下一代无线局域网-高吞吐率

一、40MHz信道

1 40MHz子载波的设计和频谱掩模

​ 如下图所示，40MHz的频域设计包含128个子载波位置，间隔与20MHz相同（40MHz/128 = 312.5kHz）。在信道边缘的保护袋的左边有6个空子载波，为子载波-64，……，-59；在右边有5个空子载波，为59，……，63；在支流部分周围，有3个空子载波-1，0，1（方便实现直接降频转换接收机）。
​ 在赋值子载波中，位于-53.-25，-11，11，25，53的为导频子载波。

​ 新的40MHz频谱掩模：相邻的40MHz设备间的相邻信道干扰与相邻的20MHz HT设备间的相邻信道干扰相同。
​ 当40MHz设备和20MHz设备位于相邻信道时，20MHz设备受到的干扰比它与另一个20MHz设备相邻时受到的干扰要大。

​ 40MHz信道设计的基础是，只有相邻的20MHz信道被结合起来形成一个40MHz信道。
​ 一个40MHz信道由两个字段标明（Nprimary_ch，Secondary）。
​ 第一个字段代表主要20MHz信道的信道号码，在混合的20/40MHz环境中，AP通过这个先到发送所有的控制和管理帧。
​ 第二个字段表示次要20MHz信道是在主信道之上还是之下。
​ 次信道的标号为（Nprimary_ch + Secondary * 4）

2 40MHz混合格式前导码

​ 为了与传统的802.11a/g 设备互用和共存，20MHz前导码的传统部分被复制到了40MHz频带的其他20MHz部分

​ 运行在40MHz信道的任何一个20MHz的部分的传统OFDM设备都可以处理L-STF、L-LTF，并且解码L-SIG以适当的延迟发送。
​
​ 同样，因为HT-SIG域也复制到了40MHz信道的另一个20MHz部分中，使得运行在40MHz信道的任何一个20MHz HT设备可以解码HT-SIG域，并适当地延迟发送。

波形公式

​ 下面的公式是把定义的L-STF、L-LTF、L-SIG以及HT-SIG的20MHz OFDM码元波形公式变换为40MHz的发送。
​ 将20MHz波形向下移位32个子载波，同样的波形向上移位32个子载波再进行90°相位旋转。

3 40MHz数据编码

​ 20MHz和40MHz之间的数据编码的主要区别在于，所有的20MHZ MCS均使用单编码器，而部分40MHz MCS使用两个编码器。

​ 当选定的MCS的数据速率大于300Mbit/s时，使用单编码器和解码器实现卷积编码和解码在实现上非常复杂，因此一般选择两个编码器，计算间隔为800ns。

4 MCS 32：高吞吐率复制格式

​ 为了保持与20MHz设备相同的成本，40MHz设备会被设计成具体同样的输出功率。但是40MHz设备的功率谱密度要低3dB（因为较宽的噪声带宽）。为了补偿40MHz相对于20MHz减少的范围，在40MHz中设计了一个特定的HT复制格式MCS 32。

​ 从下图可以看出，由于频率分集增益，40MHz MCS 0 比 20 MHZ MCS 0 在PER为1%时，性能胜出1dB。在使用MCS 32时，40MHz的最低速率所要求的SNR比使用MCS 0 改善了2dB。

5 在物理层20/40MHz与传统的共存

​ 在40MHz信道的主信道和次信道上，可能会出现相邻的传统AP和客户端。通过发送一个RTS/CTS的方法来预留发送媒体。为了改善40MHz设备的效率，比较理想的方法是同时在主信道和次信道进行媒体预留。

​ 非HT复制格式被设计为可以同时在主、次信道被传统设备接收，分组以传统的OFDM格式同时在40MHz信道的上下部分进行传输。

二、20MHz的增强：额外数据子载波

​ 20MHz的数据子载波增加到了52，对于同样的MCS，即使是使用单个流，802.11n的数据速率也优于传统的802.11a/g。

​ 频谱的每端都加上了两个数据子载波，总数为56.数据子载波的位置为-28~-22，- 20~8、 -6~-1、 1~6、 8~20以及 22~28。导频子载波的位置为-21，-7，7，21。

新的20MHz HT频谱掩模

三、MCS的增强：空间流和码率

​ 在使用MIMO时，在2个、3个以及4个空间流的情况下，可得到的数据速率大大高于802.11a/g所得到的，MIMO比802.11a/g高出的数据速率与空间流数量成正比。

​ 增加的5/6码率将数据速率进一步提高了11%。本来64-QAM5/6码率对于SNR的要求比只使用64-QAM3/4码率的802.11a/g的最高速率还高，但是随着在802.11n中增加的强健特性，它就可以工作在一个合理的范围内。

​ 对信道使用一个傅里叶矩阵，生成N x N MIMO系统的AWGN结果

​ 由于每个空间流容量只是SNR的函数，PER曲线便只与调制、码率以及SNR有关。下图给出了作为SNR函数的PER性能

​ 假设接收机噪声系数为6dB，通过计算可以得到与最小敏感度相关的获益（获益的范围为11~12dB）。

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四、GF前导码

​ MF前导码中包含了L-STF、L-LTF以及L-SIG，通过牺牲吞吐率效率而得到了HT和传统设备间的互操作性。

​ 为了提高效率，采用了一种没有传统字段、不与传统OFDM设备相兼容的前导码。不要求与传统兼容性的环境称为“绿野(Greenfield)”部署。

1 GF前导码的格式

​ 下图给出GF与MF前导码的格式。
​ GF中的HT-STF代替了MF前导码中的L-STF，长度为8μs，长度的增加与L-STF相匹配，以提供足够的时间来进行分组起始检测、AGC设置、频率估计以及时间同步。
​ 由于不用关心GF前导码与传统的兼容，GF-HT-STF的空间流便采用了长HT循环移位，可以获得MIMO接收机所要求的精确的获取时间和AGC设置。
​ 没有了与传统兼容的需求，也就不需要L-SIG，因此也不需要L-LTF。

​ 为了使GF中的HT-SIG与HT-LTF1相匹配，HT-SIG必须包括正交映射矩阵。Ht-LTF的缩放比例在20MHz时基于56个子载波，在40MHz时基于114个子载波，但是为了与MF前导码中HT-SIG域的子载波相匹配，HT-SIG域在20MHz时只使用52个子载波，在40MHz时只使用104个子载波。GF的缩放比例是基于空间流数目的。

GF HT-SIG的20MHz波形

​ N_ss： 为空间流的数量。
​ Q：空间映射矩阵
​ P_HTLTF：正交映射矩阵
​ D_k,n ：复数数据值到子载波位置的映射
​ p_n ：导频极性，与传统OFDM的定义相同
​ p_k ：导频子载波。

GF HT-SIG的40MHz波形

2 PHY的效率

​ 与MF前导码相比，GF前导码减少了12μs的PHY前导码开销，与MF相比，在数据速率较高和分组长度较短的情况下，GF的效率显著提高。但是人们认为GF前导码存在以下问题：1：网络效率提高少；2：缺乏与传统设备间的互操作性；3：实现问题以及增加了在多个802.11n前导码种类间进行自动检测的负担。

网络效率

​ 在不同场景下，进行MAC层仿真。从下表的结果可以看出，网络效率的提示很小。

互操作性

​ 传统设备无法处理GF分组，因此当BSS中出现传统设备时就要求保护GF分组，但是这个保护没有延伸到邻近的BSS。

​ 当一个传统设备接收到GF分组，由于GF前导码和传统前导码都有一个8μs的STF和LTF以及SIG，就可能会出现错误检测。（一些传统设备可以使用信令字段中的额外字段来减少误检率）

3 前导码自动检测

​ 一旦接受到一个分组，设备必须并行处理所有不同类型的前导码，直到找到正确的格式。
​ 在0~16μs的时间内，设备必须并行处理传统和MF格式中传统STF/LTF和GF格式中的HT STF/LTF。在16μs~20μs时间内，设备必须处理传统和MF前导码的传统SIG。在 16~24μs，设备必须处理GF前导码的HT-SIG

五、短保护间隔

​ 802.11n的标准OFDM数据码元时间长度为4μs，包括一个0.8μs的保护间隔（GI）以及3.2μs的数据。为了进一步增加802.11n数据速率，采用一个可选的短GI，数据码元的保护间隔减小到了0.4μs，码元的总长度减小到了3.6μs。数据速率增加了11%，利用短GI，802.11n在20MHz的最大数据速率为289Mbit/s,40MHz为600Mbit/s。

​ 短GI在调制、码率以及空间流数量之外，增加了另一个与速率调整有关的方面，每增加一个方面，速率调整的复杂度就有显著的提高。
​ 短GI只在延迟扩展较短的信道上增加数据速率。