802.11n

802.11n簡介

　　802.11n是在802.11g和802.11a之上發展起來的一項技術，最大的特點是速率提升，理論速率最高可達600Mbps（目前業界主流為300Mbps）。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz兩個頻段。

　　Wi－Fi聯盟在802.11a/b/g后面的一個無線傳輸標準協議， 為了實現高帶寬、高質量的WLAN服務，使無線局域網達到以太網的性能水平，802.11任務組N（TGn）應運而生。802.11n標準至2009年才得到IEEE的正式批準，但采用 MIMO OFDM技術的廠商已經很多，包括華為、騰達、TP-Link、D－Link、Airgo、Ubiquiti、Bermai、Broadcom以及杰爾系統、Atheros、思科、Intel等等，產品包括無線網卡、無線路由器等。

802.11n百科

　　802.11n是在802.11g和802.11a之上發展起來的一項技術，最大的特點是速率提升，理論速率最高可達600Mbps（目前業界主流為300Mbps）。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz兩個頻段。

　　Wi－Fi聯盟在802.11a/b/g后面的一個無線傳輸標準協議， 為了實現高帶寬、高質量的WLAN服務，使無線局域網達到以太網的性能水平，802.11任務組N（TGn）應運而生。802.11n標準至2009年才得到IEEE的正式批準，但采用 MIMO OFDM技術的廠商已經很多，包括華為、騰達、TP-Link、D－Link、Airgo、Ubiquiti、Bermai、Broadcom以及杰爾系統、Atheros、思科、Intel等等，產品包括無線網卡、無線路由器等。

　　主要性能

　　覆蓋范圍

　　802.11n采用智能天線技術，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可以動態調整波束，保證讓WLAN用戶接收到穩定的信號，并可以減少其它信號的干擾。因此其覆蓋范圍可以擴大到好幾平方公里，使WLAN移動性極大提高。

　　兼容性

　　802.11n采用了一種軟件無線電技術，它是一個完全可編程的硬件平臺，使得不同系統的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現互通和兼容，這使得WLAN的兼容性得到極大改善。這意味著WLAN將不但能實現802.11n向前后兼容，而且可以實現WLAN與無線廣域網絡的結合，比如3G。

　　傳輸速率

　　802.11n可以將WLAN的傳輸速率由802.11a及802.11g提供的54Mbps，提高到300Mbps甚至高達600Mbps。得益于將MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復用）技術相結合而應用的MIMO OFDM技術，提高了無線傳輸質量，也使傳輸速率得到極大提升。

　　表1給出了802.11n常見的物理速率（指定條件下系統提供的最高物理速率），并給出幾個基本物理速率詳細描述和解釋：

　　65Mbps：為20Mhz模式下單條流的最大物理發送速率（沒有啟動short GI），一些早期的無線網卡和2012年左右的許多手機可能都是一條流的11gn網卡，此類網卡數據發送時使用一條流，所以只能夠達到的最大物理速率為65Mbps；

　　130Mbps：主流的11gn的物理速率，由于11gn不重疊信道只有3個，所以通常采用20Mhz模式而且不應用short GI特性，此時基本的無線客戶端使用兩條流進行數據發送，可以達到最大物理速率為130Mbps；

　　300Mbps：11an不重疊信道相對11gn比較多，所以在11an模式下可以選擇采用40Mhz模式并可以啟動short GI功能，這樣比較主流的11n客戶端使用兩條流發送數據，實現了300Mbps的最大物理速率。

　　主要技術

　　802.11n主要是結合物理層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。主要的物理層技術涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術，從而將物理層吞吐提高到600Mbps。如果僅僅提高物理層的速率，而沒有對空口訪問等MAC協議層的優化，802.11n的物理層優化將無從發揮。就好比即使建了很寬的馬路，但是車流的調度管理如果跟不上，仍然會出現擁堵和低效。所以802.11n對MAC采用了Block確認、幀聚合等技術，大大提高MAC層的效率。

　　MIMO

　　所謂的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output的縮寫，大部分您所看到的說法，都是指無線網絡訊號通過多重天線進行同步收發，所以可以增加數據傳輸率。然而比較正確的解釋，應該是說，網絡資源通過多重切割之后，經過多重天線進行同步傳送，由于無線訊號在傳送的過程當中，為了避免發生干擾起見，會走不同的反射或穿透路徑，因此到達接收端的時間會不一致。為了避免數據不一致而無法重新組合，因此接收端會同時具備多重天線接收，然后利用DSP重新計算的方式，根據時間差的因素，將分開的數據重新作組合，然后傳送出正確且快速的數據流。

　　MIMO中有2個相對迷惑的名詞：MIMO links —描述一個無線設備（例如：無線AP）傳輸數據到另外一個設備（例如：筆記本電腦），決定傳輸最重要的因素就是無線AP的發送天線數量和筆記本電腦無線網卡接收天線數量：例如2X1，意思就是無線AP的2個發送天線和筆記本電腦的1個接收天線； MIMO devices—描述一個設備自身的發送和接收天線數量，例如網絡設備廠商的無線AP的參數中有 2X3，表示的意思是這個AP有2個發送天線和3個接收天線 （無線AP的天線是都可以收發的，并不是說一共有5根天線）

　　由于傳送的資料經過分割傳送，不僅單一資料流量降低，可拉高傳送距離，又增加天線接收范圍，因此MIMO技術不僅可以增加既有無線網絡頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能增加訊號接收距離。所以不少強調資料傳輸速度與傳輸距離的無線網絡設備，紛紛開始拋開對既有Wi-Fi聯盟的兼容性要求，而采用MIMO的技術，推出高傳輸率的無線網絡產品。

　　MIMO技術可以簡單的認為多進多出（MIMO：Multiple Input Multiple Output）技術，是在上個世紀末美國的貝爾實驗室提出的多天線通信系統，在發射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道。因此我們今天看到的MIMO產品多數都不只一根天線。MIMO無線通信技術的概念是在任何一個無線通信系統，只要其發射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構成了一個無線MIMO系統。MIMO無線通信技術采用空時處理技術進行信號處理，在多徑環境下，無線MIMO系統可以極大地提高頻譜利用率，增加系統的數據傳輸速率。MIMO技術非常適用于室內環境下的無線局域網系統使用。采用MIMO技術的無線局域網系統在室內環境下的頻譜效率可以達到20～40bps/Hz;而使用傳統無線通信技術在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5bps/Hz，在點到點的固定微波系統中也只有10～12bps/Hz。

　　“MIMO”一詞泛指任何在傳送器部分具有多重輸出，與在接收器部分具多重輸入的系統。雖然MIMO系統可能包含有線連結的裝置，但整個系統通常是無線系統，例如多重天線系統、3G行動電話系統（無線系統）中所使用的Code Division Multiple Access（CDMA）系統，甚至是使用多條電話線多方通話（crosstalk）的DSL系統（有線系統）。MIMO并不是單一概念，而是由多種無線射頻技術所組成，因此我們必須充份了解MIMO的運作和效能。當應用于WLAN時，有些MIMO技術能與現時的WLAN標準（如802.11a、802.11b與802.11g）相兼容，因而能擴充其傳輸范圍；相反，有些MIMO技術則只能用于與一般WLAN標準不相容的MIMO裝置。

　　OFDM

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復用技術。是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

　　技術概述

　　802.11n主要是結合物理層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。主要的物理層技術涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術，從而將物理層吞吐提高到600Mbps。如果僅僅提高物理層的速率，而沒有對空口訪問等MAC協議層的優化，802.11n的物理層優化將無從發揮。就好比即使建了很寬的馬路，但是車流的調度管理如果跟不上，仍然會出現擁堵和低效。所以802.11n對MAC采用了Block確認、幀聚合等技術，大大提高MAC層的效率。

　　802.11n對用戶應用的另一個重要收益是無線覆蓋的改善。由于采用了多天線技術，無線信號（對應同一條空間流）將通過多條路徑從發射端到接收端，從而提供了分集效應。在接收端采用一定方法對多個天線收到信號進行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使在接受端較遠時，也能獲得較好的信號質量，從而間接提高了信號的覆蓋范圍。其典型的技術包括了MRC等。

　　除了吞吐和覆蓋的改善，11n技術還有一個重要的功能就是要兼容傳統的802.11 a/b/g，以保護用戶已有的投資。

　　接下來對這些相關的關鍵技術進行逐一介紹。

　　物理層關鍵技術

　　1. MIMO

　　MIMO是802.11n物理層的核心，指的是一個系統采用多個天線進行無線信號的收發。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 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。

　?。玻?提高無線鏈路的健壯性和改善SNR

　　通過多條通道，無線信號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號進行綜合計算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這里是同一條流在多個路徑上傳遞了多份，并不能夠提高吞吐。在MRC部分將有更多說明。

　　2. SDM

　　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，將成倍地提高系統的吞吐。

　　圖2 通過MIMO傳遞多條空間流

　　MIMO系統支持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，則支持的空間流為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支持的空間流數。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數據。

　　圖3 MIMO利用多徑傳輸數據

　　3. MIMO-OFDM

　　在室內等典型應用環境下，由于多徑效應的影響，信號在接收側很容易發生（ISI），從而導致高誤碼率。OFDM調制技術是將一個物理信道劃分為多個子載體（sub-carrier），將高速率的數據流調制成多個較低速率的子數據流，通過這些子載體進行通訊，從而減少ISI機會，提高物理層吞吐。

　　OFDM在802.11a/g時代已經成熟使用，到了802.11n時代，它將MIMO支持的子載體從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。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統的54Mbps提高到了58.5 Mbps（即54*52/48）。

　　4. FEC （Forward Error Correction）

　　按照無線通信的基本原理，為了使信息適合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發射端將把信息進行編碼并攜帶冗余信息，以提高系統的糾錯能力，使接收端能夠恢復原始信息。802.11n所采用的QAM-64的編碼機制可以將編碼率（有效信息和整個編碼的比率）從3/4 提高到5/6。所以，對于一條空間流，在MIMO-OFDM基礎之上，物理速率從58.5提高到了65Mbps（即58.5乘5/6除以3/4）。

　　5. Short Guard Interval （GI）

　　由于多徑效應的影響，信息符號（Information Symbol）將通過多條路徑傳遞，可能會發生彼此碰撞，導致ISI干擾。為此，802.11a/g標準要求在發送信息符號時，必須保證在信息符號之間存在800 ns的時間間隔，這個間隔被稱為Guard Interval （GI）。802.11ｎ仍然使用缺省使用800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時，用戶可以將該間隔配置為400，對于一條空間流，可以將吞吐提高近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）。

　　6. 40MHz綁定技術

　　這個技術最為直觀：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支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。

　　需要注意的是：對于一條空間流，并不是僅僅將吞吐從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干擾，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，可以將子載體從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。

　　7. MCS （Modulation Coding Scheme）

　　在802.11a/b/g時代，配置AP工作的速率非常簡單，只要指定特定radio類型（802.11a/b/g）所使用的速率集，速率范圍從1Mbps到54Mbps，一共有12種可能的物理速率。

　　到了802.11n時代，由于物理速率依賴于調制方法、編碼率、空間流數量、是否40MHz綁定等多個因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，將產生非常多的物理速率供選擇使用。比如基于Short GI，40MHz綁定等技術，在4條空間流的條件下，物理速率可以達到600Mbps（即4*150）。為此，802.11n提出了MCS的概念。MCS可以理解為這些影響速率因素的完整組合，每種組合用整數來唯一標示。對于AP，MCS普遍支持的范圍為0-15。

　　8. MRC （Maximal-Ratio Combining）

　　MRC和吞吐提高沒有任何關系，它的目的是改善接收端的信號質量?；驹硎牵簩τ趤碜园l射端的同一個信號，由于在接收端使用多天線接收，那么這個信號將經過多條路徑（多個天線）被接收端所接收。多個路徑質量同時差的幾率非常小，一般地，總有一條路徑的信號較好。那么在接收端可以使用某種算法，對這些各接收路徑上的信號進行加權匯總（顯然，信號最好的路徑分配最高的權重），實現接收端的信號改善。當多條路徑上信號都不太好時，仍然通過MRC技術獲得較好的接收信號。

　　MAC層關鍵技術

　　1. 幀聚合

　　幀聚合技術包含針對MSDU的聚合（A-MSDU）和針對MPDU的聚合（A-MPDU）：

　　l A-MSDU

　　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。這里的MSDU可以認為是Ethernet報文。通常，當AP或無線客戶端從協議棧收到報文（MSDU）時，會打上Ethernet報文頭，我們稱之為A-MSDU Subframe；而在通過射頻口發送出去前，需要一一將其轉換成802.11報文格式。而A-MDSU技術旨在將若干個A-MSDU Subframe聚合到一起，并封裝為一個802.11報文進行發送。從而減少了發送每一個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11MAC頭的開銷，同時減少了應答幀的數量，提高了報文發送的效率。

　　A-MSDU報文是由若干個A-MSDU Subframe組成的，每個Subframe均是由Subframe header （Ethernet Header）、一個MSDU和0-3字節的填充組成。

　　圖4 A-MSDU 報文結構

　　A-MSDU技術只適用于所有MSDU的目的端為同一個HT STA的情況。

　　l A-MPDU

　　與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經過802.11報文封裝后的MPDU，這里的MPDU是指經過802.11封裝過的數據幀。通過一次性發送若干個MPDU，減少了發送每個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，從而提高系統吞吐量。

　　圖5 A-MPDU報文格式

　　其中MPDU格式和802.11定義的相同，而MPDU Delimiter是為了使用A-MPDU而定義的新的格式。A-MPDU技術同樣只適用于所有MPDU的目的端為同一個HT STA的情況。

　　2. Block ACK

　　為保證數據傳輸的可靠性，802.11協議規定每收到一個單播數據幀，都必須立即回應以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要對其中的每一個MPDU進行處理，因此同樣針對每一個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。

　　Block Ack機制分三個步驟來實現：

　　Þ 通過ADDBA Request/Response報文協商建立Block ACK協定。

　　Þ 協商完成后，發送方可以發送有限多個QoS數據報文，接收方會保留這些數據報文的接收狀態，待收到發送方的BlockAckReq報文后，接收方則回應以BlockAck報文來對之前接收到的多個數據報文做一次性回復。

　　Þ 通過DELBA Request報文來撤消一個已經建立的Block Ack協定。

　　圖6 Block Ack 工作機制

　　3. 兼容a/b/g

　　WLAN標準從802.11a/b發展到802.11g，再到現在的802.11n，提供良好的向后兼容性顯得尤為重要。802.11g提供了一套保護機制來允許802.11b的無線用戶接入802.11g網絡。同樣的，802.11n協議提供相似的機制來允許802.11a/b/g用戶的接入。

　　802.11n設備發送的信號可能無法被802.11a/b/g的設備解析到，造成802.11a/b/g設備無法探測到802.11n設備，從而往空中直接發送信號，導致信道使用上的沖突。為解決這個問題，當802.11n運行在混合模式（即同時有802.11a/b/g設備在網絡中）時，會在發送的報文頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g設備正確解析的前導碼。從而保證802.11a/b/g設備能夠偵聽到802.11n信號，并啟用沖突避免機制，進而實現802.11n的設備與802.11a/b/g設備的互通。

　　結論

　　MIMO是802.11n物理層的核心，通過結合40MHz綁定、MIMO-OFDM等多項技術，可以將物理層速率提高到600Mbps。為了充分發揮物理層的能力，802.11n對MAC層采用了幀聚合、Block ACK等多項技術進行優化。802.11n給我們帶來吞吐、覆蓋等提高的同時，也增加了更多的技術挑戰。了解這些技術，將幫助我們更好地應用802.11n和解決應用所面臨的實際問題。