802.11n的关键技术

802.11 （WLAN ）技术作为成熟而广泛应用的无线接入技术，已经广泛地应用于家庭、企业等。据统计，仅2008 年一年，全球销售了3 亿8 千多万颗WLAN 芯片。尽管802.11a/g 技术已经将物理层吞吐提高到了54Mbps ，但是随着YouTube 、无线家庭媒体网关、企业VoIP Over WLAN 等应用对WLAN 技术提出了越来越高的带宽要求，传统技术802.11a/g 已经无法支撑。用户需求呼唤着全新一代WLAN 接入技术。

文 / 史扬　

标准发展历程

IEEE 802.11 工作组意识到支持高吞吐将是WLAN 技术发展历程的关键点，基于IEEE HTSG （High Throughput Study Group ）前期的技术工作，于2003 年成立了Task Group n (TGn) 。n 表示Next Generation ，核心内容就是通过物理层和MAC 层的优化来充分提高WLAN 技术的吞吐。由于802.11n 涉及了大量的复杂技术，标准过程中又涉及了大量的设备厂家，所以整个标准制定过程历时漫长，预计2010 年末才可能会成为标准。相关设备厂家早已无法耐心等待这么漫长的标准化周期，纷纷提前发布了各自的11n 产品(pre-11n) 。为了确保这些产品的互通性，WiFi 联盟基于IEEE 2007 年发布的802.11n 草案的2.0 版本制定了11n 产品认证规范，以帮助11n 技术能够快速产业化。

根据WIFI 联盟2009 年初公布的数据，802.11n 产品的认证增长率从2007 年成倍增长，截至目前全球已经有超过500 款的11n 设备完成认证，2009 年的认证数量必将超出802.11a/b/g 。

技术 概述

802.11n 主要是结合物理层和MAC 层的优化来充分提高WLAN 技术的吞吐。主要的物理层技术涉及了MIMO 、MIMO-OFDM 、40MHz 、Short GI 等技术, 从而将物理层吞吐提高到600Mbps 。如果仅仅提高物理层的速率，而没有对空口访问等MAC 协议层的优化，802.11n 的物理层优化将无从发挥。就好比即使建了很宽的马路，但是车流的调度管理如果跟不上，仍然会出现拥堵和低效。所以802.11n 对MAC 采用了Block 确认、帧聚合等技术，大大提高MAC 层的效率。

802.11n 对用户应用的另一个重要收益是无线覆盖的改善。由于采用了多天线技术，无线信号（对应同一条空间流）将通过多条路径从发射端到接收端，从而提供了分集效应。在接收端采用一定方法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的SNR ，即使在接受端较远时，也能获得较好的信号质量，从而间接提高了信号的覆盖范围。其典型的技术包括了MRC 等。

除了吞吐和覆盖的改善，11n 技术还有一个重要的功能就是要兼容传统的802.11 a/b/g ，以保护用户已有的投资。

接下来对这些相关的关键技术进行逐一介绍。

物理层关键技术

1.        MIMO

MIMO 是802.11n 物理层的核心，指的是一个系统采用多个天线进行无线信号的收发。它是当今无线最热门的技术，无论是3G 、IEEE 802.16e WIMAX ，还是802.11n ，都把MIMO 列入射频的关键技术。

 

图1 MIMO 架构

MIMO 主要有如下的典型应用，包括：

1 ） 提高吞吐

通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐。

２) 提高无线链路的健壮性和改善SNR

通过多条通道，无线信号通过多条路径从发射端到达接收端多个接收天线。由于经过多条路径传播，每条路径一般不会同时衰减严重，采用某种算法把这些多个信号进行综合计算，可以改善接收端的SNR 。需要注意的是，这里是同一条流在多个路径上传递了多份，并不能够提高吞吐。在MRC 部分将有更多说明。

2.        SDM

当基于MIMO 同时传递多条独立空间流（spatial streams ），如下图中的空间流X1,X2 ，时，将成倍地提高系统的吞吐。

 

图2 通过MIMO 传递多条空间流

MIMO 系统支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3, 而接收天线数量为２，则支持的空间流为2 。MIMO/SDM 系统一般用“发射天线数量×接收天线数量”表示。如上图为2*2 MIMO/SDM 系统。显然，增加天线可以提高MIMO 支持的空间流数。但是综合成本、实效等多方面因素，目前业界的WLAN AP 都普遍采用3 ×3 的模式。

MIMO/SDM 是在发射端和接收端之间，通过存在的多条路径（通道）来同时传播多条流。有意思的事情出现了：一直以来，无线技术( 如OFMD) 总是企图克服多径效应的影响，而MIMO 恰恰是在利用多径来传输数据。

图3 MIMO 利用多径传输数据

3.        MIMO-OFDM

在室内等典型应用环境下，由于多径效应的影响，信号在接收侧很容易发生(ISI) ，从而导致高误码率。OFDM 调制技术是将一个物理信道划分为多个子载体（sub-carrier ）, 将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流，通过这些子载体进行通讯，从而减少ISI 机会，提高物理层吞吐。

OFDM 在802.11a/g 时代已经成熟使用，到了802.11n 时代，它将MIMO 支持的子载体从52 个提高到56 个。需要注意的是，无论802.11a/g ，还是802.11n ，它们都使用了4 个子载体作为pilot 子载体，而这些子载体并不用于数据的传递。所以802.11n MIMO 将物理速率从传统的54Mbps 提高到了58.5 Mbps( 即54*52/48 ）。

4.        FEC (Forward Error Correction)

按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接收端能够恢复原始信息。802.11n 所采用的QAM-64 的编码机制可以将编码率（有效信息和整个编码的比率）从3/4 提高到5/6 。所以，对于一条空间流，在MIMO-OFDM 基础之上，物理速率从58.5 提高到了65Mbps( 即58.5 乘5/6 除以3/4 ）。

5.        Short Guard Interval (GI) 　

由于多径效应的影响，信息符号（Information Symbol ）将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致ISI 干扰。为此，802.11a/g 标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在800 ns 的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval (GI) 。802.11 ｎ仍然使用缺省使用800 ns GI 。当多径效应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400 ，对于一条空间流，可以将吞吐提高近１０％，即从65Mbps 提高到72.2 Mbps 。对于多径效应较明显的环境，不建议使用Short Guard Interval (GI) 。

6.        40MHz 绑定技术

这个技术最为直观：对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。就好比是马路变宽了，车辆的通行能力自然提高。传统802.11a/g 使用的频宽是20MHz ，而802.11n 支持将相邻两个频宽绑定为40MHz 来使用，所以可以最直接地提高吞吐。

需要注意的是：对于一条空间流，并不是仅仅将吞吐从72.2 Mbps 提高到144.4 （即72.2 ×2 ）Mbps 。对于20MHz 频宽，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过40MHz 绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载体从104 （52 ×2 ）提高到108 。按照72.2*2*108/104 进行计算，所得到的吞吐能力达到了150Mbps 。

7.        MCS (Modulation Coding Scheme)

在802.11a/b/g 时代，配置AP 工作的速率非常简单，只要指定特定radio 类型（802.11a/b/g ）所使用的速率集，速率范围从1Mbps 到54Mbps, 一共有12 种可能的物理速率。

到了802.11n 时代，由于物理速率依赖于调制方法、编码率、空间流数量、是否40MHz 绑定等多个因素。这些影响吞吐的因素组合在一起，将产生非常多的物理速率供选择使用。比如基于Short GI,40MHz 绑定等技术，在4 条空间流的条件下，物理速率可以达到600Mbps( 即4*150) 。为此，802.11n 提出了MCS 的概念。MCS 可以理解为这些影响速率因素的完整组合，每种组合用整数来唯一标示。对于AP ，MCS 普遍支持的范围为0-15 。

8.        MRC (Maximal-Ratio Combining)

MRC 和 吞吐提高没有任何关系，它的目的是改善接收端的信号质量。基本原理是：对于来自发射端的同一个信号，由于在接收端使用多天线接收，那么这个信号将经过多条 路径（多个天线）被接收端所接收。多个路径质量同时差的几率非常小，一般地，总有一条路径的信号较好。那么在接收端可以使用某种算法，对这些各接收路径上 的信号进行加权汇总（显然，信号最好的路径分配最高的权重），实现接收端的信号改善。当多条路径上信号都不太好时，仍然通过MRC 技术获得较好的接收信号。

MAC 层关键技术

1.        帧聚合

帧聚合技术包含针对MSDU 的聚合（A-MSDU ）和针对MPDU 的聚合(A-MPDU) ：

l      A-MSDU

A-MSDU 技术是指把多个MSDU 通过一定的方式聚合成一个较大的载荷。这里的MSDU 可以认为是Ethernet 报文。通常，当AP 或无线客户端从协议栈收到报文（MSDU ）时，会打上Ethernet 报文头，我们称之为A-MSDU Subframe ；而在通过射频口发送出去前，需要一一将其转换成802.11 报文格式。而A-MDSU 技术旨在将若干个A-MSDU Subframe 聚合到一起，并封装为一个802.11 报文进行发送。从而减少了发送每一个802.11 报文所需的PLCP Preamble ，PLCP Header 和802.11MAC 头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。

A-MSDU 报文是由若干个A-MSDU Subframe 组成的，每个Subframe 均是由Subframe header (Ethernet Header) 、一个MSDU 和0-3 字节的填充组成。

 

图4 A-MSDU 报文结构

A-MSDU 技术只适用于所有MSDU 的目的端为同一个HT STA 的情况。

l      A-MPDU

与A-MSDU 不同的是，A-MPDU 聚合的是经过802.11 报文封装后的MPDU ，这里的MPDU 是指经过802.11 封装过的数据帧。通过一次性发送若干个MPDU ，减少了发送每个802.11 报文所需的PLCP Preamble ，PLCP Header ，从而提高系统吞吐量。

 

图5 A-MPDU 报文格式

其中MPDU 格式和802.11 定义的相同，而MPDU Delimiter 是为了使用A-MPDU 而定义的新的格式。A-MPDU 技术同样只适用于所有MPDU 的目的端为同一个HT STA 的情况。

2.        Block ACK

为保证数据传输的可靠性，802.11 协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以ACK 帧。A-MPDU 的接收端在收到A-MPDU 后，需要对其中的每一个MPDU 进行处理，因此同样针对每一个MPDU 发送应答帧。Block Acknowledgement 通过使用一个ACK 帧来完成对多个MPDU 的应答，以降低这种情况下的ACK 帧的数量。

Block Ack 机制分三个步骤来实现：

Þ        通过 ADDBA Request/Response 报文协商建立 Block ACK 协定。

Þ        协商完成后，发送方可以发送有限多个 QoS 数据报文，接收方会保留这些数据报文的接收状态，待收到发送方的 BlockAckReq 报文后，接收方则回应以 BlockAck 报文来对之前接收到的多个数据报文做一次性回复。

Þ        通过 DELBA Request 报文来撤消一个已经建立的 Block Ack 协定。

            图6 Block Ack 工作机制

3.        兼容 a/b/g

WLAN 标准从802.11a/b 发展到802.11g ，再到现在的802.11n ，提供良好的向后兼容性显得尤为重要。802.11g 提供了一套保护机制来允许802.11b 的无线用户接入802.11g 网络。同样的，802.11n 协议提供相似的机制来允许802.11a/b/g 用户的接入。

802.11n 设备发送的信号可能无法被802.11a/b/g 的设备解析到，造成802.11a/b/g 设备无法探测到802.11n 设备，从而往空中直接发送信号，导致信道使用上的冲突。为解决这个问题，当802.11n 运行在混合模式（即同时有802.11a/b/g 设备在网络中）时，会在发送的报文头前添加能够被802.11a 或802.11b/g 设备正确解析的前导码。从而保证802.11a/b/g 设备能够侦听到802.11n 信号，并启用冲突避免机制，进而实现802.11n 的设备与802.11a/b/g 设备的互通。

结论

MIMO 是802.11n 物理层的核心，通过结合40MHz 绑定、MIMO-OFDM 等多项技术，可以将物理层速率提高到600Mbps 。为了充分发挥物理层的能力，802.11n 对MAC 层采用了帧聚合、Block ACK 等多项技术进行优化。802.11n 給我们带来吞吐、覆盖等提高的同时，也增加了更多的技术挑战。了解这些技术，将帮助我们更好地应用802.11n 和解决应用所面临的实际问题。

 

 

参考文献

IEEE standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks – Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, Amendment 4: Enhancements for Higher 　 Throughput

缩略语

ISI   Inter-Symbol Interference

FEC   Forward Error Correction

GI    Guard Interval

MCS   Modulation Coding Scheme

MRC 　Maximal-Ratio Combining

来源：http://www.h3c.com.cn/MiniSite/H3C_TechOnline/Wlan_Subject/Hot_Point/Technology_Hot/biaozhun/200906/638149_97665_0.htm