【书籍翻译笔记】Next Generation Wireless LANs 802.11n and 802.11ac: Chapter1

下一代无线局域网

如果您一直在寻找一种方法，在IEEE 802.11n和802.11ac WLAN标准上实现最新速度，而不必费力地浏览整个802.11规范，那么就不要再多看了。

本文全面概述了802.11n和802.11ac的基本原理、实现细节和关键增强功能。对于其中的许多功能，作者概述了采用这些功能的动机和历史。除了对遗留互操作性和共存问题的明确总结外，还详细讨论了关键吞吐量、鲁棒性和可靠性增强特性（如MIMO、多用户MIMO、40\80\160mhz信道、发射波束形成和分组聚合）。

现在更新和重大修订，这第二版包含了802.11ac的新材料，包括修订的MAC和互操作性章节，以及802.11ac物理层和多用户MIMO的新章节，使其成为WLAN设备设计师、网络管理者和，以及无线通信领域的研究人员。

Eldad Perahia是Intel Corporation标准与技术组的首席工程师。他是60 GHz工作组（TGad）IEEE 802.11甚高吞吐量、6 GHz以下工作组（TGac）IEEE 802.11甚高吞吐量共存特设联合主席、IEEE 802.19无线共存工作组的IEEE 802.11联络人，以及IEEE 802.11甚高吞吐量研究组前主席。他获得了加州大学洛杉矶分校的电气工程博士学位，在无线通信的各个领域拥有21项专利。

Robert Stacey是Apple，Inc.的无线系统架构师。他是<6 GHz任务组（TGac）的IEEE 802.11超高吞吐量技术编辑和MU-MIMO特别联席主席。他是IEEE 802.11高通量工作组（TGn）的成员，也是各种提案的主要贡献者，最终联合提案提交成为802.11n标准草案的基础。他拥有无线通信领域的多项专利。

“作者是该领域的知名专家。这本书是寻求无线局域网技术最新进展知识的工程师的必读读物。
Eldad和Robert的《下一代无线局域网》一书的第一版非常出色，非常受欢迎。第二版增加了新开发的ieee802.11ac标准，该标准在解决技术特性和易读的书写风格方面同样出色。“Vinko Erceg，Broadcom Corporation”802.11标准已经发展了20多年，现在包含了近3000页的信息。作者直接参与了其中许多页面的写作。这本书代表了一个重要的成就，在传达和解释背后的标准提供的两个最重要的无线电选项的特点工程。第一次接近标准的无线电工程师以及那些已经从事产品开发的无线电工程师将发现这篇文章非常有价值。“Bruce Kraemer，Marvell Semiconductor和IEEE 802.11工作组主席本认可仅代表了认可本书的人的观点，不一定代表公司、IEEE或IEEE标准协会的职位。

剑桥大学出版社剑桥，纽约，墨尔本，马德里，开普敦，新加坡，圣保罗，德里，墨西哥城剑桥大学出版社爱丁堡大厦，剑桥CB2 8RU，英国，由剑桥大学出版社在美国出版，纽约www.cambridge.org有关此标题的信息：www.cambridge.org/9781107016767©剑桥大学出版社2008，2013本出版物版权所有。除法定例外和相关集体许可协议的规定外，未经剑桥大学出版社书面许可，不得复制任何部分。
2008年首次出版，2010年第二版，2013年第二版，英国剑桥大学出版社出版。本出版物的目录记录可从大英国会图书馆编目处获取，出版数据：Perahia，Eldad，1967年-作者。

下一代无线局域网：802.11n、802.11ac和Wi-Fi direct/Eldad Perahia，Intel Corporation，Robert Stacey，Apple Inc.–第二版。
第cm页ISBN 978-1-107-01676-7（精装本）1。无线局域网。I.Stacey，Robert，1967年——作者。二。标题。TK5105.78.P47 2013 621.39 0 8–dc23 2012033809 ISBN 978-1-107-01676-7精装版剑桥大学出版社对本出版物中提及的外部或第三方互联网网站URL的持久性或准确性不承担任何责任，也不保证此类网站上的任何内容现在或将来仍然存在，准确的或适当的。

Introduction

随着ieee802.11设备的普及，无线局域网在过去十年经历了巨大的发展。它的起源可以追溯到1888年赫兹发现无线电波，随后马可尼在1894年进行了长距离无线电波传输和接收的初步实验。在接下来的一个世纪里，无线电通信和雷达被证明对军事是无价的，其中包括扩频技术的发展。夏威夷大学的研究人员于1971年创建了第一个基于数据包的无线网络ALOHANET。七台计算机部署在四个岛上，以双向星形拓扑结构与一台中央计算机通信。

1985年，美国联邦通信委员会（FCC）允许将实验性的工业、科学和医疗（ISM）无线电频段用于扩频技术的商业应用，这是商业无线局域网（WLAN）的一个里程碑事件。为了使用这些频段，开发了几代专有的WLAN设备，包括贝尔实验室的WaveLAN。这些最初的系统是昂贵的，部署是可行的，只有当运行电缆是困难的。

随着半导体技术的进步和无线局域网标准化与ieee802.11的结合，无线局域网技术的采用率和成本大大降低。随着商业利益的增加，Wi-Fi联盟（WFA）成立于1999年，通过严格的测试来验证不同制造商的ieee802.11设备之间的互操作性。2011年通过Wi-Fi认证的集成电路出货量每年超过10亿台（ABIresearch，2012年），预计到2016年将超过25亿台（ABIresearch，2012年），如图1.1所示。

如此巨大而持续的增长得益于无线局域网对有线网络的好处。在现有的家庭或企业中，部署用于网络接入的电缆可能需要拆掉墙壁、地板或天花板，这既不方便又昂贵。相反，在这些环境中提供无线网络连接通常与安装单个无线接入点一样简单。也许更重要的是，笔记本电脑和手持设备的激增意味着人们希望无论身在何处都能连接，而不仅仅是网络连接的位置。在会议室或坐在客厅沙发上时的网络连接只是无线局域网提供的灵活性的两个例子。

在咖啡店、机场、酒店等提供互联网接入的小规模部署激增，这些地方被称为热点地区。最近近年来，蜂窝网络严重拥挤的运营商正在部署热点，以减少其蜂窝网络的流量。此外，当这些网络与虚拟专用网（VPN）技术结合使用时，员工几乎可以从任何地方安全地访问公司网络。

WLAN产品和系统始于802.11b、802.11g和802.11a标准修订版，这些修订版在原有802.11phy的基础上提供了吞吐量增强。随着802.11n的发展，无线局域网技术不断进步。多输入多输出（MIMO）概念的出现提高了数据传输速率，其起源于Bell实验室的Foschini（1996）。2004年，Atheros证明了40mhz设备的生产成本几乎与20mhz设备相同。在一个类似的时间框架内，FCC和ETSI在5ghz频段采用了新的规定，增加了400兆赫的未经许可的频谱供商业wlan使用。

这些事件为802.11n中40mhz工作模式的广泛接受铺平了道路。当频谱空闲时，增加信道带宽是提高数据速率最经济有效的方法。
通常，产品开发滞后于标准化工作，产品在标准发布后发布。2003年，Broadcom发布了一款基于802.11g修正案草案的芯片组，这是一个有趣的事件。这为2005年和2006年“pre-n”产品的流行开创了先例，因为行业参与者争先恐后地抢先上市。这些产品大多是MIMO的专有实现，或者基于802.11n的草案1.0，因此不太可能符合最终标准。

2007年初，对802.11n草案进行了重大改进和澄清，最终形成了IEEE 802.11n草案2.0。继续保持市场势头，抢占先机互操作性问题，IEEE采取了不同寻常的步骤，向公众发布802.11n D2.0，同时继续朝着最终标准努力。这使得Wi-Fi联盟（WFA）于2007年5月开始基于802.11n D2.0功能的子集对设备进行互操作性测试和认证。Wi-Fi认证的802.11n D2.0产品为消费者提供了制造商之间互操作性的保证，而以前的“pre-n”产品无法保证这一点。2009年底，802.11n最终获得批准，WFA更新了认证计划，以反映对已批准标准的支持。802.11n D2.0与经批准的标准产品之间保持了完全的互操作性。这些是加快新技术标准化和认证进程的主要步骤。

由于这一过程对业界是成功的，对消费者也是有利的，802.11ac也将走类似的道路。预计基于早期草案的802.11ac产品将于2013年初通过认证并上市。802.11ac预计将于2013年底完成。1基于批准标准的认证将在类似的时间框架内进行。

1.1 ieee802.11综述

IEEE 802.11标准为无线局域网定义了多个物理层（Phy）和公共介质访问控制（MAC）层。作为ieee802系列局域网（LAN）和城域网（MAN）标准的一员，802.11继承了802参考模型和48位通用寻址方案。802参考模型基于表1.1中描述的OSI参考模型。在该模型中，802.11mac和802.2逻辑链路控制（LLC）子层构成数据链路层，802.11phy子层构成物理层。

1.1.1 802.11mac

802.11标准的初始版本于1997年完成。受以太网（标准化为ieee802.3）巨大市场成功的影响，802.11mac采用了相同的简单分布式接入协议，载波感知多址（CSMA）。使用CSMA，希望首先传输的站在预定时间段内监听媒体。如果在这段时间内检测到媒体处于“空闲”状态，则允许该站进行传输。如果检测到媒体“忙”，电台必须推迟其传输。最初的（共享介质）以太网使用了一种称为CSMA/CD的变体，即带冲突检测的载波侦听多址接入。在确定媒体“空闲”并发射之后，该站能够接收其自身的发射并检测冲突。如果检测到碰撞，两个发生碰撞的站会在再次发射之前后退一段随机时间。随机退避期降低了第二次碰撞的概率。

有了无线，就不可能以这种方式直接检测到与自己传输的冲突：因此802.11使用了一种称为CSMA/CA或载波感知的变体具有冲突避免功能的多址接入。对于CSMA/CA，如果站点检测到媒体忙，则在媒体再次变为“空闲”之后，它将其传输延迟一段随机时间。这种总是在另一个站点传输后的随机时间段内后退的方法提高了性能，因为在无线局域网上发生冲突的代价要比在有线局域网上高得多。有线LAN上的冲突是通过电子方式检测到的，因此几乎是立即检测到的，而无线LAN上的冲突则是在传输完整个帧后，通过缺少来自远程站的确认或其他响应而推断出来的。

毫无疑问，这种分布式访问协议的简单性，能够在所有节点上实现一致性，极大地促进了以太网作为工业局域网标准的迅速采用。同样地，工业界采用802.11作为无线局域网标准，这在很大程度上是由于该接入协议的简单性、其与以太网的相似性以及所有节点的一致性实现，使得802.11能够战胜更复杂的网络，集中协调竞争的无线局域网技术（如HyperLAN）的接入协议。

1.1.2 802.11物理

最初的（1997）802.11标准包括三种物理：红外（IR）、2.4ghz跳频扩频（FHSS）和2.4ghz直接序列扩频频谱（DSSS）。随后在1999年进行了两次标准修订：802.11b建立在DSSS之上，以提高2.4ghz的数据速率；802.11a建立了5ghz的新PHY。802.11b增强DSSS与互补码键控（CCK），提高数据速率至11mbps。随着更高的数据速率，IEEE 802.11b设备取得了巨大的市场成功，而IR和FHSS物理设备的市场并未实现。

802.11a的发展为802.11引入了正交频分复用（OFDM）。尽管802.11a引入了高达54 Mbps的数据速率，但它仅限于5 GHz频段，因此采用速度很慢。希望利用802.11a提供的更高速率，但与大量802.11b设备保持向后兼容性的新设备需要实现两个无线电，一个在2.4ghz频段使用802.11b，另一个在5ghz频段使用802.11a。此外，2.4千兆赫频段的国际频率条例统一允许商业使用，而在1999年和2000年，5千兆赫频段的非军事用途仅限于美国选定的频道。

2001年，FCC允许在2.4ghz频段使用OFDM。随后，802.11工作组制定了802.11g修正案，该修正案将802.11a OFDM PHY纳入2.4ghz频段，并于2003年将其作为标准的一部分采用。此外，在802.11g和旧的802.11b设备之间保持向后兼容性和互操作性。这允许新的802.11g客户端卡在现有的802.11b热点中工作，或允许旧的802.11b嵌入式客户端设备与新的802.11g接入点（AP）连接。由于这一点以及高达54 Mbps的新数据速率，802.11g获得了巨大的市场成功。表1.2总结了每个物理层的高级特性。

随着每一种新物理层的采用，802.11的数据传输速率提高了五倍。这种增长率在802.11n中继续保持，数据速率在20 MHz中为300 Mbps，在40 MHz中为600 Mbps。此外，在5ghz频带中，802.11ac提供具有80mhz和四个空间流的1733mbps的数据速率，以及具有160mhz和八个空间流的6933mbps的最大数据速率。数据速率的指数增长如图1.2所示。

1.1.3 802.11网络体系结构

**基本服务集（BSS）是802.11局域网的基本构造块。保持在某个覆盖区域内并形成某种关联的站点形成BSS。最基本的关联形式是站点在一个adhoc网络（称为独立的BSS或ibs）中彼此直接通信。如图1.3中的BSS 1所示。

然而，更典型地，站与专用于管理BSS并被称为接入点（AP）的中心站相关联。围绕AP构建的BSS称为基础设施BSS，如图1.3中的BSS 2和BSS 3所示。基础设施基站可通过其接入点通过配电系统（DS）**互连。

由DS互连的BSS形成扩展服务集（ESS）。ESS的一个关键概念是ESS内的站可以在MAC层直接相互寻址。
ESS是一个802.11概念，它只包含802.11设备，并不决定DS的性质。然而，在实践中，DS通常是以太网（802.3）LAN，AP用作以太网网桥。这样，BSS中的站也可以在MAC层直接寻址LAN上的站。

1.1.4 Wi-Fi直连

认识到需要改进点对点操作，Wi-Fi联盟制定了一个规范，用于Wi-Fi设备之间的直接通信，而无需与基础设施BSS相关联。这种通信可以使用独立基站，如802.11规范所定义；但是，最好创建一种更接近基础设施基站的运行模式。

在Wi-Fi直接网络中，一个称为组所有者（GO）的设备承担类似于AP的角色，而其他设备与该设备关联，就像它们与AP关联一样。因此，Wi-Fi直接网络类似于基础设施BSS，除了（1）GO不提供对分配系统的访问，以及（2）与它的对等设备一样，GO可以是移动的、电池供电的设备，并且因此在空闲时也需要进入低功率睡眠状态。

Wi-Fi Direct标准建立在802.11规范的基础上，规定了设备可以发现彼此的协议、设备如何承担组所有者的角色以及不在会话信道中的协议（用于电源管理或访问基础设施BSS信道）。

1.2 高通量和802.11n的历史

1.2.1 高通量研究小组

对802.11a的高数据速率扩展的兴趣始于2002年1月向ieee802.11的无线下一代常务委员会（wngsc）的报告。概述了市场驱动因素，如有线以太网数据速率的提高、数据速率密集型应用、进入市场的非标准100+Mbps产品以及对更高容量WLAN网络的需求（Jones，2002）。介绍提到了空间复用和带宽倍增等技术，作为研究提高数据速率的潜在方法。

经过多次额外的介绍，高通量研究小组（HTSG）于2002年9月召开了第一次会议。HTSG的主要目标是完成创建高通量任务组（TGn）所需的两个文档。这些是项目授权请求（PAR）形式和VE标准形式。任务组的范围和目的如下：

本项目的范围是定义一个修正案，该修正案将定义802.11物理层（PHY）和802.11介质访问控制层（MAC）的标准化修改，以便能够启用能够获得更高吞吐量的操作模式，最大吞吐量至少为100 Mbps，如在现场测量的那样MAC数据服务接入点（SAP）。IEEE（2006年）

在此声明中，TGn制定的标准修正案必须包含能够实现至少100 Mbps吞吐量的操作模式。吞吐量是系统传递的“有用”信息的度量，通过使用吞吐量作为度量，必须同时考虑MAC和PHY开销。802.11a/g系统通常可实现约25 Mbps的最大吞吐量；因此，这种说法要求吞吐量至少增加四倍。满足这一要求实质上要求PHY数据速率远远超过100 Mbps，并显著提高MAC效率。

附加的注释包含了许多评价指标中的PAR。这些包括MAC SAP的吞吐量、范围、总网络容量、功耗、频谱灵活性、成本复杂性灵活性、向后兼容性和共存（IEEE，2006）。

五个标准表格要求研究小组证明对标准进行修订的必要性。标准包括（1）广阔的市场潜力，（2）与现有IEEE 802.1架构的兼容性，（3）与其他IEEE 802.1标准的不同特性，（4）技术可行性，以及（5）经济可行性（Rosdahl，2003）。我们的目标是建立一个标准修正案，从而产生适销对路的产品，但这也将有别于其他潜在的类似产品。

除了完成PAR和VE标准形式外，HTSG还开始开发新的多径衰落MIMO信道模型（ErCEG等人，2004）和使用模型（斯蒂芬斯等人，2004）。渠道模型和使用模型被用来为标准开发过程中的不同参与者创建一个通用的模拟框架。

1.2.2 组建高通量工作组（TGn）

PAR被802个工作组接受并批准，创建任务组N（TGN）与2003年9月举行的任务组的第一次会议。工作组制定的标准修正案将是提案驱动的，这意味着工作组成员将提出部分或完整的技术提案，完整的提案将经过一个向下选择过程，最终形成一个提案，作为标准修正案的基础。部分提案将提供信息，并可在整个过程中纳入一个完整的提案。至为此，工作组开始编制功能需求（Stephens，2005）和比较标准（Stephens，2004）文件。这两份文件将分别规定完整提案必须满足的技术要求和比较完整提案的标准。

工作组首先提出了九项职能要求。功能需求的一个是全部满足，要求提案符合PAR和VE准则。第二个要求是重申PAR要求，以达到MAC端的100 Mbps吞吐量。

此外，由于预期并非所有监管领域都允许单个设备使用多个20 MHz信道（实现吞吐量目标的简单方法），第二个要求增加了一个限制，即在单个20 MHz信道中实现100 Mbps吞吐量。为了有效利用频谱，增加了另一项要求，即频谱效率至少为3 bps/Hz的操作模式。

四个功能需求涉及操作频带和向后兼容性。其中一个要求是，由于5ghz频段的频谱可用性大，协议应支持5ghz频段的操作。另一个要求是，至少某些操作模式与802.11a系统向后兼容。值得注意的是，没有要求支持2.4 GHz频段的操作。然而，如果一个方案确实支持2.4ghz频段的操作，则需要有与802.11g系统向后兼容的操作模式。在这种情况下，给出了一些灵活性，允许配置802.11n AP来接受或拒绝来自传统站点的关联。

该标准的802.11e修正案当时已接近完成，增加了许多用于改进802.11系统服务质量（QoS）的功能。许多感知到的802.11n应用都涉及实时语音和视频，这就需要QoS。因此，包含了一个功能需求，该需求要求一个方案允许在802.11n站中实现802.11e特性。

Stephens（2004）中的比较标准概述了指标和要求披露的结果，这将允许在相同模拟设置和假设下对提案进行比较。比较标准包括Stephens等人（2004）中定义的模拟场景和使用模型。在制定比较标准的过程中，工作组意识到，工作组成员对共同术语的定义并不总是相同的。因此，提供了良好输出、向后兼容性和信噪比（SNR）的定义。比较标准包括四个主要类别：适销性、向后兼容性和与遗留设备共存、MAC相关标准和PHY相关标准。

在市场化条件下，提案必须为住宅、企业和热点模拟场景提供良好的结果。Goodput的定义是：将MAC服务接入点（SAP）指示的MAC服务数据单元（MSDU）中的位数相加，然后除以模拟持续时间（Stephens，2004）。两个可选标准包括描述物理层和MAC复杂性。物理层的复杂度是相对于802.11a给出的。

为了确保与传统设备的向后兼容性和共存，需要一份提案，以提供用于实现与802.11a和802.11g（如果在2.4 GHz下运行）向后兼容性的方法的摘要。还需要演示互操作性的仿真结果。还应报告802.11n网络中传统设备的输出功率以及传统设备对802.11n设备输出功率的影响。
与MAC相关的标准包括性能度量和对MAC所做的更改。在住宅、企业和热点模拟场景中，需要捕获和报告许多不同的度量。其中包括支持各种应用程序的服务需求的能力，包括QoS需求。需要对整个模拟场景的总产出进行测量，以指示网络容量。将提供MAC效率，其定义为总投入除以平均PHY数据速率。为确保新操作模式的合理范围，还应提供吞吐量与范围曲线。

PHY相关标准包括PHY速率和前导码、信道化、频谱效率、PHY性能和PHY变化。此外，比较标准还定义了PHY损伤，可与PHY模拟的信道模型结合使用。每个方案都需要生成加性高斯白噪声（AWGN）和非AWGN信道的仿真结果。此外，还定义了分析载波频率偏移和符号时钟偏移对分组误码率（PER）影响的仿真条件。

1.2.3 征集提案

TGn于2004年5月17日发出了建议书征集，第一份建议书于2004年9月提交。在此过程中，出现了两个主要的提案团队，TGn Sync和WWiSE（全球频谱效率）。TGn同步提案团队由Intel、Cisco、Agere和Sony创建，旨在覆盖这些公司涉及的广泛市场，包括个人电脑（PC）、企业和消费电子市场。WWiSE提案团队由Airgo Networks、Broadcom、Conexant和Texas Instruments组成。这些半导体公司对802.11a的简单升级很感兴趣，以加快上市时间。许多其他公司也参与了提案过程，大多数公司最终加入了这两个提案小组中的一个。

所有提议的主要特点都是相似的，包括空分复用和40mhz信道以提高数据速率，帧聚合以提高MAC效率。这些提议在范围（TGn-Sync提议对MAC进行许多小的改进，而WWiSE提议限制更改）和对诸如发射波束形成（最初WWiSE提议中没有）等高级特性的支持上有所不同。

在2004年9月至2005年5月期间，进行了一系列的提案筛选和确认投票。在这段时间里，提案和提案改进之间发生了合并。TGn Sync提案赢得了它和WWiSE之间的最终选举投票，但在2005年5月的确认投票中失败。

1.2.4 手持设备

在此期间，人们对融合Wi-Fi和手机的新兴市场产生了兴趣。从2005年到2006年，双模Wi-Fi/蜂窝手机的出货量显著增长。提案过程中的一些参与者认为，手机将在几年内成为主要的Wi-Fi平台（de Courville et al.，2005）。当时，融合移动设备预计将以30%的年复合增长率在全球范围内增长（IDC，2007年）。

手持设备支持者的一个有争议的问题是100 Mbps吞吐量的高吞吐量要求。本质上，这将迫使所有802.11n设备具有多个天线。这对于融合移动设备来说是一个困难的要求，因为它们已经包含了用于蜂窝2G、3G、蓝牙的无线电和天线，在某些情况下还包括GPS。有人担心，要求802.11n设备具有多个天线将迫使手机制造商继续将单天线802.11a/g纳入手机，而不是升级到802.11n。这不仅会削弱手机设备的功能，它将继续与这些新手机设备中嵌入的802.11a/g共存，从而给所有未来的802.11n部署带来负担。

为此，成立了一个特设小组来创建支持单天线设备的功能需求。2005年7月，职能要求文件增加了两项新要求。第一项要求要求提案明确了在20 MHz信道中支持至少50 Mbps吞吐量的单天线操作模式。第二个要求要求802.11n AP或站与符合802.11n要求但仅包含单个天线的客户端设备进行互操作。这一要求导致802.11n在AP中强制至少两个天线，而在非AP设备中仅强制一个天线。

1.2.5 合并提案

在确认投票失败后，工作组内部开始了联合提案工作，以合并两个相互竞争的提案。由于立场根深蒂固和该集团成员众多，联合提案工作进展非常缓慢。因此，Intel和Broadcom于2005年10月成立了Enhanced Wireless Consortium（EWC），以在IEEE之外制定一个规范，将产品更快地推向市场。由于大部分工作组成员最终加入了EWC，这一努力打破了IEEE和EWC规范中的僵局，而EWC规范实质上是TGn Sync和WWiSE提案的合并，作为联合提案获得通过，并提交给TGn确认，并于2006年1月获得一致通过。

1.2.6 802.11n修订草案

联合提案被转换为802.11标准修订草案（TGn草案1.0），并进入了投票表决。在信函投票中，IEEE 802.11 12引言工作组成员（不仅仅是工作组成员）投票通过草案或否决草案，并附上详细说明所需修改的意见。草案要求在IEEE 802.11工作组内获得至少75%的决定性投票，以便在更广泛的IEEE标准协会考虑通过的情况下继续发起投票。TGn草案1.0在2006年3月进行了投票表决，但没有达到75%的通过率。评论决议于2006年5月开始，内容涉及与投票一起提交的大约6000条独特的技术和编辑评论。

随着TGn草案1.0意见的解决，TGn草案2.0在2007年2月进行了信函投票表决，这次以83%的票数获得通过。然而，在信函投票中仍有3000条独特的技术和编辑评论。工作组通常会继续进行评论决议，直到收到最少的反对票；因此，TGn草案2.0的评论决议在2007年3月至2007年9月期间继续进行，最终形成TGn草案3.0。由于TGn草案2.0获得通过，TGn草案3.0到TGn草案7.0只需要循环投票，在循环投票中，评论可能只涉及草案之间发生变化的条款。发起人投票于2009年1月开始，2009年9月完成了基于草案11.0的802.11n标准修正案。参与制定标准的工作组成员提交的资料可在万维网上公开获取。2

最终的802.11n标准修订版于2009年发布，然后并入2012年的IEEE 802.11标准修订版中，这两个版本均可从IEEE购买。3 Metalink开发的发射波形发生器对研究802.11n物理层的人员非常有价值。Anholt和Livshitz（2006）中给出了用MATLAB®开发的发电机的描述。实际的源代码是公开的，包含在Anholt和Livshitz（2007）中。大多数（如果不是全部的话）发射波形特征都由发生器支持。

1.3 802.11n的环境和应用

在802.11n的开发过程中，考虑了三个主要环境来研究系统性能和能力：住宅环境、企业环境和热点环境。在这些环境中的每一个环境中，都设想了现有和新应用程序的不同组合。定义了描述最终用户如何在特定WLAN环境中使用应用程序的用例（Stephens et al.，2004）。例如，在家里通过有线电视或机顶盒远程看电视，或者在办公桌上远程打电话。此外，还为每个环境开发了使用模型，这些环境结合了多个用例和应用程序。

最后，为每个使用模型和环境创建一个仿真场景。这些模拟场景用于在比较方案时强调MAC能力。每个模拟场景都包含一个与特定环境相关联的信道模型。此外，确定了AP和站点的位置，给出了一个根据AP和站点之间的距离将空间组件添加到使用模型中。对于每个应用程序，定义了系统参数，如数据包大小、应用程序允许的最大数据包丢失率、最大延迟、运行的网络层协议（如UDP或TCP）和提供的负载。
住宅使用模型由单个BSS组成，如图1.4所示。此模型通常仅包括一个AP和多个客户端站。在典型的AP站配置中，应用程序包括互联网接入和流式音频和视频。此外，通过更高的数据速率，用户对本地文件传输、备份和打印等应用程序的体验也得到了增强。新的应用程序，如IP语音（VoIP）和视频电话也纳入了住宅使用模式。

高通量任务组设想了一种AP，它也可以采用无线家庭媒体网关的形式。这种设备可以在家里分发音频和视频内容，如DVD和标准高清电视。从更高的无线数据速率中获益的其他住宅应用包括从摄像机或照相/摄像机下载内容。交互式游戏最近开始融入无线技术。当控制器和控制台、控制台和显示器以及控制台到互联网的连接都是无线连接时，游戏玩家可以不受电线束缚。

企业环境的使用模型强调由多个BSS支持的网络连接，以覆盖更大的建筑物和楼层平面图，如图1.5所示。BSS通过配电系统（通常是以太网）互连，形成一个扩展服务集（ESS）。在蜂窝部署中，每增加一个AP都会增加总的网络覆盖范围和容量。

文件传输和磁盘备份等网络应用程序将从802.11n的更高数据速率中受益匪浅。更高的数据速率将增加网络容量，为更多的客户端提供支持。更高的吞吐量还将支持新的应用程序，例如通过笔记本电脑和笔记本电脑之间的无线连接实现远程显示投影仪，简化会议室的演示。此外，还可以支持无线视频会议和VoIP（Stephens等人，2004）。

hotspot模型设想了一些位置，如机场休息室（如图1.6所示）、咖啡馆、图书馆、酒店或会议中心。一些市政当局还用Wi-Fi覆盖了市中心地区。热点可以位于室内或室外，可以覆盖一个大的开放区域。因此，传播模型可能与住宅或企业有本质的不同。在热点地区，大多数流量都是通过互联网进行的，一次会话通常不超过两个小时（Stephens等人，2004年）。应用程序包括网络浏览、互联网文件传输和电子邮件。此外，还设想了新的热点应用程序，例如能够在笔记本电脑或其他显示器上观看电视节目或电影。这将涉及通过互联网传输音频和视频内容，或重新分配标准或高清电视信号。

1.4 802.11n的主要功能

802.11n中的PHY数据速率比802.11a和802.11g显著提高，主要是通过使用MIMO和40mhz操作的空间复用。采取利用这些技术提供的更高数据速率的优势，还通过使用帧聚合和对块确认协议的增强来提高MAC效率。与802.11a和802.11g相比，这些特性共同提供了大部分吞吐量增强。

通过使用多个天线所提供的增加的空间分集，稳健性本质上得到了提高。空时分组编码（STBC）作为PHY中的一个选项，与快速链路自适应（一种快速跟踪变化的信道条件的机制）一样，进一步提高了鲁棒性。在低密度奇偶校验（LDPC）码的形式中采用了更健壮的信道码。该标准修正案还引入了发射波束形成，并对PHY和MAC进行了增强，以进一步提高鲁棒性。

许多其他增强功能提供了进一步的好处。在PHY中，这些包括较短的保护间隔，其可在特定信道条件下使用。

PHY还包括一个绿色字段前导，它比强制的混合格式前导短。但是，与混合格式不同的是，它与没有MAC保护的现有802.11a和802.11g设备不向后兼容。

在MAC中，反向协议通过允许站点将其分配的传输机会中原本未使用的部分转租给其远程对等方，从而降低总体信道访问开销，从而为某些业务模式提供了性能改进。与现有的短帧间空间（SIFS）相比，在传输帧突发时使用的缩减帧间空间（RIFS）减少了开销。

图1.7概述了802.11n物理层的强制和可选特性。第一代产品通常仅在2.4 GHz频段运行，具有多达两个空间流和40兆赫信道宽度。在本书中，术语空间流用于指从天线发射的一个或多个独立数据流。一个设备至少需要和空间流一样多的天线。当使用短保护间隔时，这些初始产品能够实现300mbps的PHY数据速率。在第二代产品中，我们开始看到双频2.4 GHz和5 GHz产品。这些产品也可以达到300 Mbps，但有些产品还包含一个额外的接收天线链，以实现额外的接收分集。一些产品还支持Green fild preamble格式。第三代设备增加了另一个发射天线链，以支持三个空间流和450 Mbps。为了健壮性，设备开始采用STBC。由于TxBF的子选项数量众多，很难选择一组通用的子选项进行认证。这大大限制了TxBF在第三代设备中的部署。

图1.8概述了802.11n和802.11ac中添加到MAC的功能。除了前面提到的吞吐量和健壮性增强特性之外，MAC还扩展到了许多其他领域。

802.11n和802.11ac中的众多可选特性意味着需要广泛的设备功能信令来确保共存和互操作性。例如，设备是否支持某些PHY功能（如Green fid format preamble）或MAC功能（如参与反向协议交换的能力）。

宽通道操作（40 MHz或更大）的存在也会产生一些共存问题。AP需要管理宽信道BSS，以便不同的信道宽度设备（包括传统的和（非常）高的吞吐量）能够与BSS相关联并操作。由于宽信道操作使用两个或多个20 MHz信道，因此需要机制来减轻这可能对相邻信道的影响在这些信道中的任何一个上独立运行的20 MHz BSS。

共存主要通过仔细的信道选择来实现，即选择一对几乎没有或几乎没有活跃邻域流量的信道，802.11n和802.11ac修正案增加了扫描要求，以检测活动邻居BSS的存在，以及在相邻的20 MHz BSS变为活动时将BSS主动移动到另一对信道的能力。

鉴于手持设备的重要性日益增强，802.11n增加了一种称为省电多轮询（PSMP）的信道访问调度技术，以有效地支持大量站点。

1.5 超高吞吐量和802.11ac的历史

随着802.11n标准修订发展的成熟和相关产品在市场上的普及，802.11在2007年5月发起了一个新的研究小组，研究甚高吞吐量（VHT）技术。最初，研究小组着手解决IMT高级操作问题，希望将<6 GHz频段的这种新频谱分配给未经许可的使用。然而，这个最初的目标被放弃了，研究小组的重点转向增强5ghz频段的802.11n。

Wi-Fi联盟被邀请提供使用模型来帮助开发需求（Myles和de Vegt，2008）。使用模式的一般类别包括无线显示、高清电视的分发、快速上传/下载、回程、室外校园、礼堂和制造车间。在市场上最流行的特殊用途包括压缩视频流，快速同步和go，以及无线I/O，据设想，家庭周围的电视和DVR将具有无线功能，并且来自DVR的100+Mbps视频聚合可以在不同房间的电视上无线显示。这类似于图1.4所示的802.11n住宅使用模型，重点是在5ghz频段（而不是2.4ghz频段）具有最小干扰的高分辨率视频。通过快速同步和go，用户可以在手机、笔记本电脑或平板电脑等移动设备之间快速同步电影或图片。使用1 Gbps无线链路，1 GB视频文件在设备之间传输所需时间远少于一分钟。超过1 Gbps的数据速率将为无线桌面提供能力，计算机与显示器、打印机和存储设备等外围设备之间具有无线连接。

有了这个输入，超高吞吐量研究小组开发了两个项目授权请求（par），一个用于5ghz频段（802.11ac），一个用于60ghz频段（802.11ad）。

802.11ac的范围包括：（1）支持至少500mbps的单链路吞吐量，（2）至少1gbps的多站吞吐量，（3）排除2.4ghz频带，以及（4）在5ghz频带中与传统802.11设备的向后兼容性和共存。

PAR在2008年9月得到批准，802.11ac任务组在2008年11月开始。
任务组最初制定了规范框架文件（Stacey et al.，2011）、功能需求和评估方法文件（Loc and Cheong，2011）、802.11n信道模型文件修正案（Breit et al.，2010）和使用模型文件（De Vegt，2009）。这一过程有意不同于802.11n的提案下选过程。在经历了802.11n的富有挑战性的经验之后，该小组选择了争议较少的方法，即基于规范框架将规范作为一个小组进行开发。通过各种修订，规范框架文件构建了一个将包含在规范草案中的特征列表，并随着文件的发展，对特征添加了详细信息。

初稿0.1基于规范框架制定，并于2011年1月获得工作组批准。该草案经过了内部工作组的评论和审查周期，最终于2011年5月向802.11工作组发布了草案1.0，以进行信函投票。工作组对2012年1月发布的2.0草案进行了信函投票，对草案1.0提出了意见。关于草案2.0的评论决议于2012年5月完成，最终形成草案3.0。关于草案3.0的评论决议于2012年9月完成，最终形成草案4.0。

在本书付印时，标准修正案是在3.0草案的投票中进行的，并将继续进行，直到收到最低数量的反对票和评论。然后，它将着手发起投票。鉴于信函投票仅包括IEEE 802.11中有投票权的成员，发起人投票池可能包括所有IEEE 802标准协会的成员，从而对草案进行更广泛的审查。
预计提案国投票将于2013年3月开始。802.11ac标准修正案的最终批准预计在2013年12月。4然而，与802.11n一样，基于草案的具有基本802.11ac功能的初始产品将在最终批准之前获得认证并在市场上出现。

参与制定标准的工作组成员提交的资料可在万维网上公开获取。5本标准草案仅适用于802.11的投票成员，但802.11ac的草案3.0已向公众发布。草案3.0目前可从IEEE购买。6一旦批准，最终的标准修正案也将在那里提供。

发射波形发生器也实现了802.11ac，这一次是由CSR。Tong和Popescue（2011）中给出了用MATLAB®开发的发电机的说明。实际的源代码是公开的，并嵌入到文档中。大多数（如果不是全部的话）802.11ac传输波形特性都由发生器支持。

802.11ac中用于提高数据速率的新物理层增强包括将信道带宽扩展到80和160 MHz。此外，802.11ac中的一个新特性是使用非连续信道，其中可以使用两个非相邻的80mhz信道来形成160mhz传输，称为80+80mhz。这允许更灵活的信道分配和更宽的带宽，以避免严重占用信道，

甚至避免雷达。此外，空间流的数量增加到8个，是802.11n的两倍。当链路质量允许时，调制大小增加到256-QAM，数据速率增加33%。最后，802.11ac对802.11n中的MIMO进行了扩展，以支持多用户MIMO（MU-MIMO）。通过允许同时传输到多个设备，网络容量得以提高。

802.11n中引入的提高健壮性的技术、TxBF、STBC和LDPC码也在802.11ac中采用。但是，对每种技术都进行了修改，以简化操作并减少子选项的数量，这将导致市场上更多地采用这些功能。

与802.11n相反，802.11ac只有一个前导码。与802.11n混合格式前导码类似，VHT前导码包含前导码的遗留兼容部分，以便与802.11a/n设备兼容。此外，VHT前导码支持单用户和多用户操作。

图1.9概述了802.11ac物理层的强制和可选特性。预计第一代802.11ac设备将有1、2、或三个空间流，如当前的802.11n设备。在这些设备中，数据速率增强的主要增强是80mhz。预计大多数设备将包括256-QAM。随着802.11ac中TxBF的简化，第一代802.11ac设备中可能包含此功能。这些设备中的一些还可以使用STBC和LDPC。像三个以上的空间流、160兆赫和MUMIMO这样的功能只会在未来一代设备中突出。
在802.11ac中，MAC通过动态和静态RTC/CTS带宽信令机制增强了聚合，并改进了隐藏节点存在时的宽信道操作。包括在PHY报头中存在站标识符的增强的省电操作，以及用于向站的操作模式（信道带宽和活动接收链的数目）发信号的机制。

为了支持TxBF和MU-MIMO，提出了一种新的探测协议。值得注意的是，该协议的实现选项数量极少，这将促进行业采用。
由于较宽的信道宽度可能占据5ghz频带内可用频谱的很大一部分，因此有新的扫描规则用于检测重叠的BSS操作，并对建立VHT BSS时的信道选择提出要求和建议。

1.6 章节大纲

这本书分为三个部分。

第一部分，
第2-6章，介绍了物理层，并在第21章802.11n的1.6概述中全面回顾了所有强制性和可选的物理层功能。第7章介绍了802.11ac物理层功能。

第二部分，即第8-12章，介绍了MAC，现有MAC特性的概述，以及802.11n和802.11ac中引入的新特性的详细回顾。

最后一部分，即第13-15章，介绍了发射波束形成、MU-MIMO和快速链路适配。

第二章简要介绍了正交频分复用（OFDM）技术。第三章首先介绍了多输入多输出（MIMO）的基本原理和空分复用（SDM）。接着讨论了MIMO环境和802.11n MIMO多径衰落信道和传播模型。本章最后解释了线性接收机的设计和最大似然估计的重点。MIMO和接收机设计的讨论包括基于容量的性能曲线。

第4章详细介绍了用于与传统802.11a/g OFDM设备互操作的混合格式（MF）前导码的设计。本章首先回顾了802.11a前导码的设计。包括在审查的波形插图。描述了802.11a/g分组编码过程和接收过程，包括接收机框图。这就引出了对MF序言遗留部分的讨论。接下来，描述前导码的高吞吐量（HT）部分。随后，介绍了数据字段的编码。本章最后讨论了接收程序和基本操作模式的框图。基本工作模式的调制和编码方案（MCS）参数表见附录。

第5章概述了802.11n规范中用于提高数据速率的所有物理层技术。本章第一节详细介绍了新的40 MHz信道和波形。这包括说明吞吐量与范围函数关系的曲线图。接下来简要讨论添加到802.11n 20 MHz波形中的额外子载波。本章的下一部分给出了MCS的定义。这包括几个瀑布曲线，说明在加性高斯白噪声（AWGN）和802.11n MIMO多径衰落信道模型中，分组错误率（PER）与SNR性能的关系。本章还介绍了较短的绿色字段（GF）序言。这还包括关于GF前导码实际提高性能的讨论。本章的最后一个主题是关于短保护间隔（GI）。

第六章讨论了提高系统鲁棒性的问题。描述了四种技术。第一种方法是接收分集，其中提供了每信噪比瀑布曲线以及吞吐量曲线，以证明MIMO系统中接收分集获得的增益。下一种技术是涉及空间扩展（SE）的简单技术，它提供少量的发射分集增益。也为SE提供了瀑布曲线。接着详细描述了空时分组编码（STBC）。介绍了发射天线的配置，以及实现接收机和均衡器的方法。此外，还提供了性能曲线，说明哪些系统配置从STBC中获益最大。在本章的最后一部分，我们讨论了低密度奇偶校验（LDPC）码。详细介绍了802.11n标准修正案中LDPC编码过程的具体特点。瀑布曲线LDPC提供了比较性能与强制性的二进制卷积码。

新的VHT物理层在第7章中描述。说明了802.11ac的新信道化。本章重点介绍新VHT格式前导和数据字段的SU方面。

MAC部分

从第8章开始，对802.11mac进行功能描述，作为其余章节的背景。本章介绍基于竞争的基本接入协议，包括802.11e服务质量（QoS）扩展、信道接入定时、传输机会的概念以及基本确认和块确认协议。

第9章描述了为什么需要在MAC中进行更改以提高吞吐量，然后详细介绍了两个关键的吞吐量增强特性：聚合和对块确认协议的增强。
除了基本的基于竞争的接入协议之外，802.11mac还包括额外的信道接入机制。第10章概述了这些机制，包括原始802.11规范中的点协调功能（PCF）和802.11e修正案中的混合协调信道接入（HCCA）功能。然后，本章详细介绍了802.11n中新增的省电多轮询（PSMP）信道接入技术和反向协议。

共存和互操作性是802.11n和802.11ac的关键问题，第11章详细介绍了这一广泛主题。本章介绍了能力信令和BSS控制。然后，本章将介绍更宽的信道操作、管理HT和VHT BSS操作以及维护与更窄带宽设备的互操作性。文中还讨论了相邻BSS共存的关键问题。最后，本章介绍了保护机制。

为了完善MAC部分，第12章提供了MAC帧格式的细节。本章旨在为其他章节的讨论提供参考。

这本书的最后一部分涉及传输波束形成、MUMIMO和快速链路自适应的复杂主题。第13章详细介绍了802.11n和802.11ac单用户发射波束形成的物理层和MAC层，第14章介绍了MU-MIMO的物理层和MAC层。最后，第15章描述了802.11n和802.11ac的快速链路适配。