009年获准使用，并且现阶段的IEEE 802.11n标准已经可以支持每路射频高达450Mb/s的速率。IEEE 802.11ac标准构筑在IEEE 802.11n协议之上，但无线速率可以达到千兆每秒，几乎是IEEE 802.11n协议三倍的速度。它的主要特征如下。

（1）更大的信道带宽。在原有20MHz和40MHz信道基础上，支持80MHz和160MHz信道。

（2）更高的数据传输能力。在80MHz信道下，最高传输速率接近3.5Gb/s；若采用160MHz信道，最高传输速率将接近7Gb/s。

（3）采用MIMO-OFDM作为主要传输技术，支持最大8×8的天线配置，支持1~8个空间流，支持空间复用、STBC、下行MU-MIMO和发射波束赋形，支持信道探测技术，支持采用循环移位分集。

（4）采用增强的调制编码方案（MCS），可选支持256QAM。

802.11ac预示着家庭视频产品的到来，从而让大家能像今天观看现代电视那样轻松地享受Web视频流。802.11ac最广泛的用途是在家中通过无线传输高清视频，其中一种情形是利用802.11ac技术来给多台电视机播放高清视频，另外一种场景是利用802.11ac把高清视频流从一个移动终端发送到一台电视机上。

6.3.7 IEEE 802.11ad

802.11ad的出现针对的是多路高清视频和无损音频超过1Gb/s的速率要求，它用于实现家庭内部无线高清音视频信号的传输，为家庭多媒体应用带来更完备的高清视频解决方案。802.11ad抛弃了拥挤的2.4GHz和5GHz频段，而是使用高频载波的60GHz频谱。由于60GHz频谱在大多数国家有大段的频率可供使用，因此，802.11ad可以在MIMO技术的支持下实现多信道的同时传输，而每个信道的传输带宽都将超过1Gb/s。虽然说802.11ad无线传输速率能达到7Gb/s，但是，802.11ad也面临技术上的限制。例如，60GHz载波的穿透力很差，而且在空气中信号衰减很厉害，其传输距离、信号覆盖范围都受到影响，这使得它的有效连接只能局限在一个很小的范围内。在理想的状态下，802.11ad最适合被用来作为房间内各个设备之间高速无线传输的通道。几种802.11协议的对比如表6-1所示。

安全问题是无线局域网（WLAN、Wi-Fi）网络中一个很重要的问题。早期版本的IEEE 802.11无线局域网标准有一个特定的安全架构，称为有线等效保密（Wired Equivalent Privacy，WEP）。顾名思义，WEP的目标是无线局域网至少要和有线局域网的安全性相当。例如，如果一个攻击者希望连接一个有线以太网，需要物理上接入集线器，然而集线器通常锁在房间里，所以很难办到。但是对无线局域网而言攻击者就很容易了，因为此时接入网络不需要从物理上接入任何设备。WEP的目的是希望增加攻击无线局域网的难度，使其难度与攻击有线局域网的难度相当。不幸的是，WEP没有达到这一目的。为了应对这种局面，IEEE后来提出了无线局域网的一种新的安全架构，称为IEEE 802.11i，同时，中国提出了首个国际安全标准WAPI。

6.3.8 IEEE 802.11aa

IEEE 802.11aa为音频和视频传输流的可靠流协议。该协议增强了用于大的音频和视频流传输的IEEE 802.11媒体访问控制（MAC），同时保持与其他类型的业务共存。802.11aa为IEEE信息技术标准，具体控制本地和城域网系统之间的电信和信息交换。对以下两部分做出具体的要求：①无线局域网媒体访问控制和物理层（PHY）规范修订；②大的音频和视频流的媒体访问控制（MAC）增强。

随着IEEE 802.11的出现，网络不断扩大以及具有较高计算能力和显示功能的移动设备用户数量的增多，用户对视频应用的依赖性逐渐增强，如流媒体和视频会议等。视频应用正在迅速成为互联网流量的主要来源。这对于传统的IEEE 802.11无线网络的性能产生了巨大的压力和挑战。第一代IEEE 802.11无线局域网标准无法处理高效的视频传输，因为带宽对于视频应用的需求来说太小，并且只能支持尽可能多的服务，这对于视频传输的QoS约束是不可接受的。IEEE 802.11n的改进带来了足够的带宽，以适应视频传输所需的流量。然而，为了最终向用户提供令人满意的可靠和高性能体验，还有一些困难需要克服。传统IEEE 802.11提供的多播机制是不可靠的，并且不能提供用于传输视频流的必要QoS。此外，较新标准的EDCA通道访问功能需要改进以支持在视频流之间的差异化。802.11标准需要与IEEE网络中音频流和视频流的802.1AVB标准兼容。

IEEE 802.11aa任务组对802.11介质访问控制（MAC）子层进行了修改，该子层指定了一组对该标准的增强。这些修改使得音频流和视频流能够以鲁棒性和可靠性传输成为可能，同时允许其他类型的流量和平共存。修正案中提供的主要服务如下。

（1）改善IEEE 802.11的组播／广播机制，以提供更好的链路可靠性和低抖动特性。

（2）提供一种减轻重叠BSS环境影响的方法，以提供更强的鲁棒性且无须集中管理。

（3）具有在属于同一EDCA访问类别的不同视频传输流之间确定优先级的能力。

（4）当通道容量不足时，在不需要深度的数据包检查情况下实现数据包丢弃，使得视频流以较好的方式降级。

（5）与IEEE 802.1AVB（802.1Qat、802.1Qav、802.1AS）为多媒体流传输定义的相关机制的兼容性。

IEEE 802.11aa修订提供了如下4种解决方案。

1．集团传输业务（GATS）

为了提供可靠的组播，IEEE 802.11aa修改规定了STA要求更大的组接收传输服务可靠性的群组寻址流。除了传统的No-Ack/No-Retry组播之外，该服务还提供3种机制。特定流的利用策略可以稍后动态更改。当使用AP设置流到多播组时，站可以请求使用3种策略中的任何一种策略。

2．流分类服务（SCS）

流分类服务旨在涵盖IEEE 802.11aa修订范围内的两个目标：需要区分相同访问类别中的独立流，并且需要在带宽短缺的情况下允许流合理恰当退化。

3．重叠的基本服务集

由IEEE 802.11aa任务组选择的管理重叠BSS情况的方法是为相邻AP提供分散机制，以交换每个BSS中QoS依赖流量负载的信息。该信息可以用于更有效的信道选择，并且如果BSS需要共享一个信道，则它允许AP进行合作并作为一个较大的QoS感知网络工作，公平地分享无线介质。修改定义了新的QLoad信息元素，可以由AP使用它来向其相邻的AP通知其QoS流量负载。这包括关于AP重叠的BSS的数量，AP的自身BSS中的QoS业务负载以及重叠BSS的总QoS流量负载的信息。AP监控其自己的BSS中的接纳流量，并使用其流量用于计算自身QoS流量负载的值的规范。它还计算其知道的所有相邻网络的QoS流量负载的总和。此信息有助于避免邻域捕获问题。IEEE 802.11aa修正案还定义了一组控制帧，可以由AP使用HCCA功能来通知其相邻AP的TXOP分配时间表。其他AP可以使用此信息安排自己的TXOP，以避免已经安排的消息，并确保在接收新的业务流时可用的时间。

4．与IEEE 802.1AVB互通

IEEE 802.1音频／视频桥接任务组制定了一套标准，这些标准将通过异构的802网络为时间敏感的流量提供高质量和低延迟的流传输。特别地，IEEE 802.1Qat修正指定了流预留协议（SRP），其用于在终端站之间的整个网络路径上预留网络资源，以保证跨网络的数据流的传输和接收所要求的服务质量。SRP定义了一组信号机制，可以由流源（称为Talker）使用它来通告其可用的流，并定义要求的资源，或者目的地（称为监听器）请求一个它想要接收的特定流。中间节点检查所需资源的可用性，并将正或负请求传播到下一个节点。当一个Talker和一个监听器对同一个流的一个积极的请求已被中间节点接收，它分配所需的资源，并且流传输开始。IEEE 802.11aa任务组与AVB任务组紧密合作，以使IEEE 802.11网络与SRP兼容。

IEEE 802.11aa修订为通过IEEE 802.11无线局域网的视频流传输提供了基础。它提供了一组机制，如多个多播策略、流分类服务和QLoad信息元素，但它们的使用对实现是开放性的。根据情况和其参数的设定，选择适当的机制是今后研究的重大课题。

6.3.9 IEEE 802.11af

IEEE 802.11af标准又称为超级Wi-Fi、White-Fi标准，它采用认知无线电的原理，应用于工作在电视频谱白色空间的无线局域网。IEEE 802.11af标准于2014年2月通过，它的工作频段范围是54~790MHz。相比于传统的Wi-Fi技术，超级Wi-Fi采用的这段频谱资源在1GHz以下，可以大大提高它的覆盖范围，更好地向人烟稀少的地区提供高速无线互联网服务。

在保证数字电视、模拟电视等信道主用户不受干扰的前提下，IEEE 802.11af标准在信道宽度为8MHz时，可提供的最大传输速率为的36.5Mb/s；在信道宽度为6和7MHz时，可提供的最大传输速率为26.7Mb/s.同时，IEEE 802.11af采用了多种IEEE 802.11标准中的增强技术，包括MIMO、OFDM、信道捆绑（Channel Bonding）等。利用信道绑定技术，它可以将最多4个6~8MHz的宽频信道绑定起来，在6MHz和7MHz的信道中，最大传输速率可以达到426.7Mb/s；在8MHz信道中，最大传输速率可以达到568.9Mb/s。

IEEE 802.11af标准采取了一些技术来避免对于主用户的干扰，在此介绍两种：认知无线电技术和地理遥感技术。

认知无线电技术可以检测频谱环境并进行自我设定，以此检测信道有无正在进行传输的主用户并决定是否转换信道。在IEEE 802.11af系统中，其认知功能是通过信道功率管理器和动态站点启动机制来实现的，其中，动态站点启动机制管理着在启动站控制下的信道依赖站。IEEE 802.11af包括3种站点类型：固定站点、启动站点和依赖型站点。固定站点和启动站点都是注册站点，用来广播注册位置。启动站点可用来启动依赖性站点的操作。启动站点从电视空白频谱段得到可用信道信息，然后发送联系确认信息。联系确认信息用来启动在启动站点范围内的依赖性站点，同时检查可用信道列表。动态站点管理机制可以使依赖性站点在启动站点管理下，使用依赖性信道。同时信道功率管理器也可以在基本信息集中更新可用信道列表，更改信道频率、信道传输功率或信道宽度。

另外一个被广泛使用的技术是地理遥感技术，通过地理数据库系统可以提前知晓信道分布，从而避免与主用户干扰，这一技术也是IEEE 802.11af与其他IEEE 802.11标准最大的不同之处。地理信息数据库存储着设备地理位置、可用频段以及白色空间设备为满足管理要求所需的操作参数。由于地理信息数据库是被当地的管理机构（如美国的FCC）批准和管理，因此，它的操作必须要符合当地的安全和管理标准。

IEEE 802.11主要被布置在两种场景中。

（1）室内（＜100m），与现存的IEEE 802.11标准中其他的WLAN一样。

（2）室外（＜5km），距离短于IEEE 802.22全球微波互连接入标准，大于802.15.4g/4e标准。

6.3.10 IEEE 802.11ax

IEEE 802.11ax是在IEEE 802.11ac以后，无线局域网协议本身的进一步扩展，可以当作是IEEE 802.11ac之后的一个拓展版本，在本书撰写的过程中IEEE 802.11ax还在标准化阶段。IEEE 802.11ax也被称为HEW（High Efficiency WLAN），由High Efficiency（HE）Wireless LAN Task Group主导。在2013年5月份，High Efficiency WLAN Study Group开始研究提高频谱效率的方法，特别是在高密度AP和STA情况下的系统吞吐率。基于民意的调查，通过了项目授权申请文档和标准规范发展文档，并与2014年5月正式启动了IEEE 802.11ax项目，当前已经通过了1.0草案。

IEEE 802.11ax关注密集用户环境下局域网的性能，旨在将用户的平均吞吐率提高至少4倍，超越IEEE 802.11ac的原始链路速度，该标准实现了多种机制，可以在拥挤的无线环境中为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量。一个常见的密集用户环境（见图6-3）为体育场举办赛事，用户通过移动设备上网，此时需要部署多个AP以覆盖整个体育场，即高密度AP和高密度STA。

总的来说，IEEE 802.11ax需要实现以下主要功能。

（1）逆向兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac协议。

（2）密集用户环境下，平均吞吐率提高4倍。

（3）与IEEE 802.11ac类似的数据速率和通道宽度，具有1024-QAM的新的调制和编码集。

（4）MU-MIMO和正交频分多址（OFDMA）技术指定用于下行链路和上行链路多用户操作。

（5）较大的OFDM FFT大小（4倍大），较窄的子载波间隔（4X近距离）等，以改善多径衰落环境和室外的鲁棒性和性能。

（6）良好的电源管理，降低能量消耗。

（7）与其他授权频带（如LTE等）共存。

（8）适应室内／室外混合环境。

提高密集用户环境下的吞吐率仍然存在很多挑战。正如我们所熟知，当前MAC层协议为CSMA/CA，为了避免通信的干扰，STA首先会感测信道，只有感知到信道处于空闲状态才会发送信息以避免冲突。当STA监听到另外一个STA发送信息，则会随机选择时间停止发送，并再次监听。整个CSMA/CA过程是通过RTS/CTS的协调完成的，虽然实现了冲突规避的目的，但是当用户密度较大，STA数量较多时，因为避免所引起的传输效率降低会非常严重。此外，AP之间存在重叠区域，重叠区域内的STA会受到临近区域的传输影响，如IEEE 802.11ac因为信道数量较少，用户在使用信道的同时会受到临近小区的干扰，从而进一步推迟时间传输信息，降低吞吐率。同时，与已有频带的共存也会造成新的干扰，进一步降低用户的传输吞吐率。然而随着移动互联网的普及，用户对网络传输速率的要求越来越高，这一点从当前用户请求内容从文字信息转换到多媒体音视频内容可以看出，此外高保真度的音视频内容进一步提高对吞吐率的需求。

为了提高密集用户环境下的系统吞吐率，同时逆向兼容已有的IEEE 802.11协议，IEEE 802.11ax首先提出了高效的物理层机制，与IEEE 802.11ac对比，IEEE 802.11ax在物理层的改进如表6-2所示。

值得注意的是，IEEE 802.11ax标准将在2.4GHz和5GHz两个频段内工作，OFDM符号持续时间和循环前缀也增加了4倍，保持原始链路数据速率与IEEE 802.11ac相同，但提高了室内／室外和混合环境下的效率和鲁棒性。除此之外，IEEE 802.11ax将会考虑更多新的特性，从而达到提高平均吞吐率的目的，下面会一一介绍。

IEEE 802.11ax将会考虑空间的重利用，在密集用户环境中，CSMA/CA，保守的信道空闲评估，高传输耗能等都需要在有限的空间下对空间重利用。为提高空间的利用效率，STA可以从重叠的基本业务集中识别信号，并根据此信息做出关于信道争用和干扰管理的抉择；其中BSS的识别是因为MAC帧中含有BSS的颜色，STA如果接收到不同的MAC帧颜色，则可认为是来自临近重叠BSS的MAC帧，这样来自临近BSS的传输将不会产生不必要的信道访问争用。IEEE 802.11ax会动态调整节能目标唤醒时间，AP与STA协商使用目标唤醒时间来定义个别STA访问截止的特定时间或一组时间。波束成形技术利用空数据包发起信道探测，测量信道后并用包含压缩反馈矩阵的波束形成反馈帧进行响应，这样波束形成器可以使用该信道矩阵来将RF能量聚焦到每个用户，避免全向天线会向各个方向散播能量。IEEE 802.11ax也会考虑提高时间效率，包括控制包的减少、数据重传机制的改进、CSMA/CA机制的增强等。

IEEE 802.11ax会提高频谱共享技术，主要涉及OFDMA的使用。IEEE 802.11ax标准借鉴4G蜂窝技术的改进，以实现在相同的信道带宽中共存多个用户的目的，即正交频分多址技术（OFDMA）。基于IEEE 802.11ac已经使用的正交频分复用（OFDM）数字调制方案，IEEE 802.11ax标准进一步向各个用户分配特定的子载波集合。也就是说，它将现有的802.11信道划分成具有预定数量子载波的较小子信道。IEEE 802.11ax标准调用最小子信道资源单元（RU），最小大小为26个子载波。基于多用户流量需求，AP决定如何分配信道，总是在下行链路上分配所有可用的RU。它可以像802.11ac协议一样将一个用户分配给另一个用户，或者通过分区的方式为多个用户提供服务，如图6-4所示。

在密集的用户环境中，许多用户通常无效率地使用该频道，该OFDMA机制现在可以与较小但专用的子信道同时服务，从而提高每个用户的平均吞吐量。

IEEE 802.11ax应用多天线技术，增强多用户MIMO技术的使用。IEEE 802.11ax标准有两种操作模式：单用户模式与多用户模式。单用户模式中，STA在安全访问介质后一次发送和接收数据；多用户模式允许同时操作多个AP和STA，并进一步细分为下行链路和上行链路多用户，前者是指AP同时服务于多个相关的STA的数据，该功能已经在IEEE 802.11ac中实现，上行多用户涉及从多个STA到AP的数据同时传输，这是IEEE 802.11ax标准新增加的功能。同时多用户操作模式还规定了多用户MIMO和OFDMA中复用多个用户的两种不用方式。借助IEEE 802.11ac实现，IEEE 802.11ax设备将使用波束成形技术将数据包同时引导到空间多样的用户，IEEE 802.11ax支持一次最多发送8个多用户MIMO传输，从IEEE 802.11ac的4个传输。此外，每个MU-MIMO传输可以具有其自己的调制和编码集（MCS）和不同数量的空间流。通过类推，当使用MU-MIMO空间复用时，可将AP与以太网交换机进行比较，从而将冲突域从大型计算机网络减少到单个端口。由于多用户下行链路在IEEE 802.11ac中已有规定，这里将着重说明多用户上行链路。为了协调上行MU-MIMO或上行OFDMA传输，AP向所有用户发送触发帧。该帧指示每个用户的空间流数量或OFDMA分配（频率和RU大小）。它还包含功率控制信息，使得各个用户可以增加或减少其发射功率，以努力平衡AP从所有上行链路用户接收的功率，并改善从更远的节点接收帧。AP还指示所有用户何时启动和停止传输。

IEEE 802.11ax的测试仍然存在很多潜在的挑战，如更严格的误差矢量幅度要求，绝对和相对频率误差，站点电源控制，AP接收灵敏度，上行带内排放，多用户和高阶MIMO等。总的来说，802.11的目的是在密集用户环境中提高用户的平均吞吐率，背后的技术推动主要为多用户MIMO与OFDMA，然而这一技术的实现、测试等都存在很多的挑战，当前阶段已通过了1.0的草案，期待High Efficiency（HE）Wireless LAN Task Group能进一步将IEEE 802.11a提案完善。