1.1 802.11n标準發展曆程
IEEE 802.11工作組意識到支援高吞吐将是WLAN技術發展曆程的關鍵點，基于IEEE HTSG (High Throughput Study Group)前期的技術工作，于2003年成立了Task Group n (TGn)。n表示Next Generation，核心内容就是通過實體層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。由于802.11n涉及了大量的複雜技術，标準過程中又涉及了大量的裝置廠家，是以整個标準制定過程曆時漫長，預計2010年末才可能會成為标準。相關裝置廠家早已無法耐心等待這麼漫長的标準化周期，紛紛提前釋出了各自的11n産品(pre-11n)。為了確定這些産品的互通性，WiFi聯盟基于IEEE 2007年釋出的802.11n草案的2.0版本制定了11n産品認證規範，以幫助11n技術能夠快速産業化。
1.2 技術概述
802.11n主要是結合實體層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。主要的實體層技術涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術，進而将實體層吞吐提高到600Mbps。如果僅僅提高實體層的速率，而沒有對空口通路等MAC協定層的優化，802.11n的實體層優化将無從發揮。就好比即使建了很寬的馬路，但是車流的排程管理如果跟不上，仍然會出現擁堵和低效。是以802.11n對MAC采用了Block确認、幀聚合等技術，大大提高MAC層的效率。
802.11n對使用者應用的另一個重要收益是無線覆寫的改善。由于采用了多天線技術，無線信号(對應同一條空間流)将通過多條路徑從發射端到接收端，進而提供了分集效應。在接收端采用一定方法對多個天線收到信号進行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使在接受端較遠時，也能獲得較好的信号品質，進而間接提高了信号的覆寫範圍。其典型的技術包括了MRC等。
除了吞吐和覆寫的改善，11n技術還有一個重要的功能就是要相容傳統的802.11 a/b/g，以保護使用者已有的投資。
接下來對這些相關的關鍵技術進行逐一介紹。
2. 實體層關鍵技術
2.1 MIMO
MIMO是802.11n實體層的核心，指的是一個系統采用多個天線進行無線信号的收發。它是當今無線最熱門的技術，無論是3G、IEEE 802.16e WIMAX，還是802.11n，都把MIMO列入射頻的關鍵技術。
圖1 MIMO架構
MIMO主要有如下的典型應用，包括：
1) 提高吞吐
通過多條通道，并發傳遞多條空間流，可以成倍提高系統吞吐。
2) 提高無線鍊路的健壯性和改善SNR
通過多條通道，無線信号通過多條路徑從發射端到達接收端多個接收天線。由于經過多條路徑傳播，每條路徑一般不會同時衰減嚴重，采用某種算法把這些多個信号進行綜合計算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這裡是同一條流在多個路徑上傳遞了多份，并不能夠提高吞吐。在MRC部分将有更多說明。
2.2 SDM
當基于MIMO同時傳遞多條獨立空間流(spatial streams)，如下圖中的空間流X1,X2，時，将成倍地提高系統的吞吐。
圖2 通過MIMO傳遞多條空間流
MIMO系統支援空間流的數量取決于發送天線和接收天線的最小值。如發送天線數量為3,而接收天線數量為2，則支援的空間流為2。MIMO/SDM系統一般用“發射天線數量×接收天線數量”表示。如上圖為2*2 MIMO/SDM系統。顯然，增加天線可以提高MIMO支援的空間流數。但是綜合成本、實效等多方面因素，目前業界的WLAN AP都普遍采用3×3的模式。
MIMO/SDM是在發射端和接收端之間，通過存在的多條路徑(通道)來同時傳播多條流。有意思的事情出現了：一直以來，無線技術(如OFMD)總是企圖克服多徑效應的影響，而MIMO恰恰是在利用多徑來傳輸資料。
圖3 MIMO利用多徑傳輸資料
2.3 MIMO-OFDM
在室内等典型應用環境下，由于多徑效應的影響，信号在接收側很容易發生(ISI)，進而導緻高誤碼率。OFDM調制技術是将一個實體信道劃分為多個子載體(sub-carrier),将高速率的資料流調制成多個較低速率的子資料流，通過這些子載體進行通訊，進而減少ISI機會，提高實體層吞吐。
OFDM在802.11a/g時代已經成熟使用，到了802.11n時代，它将MIMO支援的子載體從52個提高到56個。需要注意的是，無論802.11a/g，還是802.11n，它們都使用了4個子載體作為pilot子載體，而這些子載體并不用于資料的傳遞。是以802.11n MIMO将實體速率從傳統的54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54*52/48)。
2.4 FEC (Forward Error Correction)
按照無線通信的基本原理，為了使資訊适合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發射端将把資訊進行編碼并攜帶備援資訊，以提高系統的糾錯能力，使接收端能夠恢複原始資訊。802.11n所采用的QAM-64的編碼機制可以将編碼率(有效資訊和整個編碼的比率)從3/4 提高到5/6。是以，對于一條空間流，在MIMO-OFDM基礎之上，實體速率從58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)。
2.5 Short Guard Interval (GI)
由于多徑效應的影響，資訊符号(Information Symbol)将通過多條路徑傳遞，可能會發生彼此碰撞，導緻ISI幹擾。為此，802.11a/g标準要求在發送資訊符号時，必須保證在資訊符号之間存在800 ns的時間間隔，這個間隔被稱為Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用預設使用800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時，使用者可以将該間隔配置為400，對于一條空間流，可以将吞吐提高近10%，即從65Mbps提高到72.2 Mbps。對于多徑效應較明顯的環境，不建議使用Short Guard Interval (GI)。
2.6 40MHz綁定技術
這個技術最為直覺：對于無線技術，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。就好比是馬路變寬了，車輛的通行能力自然提高。傳統802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支援将相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來使用，是以可以最直接地提高吞吐。
需要注意的是：對于一條空間流，并不是僅僅将吞吐從72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2 )Mbps。對于20MHz頻寬，為了減少相鄰信道的幹擾，在其兩側預留了一小部分的帶寬邊界。而通過40MHz綁定技術，這些預留的帶寬也可以用來通訊，可以将子載體從104(52×2)提高到108。按照72.2*2*108/104進行計算，所得到的吞吐能力達到了150Mbps。
2.7 MCS (Modulation Coding Scheme)
在802.11a/b/g時代，配置AP工作的速率非常簡單，隻要指定特定radio類型(802.11a/b/g)所使用的速率集，速率範圍從1Mbps到54Mbps,一共有12種可能的實體速率。
到了802.11n時代，由于實體速率依賴于調制方法、編碼率、空間流數量、是否40MHz綁定等多個因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，将産生非常多的實體速率供選擇使用。比如基于Short GI,40MHz綁定等技術，在4條空間流的條件下，實體速率可以達到600Mbps(即4*150)。為此，802.11n提出了MCS的概念。MCS可以了解為這些影響速率因素的完整組合，每種組合用整數來唯一标示。對于AP，MCS普遍支援的範圍為0-15。
2.8 MRC (Maximal-Ratio Combining)
MRC和吞吐提高沒有任何關系，它的目的是改善接收端的信号品質。基本原理是：對于來自發射端的同一個信号，由于在接收端使用多天線接收，那麼這個信号将經過多條路徑(多個天線)被接收端所接收。多個路徑品質同時差的幾率非常小，一般地，總有一條路徑的信号較好。那麼在接收端可以使用某種算法，對這些各接收路徑上的信号進行權重彙總(顯然，信号最好的路徑配置設定最高的權重)，實作接收端的信号改善。當多條路徑上信号都不太好時，仍然通過MRC技術獲得較好的接收信号。
3. MAC層關鍵技術
3.1 幀聚合
幀聚合技術包含針對MSDU的聚合(A-MSDU)和針對MPDU的聚合(A-MPDU)：
3.1.1 A-MSDU
A-MSDU技術是指把多個MSDU通過一定的方式聚合成一個較大的載荷。這裡的MSDU可以認為是Ethernet封包。通常，當AP或無線用戶端從協定棧收到封包(MSDU)時，會打上Ethernet封包頭，我們稱之為A-MSDU Subframe；而在通過射頻口發送出去前，需要一一将其轉換成802.11封包格式。而A-MDSU技術旨在将若幹個A-MSDU Subframe聚合到一起，并封裝為一個802.11封包進行發送。進而減少了發送每一個802.11封包所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11MAC頭的開銷，同時減少了應答幀的數量，提高了封包發送的效率。
A-MSDU封包是由若幹個A-MSDU Subframe組成的，每個Subframe均是由Subframe header (Ethernet Header)、一個MSDU和0-3位元組的填充組成。
A-MSDU技術隻适用于所有MSDU的目的端為同一個HT STA的情況。
3.1.2 A-MPDU
與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經過802.11封包封裝後的MPDU，這裡的MPDU是指經過802.11封裝過的資料幀。通過一次性發送若幹個MPDU，減少了發送每個802.11封包所需的PLCP Preamble，PLCP Header，進而提高系統吞吐量。
其中MPDU格式和802.11定義的相同，而MPDU Delimiter是為了使用A-MPDU而定義的新的格式。A-MPDU技術同樣隻适用于所有MPDU的目的端為同一個HT STA的情況。
3.2 Block ACK
為保證資料傳輸的可靠性，802.11協定規定每收到一個單點傳播資料幀，都必須立即回應以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU後，需要對其中的每一個MPDU進行處理，是以同樣針對每一個MPDU發送應答幀。Block Acknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答，以降低這種情況下的ACK幀的數量。
Block Ack機制分三個步驟來實作：
Þ 通過ADDBA Request/Response封包協商建立Block ACK協定。
Þ 協商完成後，發送方可以發送有限多個QoS資料封包，接收方會保留這些資料封包的接收狀态，待收到發送方的BlockAckReq封包後，接收方則回應以BlockAck封包來對之前接收到的多個資料封包做一次性回複。
Þ 通過DELBA Request封包來撤消一個已經建立的Block Ack協定。
圖6 Block Ack 工作機制
3.3 相容a/b/g
WLAN标準從802.11a/b發展到802.11g，再到現在的802.11n，提供良好的向後相容性顯得尤為重要。802.11g提供了一套保護機制來允許802.11b的無線使用者接入802.11g網絡。同樣的，802.11n協定提供相似的機制來允許802.11a/b/g使用者的接入。
802.11n裝置發送的信号可能無法被802.11a/b/g的裝置解析到，造成802.11a/b/g裝置無法探測到802.11n裝置，進而往空中直接發送信号，導緻信道使用上的沖突。為解決這個問題，當802.11n運作在混合模式(即同時有802.11a/b/g裝置在網絡中)時，會在發送的封包頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g裝置正确解析的前導碼。進而保證802.11a/b/g裝置能夠偵聽到802.11n信号，并啟用沖突避免機制，進而實作802.11n的裝置與802.11a/b/g裝置的互通。
l 802.11n向下相容802.11ag，802.11ag的終端接入802.11n網絡後，由于MIMO技術提高了SNR，是以802.11ag的網絡最大吞吐量54Mbps範圍有所擴大。同時802.11n的網絡性在802.11ag終端和802.11n終端混合接入時，網絡整體吞吐量較純802.11n終端接入有一定的下降，此時802.11n終端的速率還是高于802.11ag的終端性能
- 由于2.4G隻有3個不重疊信道，開啟40MHz後，兩台AP即存在同頻幹擾
l Intel網卡在2.4G頻段預設隻開啟20MHz模式
l 2.4G部署采用20MHz模式，1、6、11間隔部署
l 5.8G開啟40MHz模式，5.8G中國可以使用149、153、157、161、165
多台AP采用2+1的方式部署
- 為了在新的WLAN上實作更高的安全性，11n在使用WEP或TKIP保證相關安全性時禁止了HT資料速率（>54Mbps），即速率協商為54Mbps，等同于11ag。如果要獲得11n的高吞吐量，請采用AES的加密算法。
- 幀聚合A-MSDU和A-MPDU隻能對具有同一QOS優先級的幀做聚合，是以必須支援并開啟QOS（WMM）
4. 結論
MIMO是802.11n實體層的核心，通過結合40MHz綁定、MIMO-OFDM等多項技術，可以将實體層速率提高到600Mbps。為了充分發揮實體層的能力，802.11n對MAC層采用了幀聚合、Block ACK等多項技術進行優化。802.11n給我們帶來吞吐、覆寫等提高的同時，也增加了更多的技術挑戰。了解這些技術，将幫助我們更好地應用802.11n和解決應用所面臨的實際問題。