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11n的關(guān)鍵技術(shù)

802.11（WLAN）技術(shù)作為成熟而廣泛應(yīng)用的無線接入技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于家庭、企業(yè)等。據(jù)統(tǒng)計，僅2008年一年，全球銷售了3億8千多萬顆WLAN芯片。盡管802.11a/g技術(shù)已經(jīng)將物理層吞吐提高到了54Mbps，但是隨著YouTube、無線家庭媒體網(wǎng)關(guān)、企業(yè)VoIP Over WLAN等應(yīng)用對WLAN技術(shù)提出了越來越高的帶寬要求，傳統(tǒng)技術(shù)802.11a/g已經(jīng)無法支撐。用戶需求呼喚著全新一代WLAN接入技術(shù)。

文 / 史揚

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

IEEE 802.11工作組意識到支持高吞吐將是WLAN技術(shù)發(fā)展歷程的關(guān)鍵點，基于IEEE HTSG （High Throughput Study Group）前期的技術(shù)工作，于2003年成立了Task Group n (TGn)。n表示Next Generation，核心內(nèi)容就是通過物理層和MAC層的優(yōu)化來充分提高WLAN技術(shù)的吞吐。由于802.11n涉及了大量的復(fù)雜技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)過程中又涉及了大量的設(shè)備廠家，所以整個標(biāo)準(zhǔn)制定過程歷時漫長，預(yù)計2010年末才可能會成為標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)設(shè)備廠家早已無法耐心等待這么漫長的標(biāo)準(zhǔn)化周期，紛紛提前發(fā)布了各自的11n產(chǎn)品(pre-11n)。為了確保這些產(chǎn)品的互通性，WiFi聯(lián)盟基于IEEE 2007年發(fā)布的802.11n草案的2.0版本制定了11n產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)范，以幫助11n技術(shù)能夠快速產(chǎn)業(yè)化。

根據(jù)WIFI聯(lián)盟2009年初公布的數(shù)據(jù)，802.11n產(chǎn)品的認(rèn)證增長率從2007年成倍增長，截至目前全球已經(jīng)有超過500款的11n設(shè)備完成認(rèn)證，2009年的認(rèn)證數(shù)量必將超出802.11a/b/g。

技術(shù)概述

802.11n主要是結(jié)合物理層和MAC層的優(yōu)化來充分提高WLAN技術(shù)的吞吐。主要的物理層技術(shù)涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術(shù),從而將物理層吞吐提高到600Mbps。如果僅僅提高物理層的速率，而沒有對空口訪問等MAC協(xié)議層的優(yōu)化，802.11n的物理層優(yōu)化將無從發(fā)揮。就好比即使建了很寬的馬路，但是車流的調(diào)度管理如果跟不上，仍然會出現(xiàn)擁堵和低效。所以802.11n對MAC采用了Block確認(rèn)、幀聚合等技術(shù)，大大提高MAC層的效率。

802.11n對用戶應(yīng)用的另一個重要收益是無線覆蓋的改善。由于采用了多天線技術(shù)，無線信號（對應(yīng)同一條空間流）將通過多條路徑從發(fā)射端到接收端，從而提供了分集效應(yīng)。在接收端采用一定方法對多個天線收到信號進(jìn)行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使在接受端較遠(yuǎn)時，也能獲得較好的信號質(zhì)量，從而間接提高了信號的覆蓋范圍。其典型的技術(shù)包括了MRC等。

除了吞吐和覆蓋的改善，11n技術(shù)還有一個重要的功能就是要兼容傳統(tǒng)的802.11 a/b/g，以保護(hù)用戶已有的投資。

接下來對這些相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行逐一介紹。

物理層關(guān)鍵技術(shù)

1. MIMO

MIMO是802.11n物理層的核心，指的是一個系統(tǒng)采用多個天線進(jìn)行無線信號的收發(fā)。它是當(dāng)今無線最熱門的技術(shù)，無論是3G、IEEE 802.16e WIMAX，還是802.11n，都把MIMO列入射頻的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 MIMO架構(gòu)

MIMO主要有如下的典型應(yīng)用，包括：

1） 提高吞吐

通過多條通道，并發(fā)傳遞多條空間流，可以成倍提高系統(tǒng)吞吐。

２) 提高無線鏈路的健壯性和改善SNR

通過多條通道，無線信號通過多條路徑從發(fā)射端到達(dá)接收端多個接收天線。由于經(jīng)過多條路徑傳播，每條路徑一般不會同時衰減嚴(yán)重，采用某種算法把這些多個信號進(jìn)行綜合計算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這里是同一條流在多個路徑上傳遞了多份，并不能夠提高吞吐。在MRC部分將有更多說明。

2. SDM

當(dāng)基于MIMO同時傳遞多條獨立空間流（spatial streams），如下圖中的空間流X1,X2，時，將成倍地提高系統(tǒng)的吞吐。

圖2 通過MIMO傳遞多條空間流

MIMO系統(tǒng)支持空間流的數(shù)量取決于發(fā)送天線和接收天線的最小值。如發(fā)送天線數(shù)量為3,而接收天線數(shù)量為２，則支持的空間流為2。MIMO/SDM系統(tǒng)一般用“發(fā)射天線數(shù)量×接收天線數(shù)量”表示。如上圖為2*2 MIMO/SDM系統(tǒng)。顯然，增加天線可以提高MIMO支持的空間流數(shù)。但是綜合成本、實效等多方面因素，目前業(yè)界的WLAN AP都普遍采用3×3的模式。

MIMO/SDM是在發(fā)射端和接收端之間，通過存在的多條路徑（通道）來同時傳播多條流。有意思的事情出現(xiàn)了：一直以來，無線技術(shù)(如OFMD)總是企圖克服多徑效應(yīng)的影響，而MIMO恰恰是在利用多徑來傳輸數(shù)據(jù)。

圖3 MIMO利用多徑傳輸數(shù)據(jù)

3. MIMO-OFDM

在室內(nèi)等典型應(yīng)用環(huán)境下，由于多徑效應(yīng)的影響，信號在接收側(cè)很容易發(fā)生(ISI)，從而導(dǎo)致高誤碼率。OFDM調(diào)制技術(shù)是將一個物理信道劃分為多個子載體（sub-carrier）,將高速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制成多個較低速率的子數(shù)據(jù)流，通過這些子載體進(jìn)行通訊，從而減少ISI機會，提高物理層吞吐。

OFDM在802.11a/g時代已經(jīng)成熟使用，到了802.11n時代，它將MIMO支持的子載體從52個提高到56個。需要注意的是，無論802.11a/g，還是802.11n，它們都使用了4個子載體作為pilot子載體，而這些子載體并不用于數(shù)據(jù)的傳遞。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統(tǒng)的54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54*52/48）。

4. FEC (Forward Error Correction)

按照無線通信的基本原理，為了使信息適合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發(fā)射端將把信息進(jìn)行編碼并攜帶冗余信息，以提高系統(tǒng)的糾錯能力，使接收端能夠恢復(fù)原始信息。802.11n所采用的QAM-64的編碼機制可以將編碼率（有效信息和整個編碼的比率）從3/4 提高到5/6。所以，對于一條空間流，在MIMO-OFDM基礎(chǔ)之上，物理速率從58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4）。

5. Short Guard Interval (GI)　

由于多徑效應(yīng)的影響，信息符號（Information Symbol）將通過多條路徑傳遞，可能會發(fā)生彼此碰撞，導(dǎo)致ISI干擾。為此，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)要求在發(fā)送信息符號時，必須保證在信息符號之間存在800 ns的時間間隔，這個間隔被稱為Guard Interval (GI)。802.11ｎ仍然使用缺省使用800 ns GI。當(dāng)多徑效應(yīng)不是很嚴(yán)重時，用戶可以將該間隔配置為400，對于一條空間流，可以將吞吐提高近１０％，即從65Mbps提高到72.2 Mbps。對于多徑效應(yīng)較明顯的環(huán)境，不建議使用Short Guard Interval (GI)。

6. 40MHz綁定技術(shù)

這個技術(shù)最為直觀：對于無線技術(shù)，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。就好比是馬路變寬了，車輛的通行能力自然提高。傳統(tǒng)802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。

需要注意的是：對于一條空間流，并不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4（即72.2×2 ）Mbps。對于20MHz頻寬，為了減少相鄰信道的干擾，在其兩側(cè)預(yù)留了一小部分的帶寬邊界。而通過40MHz綁定技術(shù)，這些預(yù)留的帶寬也可以用來通訊，可以將子載體從104（52×2）提高到108。按照72.2*2*108/104進(jìn)行計算，所得到的吞吐能力達(dá)到了150Mbps。

7. MCS (Modulation Coding Scheme)

在802.11a/b/g時代，配置AP工作的速率非常簡單，只要指定特定radio類型（802.11a/b/g）所使用的速率集，速率范圍從1Mbps到54Mbps,一共有12種可能的物理速率。

到了802.11n時代，由于物理速率依賴于調(diào)制方法、編碼率、空間流數(shù)量、是否40MHz綁定等多個因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，將產(chǎn)生非常多的物理速率供選擇使用。比如基于Short GI,40MHz綁定等技術(shù)，在4條空間流的條件下，物理速率可以達(dá)到600Mbps(即4*150)。為此，802.11n提出了MCS的概念。MCS可以理解為這些影響速率因素的完整組合，每種組合用整數(shù)來唯一標(biāo)示。對于AP，MCS普遍支持的范圍為0-15。

8. MRC (Maximal-Ratio Combining)

MRC和吞吐提高沒有任何關(guān)系，它的目的是改善接收端的信號質(zhì)量?；驹硎牵簩τ趤碜园l(fā)射端的同一個信號，由于在接收端使用多天線接收，那么這個信號將經(jīng)過多條路徑（多個天線）被接收端所接收。多個路徑質(zhì)量同時差的幾率非常小，一般地，總有一條路徑的信號較好。那么在接收端可以使用某種算法，對這些各接收路徑上的信號進(jìn)行加權(quán)匯總（顯然，信號最好的路徑分配最高的權(quán)重），實現(xiàn)接收端的信號改善。當(dāng)多條路徑上信號都不太好時，仍然通過MRC技術(shù)獲得較好的接收信號。

MAC層關(guān)鍵技術(shù)

1. 幀聚合

幀聚合技術(shù)包含針對MSDU的聚合（A-MSDU）和針對MPDU的聚合(A-MPDU)：

l A-MSDU

A-MSDU技術(shù)是指把多個MSDU通過一定的方式聚合成一個較大的載荷。這里的MSDU可以認(rèn)為是Ethernet報文。通常，當(dāng)AP或無線客戶端從協(xié)議棧收到報文（MSDU）時，會打上Ethernet報文頭，我們稱之為A-MSDU Subframe；而在通過射頻口發(fā)送出去前，需要一一將其轉(zhuǎn)換成802.11報文格式。而A-MDSU技術(shù)旨在將若干個A-MSDU Subframe聚合到一起，并封裝為一個802.11報文進(jìn)行發(fā)送。從而減少了發(fā)送每一個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11MAC頭的開銷，同時減少了應(yīng)答幀的數(shù)量，提高了報文發(fā)送的效率。

A-MSDU報文是由若干個A-MSDU Subframe組成的，每個Subframe均是由Subframe header (Ethernet Header)、一個MSDU和0-3字節(jié)的填充組成。

圖4 A-MSDU 報文結(jié)構(gòu)

A-MSDU技術(shù)只適用于所有MSDU的目的端為同一個HT STA的情況。

l A-MPDU

與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經(jīng)過802.11報文封裝后的MPDU，這里的MPDU是指經(jīng)過802.11封裝過的數(shù)據(jù)幀。通過一次性發(fā)送若干個MPDU，減少了發(fā)送每個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，從而提高系統(tǒng)吞吐量。

圖5 A-MPDU報文格式

其中MPDU格式和802.11定義的相同，而MPDU Delimiter是為了使用A-MPDU而定義的新的格式。A-MPDU技術(shù)同樣只適用于所有MPDU的目的端為同一個HT STA的情況。

2. Block ACK

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/span>802.11協(xié)議規(guī)定每收到一個單播數(shù)據(jù)幀，都必須立即回應(yīng)以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要對其中的每一個MPDU進(jìn)行處理，因此同樣針對每一個MPDU發(fā)送應(yīng)答幀。Block Acknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應(yīng)答，以降低這種情況下的ACK幀的數(shù)量。

Block Ack機制分三個步驟來實現(xiàn)：

T 通過ADDBA Request/Response報文協(xié)商建立Block ACK協(xié)定。

T 協(xié)商完成后，發(fā)送方可以發(fā)送有限多個QoS數(shù)據(jù)報文，接收方會保留這些數(shù)據(jù)報文的接收狀態(tài)，待收到發(fā)送方的BlockAckReq報文后，接收方則回應(yīng)以BlockAck報文來對之前接收到的多個數(shù)據(jù)報文做一次性回復(fù)。

T 通過DELBA Request報文來撤消一個已經(jīng)建立的Block Ack協(xié)定。

圖6 Block Ack 工作機制

3. 兼容a/b/g

WLAN標(biāo)準(zhǔn)從802.11a/b發(fā)展到802.11g，再到現(xiàn)在的802.11n，提供良好的向后兼容性顯得尤為重要。802.11g提供了一套保護(hù)機制來允許802.11b的無線用戶接入802.11g網(wǎng)絡(luò)。同樣的，802.11n協(xié)議提供相似的機制來允許802.11a/b/g用戶的接入。

802.11n設(shè)備發(fā)送的信號可能無法被802.11a/b/g的設(shè)備解析到，造成802.11a/b/g設(shè)備無法探測到802.11n設(shè)備，從而往空中直接發(fā)送信號，導(dǎo)致信道使用上的沖突。為解決這個問題，當(dāng)802.11n運行在混合模式（即同時有802.11a/b/g設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中）時，會在發(fā)送的報文頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g設(shè)備正確解析的前導(dǎo)碼。從而保證802.11a/b/g設(shè)備能夠偵聽到802.11n信號，并啟用沖突避免機制，進(jìn)而實現(xiàn)802.11n的設(shè)備與802.11a/b/g設(shè)備的互通。

結(jié)論

MIMO是802.11n物理層的核心，通過結(jié)合40MHz綁定、MIMO-OFDM等多項技術(shù)，可以將物理層速率提高到600Mbps。為了充分發(fā)揮物理層的能力，802.11n對MAC層采用了幀聚合、Block ACK等多項技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。802.11n給我們帶來吞吐、覆蓋等提高的同時，也增加了更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。了解這些技術(shù)，將幫助我們更好地應(yīng)用802.11n和解決應(yīng)用所面臨的實際問題。