WLAN 80211n技术白皮书v100

1、H3C IEEE 802.11n技术白皮书关键词：802.11n, MIMO, A-MPDU, A-MSDU, Short GI摘 要：本文讲述了802.11n技术的特点，分析了802.11n的技术优势，并解释了实现的关键技 术。缩略语清单：缩略语英文全名中文解释A-MSDUAggregate MAC Service Data Unit聚合媒介访问服务数据单元A-MPDUAggregate MAC Service Data Unit聚合媒介访问协议数据单元ACAccess Controller接入控制器APAccess Point无线接入点IEInformation Element信息元素GI

2、Guard Interval保护间隔HTHigh Throughput高吞吐MIMOMultiple Input, Multiple Output多入多出MSDUMAC Service Data Unit媒介访问服务数据单元MPDUMAC Protocol Data Unit媒介访问协议数据单元OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用PLCPPhysical Layer Convergence Protocol物理层汇聚协议SISOSingle Input, Single Output单入单出STAStation无线站点 TOC

3、o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1概述3 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 2技术应用背景3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2.1技术优点3 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2.2应用限制3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3特性介绍4 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document

4、 3.1相关协议4 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3.2协议处理机制4 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.2.1物理层的优化4 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.2.2数据链路层的优化53.2.3向后兼容性8 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 4典型组网案例84.1 802.11n AP集中式管理组网案例84.2使用802.11n AP进行大范围室外覆盖9 HYPERLINK l bo

5、okmark81 o Current Document 5支持802.11n技术的产品10 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 6总结和展望10 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 7参考文献101概述无线局域网(WLAN)技术已经是当今应用广泛的无线技术，它的实用化程度高， 应用成熟。随着IP语音，网络视频等新兴网络应用的出现，用户对无线传输速率 的要求也越来越高，传统的802.11a/b/g技术所能提供的带宽已渐渐不能满足用户 的需求。IEEE 802.11n标准便应运而生，它定义了下一代的无线

6、局域网技术，旨 在提供支持对带宽最为敏感的应用所需的速率和可靠性。2技术应用背景2.1技术优点IEEE 802.11n技术主要依靠物理层和MAC层的技术改进来实现速率的提升。主要 应用到的技术包含如下：MIMO，多入多出，在链路的发送端和接收端都采用多副天线，是将多径传播变 为有利因素，从而在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利 用率，以达到WLAN系统速率的提升。双频带(支持20/40M带宽)，通过将两个20MHz的带宽绑定在一起组成一个 40MHz通讯带宽，在实际工作时可以作为两个20MHz的带宽使用，收发数据时既 可以以40MHz的带宽工作，也可以以单个20MHz带宽工作

7、，从而将速率提高一 倍。Short Guard Interval(GI)，短保护间隔，射频芯片在使用OFDM调制方式发送数 据时，整个帧是被划分成不同的数据块进行发送的，为了数据传输的可靠性，数 据块之间会有GI，用以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。无线信号在空 间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后面的数据块发送的过快的话， 会和前一个数据块的形成干扰，而GI就是用来规避这个干扰的。11a/g的GI时长 为800us，而Short GI时长为400us，在使用Short GI的情况下，可提高10%的速 率。Frame Aggregation，帧聚合，通过把多个待发送的载荷聚合到一

8、起，一次性发 送，减小了多次报文发送所需的额外协议负荷，从而提高吞吐。SM Power Save，主要考虑在MIMO中如何通过关闭天线来节约电源。2.2应用限制只有当所有通讯各方同时遵循802.11n标准时，才能够保证802.11n网络的正常使用。3特性介绍3.1相关协议IEEE P802.11n3.2协议处理机制802.11n协议为提高处理性能，分别在物理层和数据链路层进行了优化。以下针 对物理层和数据链路层的几种重要的优化技术进行介绍。3.2.1物理层的优化MIMO-OFDM - 802.11n的核心由于多径效应，信号在接收侧将很容易发生符号间干扰(Inter-symbol Interfe

9、rence)，从而导致高误码率。OFDM调制技术是将一个物理信道划分为多 个子载体(Sub-carrier)，将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流， 通过这些子载体进行通讯，从而减少ISI机会，提高网络吞吐。MIMO (多入多出)技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频 谱利用率。其基本思路是在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通 道。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，1，.，N。这N个 子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利 用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，这样，MIMO系统可以创 造多个

10、并行空间信道，解决了带宽共享的问题。将MIM。与OFDM技术相结合，就产生了 MIMO OFDM技术，它通过在OFDM传 输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，并增加了多径的容限， 使无线网络的有效传输速率有质的提升。双频带(20-MHz和40-MHz带宽)802.11n通过将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通讯带宽，在 实际工作时可以作为两个20MHz的带宽使用(一个为主带宽，一个为次带宽，收 发数据时既可以40MHz的带宽工作，也可以单个20MHz带宽工作)，这样可将速 率提高一倍。同时，对于11a/b/g，为了防止相邻信道干扰，20MHz带宽的信道在 其两

11、侧预留了一小部分的带宽边界。而通过频带绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯图1 20/40-MHz带宽的吞吐能力3. Short Guard Interval (GI)Short GI是802.11n针对802.11a/g所做的改进。射频芯片在使用OFDM调制方式 发送数据时，整个帧是被划分成不同的数据块进行发送的，为了数据传输的可靠 性，数据块之间会有GI(Guard Interval)，用以保证接收侧能够正确的解析出各 个数据块。无线信号在空间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后面的 数据块发送的过快的话，会和前一个数据块的形成干扰，而6就是用来规避这个 干扰的。11a/g的GI时

12、长为800us，而Short GI时长为400us，在使用Short GI的情 况下，可提高10%的速率。另外，Short GI与带宽无关，支持20MHz、40MHz带 宽。3.2.2数据链路层的优化802.11MA C协议耗费了相当部分的效率用作链路的维护，如在数据之前添加 PLCP Preamble，PLCP Header，MAC头，以及每一个报头的应答帧(ACK)。同样的，在信道的竞争中所产生的冲突，以及为解决冲突而引入的退 避机制都大大降低了系统的吞吐量。802.11n为了解决MAC层的这两个问题，采 用了帧聚合(Frame Aggregation)技术和Block Acknowled

13、gement机制。帧聚合技术又包含针对MSDU的聚合(A-MSDU)和针对MPDU的聚合(A- MPDU)：A-MSDUA-MSDU技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷。这里的MSDU可以认为是Ethernet报文。通常，当AP或无线客户端从协议栈收到报文(MSDU)时，会打上Ethernet报文头，这里我们称之为A-MSDU Subframe；而 在通过射频口发送出去前，需要一一将其转换成802.11报文格式。而A-MDSU技 术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行 发送。从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP

14、 Preamble，PLCP Header 和802.11MA C头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。A-MSDU报文是由若干个A-MSDU Subframe组成的，每个Subframe均是由 Subframe header (Ethernet Header)、一 个 MSDU 和 0-3 字节的填充组成。 TOC o 1-5 h z Odets； 6620-23040-3| 口丁saLgm | msdG PWing / Subframe Header (Etlieinet HeaderI/PLCP Predible PLCP Header 802.11 Header x-

15、MSDU Subfriril x-MSDU Subfrm2 x-MSDU Subfriri n FCS图2 A-MSDU报文结构A-MSDU技术只适用于所有MSDU的目的端为同一个HT STA的情况。A-MPDU与A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，这里 的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧。通过一次性发送若干个MPDU，减少 了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，从而提高系统吞 吐量。Reserved MPDU tength CRCDelimiEer Sig natureMPDU PadPLCP

16、 PreamblePLCPH已aderMACH已日d已rA-MPDU SubframelA-MPDUSubfram已功PLCP PLCP MAC A-MPDU A-MPDU图3 A-MPDU报文组成A-MPDU报文格式如下：ReservedMPDU lengthCRCDelimiEer SignatureMPDUPad自 ils: BO B3 B4 B15 816 B2S B24B31其中MPDU格式和802.11定义的相同，而MPDU Delimiter是为了使用A-MPDU而 定义的新的格式。A-MPDU技术同样只适用于所有MPDU的目的端为同一个HT STA的情况。Block Ackno

17、wledgement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发送应答帧。BlockAcknowledgement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。Block Ack机制分三个步骤来实现：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Block

18、AckReq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。(.c) Tear Down图4 Block Ack工作机制(b) Dara & Block AckBlockAckSpatial Multiplexing Power Save电源容量永远是使用移动终端需要关注的一个话题，在使用802.11n服务时，由 于安装了多个天线，电源容量的问题则显得更为突出。因此802.11n协议在节省 电源处理上做了改进，采用了 Spatial Multiplexing(SM) Power

19、Save技术，其主要 处理在于使得STA只有一个天线处于工作状态，其余天线均处于休眠状态，从而 达到节省电源的目的。SM Power Save定义了两种电源管理方式：动态SM Power Sav e 和静态 SM Power Save0静态SM Power Save：当无线用户处于静态模式时，只有一个天线保持在工 作状态，其余天线都处于睡眠状态，相当于一个普通的802.11a或802.11b/g 的用户，通过这种方式来延长电源的供电时间。在进入睡眠状态时，无线用 户会通知上行AP它已处于静态模式，要求AP针对此用户也同时单入单出 (SISO)的方式进行数据传输。同理，在无线用户恢复正常工作状态

20、时，也会 通知AP切换到MIMO方式进行数据传输。动态SM Power Save：动态模式也只保留一个天线在工作状态，但是当无线 用户收到数据报文时，它可以使其他天线迅速进入工作状态。报文处理完 后，它又可以将其余的天线恢复到睡眠状态。这套通知机制是通过RTS、 CTS实现的。AP将通过RTS来唤醒无线用户，而无线用户则通过回应CTS 报文来通知AP已经成功恢复天线到工作状态。3.2.3向后兼容性WLAN标准从802.11a/b发展到802.11g，再到现在的802.11n，提供良好的向后 兼容性显得尤为重要。802.11g提供了一套保护机制来允许802.11b的无线用户接 入802.11g网

21、络。同样的，802.11n协议提供相似的机制来允许802.11a/b/g用户的 接入。802.11n设备发送的信号可能无法被802.11a/b/g的设备解析到，这样造成 802.11a/b/g设备无法探测到802.11n设备，从而往空中直接发送信号，导致信道 使用上的冲突。为解决这个问题，当802.11n运行在混合模式(即同时有 802.11a/b/g设备在网络中)时，会在发送的报文头前添加能够被802.11a或 802.11b/g设备正确解析的前导码。从而保证802.11a/b/g设备能够侦听到802.11n 信号，并启用冲突避免机制，进而实现802.11n的设备与802.11a/b/g设备的互 通。4典型组网案例4.1 802.11n AP集中式管理组网案例通过具有802.11n功能的AP与AC配合组网，AC作为无线数据控制转发中心，放 在企业的中心机房，AP则部署于企业的各种室内、室外场所(室外组网需要与室外机箱配合使用）。AP