80211n无线网络技术剖析.docx

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1、ieee802.11n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-ofdmofdm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-ofdmofdm调制技术是将高速率的数据流

2、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

3、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 intervalshort gi （guard interval）是 802.11n 针对 802.11a/g 所做的改进。射频芯片在使用

4、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

5、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-msdua-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

6、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plcppreamble、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

7、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

8、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80

9、2.11a/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。-？本贴来自天极网群乐社区-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

10、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

11、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

12、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

13、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. MIMOMIMO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。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

14、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

15、数量X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3X3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

16、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，

17、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

18、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

19、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 X2 )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 X2)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

20、radio类型 （802.11a/b/g）所使用的速率集，速率范围从1 Mbps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 （Maxi

21、mal-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

22、）: A-MSDUA-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

23、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。FLCP PLCP 压H蛀叫：Header 虫*3 Subfrmi 卜】涸 秘fr戒HSDU Subfra n 役图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 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MP

24、DU，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。MPDU lengiftCRCDkrniidF SignatureMPDUB31PadMP OU Delimiter01$：&0 B3 S-i&1$SIMPLCP PreamblePLCPHeaderN就 HeaderA-IPDU SubframelA-MPDU Subfraroe?* *i 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

25、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：O 通过 ADDBA Request/Response 报文协商建立 Block ACK 协定。O 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

26、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。O 通过DELBA Request报文来撤消一个已经建立的Block Ack协定。g 口叫 MPDU(a) St tup& BtocX Ack(c) Tear DwniiiEitilnple. timtGOrigijwror图6 Block Ack工作机制3. 兼容 a/b/gWLAN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8

27、02.11g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乡合我们带来吞吐、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。