无线技术之802.11n技术讲解

　　无线技术凭借其固有的特性不断地发展和增值。从最开始的802.11到802.11 a/b，再到802.11 g 和现在的802.11n标准。从开始到最终获准正式发布具有多项增强功能的协议标准，一共花费了超过七年的时间。

　　802.11n技术

　　在过去的七年里，IEEE标准化组织一直致力于研究一套新的标准。新标准在提供新功能的同时也标准化了802.11射频功能的提升。新标准明显改进了802.11通信的可靠性、无线信号覆盖范围的可预测性和增强802.11设备总的吞吐量。同时向后兼容传统的802.11环境。

　　最初的802.11n标准很大程度上是基于802.11n Wi-Fi 联盟2.0版本的草案，并且包括了以下的关键设备要求。这些关键的设备要求现已在最终的版本里都已经包括：

　　*MIMO-描述了多进多出（MIMO）技术的使用；

　　*射频增强-增加了信道容量，更高的调制速率和更低的系统开销；

　　*MAC 增强-在现有802.11设备数据帧的基础上修改了能为802.11n使所用的帧格式；

　　MIMO

　　多进多出（MIMO）技术是802.11n标准的核心。这个MIMO技术的讨论提供了理解802.11n如何实现600Mbps速率的一个基础。

　　无线通信的本质是很容易受到各种干扰、失真或噪声的影响。与有线技术类似，信噪比（SNR）的效益对高效数据传输的能力至关重要。信噪比的值越大，信号所能承载的信息量就越多，并且在接收端所能复原的信息量也越多。

　　802.11n 使用两种有趣的技术来改善信噪比和存在多径效应的环境：波束成形和多路空间分集。下面的章节描述了它们的功能以及好处。

　　传输的波束成形技术

　　波束成形是在一个开放或较少障碍物的环境下有多根发射天线和单根接收天线时使用的一项技术。当有多根发射天线时，每个被发送的射频信号在传输时由于传输路径不同会产生一个不同的相位。这些差值将影响总体的信噪比。通过调整发射信号的相位从而在接收端它们能进很好地匹配，信噪比将会有大幅的提高。因此发射端信号就能承载更多的信息并且接收端也能复原更多的信息。

　　至此，我们注意到这种特殊的方法紧密地依赖于发射端和接收端之间的反馈机制。接收端接收到无线信号上的信息将会返回到发射端，从而让发射端去调整它的射频信号。

　　*当实施波束成形技术时，需要注意以下几点：

　　1. 这个特殊技术只对802.11n发射端和接收端有效；

　　2. 仅应用在只发送信号到单个接收端的情况下；

　　3. 接收端和发射端之间的反馈机制不是直接和瞬间的。如果发射端或接收端位置改变，则需要重建之间的关系；

　　多径或空间分集

　　MIMO 技术同时利用多个射频信号，每个信号由对应的天线发送出去属于自己的空间流。在典型的无线环境下，任何的发射信号无疑都会碰到一些干扰或反射体。随着发射端数量的增多，发射信号的数量也会增多。因此，信号将从不同的路径在不同的时间被接收。这种情况被称为多径。

　　由于每个天线的功能彼此独立，不同数据流有自己的发射源。在接收端，来自于每个射频的每个数据流会被组合起来，在复杂的运算之后，形成一个更清晰或更强的信号从而达到更高的信噪比。

　　射频增强

　　除了引入更高效的天线以外，802.11n做了额外的射频改进来提高WLAN的有效吞吐量。其中最重要的改进是增加频带宽度、采用更高的调制速率和减少开销。下面的章节将描述每个改进和它们对WLAN吞吐量的影响。

　　20MHz及40MHz信道

　　为了理解射频增强技术及其对WLAN性能的总体提升，有必要对频谱效率和信道绑定的背景知识有所了解。

　　在最初的802.11和802.11b标准里，他们的频谱效率或频宽为0.5 bits/Hz；802.11a和802.11g的频谱效率为2.7 bits/Hz@ 54Mbps。频谱效率越高，有限的频带空间利用效率也越高。

　　除了频谱效率外，一些专有的WLAN 系统使用被称为“Super G”或“信道绑定”的智能技术来绑定两个802.11g（54Mbps）频道来提供高达108Mpbs的速率。

　　通过信道绑定技术，虽然频谱效率与802.11a和802.11g一样，但是频带宽度却是两倍。这提供了一个两倍数据传输速率的简单方法。

　　在新的802.11n标准中一个关键的增强功能是高效地使用了20MHz及40MHz的信道。与其它专有产品类似，802.11n标准中40MHz的信道由两个20MHz的信道绑定组成。使用40MHz绑定信道，802.11n利用每个20MHz信道在频带的顶部及底部保留用来降低相邻信道干扰的少量信道来传输信号。低信道的顶部和高信道的底部将不再保留用来避免干扰。这些一小部分的信道可用于承载信息。通过这种更高效地使用两个20MHz信道的方法，当从20MHz过渡到40MHz信道时，802.11n可实现略高于原本20MHz两倍的数据传输速率（参见图1）。

　　

　　图1：20MHz和40MHz信道

　　更高的调制速率

　　802.11n标准使用一个众所周知的被称为正交频分复用（OFDM）的调制解调技术，它把一个射频信道分割成大量的更小的具有自己子载波信号的信道（参见上图1）。每个载波信号都独立地承载信息。就像把一组独立的射频捆绑在一起同时进行传输。

　　802.11n标准在每个20MHz信道中子载波的数量从48 个增加到52 个。对于只有单个传输射频的系统，这稍微增加数据传输速率到最大65Mbps。802.11n为一个发射器提供8个速率可供使用，同时可使用的发射器的数量增加到4 个。对于两个发射器，最大的速率可达到130Mbps。三个发射器则可提供最大195Mbps的速率。最多四个发射器可达到260Mbps。在20MHz信道802.11n总共能提供多达32 个速率集。

　　当使用40MHz信道时，802.11n增加子载波的数量到108 个。从而为1 到4 个发射器分别提供最大135Mbps，270 Mbps，405 Mbps 和540 Mbps的速率。相同地，40MHz每个发射器有8个速率集，总计32 个速率集。

　　降低开销：保护间隔

　　OFDM包含一种多径环境下防止码间干扰的安全机制。在前一个符号还未被完全接收一个新的符号就已到达接收端的情况下产生了码间干扰（参见图2）。

　　

　　图2：保护间隔

　　802.11n使用800纳秒的保护间隔，允许800英尺的多径差异。然而，假定接收器和发射器之间800英尺的多径差异对于多径环境来说并不太严格，这时可以降低保护间隔。802.11n 的保护间隔能够被配置成400 纳秒或4微秒。这个小的改动可以提高数据传输速率。对于20MHz信道而言，降低保护间隔后1 到4 个发射器的最大速率可分别可达到72Mbps、144Mbps、216Mbps和288Mbps；对于40MHz 信道，最大速率可达到150Mbps、300Mbps、450Mbps和600Mbps。

　　MAC层增强

　　在前面的文章中我们了解到射频的改善如何提高了传输的性能。然而，这些改进也仅仅是性能的提升。

　　每个数据报文或数据帧都有一定的开销。更准确地说，就是MAC层协议的开销。除这些开销之外，帧间间隔和确认机制也会降低有效的最大吞吐量。802.11n引入了一些改进来优化MAC层协议的开销。

　　为了减少开销，802.11n引入了帧聚合。帧聚合本质上是将两个或更多的帧组合成一个数据帧进行传输。802.11n提供了两种帧聚合的方法：MAC服务数据单元（MSDU）聚合和信息协议数据单元（MSDU）聚合。两种聚合方式减少开销到每次数据帧传输时只有一个射频前导（参见图3）。

　　

　　图 3：帧聚合

　　MAC 协议数据单元聚合（A-MPDU）

　　A-MPDU的工作机制和A-MSDU不同。MPDU聚合把每个以太网帧转换成802.11的格式然后再将这些帧按相同的目的地址搜集起来，而不是直接搜集以太网帧。因为搜集的数据帧已经封装了802.11MAC帧头，从而不再需要封装另外的802.11帧结构（参见图4）。

　　

　　图 4： A-MPDU帧

　　因为额外开销是聚合帧的一部分，所以MPDU效率较低。图4 显示的是具有一个包头和有效数据的数据帧格式。此外，当把加密包括在内时效率将会进一步降低。

　　另外一个值得关注的特性是部分A-MPDU采用块确认机制。通过块确认机制，接收方返回一个ACK确认帧给发送方作为对任意未被确认的帧的统一确认。在大量错误不可避免的环境下，确认帧数量的减少至关重要。

　　MAC 服务数据单元聚合（A-MSDU）

　　A-MSDU是两种帧聚合中更高效的一种。A-MSDU的工作机制是聚合具有相同目的地的以太网帧，并封装它们到一个802.11帧里然后传输这个802.11封装的聚合以太网帧（参见图5）。

　　

　　图5：MSDU聚合帧

　　与MPDU聚合帧中的每个子帧都有一个帧头不同，MSDU只包含一个由radio preamble、radio header和MAC header组成的帧头。另外，MSDU仅对整个聚合帧加密，然而MPDU 每个单独的数据帧都被加密。

　　与MPDU相似，MSDU 聚合帧中的所有帧必须有相同的QoS等级。不允许将语音帧和best-effort帧合成一个聚合帧。

　　随着802.11n标准的正式发布，无线技术变得越来越成熟并通过关键功能的实现为目前及将来的企业带来更大的好处。

　　802.11n标准的增强功能具有以下的关键好处：

• 　　 增加了信号的覆盖范围--引入的MIMO技术和多径效应明显地降低了出现盲点的机会。受到多径效应影响的相同位置反而利用这个条件增强了信号的覆盖范围；
• 　　增加了数据传输的可靠性--MIMO技术的另外一个优点是其SNR效率的增长。这个增长带来了更高的数据传输速率和对充满干扰的环境更强健的适应性；
• 　　增加了整体吞吐量--20MHz和40MHz的频宽、信道绑定和保护间隔时间的减少所带来的效益最终得到的是一个整体吞吐量的增长；

　　凭借着802.11n标准的好处，企业部署无线技术更趋向于考虑使用802.11n。这个新的标准可以增加每个无线客户端的WLAN容量和吞吐量，同时保持低成本、部署时间短、投资回报快和无缝过渡的优势。