無(wú)線(xiàn)技術(shù)之802.11n技術(shù)講解

無(wú)線(xiàn)技術(shù)憑借其固有的特性不斷地發(fā)展和增值。從最開(kāi)始的802.11到802.11 a/b，再到802.11 g 和現(xiàn)在的802.11n標(biāo)準(zhǔn)。從開(kāi)始到最終獲準(zhǔn)正式發(fā)布具有多項(xiàng)增強(qiáng)功能的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，一共花費(fèi)了超過(guò)七年的時(shí)間。

802.11n技術(shù)

在過(guò)去的七年里，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織一直致力于研究一套新的標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)在提供新功能的同時(shí)也標(biāo)準(zhǔn)化了802.11射頻功能的提升。新標(biāo)準(zhǔn)明顯改進(jìn)了802.11通信的可靠性、無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋范圍的可預(yù)測(cè)性和增強(qiáng)802.11設(shè)備總的吞吐量。同時(shí)向后兼容傳統(tǒng)的802.11環(huán)境。

最初的802.11n標(biāo)準(zhǔn)很大程度上是基于802.11n Wi-Fi 聯(lián)盟2.0版本的草案，并且包括了以下的關(guān)鍵設(shè)備要求。這些關(guān)鍵的設(shè)備要求現(xiàn)已在最終的版本里都已經(jīng)包括：

*MIMO-描述了多進(jìn)多出(MIMO)技術(shù)的使用;

*射頻增強(qiáng)-增加了信道容量，更高的調(diào)制速率和更低的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo);

*MAC 增強(qiáng)-在現(xiàn)有802.11設(shè)備數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上修改了能為802.11n使所用的幀格式;

MIMO

多進(jìn)多出(MIMO)技術(shù)是802.11n標(biāo)準(zhǔn)的核心。這個(gè)MIMO技術(shù)的討論提供了理解802.11n如何實(shí)現(xiàn)600Mbps速率的一個(gè)基礎(chǔ)。

無(wú)線(xiàn)通信的本質(zhì)是很容易受到各種干擾、失真或噪聲的影響。與有線(xiàn)技術(shù)類(lèi)似，信噪比(SNR)的效益對(duì)高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰χ陵P(guān)重要。信噪比的值越大，信號(hào)所能承載的信息量就越多，并且在接收端所能復(fù)原的信息量也越多。

802.11n 使用兩種有趣的技術(shù)來(lái)改善信噪比和存在多徑效應(yīng)的環(huán)境：波束成形和多路空間分集。下面的章節(jié)描述了它們的功能以及好處。

傳輸?shù)牟ㄊ尚渭夹g(shù)

波束成形是在一個(gè)開(kāi)放或較少障礙物的環(huán)境下有多根發(fā)射天線(xiàn)和單根接收天線(xiàn)時(shí)使用的一項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)有多根發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，每個(gè)被發(fā)送的射頻信號(hào)在傳輸時(shí)由于傳輸路徑不同會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不同的相位。這些差值將影響總體的信噪比。通過(guò)調(diào)整發(fā)射信號(hào)的相位從而在接收端它們能進(jìn)很好地匹配，信噪比將會(huì)有大幅的提高。因此發(fā)射端信號(hào)就能承載更多的信息并且接收端也能復(fù)原更多的信息。

至此，我們注意到這種特殊的方法緊密地依賴(lài)于發(fā)射端和接收端之間的反饋機(jī)制。接收端接收到無(wú)線(xiàn)信號(hào)上的信息將會(huì)返回到發(fā)射端，從而讓發(fā)射端去調(diào)整它的射頻信號(hào)。

*當(dāng)實(shí)施波束成形技術(shù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 這個(gè)特殊技術(shù)只對(duì)802.11n發(fā)射端和接收端有效;

2. 僅應(yīng)用在只發(fā)送信號(hào)到單個(gè)接收端的情況下;

3. 接收端和發(fā)射端之間的反饋機(jī)制不是直接和瞬間的。如果發(fā)射端或接收端位置改變，則需要重建之間的關(guān)系;

多徑或空間分集

MIMO 技術(shù)同時(shí)利用多個(gè)射頻信號(hào)，每個(gè)信號(hào)由對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)發(fā)送出去屬于自己的空間流。在典型的無(wú)線(xiàn)環(huán)境下，任何的發(fā)射信號(hào)無(wú)疑都會(huì)碰到一些干擾或反射體。隨著發(fā)射端數(shù)量的增多，發(fā)射信號(hào)的數(shù)量也會(huì)增多。因此，信號(hào)將從不同的路徑在不同的時(shí)間被接收。這種情況被稱(chēng)為多徑。

由于每個(gè)天線(xiàn)的功能彼此獨(dú)立，不同數(shù)據(jù)流有自己的發(fā)射源。在接收端，來(lái)自于每個(gè)射頻的每個(gè)數(shù)據(jù)流會(huì)被組合起來(lái)，在復(fù)雜的運(yùn)算之后，形成一個(gè)更清晰或更強(qiáng)的信號(hào)從而達(dá)到更高的信噪比。

射頻增強(qiáng)

除了引入更高效的天線(xiàn)以外，802.11n做了額外的射頻改進(jìn)來(lái)提高WLAN的有效吞吐量。其中最重要的改進(jìn)是增加頻帶寬度、采用更高的調(diào)制速率和減少開(kāi)銷(xiāo)。下面的章節(jié)將描述每個(gè)改進(jìn)和它們對(duì)WLAN吞吐量的影響。

20MHz及40MHz信道

為了理解射頻增強(qiáng)技術(shù)及其對(duì)WLAN性能的總體提升，有必要對(duì)頻譜效率和信道綁定的背景知識(shí)有所了解。

在最初的802.11和802.11b標(biāo)準(zhǔn)里，他們的頻譜效率或頻寬為0.5 bits/Hz;802.11a和802.11g的頻譜效率為2.7 bits/Hz@ 54Mbps。頻譜效率越高，有限的頻帶空間利用效率也越高。

除了頻譜效率外，一些專(zhuān)有的WLAN 系統(tǒng)使用被稱(chēng)為“Super G”或“信道綁定”的智能技術(shù)來(lái)綁定兩個(gè)802.11g(54Mbps)頻道來(lái)提供高達(dá)108Mpbs的速率。

通過(guò)信道綁定技術(shù)，雖然頻譜效率與802.11a和802.11g一樣，但是頻帶寬度卻是兩倍。這提供了一個(gè)兩倍數(shù)據(jù)傳輸速率的簡(jiǎn)單方法。

在新的802.11n標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)關(guān)鍵的增強(qiáng)功能是高效地使用了20MHz及40MHz的信道。與其它專(zhuān)有產(chǎn)品類(lèi)似，802.11n標(biāo)準(zhǔn)中40MHz的信道由兩個(gè)20MHz的信道綁定組成。使用40MHz綁定信道，802.11n利用每個(gè)20MHz信道在頻帶的頂部及底部保留用來(lái)降低相鄰信道干擾的少量信道來(lái)傳輸信號(hào)。低信道的頂部和高信道的底部將不再保留用來(lái)避免干擾。這些一小部分的信道可用于承載信息。通過(guò)這種更高效地使用兩個(gè)20MHz信道的方法，當(dāng)從20MHz過(guò)渡到40MHz信道時(shí)，802.11n可實(shí)現(xiàn)略高于原本20MHz兩倍的數(shù)據(jù)傳輸速率(參見(jiàn)圖1)。

圖1：20MHz和40MHz信道

更高的調(diào)制速率

802.11n標(biāo)準(zhǔn)使用一個(gè)眾所周知的被稱(chēng)為正交頻分復(fù)用(OFDM)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，它把一個(gè)射頻信道分割成大量的更小的具有自己子載波信號(hào)的信道(參見(jiàn)上圖1)。每個(gè)載波信號(hào)都獨(dú)立地承載信息。就像把一組獨(dú)立的射頻捆綁在一起同時(shí)進(jìn)行傳輸。

802.11n標(biāo)準(zhǔn)在每個(gè)20MHz信道中子載波的數(shù)量從48 個(gè)增加到52 個(gè)。對(duì)于只有單個(gè)傳輸射頻的系統(tǒng)，這稍微增加數(shù)據(jù)傳輸速率到最大65Mbps。802.11n為一個(gè)發(fā)射器提供8個(gè)速率可供使用，同時(shí)可使用的發(fā)射器的數(shù)量增加到4 個(gè)。對(duì)于兩個(gè)發(fā)射器，最大的速率可達(dá)到130Mbps。三個(gè)發(fā)射器則可提供最大195Mbps的速率。最多四個(gè)發(fā)射器可達(dá)到260Mbps。在20MHz信道802.11n總共能提供多達(dá)32 個(gè)速率集。

當(dāng)使用40MHz信道時(shí)，802.11n增加子載波的數(shù)量到108 個(gè)。從而為1 到4 個(gè)發(fā)射器分別提供最大135Mbps，270 Mbps，405 Mbps 和540 Mbps的速率。相同地，40MHz每個(gè)發(fā)射器有8個(gè)速率集，總計(jì)32 個(gè)速率集。[!--empirenews.page--]

降低開(kāi)銷(xiāo)：保護(hù)間隔

OFDM包含一種多徑環(huán)境下防止碼間干擾的安全機(jī)制。在前一個(gè)符號(hào)還未被完全接收一個(gè)新的符號(hào)就已到達(dá)接收端的情況下產(chǎn)生了碼間干擾(參見(jiàn)圖2)。

圖2：保護(hù)間隔

802.11n使用800納秒的保護(hù)間隔，允許800英尺的多徑差異。然而，假定接收器和發(fā)射器之間800英尺的多徑差異對(duì)于多徑環(huán)境來(lái)說(shuō)并不太嚴(yán)格，這時(shí)可以降低保護(hù)間隔。802.11n 的保護(hù)間隔能夠被配置成400 納秒或4微秒。這個(gè)小的改動(dòng)可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于20MHz信道而言，降低保護(hù)間隔后1 到4 個(gè)發(fā)射器的最大速率可分別可達(dá)到72Mbps、144Mbps、216Mbps和288Mbps;對(duì)于40MHz 信道，最大速率可達(dá)到150Mbps、300Mbps、450Mbps和600Mbps。

MAC層增強(qiáng)

在前面的文章中我們了解到射頻的改善如何提高了傳輸?shù)男阅堋Ｈ欢?，這些改進(jìn)也僅僅是性能的提升。

每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文或數(shù)據(jù)幀都有一定的開(kāi)銷(xiāo)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，就是MAC層協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)。除這些開(kāi)銷(xiāo)之外，幀間間隔和確認(rèn)機(jī)制也會(huì)降低有效的最大吞吐量。802.11n引入了一些改進(jìn)來(lái)優(yōu)化MAC層協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)。

為了減少開(kāi)銷(xiāo)，802.11n引入了幀聚合。幀聚合本質(zhì)上是將兩個(gè)或更多的幀組合成一個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。802.11n提供了兩種幀聚合的方法：MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)聚合和信息協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MSDU)聚合。兩種聚合方式減少開(kāi)銷(xiāo)到每次數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)只有一個(gè)射頻前導(dǎo)(參見(jiàn)圖3)。

圖 3：幀聚合

MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元聚合(A-MPDU)

A-MPDU的工作機(jī)制和A-MSDU不同。MPDU聚合把每個(gè)以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換成802.11的格式然后再將這些幀按相同的目的地址搜集起來(lái)，而不是直接搜集以太網(wǎng)幀。因?yàn)樗鸭臄?shù)據(jù)幀已經(jīng)封裝了802.11MAC幀頭，從而不再需要封裝另外的802.11幀結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖4)。

圖 4： A-MPDU幀

因?yàn)轭~外開(kāi)銷(xiāo)是聚合幀的一部分，所以MPDU效率較低。圖4 顯示的是具有一個(gè)包頭和有效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀格式。此外，當(dāng)把加密包括在內(nèi)時(shí)效率將會(huì)進(jìn)一步降低。

另外一個(gè)值得關(guān)注的特性是部分A-MPDU采用塊確認(rèn)機(jī)制。通過(guò)塊確認(rèn)機(jī)制，接收方返回一個(gè)ACK確認(rèn)幀給發(fā)送方作為對(duì)任意未被確認(rèn)的幀的統(tǒng)一確認(rèn)。在大量錯(cuò)誤不可避免的環(huán)境下，確認(rèn)幀數(shù)量的減少至關(guān)重要。

MAC 服務(wù)數(shù)據(jù)單元聚合(A-MSDU)

A-MSDU是兩種幀聚合中更高效的一種。A-MSDU的工作機(jī)制是聚合具有相同目的地的以太網(wǎng)幀，并封裝它們到一個(gè)802.11幀里然后傳輸這個(gè)802.11封裝的聚合以太網(wǎng)幀(參見(jiàn)圖5)。

圖5：MSDU聚合幀

與MPDU聚合幀中的每個(gè)子幀都有一個(gè)幀頭不同，MSDU只包含一個(gè)由radio preamble、radio header和MAC header組成的幀頭。另外，MSDU僅對(duì)整個(gè)聚合幀加密，然而MPDU 每個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)幀都被加密。

與MPDU相似，MSDU 聚合幀中的所有幀必須有相同的QoS等級(jí)。不允許將語(yǔ)音幀和best-effort幀合成一個(gè)聚合幀。

隨著802.11n標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，無(wú)線(xiàn)技術(shù)變得越來(lái)越成熟并通過(guò)關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)為目前及將來(lái)的企業(yè)帶來(lái)更大的好處。

802.11n標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)功能具有以下的關(guān)鍵好處：

增加了信號(hào)的覆蓋范圍--引入的MIMO技術(shù)和多徑效應(yīng)明顯地降低了出現(xiàn)盲點(diǎn)的機(jī)會(huì)。受到多徑效應(yīng)影響的相同位置反而利用這個(gè)條件增強(qiáng)了信號(hào)的覆蓋范圍;

增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?-MIMO技術(shù)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其SNR效率的增長(zhǎng)。這個(gè)增長(zhǎng)帶來(lái)了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和對(duì)充滿(mǎn)干擾的環(huán)境更強(qiáng)健的適應(yīng)性;

增加了整體吞吐量--20MHz和40MHz的頻寬、信道綁定和保護(hù)間隔時(shí)間的減少所帶來(lái)的效益最終得到的是一個(gè)整體吞吐量的增長(zhǎng);

憑借著802.11n標(biāo)準(zhǔn)的好處，企業(yè)部署無(wú)線(xiàn)技術(shù)更趨向于考慮使用802.11n。這個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)可以增加每個(gè)無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端的WLAN容量和吞吐量，同時(shí)保持低成本、部署時(shí)間短、投資回報(bào)快和無(wú)縫過(guò)渡的優(yōu)勢(shì)。