8011n技术简介

1、802.11 n技术简介IEEE-802.11n整合了早期802.11协议的所有修订和增补内容，其中包括实现 QoS的802.11e增强MAC技术以及省电技术。IEEE-802.11 n设计目标就是为了实现高吞吐量。目前宣称的最 高速率可达300Mbps（两个独立数据流 /40MHz信道宽度）。如果以IEEE-802.11a/g的最高速率54Mbps作 为比较，802.11n通过使用下文所述的技术，可以实现高达300Mbps的数据吞吐量。技术优势相对传统802.11技术，802.11n具备以下技术优势：更高的有效数据吞吐能力802.11 n采用了一系列新机制以增加可用带宽。基于802.11a/

2、g的无线局域网在物理层可提供最高54Mbps数据率（毛速率，非净速率），但网络层的实际速率只有22-26Mbps。而802.11n吞吐量目前已经达到 300Mbps的毛速率，实际速率可达120-130Mbps。理论上说，由802.11n 标准定义的速率在四个空分数据流模式下高达600Mbps。这是首次无线速率超过有线快速以太网络速率。更可靠的无线覆盖新的802.11n技术不仅提高了数据吞吐量，而且，还缩减了无意义的接收区域，这将为有效 使用无线网络带来更好的信号覆盖和更高的稳定性，特别是对那些专业环境中特殊用户。更远的距离一般来说，数据吞吐量随收 /发信机的距离增加而减少。但802.11n的整

3、体性能提高确保了AP发出的信号经过给定距离到达接收端后，明显比802.11a/b/g强。兼容性802.11 n是一个向后兼容IEEE-802.11a/b/g的新标准，但是，新标准的优势只有支持802.11n的AP或客户端才能享受。为了允许基于 802.11a/b/g标准的无线局域网客户端（也称为传统客户端）能够在802.11n网络中共存，802.11n的无线接入点（AP）必须提供特殊的模式用于混合操作，在这种情况下，系统性能并不会有实质性提升。只有在一个纯粹的802.11 n的环境中（也称 Greenfield模式），新技术的优势才能充分得到体现。技术实现改进的OFDM调制和802.11a/g

4、类似，802.11n也采用OFDM （正交频分复用） 调制方式，通过把数据信号调制 在许多并行的载波频率上实现扩频通讯。因此，OFDM调制所获得的吞吐量主要取决于以下几个参数：-更多的载波频率：802.11a/g使用48个载波频率，由此获得54Mbps的物理层吞吐量；而802.11 n使用52个载波频率，由此可将吞吐量提高到58.5Mbps。802.11n与802.11a/g OFDM调制的带内载频如下图所示。-精简冗余编码：空中无线数据传输从本质上讲就是一种不可靠的传输方式，哪怕一点毛 刺，都会导致 WLAN的数据错误，因此，数据传输中常使用校验和进行纠错补偿。作为 冗余项，校验和也将占用可

5、用带宽。有效负荷数据率（有效编码率）是用来衡量理论可 用带宽与实际有效负荷之间的比值。802.11a/g采用编码率为1/2或3/4的FEC（前向纠错）编码，即，每荷载1位或3位有效信息，就要产生一个2位或4位的编码，其中1位是冗余 位。而802.11 n通过精简冗余位来提高编码中的有效信息位数，它采用了编码率为5/6的FEC编码，即，每荷载5位有效信息，就要产生一个6位编码，其中1位是冗余位。这一项， 就将吞吐量从58.5Mbps提高到65Mbps。如下图，其中深色为有效数据负荷。可用带宽从54Mbps提高到65Mbps已经非常可观了，但是，如果使用下面的技术，带宽 还将获得更大提高。.MOM

6、O技术：MIMO就是多输入/多输出的英文简写，它可以说是802.11n中使用到的最重要的一项新技术。 MIMO利用空分复用（SDM, Spatial Division Multiplexing ）技术，要求在收 发两端同时使用多个发射机和接收机，以便在同一个信道内并行发送和接收4个独立数据流（遗憾的是，目前技术只能实现2个并行独立数据流）。这将毫无疑问地提高吞吐量并改善无线覆盖。上图所示的AP将数据分为两组，然后同时将两组数据通过两根独立天线发送出去；在WLAN无线客户端，两组数据分别通过两根独立天线接收，并重新组合为一组原始数据，从而实现空口吞吐量加倍。但是，如何才能在一个信道内并行发送多路

7、数据流呢？过去的 WLAN技术曾将此视为不可能的事情。考察一下 常规” WLAh网络中数据报文的发送过程：AP的天线同时向几个方向广播数据报文，由于周围各种物体的表面不断反射电磁波，导致AP广播的数据报文将沿不同路径到达接收的客户端，这就是熟知的多径传播”。每条路径长度不一，因此，沿不同路径传播的无线信号到达接收端的时间也不同，即，不同路径具有不同的传输时延。如下图所示。这些经过不同延时的信号到达接收端时将形成自我干扰，毫无疑问地削弱了原始信号。正是这个原因，传统的无线局域网要求发射机和收信机之间必须是直接视线传输（LOS），以避免反射导致的多径传输困惑，MIMO技术则把这个看起来非常致命的缺

8、陷转化为能够极大 提高吞吐量的一个有力武器。参看上图，A发射机发射的A信号到达1#接收机，B发射机发射的B信号沿另一条路径到达 2#接收机，由于2个信号沿不同路径传播将经历不同的反射和极性变化，每个路径都会有自己的特性。当数据传输开始时， 首先启动一个学习过程，通过发送标准化数据，记录每个路径的特征。接下来，通过特征计算就可以判断收到的数据究竟属于哪个数据流，接收机自我决定，是否对收到的信号进行处理，这样就避免了因干扰导致的数据丢失。这样，MIMO就允许在一个共享的介质内，例如空气中，同时发送几个信号。 独立的发射机和接收机必须互相分开一个最小距离-尽管只有几个分米，用以产生明显不同的多径反射

9、特征，并足以保证 信号通道的隔离。一般而言，MIMO能够提供4个并行的独立数据流， 或者称之为空分流。 但是，目前802.11n 芯片只能实现2个并行独立数据流，这是因为基于路径特征信息计算的数据流辨识需要高级 计算能力，而这将消耗大量的时间和能量。尽管4个空分数据流的目标看起来还有些遥远，但2个独立数据流的连接已经实现了吞吐量加倍，这表明 WLAN领域实际上已经实现了真正的技术飞跃。加上OFDM调制技术的改进，数据吞吐量可以达到130Mbps。MIMO技术的常见表达为 发射机数量 X收机数量”，即，同一台设备中实际包含的发射天 线和接收天线的个数。3X 3 MIMO意指3个发射天线和3个接收

10、天线。但是，千万不要被 数字蒙蔽，天线数量有时并不完全等于独立空分数据流的数量。发射端通过使用循环移位差异性（CSD算法将数据流在不同天线间进行分割，并在不同的循环阶段将信号发送出去。而接收端借助 MRC （最大比例混合）算法，挑选出具有最佳信噪比的信号，使3X3 MIMO信号质量明显好于 2X2 MIMO。多出的第三个信号流实际上用于发送附加的空分信息，确保 当头两个信号不能被唯一地识别时，可在第三个信号的帮助下，继续完成计算。附加天线并不能帮助提高吞吐量，但却能为客户端提供一个更平滑、更强壮的覆盖信号。 MIMO的室外应用：室外 802.11 n应用通常无法使用自然反射，这是由于室外设备往

11、往采用定向天线将无线信号直接视线传输（LOS。为了发送两个并发数据流，必须使两根天线的极化方向互为90°,这种天线也被称为双斜面（ Dual-Slant）天线。两根天线同时安装于一个 机箱内，由于没有提供第三个附加信号和天线，因此，802.11 n在室外应用中的天线数就是实际空分数据流数，如下图所示。'.40MHz信道：前已述及，通过增加信道内的载波频率可以增加数据吞吐量。如果一个20MHz的信道只能容纳不超过48个载频（802.11a/g ）和52个载频（802.11n）数量，一个显而易见的选择就是，使用第二个信道来容纳附加的载波频率。这种方过去被很多厂家使用过，就是人所共

12、知的所谓“Turbo技术，实现了 108Mbps的吞吐量。Turbo模式并没有被IEEE所采纳，去卩不断被用在点对点连接的应用中，但由于兼容性问 题，一直扮演着次要角色。然而，底层技术的成功，使得它被引入了IEEE-802.11n Draft 2.0草案中，通过第二个发送信道维持与802.11a/g设备的兼容。802.11n通过两个毗邻信道发送数据，一个认为是控制信 道，用于管理数据发送相关的任务，如果把所有基本任务都压缩到控制信道中完成，意味着凡支持20MHz信道的设备，都可以接入。第二个信道是扩展信道，只对那些支持40MHz发送信道的设备有效。第二个信道的使用仍然是一个可选的吞吐量，由发射

13、机和接收机动态决定是否使用。802.11n通过独立的 控制信道”和 扩展信道”来实现40Mhz信道带宽，比传统的 Turbo模式 更有效率，也大于仅仅采用2倍载波频率数量所获得的吞吐量（ 108Mbps）,即，结合改进的OFDM调制和两个并行数据流可以实现高达270Mbps的吞吐量。':短GI （保护间隔）：802.11 n的最终改善是数据发送的时间顺序的改善。在OFDM中，802.11a/g数据帧通常分为若干个数据块进行无线传送，为了防止因多径反射导致的数据块 延时，使后一个数据块先于前一个数据块到达接收端，802.11a/g协议定义了数据块的发送间隔，即 保护间隔（Guard In

14、terval ） ”，防止不同传输之间相互干扰，特别是传输延迟和多 径反射等造成的干扰。每个数据快发送后，都要先停顿一下，再发送下一个数据块。显然， 较长的保护间隔可以提供较高的抗干扰性，但传输速率较低；而较短的保护间隔可以提高传输速率，却要牺牲抗干扰性。802.11a/g使用4微秒的符号长度，即，3.2微秒用于发送数据，接着停顿0.8微秒。而802.11n 将0.8微秒的停顿缩短为 0.4微秒，如下图所示。这就是所谓的短保护间隔（短GI）。数据块的发送间隔缩短自然增加了数据吞吐量，如果结合改进的 OFDM调制、2个独立数据流和40MHz信道宽度，最高吞吐量可达300Mbps。优化的网络数据吞

15、吐迄今为止所讨论的方法都是用于提高物理层最大吞吐量的方法，而下面讨论的是用于提高802.11 n网络实际负荷吞吐量的网络优化技术。增强的MAC技术：理论吞吐量并不是一个可信值。11a/g链路层速率为54Mbps，但上层的吞吐量仅有26Mbps，也就是说，MAC层是一个数据吞吐的瓶颈，高达54%的吞吐量被MAC层吞噬和消耗！在11n协议中，链路层速率为65Mbps，上层吞吐量为50Mbps，因此， 通过增强MAC技术使MAC层消耗的带宽降到总带宽的25%。-帧聚合：除有效负荷外，每个数据报文中还包含了管理信息，用于数据的平滑交换。帧聚合就是将几个数据报文（数据帧）合并为一个较大的数据报文（聚合帧

16、），如此一来，一个完整的大数据帧只需要指定一个管理信息，这样，实际增加了数据报文的有效负荷。人块ACK每个数据帧都需要接收端进行接收确认（ ACK ,只有当发射机收到接收端的确认消息，才不会重发数据帧。这种机制同样也用于802.11n的聚合帧收发处理。聚合后的数据报文有可能一部分接收正确，另一部分错误，因此，为了防止可能因一个数据报文的错误而重发整个聚合帧，为聚合帧中的每个WLAN报文都生成了一个接收确认消息（ACK。这些确认消息同样封装为数据块，然后再以数据块的形式反馈给发送 端。发射机收到每个 WLAN报文的接收状态后，只需要重发那些发送失败的报文即可。性能改善技术以上都是系统在理想状态下

17、所能提供的理论上限值。实际使用的环境几乎不可能理想化，而802.11n的多种调制方案，有可能在实际使用中因环境恶化而倒退到较低吞吐量模式。为了 制这种倒退的程度，802.11 n引入了一些附加机制，使其有效吞吐量在各种应用环境中都尽 可能保持在较高水平。快速的MCS反馈-速率选择机制：现有设备很难实现对信道内快速变化的跟踪。比如说， 当快速穿越建筑物廊柱的遮挡时，可能在一步之内，速率就从50Mbps降到6Mbps，紧接着又回到50Mbps。传统的系统由于是根据发送错误反馈来调整速率，而这种快速变化导 致的发送错误无法迅速得到反应，因此，系统很难立即对此作出速率调整。那些对时延敏 感的业务，例如

18、语音，必须进行保守的处理，即，速率回升过程必须比下降过程更慢才行。为解决这一问题，802.11 n增加了一个基于每个报文的反馈机制，它为下一个报文的发送推荐合理的速率。这就是快速调制和编码方案（MCS）反馈机制。低密度奇偶校验（LDPC编码：LDPC是一种超级欺骗的前向纠错机制。尽管已经有50年的历史，它仍然是一种非常有效的纠错编码机制，它接近理论的效率极限。原本较少使用，只是近年来随着芯片的计算能力大大提高，才逐渐推广。-发送波束成型技术：所谓波束成型技术就是将无线电波向激光一样精确指向客户端设备。 如果绘制一张高分辨率的 WiFi接入点室内覆盖空间的信号强度分布图，会发现它看上去就 像被风吹皱的池塘表面，至U处是因无序电磁波能量相互干涉引起的隆起和沟壑。而发送波 束成型技术通过调整每个天线的发射相位和功率，使其最大信号强度指向客户端设备所在 位置，尽可能减少能量在无效方向的耗散。-时空分块编码（STBC技术：一般而言，手持设备仅有一个Wi