802.11n相關技術詳解

802.11n關鍵技術詳解

1.1  802.11n标準發展曆史

2003年9月：IEEE成立802.11n任務組，負責創設100+MbpsWLAN标準。

2005年7月：11n草案1獲通過.

2007年3月：草案2獲通過。

2009年9月11日：IEEE标準委員會終于準許通過802.11n成為正式标準。

1.2  802.11n關鍵技術介紹  

1.2.1  核心技術—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1-1 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。

1.2.2  空口速率提升技術

1. MIMO-OFDM—提升至58.5M

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數>據的傳遞。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. FEC (Forward Error Correction)—提升至65M

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)。

3. Short Guard Interval (GI)—提升至72.2M

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)。

4. 40MHz綁定技術—提升2.08倍

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。

5. SDM—成倍提升

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1-2 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1-3 MIMO利用多徑傳輸資料

1.2.3  SNR提升技術-MRC

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。

1.2.4  吞吐量提升技術-幀聚合

1. A-MSDU幀聚合

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技術隻适用于所有MSDU的目的端為同一個HT STA的情況。

2. A-MPDU幀聚合

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。

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. 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。

1.2.5  相容性-相容 802.11a/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。