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1、802.11n 概述1. 11n 简介 【简介】IEEE 802.11n 使用 2.4GHz 频段和 5GHz 频段，IEEE 802.11n 标准的核心是 MIMO（multiple-input multiple-output，多入多出）和 OFDM 技术,传输速度 300Mbps，最高可达 600Mbps，可向下兼容 802.11b、802.11g。 北京时间 2009 年 9 月 14 日消息，据国外媒体报道，行业标准组织IEEE（电气与电子工程师学会）在 9 月 11 日批准了 802.11n 高速无线局域网标准。在该标准支持下的产品理论速率为 300Mbps，较之前的 802.11a
2、/g 产品的54Mbps 有极大提升。IEEE 当天并未公开宣布这一消息，但 802.11n 工作组的主席 Bruce Kraemer 向工作组的成员发送了通知邮件。802.11n 工作组成员包括一系列的 Wi-Fi 芯片制造商、软件开发人员和设备制造商。2. 11n - 术语解释 WiFi 联盟在 802.11a/b/g 后面的一个无线传输标准协议在当今各种无线局域网技术交织的战国时代，WLAN、蓝牙、HomeRF、UWB等竞相绽放，但 IEEE802.11 系列的 WLAN 是应用最广泛的。自从 1997 年IEEE802.11 标准实施以来，先后有802.11b、802.11a、802.
3、11g、802.11e、802.11f、 802.11h、802.11i、802.11j 等标准制定或者酝酿，但是 WLAN 依然面临带宽不足、漫游不方便、网管不强大、系统不安全和没有杀手级的应用等。就像当今VoIP 应用中一个全新的领域 VoWLAN 那样，虽被业内人士看作是 WLAN 最有希望的杀手级应用，却因为这四个“不”，很难进一步发展。3. 11n 的关键技术 802.11（WLAN）技术作为成熟而广泛应用的无线接入技术，已经广泛地应用于家庭、企业等。据统计，仅 2008 年一年，全球销售了 3 亿 8 千多万颗WLAN 芯片。尽管 802.11a/g 技术已经将物理层吞吐提高到了
4、54Mbps，但是随着YouTube、无线家庭媒体网关、企业 VoIP Over WLAN 等应用对 WLAN 技术提出了越来越高的带宽要求，传统技术 802.11a/g 已经无法支撑。用户需求呼唤着全新一代 WLAN 接入技术。 文 / 史扬标准发展历程IEEE 802.11 工作组意识到支持高吞吐将是 WLAN 技术发展历程的关键点，基于 IEEE HTSG （High Throughput Study Group）前期的技术工作，于 2003年成立了 Task Group n (TGn)。n 表示 Next Generation，核心内容就是通过物理层和 MAC 层的优化来充分提高 WL
5、AN 技术的吞吐。由于 802.11n 涉及了大量的复杂技术，标准过程中又涉及了大量的设备厂家，所以整个标准制定过程历时漫长，预计 2010 年末才可能会成为标准。相关设备厂家早已无法耐心等待这么漫长的标准化周期，纷纷提前发布了各自的 11n 产品(pre-11n)。为了确保这些产品的互通性，WiFi 联盟基于 IEEE 2007 年发布的 802.11n 草案的 2.0 版本制定了 11n 产品认证规范，以帮助 11n 技术能够快速产业化。根据 WIFI 联盟 2009 年初公布的数据，802.11n 产品的认证增长率从 2007年成倍增长，截至目前全球已经有超过 500 款的 11n 设备
6、完成认证，2009 年的认证数量必将超出 802.11a/b/g。技术概述802.11n 主要是结合物理层和 MAC 层的优化来充分提高 WLAN 技术的吞吐。主要的物理层技术涉及了 MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI 等技术,从而将物理层吞吐提高到 600Mbps。如果仅仅提高物理层的速率，而没有对空口访问等 MAC 协议层的优化，802.11n 的物理层优化将无从发挥。就好比即使建了很宽的马路，但是车流的调度管理如果跟不上，仍然会出现拥堵和低效。所以802.11n 对 MAC 采用了 Block 确认、帧聚合等技术，大大提高 MAC 层的效率。802.11n 对用户
7、应用的另一个重要收益是无线覆盖的改善。由于采用了多天线技术，无线信号（对应同一条空间流）将通过多条路径从发射端到接收端，从而提供了分集效应。在接收端采用一定方法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的 SNR，即使在接受端较远时，也能获得较好的信号质量，从而间接提高了信号的覆盖范围。其典型的技术包括了 MRC 等。除了吞吐和覆盖的改善，11n 技术还有一个重要的功能就是要兼容传统的802.11 a/b/g，以保护用户已有的投资。接下来对这些相关的关键技术进行逐一介绍。物理层关键技术1. MIMOMIMO 是 802.11n 物理层的核心，指的是一个系统采用多个天线进行无线信号的收发。
8、它是当今无线最热门的技术，无论是 3G、IEEE 802.16e WIMAX，还是 802.11n，都把 MIMO 列入射频的关键技术。图 1 MIMO 架构MIMO 主要有如下的典型应用，包括：1） 提高吞吐通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐。) 提高无线链路的健壮性和改善 SNR通过多条通道，无线信号通过多条路径从发射端到达接收端多个接收天线。由于经过多条路径传播，每条路径一般不会同时衰减严重，采用某种算法把这些多个信号进行综合计算，可以改善接收端的 SNR。需要注意的是，这里是同一条流在多个路径上传递了多份，并不能够提高吞吐。在 MRC 部分将有更多说明。2. SDM
9、当基于 MIMO 同时传递多条独立空间流（spatial streams），如下图中的空间流 X1,X2，时，将成倍地提高系统的吞吐。图 2 通过 MIMO 传递多条空间流MIMO 系统支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为 3,而接收天线数量为，则支持的空间流为 2。MIMO/SDM 系统一般用“发射天线数量接收天线数量”表示。如上图为 2*2 MIMO/SDM 系统。显然，增加天线可以提高 MIMO 支持的空间流数。但是综合成本、实效等多方面因素，目前业界的 WLAN AP 都普遍采用 33 的模式。MIMO/SDM 是在发射端和接收端之间，通过存在的多条路径（
10、通道）来同时传播多条流。有意思的事情出现了：一直以来，无线技术(如 OFMD)总是企图克服多径效应的影响，而 MIMO 恰恰是在利用多径来传输数据。图 3 MIMO 利用多径传输数据3. MIMO-OFDM在室内等典型应用环境下，由于多径效应的影响，信号在接收侧很容易发生(ISI)，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，提高物理层吞吐。OFDM 在 802.11a/g 时代已经成熟使用，到了 802.11n 时代，它将 MIMO 支持的子载体从
11、 52 个提高到 56 个。需要注意的是，无论 802.11a/g，还是802.11n，它们都使用了 4 个子载体作为 pilot 子载体，而这些子载体并不用于数据的传递。所以 802.11n MIMO 将物理速率从传统的 54Mbps 提高到了 58.5 Mbps(即 54*52/48）。4. FEC (Forward Error Correction)按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接收端能够恢复原始信息。802.11n 所采用的 QAM-64 的编码机制可以将编码率（有效信息和整个编码的
12、比率）从 3/4 提高到 5/6。所以，对于一条空间流，在 MIMO-OFDM 基础之上，物理速率从 58.5 提高到了 65Mbps(即 58.5 乘 5/6 除以 3/4）。5. Short Guard Interval (GI)由于多径效应的影响，信息符号（Information Symbol）将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致 ISI 干扰。为此，802.11a/g 标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在 800 ns 的时间间隔，这个间隔被称为 Guard Interval (GI)。802.11仍然使用缺省使用 800 ns GI。当多径效应不是很严重时，用
13、户可以将该间隔配置为 400，对于一条空间流，可以将吞吐提高近，即从 65Mbps 提高到 72.2 Mbps。对于多径效应较明显的环境，不建议使用 Short Guard Interval (GI)。6. 40MHz 绑定技术这个技术最为直观：对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。就好比是马路变宽了，车辆的通行能力自然提高。传统802.11a/g 使用的频宽是 20MHz，而 802.11n 支持将相邻两个频宽绑定为 40MHz来使用，所以可以最直接地提高吞吐。需要注意的是：对于一条空间流，并不是仅仅将吞吐从 72.2 Mbps 提高到144.4（即 72.22 ）Mbp
14、s。对于 20MHz 频宽，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过 40MHz 绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载体从 104（522）提高到 108。按照72.2*2*108/104 进行计算，所得到的吞吐能力达到了 150Mbps。7. MCS (Modulation Coding Scheme)在 802.11a/b/g 时代，配置 AP 工作的速率非常简单，只要指定特定 radio类型（802.11a/b/g）所使用的速率集，速率范围从 1Mbps 到 54Mbps,一共有 12种可能的物理速率。到了 802.11n 时代，由于物理速率依赖于调
15、制方法、编码率、空间流数量、是否 40MHz 绑定等多个因素。这些影响吞吐的因素组合在一起，将产生非常多的物理速率供选择使用。比如基于 Short GI,40MHz 绑定等技术，在 4 条空间流的条件下，物理速率可以达到 600Mbps(即 4*150)。为此，802.11n 提出了 MCS的概念。MCS 可以理解为这些影响速率因素的完整组合，每种组合用整数来唯一标示。对于 AP，MCS 普遍支持的范围为 0-15。8. MRC (Maximal-Ratio Combining)MRC 和吞吐提高没有任何关系，它的目的是改善接收端的信号质量。基本原理是：对于来自发射端的同一个信号，由于在接收端
16、使用多天线接收，那么这个信号将经过多条路径（多个天线）被接收端所接收。多个路径质量同时差的几率非常小，一般地，总有一条路径的信号较好。那么在接收端可以使用某种算法，对这些各接收路径上的信号进行加权汇总（显然，信号最好的路径分配最高的权重），实现接收端的信号改善。当多条路径上信号都不太好时，仍然通过 MRC 技术获得较好的接收信号。MAC 层关键技术1. 帧聚合帧聚合技术包含针对 MSDU 的聚合（A-MSDU）和针对 MPDU 的聚合(A-MPDU)：1）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，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
