802.11n无线网络技术剖析

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IEEE 802.11n技术通过物理层和MAC层的技术改进实现了无线传送速率的很大提升，使带宽从54Mbps提升到300Mbps。

802.11n的核心——MIMO-OFDM

OFDM调制技术是将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流，再通过已划分为多个子载体的物理信道进行通讯，从而减少ISI（码间干扰）机会。

MIMO（多入多出）技术是在链路的发送端和接收端都采用多副天线，将多径传播变为有利因素，从而在不增加信道带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，以达到WLAN系统速率的提升。

将MIMO与OFDM技术相结合，就产生了MIMO OFDM技术，它通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，并增加了多径的容限，使无线网络的有效传输速率有质的提升。

双频带（20-MHz和40-MHz带宽）

IEEE 802.11n通过将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通讯带宽，在实际工作时可以作为两个20MHz的带宽使用（一个为主带宽，一个为次带宽，收发数据时既可以40MHz的带宽工作，也可以单个20MHz带宽工作），这样可将速率提高一倍。同时，对于IEEE 802.11a/b/g，为了防止相邻信道干扰，20MHz带宽的信道在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过频带绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，从而进一步提高了吞吐量。

图  20/40-MHz带宽的吞吐能力：

Short Guard Interval

Short GI（Guard Interval）是802.11n针对802.11a/g所做的改进。射频芯片在使用OFDM调制方式发送数据时，整个帧是被划分成不同的数据块进行发送的，为了数据传输的可靠性，数据块之间会有GI，用以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。无线信号在空间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后续数据块发送过快，会和前一个数据块形成干扰，而GI就是用来规避这个干扰的。11a/g的GI时长为800us，而Short GI时长为400us，在使用Short GI的情况下，可提高10%的速率。另外，Short GI与带宽无关，支持20MHz、40MHz带宽。

数据链路层的优化

在信道的竞争中所产生的冲突，以及为解决冲突而引入的退避机制都大大降低了系统的吞吐量。802.11n为了解决MAC层的这两个问题，采用了帧聚合（Frame Aggregation）技术和Block Acknowledgement机制。

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

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，这里我们称之为A-MSDU Subframe；而在通过射频口发送出去前，需要逐一将其转换成802.11报文格式。而A-MSDU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-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。

Block Acknowledgement

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ACK帧。接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，并针对每一个MPDU发送应答帧。

而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ACK帧的数量。

Spatial Multiplexing Power Save

在使用802.11n服务时，由于安装了多个天线，电源容量的问题显得更为突出。因此802.11n协议在节省电源处理上做了改进，采用了Spatial Multiplexing(SM) Power Save技术，其技术原理在于当无数据转发时，STA只有一个天线处于工作状态，其余天线均处于休眠状态，从而达到节省电源的目的。SM Power Save定义了两种电源管理方式：动态SM Power Save和静态SM Power Save。

向后兼容性

802.11n协议允许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，这样造成802.11a/b/g设备直接往空中发送信号，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设备信号，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。