无线传输协议802.11n解析

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1、1IEEE 802.11n技术解析目录前言 .21. 产生背景 .22. IEEE 802.11n关键技术 .21.1物理层关键技术 .31.1.1 MIMO技术 .31.1.2 OFDM技术 .41.1.3 40MHZ绑定技术 .51.1.4 FEC（Forward Error Correction）技术 .51.1.5 Short Guard Interval (GI)技术 .51.2 MAC层关键技术 .51.2.1 帧聚合技术 .51.2.2 块确认（Block ACK）技术 .71.2.3 802.11n速率计算方法 .73. 802.11n与 802.11b/g的兼容性 .84.

2、IEEE 802.11n应用前景 .84.1家庭环境 .84.2企业环境 .84.3校园与城市网络 .95. 结论 .92前言日 前 百 度 发 布 了 一 款 小 度 wifi， 将 其 插 入 电 脑 可 以 创 建 一 个 小 型 无 线局 域 网 ， 方 便 大 家 更 便 捷 的 接 入 互 联 网 。 在 这 款 产 品 中 应 用 了 最 新 的 无 线传 输 协 议 IEEE 802.11n 协 议 。 高 达 600Mbps 的 传 输 速 率 ， 100Mbps 的净 吞 吐 量 以 及 很 好 的 向 前 向 后 兼 容 性 ， 奠 定 了 IEEE 802.11n 在

3、无 线 局 域 网中 的 重 要 地 位 。 接 下 来 我 们 将 更 全 面 的 了 解 一 下 该 无 线 传 输 协 议 。1. 产生背景在 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、 802.11g、 802.11e、 802.11f、 802.11h、 802.11i、 802.11j 等

4、 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 。为 了 实 现 高 带 宽 、 高 质 量 的 WLAN 服 务 ， 是 无 线 局 域 网 达 到 以 太 网 的 性能 水 平 ， 802.11 任

5、务 组 N（ TGn） 应 运 而 生 。 2009 年 IEEE 正 式 批 准 了802.11n 标 准 。2. IEEE 802.11n关键技术802.11n 标 准 较 之 前 的 标 准 引 入 了 许 多 新 的 技 术 。 IEEE 802.11n技术通过物理层和 MAC层的优化来充分提高 WLAN网络的吞吐量，主要的物理层技术涉及了 MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI、FEC、MRC 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

6、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。31.1物理层关键技术1.1.1 MIMO技术多输入多输出（MIMO）技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据速率） 。MIMO是 802.11n物理层的核心，802.11n 通过使用 MIMO（多入多出）技术，无线传输同时发送多个无线信号，并且利用多径效应，形成多个空间流，即同一信道内占据不同空间的数据流。可以成倍提高数据传输速度。通过 MI

7、MO技术，还可以获得分集增益和复用增益，有效提高了覆盖距离和速率。在 802.11n标准中定义了 14 空间流的 MIMO技术，如采用 2空间流可以将 802.11的速率提升 2倍，采用 4空间流可以将 802.11的速率提升四倍，达到 600Mbps。目前的 802.11n产品普遍支持到 2空间流，理论峰值速率可达300Mbps。MIMO特色 通 过 多 只 天 线 同 时 进 行 收 发 ， 增 加 无 线 网 络 基 地 台 的 涵 盖 范 围 。 利 用 多 重 路 径 的 设 计 方 式 ， 减 少 基 地 台 数 量 ， 不 仅 可 以 增 加 资 料 传 输 率 ， 也 能 够

8、增 加 无 线 网 络 客 户 端 服 务 数 量 。 2009 年 9 月 11 日 ： IEEE 标 准 委 员 会 终 于 批 准 通 过 802.11n 成 为 正 式标 准 。 MIMO 技术示意图41.1.2 OFDM技术OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 即 正 交 频 分复 用 技 术 。 是 一 种 无 线 环 境 下 的 高 速 传 输 技 术 。 无 线 信 道 的 频 率 响 应 曲 线 大多 是 非 平 坦 的 ， 而 OFDM 技 术 的 主 要 思 想 就 是 在 频 域 内 将 给 定 信 道 分

9、成 许 多正 交 子 信 道 ， 在 每 个 子 信 道 上 使 用 一 个 子 载 波 进 行 调 制 ， 并 且 各 子 载 波 并 行传 输 。 这 样 ， 尽 管 总 的 信 道 是 非 平 坦 的 ， 具 有 频 率 选 择 性 ， 但 是 每 个 子 信 道是 相 对 平 坦 的 ， 在 每 个 子 信 道 上 进 行 的 是 窄 带 传 输 ， 信 号 带 宽 小 于 信 道 的 相应 带 宽 ， 因 此 就 可 以 大 大 消 除 信 号 波 形 间 的 干 扰 。 由 于 在 OFDM 系 统 中 各 个子 信 道 的 载 波 相 互 正 交 ， 于 是 它 们 的 频 谱

10、是 相 互 重 叠 的 ， 这 样 不 但 减 小 了 子载 波 间 的 相 互 干 扰 ， 同 时 又 提 高 了 频 谱 利 用 率 。将 MIMO 和 OFDM 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 ， 是 无 线 网 络 的 有 效 传 输 速 率 有 质 的 提 高 。MIMO-OFDM 工作流程51.1.3 40MHZ绑定技术对 于 无 线 技 术 ， 提 高 所 用 频 谱 的 宽 度 ， 可

11、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 )Mbps。 对 于 20MHz 频 宽 ， 为 了 减少 相 邻 信 道 的 干 扰 ， 在 其 两 侧

12、 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。1.1.4 FEC（Forward Error Correction）技术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 QA

13、M-64的编码机制可以将编码率(有效信息和整个编码的比率)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)。1.1.5 Short Guard Interval (GI)技术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)。802.11n 仍然使用缺

14、省使用 800 ns GI。当多径效应不是很严重时，用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 10%，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)。1.2 MAC层关键技术1.2.1 帧聚合技术帧聚合技术包含针对 MSDU的聚合(A-MSDU)和针对 MPDU的聚合(A-MPDU)：A-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6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报文进行发送。从而减少了发送每一个 802.11报文所需的 PLCP Preamble，PLCP Header和 802.11MAC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-MPDU：与 A-MSDU不同的是，A-MPDU 聚合的是经过 802.11报文封装后的MPD