WIFI基础入门--802.11n--MIMO-OFDM-TGnSync--17

1.概述

TGnSync联盟是由各式各样的公司所组成。除了芯片组厂商(Atheros、Agree、Intel与Qualcomm)，还包括其他电子设备制造商。网络设备制造商甚至是消费性电子产品厂商均列名其中。TGnSync的目标之一，就是支持能够自成网络的家用设备。将焦点放在如何提升最大数据率上。

2.TGnSync MAC的改良

虽然TGnSync提案意在提供较高的最大数据率，但此阵营并未完全忽略MAC的改良。性能的改善主要是通过帧的聚合与突发机制以及确认策略的改变。旧式传输的保护机制有些是在MAC层进行。值得注意的是，有些改良是设计来节省电池电力，这点可以从此阵营的成员略窥一二。

2.1 信道、无线电模式与共存

TGnSync提案将对40MHz信道的支持列为必要项目，虽然有些管理者并不允许。如果未来它获得采用，TGnSync芯片组将同时支持20MHz与40MHz信道，即使后者在某些管制区域并不允许使用。TGnSync提案还加入了若干MAC功能，让网络得以同时服务20MHz与40MHz能力的工作站。如工作站有大量数据待传，可以暂时协调使用较宽的信道，传送完毕后再恢复为20MHz的操作方式。
MAC的操作模式也可以根据网络中的工作站类型加以分类。纯模式网络只包含802.11n工作站，因此没有必要为了旧式802.11a与802.11g工作站启用保护机制。此外，TGnSync 802.11设备可以运行于传统模式，如同802.11a或802.11g工作站。不过，大多数操作将采用混合模式，TGnSync网络必须与旧式网络共存并使用相同信道，也可以接受旧式802.11a或802.11g工作站的关联。
不同模式对关联请求采取不同的处理方式。纯模式网络会完全忽略来自旧式工作站的管理请求，其所发送的Beacon帧带有一项信息元素，指示已关联工作站只能使用新的802.11n传输模式。纯模式网络使用TGnSync的高速PLCP来传送Beacon帧，因此旧式设备无法判读。旧式设备可以识别混合模式接入点，因为它们使用旧的格式来传送Beacon帧。
要与旧设备共存，必须使用混合模式。混合模式可以进一步细分为几种分支。自行混合网络允许旧设备关联，但并未区分传统传输与高速传输的时间。管制混合网络的接入点则会主动区分高速传输与传统传输的时间。

2.2 聚合与突发

原始的802.11工作站通常依接收顺序来传送帧。基于吞吐量的考虑，通常希望能够对帧加以排序，以便将它们塞进更大的聚合帧。在TGnSync中，聚合操作属于MAC层的功能，负责将数个MAC帧绑成单一PLCP帧进行传送。
数个MAC帧被塞到同一个PLCP帧中，并以适当的定界符作为区隔。此定界符包含了一个保留字段、一个记录后续MAC帧大小的length字段，一个用来保护定界符的CRC以及一个可用来协助将聚合帧还原成个别帧的独特样式。

2.3 保护机制

TGnSync提案提供保护机制以避免干扰旧的物理层。TGnSync提案的保护机制主要有两种形式。第一种是以MAC的虚拟载波监听机制与网络分配向量为基础。第二种是以欺骗机制为基础，使用现有的PLCP标头格式来承载duration信息。

2.4 省电机制

TGnSync定义了定时接收模式切换(Timed Receive Mode Switching简称TRMS)协议，用来节省能量并延长电池使用时间。传统的802.11省电机制是将接口完全关闭并且在接入点缓存帧。在单进/单出接口只有一组射频链路可以关闭。在MIMO系统中，如果关闭未用的射频链路，而只留下其中一组来监视无线链路，必然可以省下可观的电力。这两种系统状态分别称为MIMO启用与MIMO停用，前者会启用所有接收功能；后者则会关闭所有RF链路，只留下其中一组。

3.TGnSync PHY的改良

为了达到较高的最大数据率，TGnSync提案采用类似WWiSE的技术。帧被划分为数个空间流后，以MIMO配置中的多组天线进行多路传输。为了提升数据率，TGnSync使用较激进的编码方式，包括较大的星座图，较高的卷积编码以及缩短的防护时间间隔。此外，TGnSync也需要使用较宽的信道。TGnSync兼容设备必须支持40MHz信道，这在WWiSE中则非必要。

3.1 信道的结构

如同802.11a，20MHz与40MHz信道的划分是以0.3125MHz为副载波间隔。20MHz信道与802.11a信道完全相同。TGnSync建议使用的40MHz信道时结构的一些修正。捆绑两个20MHz信道后，再将其划分为128个子信道。这两个旧的20MHz信道的中心频率会被放在+/-32。这两个旧的20MHz信道，会在-6与+6之间加上频谱屏蔽，而且频带两端的传输振幅有下滑的现象。

3.2 基本的MIMO速率

TGnSync PHY定义了32中调制与编码配对方式。在基本的MIMO模式中，每道空间流均需要使用相同的调制技术，因此数据率即为个别空间流数据率的倍数。为了节省空间，以下仅列出数据率的计算公式，不再以表格列出：
数据率(Mbps) = 12 * channel bandwidth factor * number of spatial streams * coded bits per subcarrier * code rate * guard interval factor
channel bandwidth factor(信道带宽系数)
信道至少为20MHz，带宽系数设定为1。40MHz信道可用承载两倍以上的数据，因此带宽系数设定为2.25。
number of spatial streams(空间流数)
空间流数可以是1、2、3或4。它必须小于或等于传输天线数。至少必须支持两道空间流。
coded bits per subcarrier(每个副载波的编码位数)
64-QAM为6，16-QAM为4，QPSK为2，BPSK为1。
code rate(编码率)
搭配BPSK可以使用1/2的编码率；搭配QPSK或16-QAM可以使用1/2或3/4的编码率；搭配64-QAM可以使用2/3，3/4或7/8的编码率。
guard interval factor(防护时间间隔系数)
基本防护时间间隔为800ns，其系数设定为1。400ns的防护时间间隔可以稍微提升吞吐量，其系数设定为1.11。

3.3 传输模式

TGnSync提案要求支持三种MIMO模式。在必要的基本模式中，空间流数等于天线数。每道空间流使用相同的调制与传输方式。每个信道使用相同的调制方式来编码，然后以相同的传输功率来传送。任何传输率的变动均是为了对漏失的确认信息所做的调整。

3.4 可选编码

除了原始OFDM规范说明说所支持的卷积码，TGnSync提案也包含了两种可选的纠错码。第一种技术使用Reed-Solomon码。它被广泛使用在许多数字应用中，特别值得注意的是CD与DVD所使用的纠错码。

3.5 短防护时间间隔选项

为了进一步提升MAC的性能，TGnSync提案允许使用短防护时间间隔。802.11a与802.11g标准以及WWiSE提案使用800ns的防护时间间隔。防护时间间隔应为延迟扩展的2至4倍。800ns的防护时间间隔容许200ns的延迟扩展，远高于实际情况所需。大多数办公室与家庭的延迟扩展远低于此，大概在50~100ns左右。在这种情况下，使用400ns的防护时间间隔可以提升10%的吞吐量。

4.TGnSync物理层传输(PLCP与PMD)

在TGnSync提案中，PLCP的基本帧格式使用与现有OFDM相同的标头，因此不需要用到会造成严重负担的保护机制来避免干扰802.11a或820.11g网络。

4.1 旧式标头

TGnSync PLCP帧的前三个字段与802.11a/g PLCP标头相同。
L-STF(旧式短训练序列字段)
此字段与802.11a中的定义相同，持续时间为8微秒。
L-LTF(旧式长训练序列字段)
此字段与802.11a中的定义相同，持续时间为8微秒。
L-SIG(旧信号)
这三个字段与802.11a相同，802.11g也适用相同字段。

TGnSync工作站会忽略L-SIG字段的内容。使用欺骗机制进行保护时，L-SIG字段的内容并不明显。TGnSync工作站会在旧标头之后的high-throughput标头中寻找所承载MAC帧的真正长度与编码方式。

4.2 High Throughput标头

紧跟在旧式前导码之后的是TGnSync提案特有的high throughput标头。此标头的主要成分为hight throughput signal(简称HT-SIG)字段。HT-SIG字段是用来检查帧是否承载以高数据率传递的经TGnSync编码的数据，还是只是旧式数据帧。HT-SIG字段采用较保守的调制方式，以Q-BPSK、R=1/2进行调制与编码。

4.3 High Throughput Training字段

紧跟在high-throughput标头之后的是high-throughput长与短训练序列字段。

4.4 Data、Tail与Padding

Data位是根据high-throughput标头所定义的调制与编码方式被编码。和其他的OFDM物理层一样，在传输之前数据必须经过扰频，使用high-throughput标头中的扰频器来初始化位。数据之后是长度为6位的标尾，用来关闭卷积编码器并且加入足够的填充位，让待传的数据长度与符号块的大小相等。

5.比较与结论

基本上，WWiSE与TGnSync这两份提案算是802.11a物理层的MIMO修订版。两者均要求支持2*2模式，即发送端与接收端分别具备两组收发器。增加空间流可以达到较高的数据率，但会增加芯片成本。TGnSync提案能够达到较高的数据率，但是必须使用较激进的编码率。要达到WWiSE的135Mbps的数据率，必须使用64-QAM搭配R=5/6的编码率；要达到140Mbps，TGnSync必须使用7/8的编码率并且将保护时间间隔减半(如果不使用短保护时间间隔，TGnSync的数据率仅达到126Mbps)。采用较激进的编码率将导致传输距离变短。802.11n的两份提案的最高传输速率：

提案	20MHz信道	40MHz信道
WWiSE	135Mbps	270Mbps
TGnSync	基本模式(140Mbps),高级模式(160Mbps)	基本模式(315Mbps),高级模式(360Mbps)

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