802.11n的關鍵技術
轉載來源：http://blog.csdn.net/lizzywu/article/details/4439163
802.11（WLAN）技術作爲成熟而廣泛應用的無線接入技術，已經廣泛地應用於家庭、企業等。據統計，僅2008年一年，全球銷售了3億8千多萬顆WLAN芯片。儘管802.11a/g技術已經將物理層吞吐提高到了54Mbps，但是隨着YouTube、無線家庭媒體網關、企業VoIP Over WLAN等應用對WLAN技術提出了越來越高的帶寬要求，傳統技術802.11a/g已經無法支撐。用戶需求呼喚着全新一代WLAN接入技術。
文 / 史揚
IEEE 802.11工作組意識到支持高吞吐將是WLAN技術發展歷程的關鍵點，基於IEEE HTSG （High Throughput Study Group）前期的技術工作，於2003年成立了Task Group n (TGn)。n表示Next Generation，核心內容就是通過物理層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。由於802.11n涉及了大量的複雜技術，標準過程中又涉及了大量的設備廠家，所以整個標準制定過程歷時漫長，預計2010年末纔可能會成爲標準。相關設備廠家早已無法耐心等待這麼漫長的標準化週期，紛紛提前發佈了各自的11n產品(pre-11n)。爲了確保這些產品的互通性，WiFi聯盟基於IEEE 2007年發佈的802.11n草案的2.0版本制定了11n產品認證規範，以幫助11n技術能夠快速產業化。
根據WIFI聯盟2009年初公佈的數據，802.11n產品的認證增長率從2007年成倍增長，截至目前全球已經有超過500款的11n設備完成認證，2009年的認證數量必將超出802.11a/b/g。
技術概述
802.11n主要是結合物理層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。主要的物理層技術涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術,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協議層的優化，802.11n的物理層優化將無從發揮。就好比即使建了很寬的馬路，但是車流的調度管理如果跟不上，仍然會出現擁堵和低效。所以802.11n對MAC採用了Block確認、幀聚合等技術，大大提高MAC層的效率。
802.11n對用戶應用的另一個重要收益是無線覆蓋的改善。由於採用了多天線技術，無線信號（對應同一條空間流）將通過多條路徑從發射端到接收端，從而提供了分集效應。在接收端採用一定方法對多個天線收到信號進行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使在接受端較遠時，也能獲得較好的信號質量，從而間接提高了信號的覆蓋範圍。其典型的技術包括了MRC等。
除了吞吐和覆蓋的改善，11n技術還有一個重要的功能就是要兼容傳統的802.11 a/b/g，以保護用戶已有的投資。
接下來對這些相關的關鍵技術進行逐一介紹。
物理層關鍵技術
1. MIMO
MIMO是802.11n物理層的核心，指的是一個系統採用多個天線進行無線信號的收發。它是當今無線最熱門的技術，無論是3G、IEEE 802.16e WIMAX，還是802.11n，都把MIMO列入射頻的關鍵技術。
圖1 MIMO架構
MIMO主要有如下的典型應用，包括：
1） 提高吞吐
通過多條通道，併發傳遞多條空間流，可以成倍提高系統吞吐。
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射端到達接收端多個接收天線。由於經過多條路徑傳播，每條路徑一般不會同時衰減嚴重，採用某種算法把這些多個信號進行綜合計算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這裏是同一條流在多個路徑上傳遞了多份，並不能夠提高吞吐。在MRC部分將有更多說明。
2. SDM
當基於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，將成倍地提高系統的吞吐。
圖2 通過MIMO傳遞多條空間流
MIMO系統支持空間流的數量取決於發送天線和接收天線的最小值。如發送天線數量爲3,而接收天線數量爲２，則支持的空間流爲2。MIMO/SDM系統一般用“發射天線數量×接收天線數量”表示。如上圖爲2*2 MIMO/SDM系統。顯然，增加天線可以提高MIMO支持的空間流數。但是綜合成本、實效等多方面因素，目前業界的WLAN AP都普遍採用3×3的模式。
MIMO/SDM是在發射端和接收端之間，通過存在的多條路徑（通道）來同時傳播多條流。有意思的事情出現了：一直以來，無線技術(如OFMD)總是企圖克服多徑效應的影響，而MIMO恰恰是在利用多徑來傳輸數據。
圖3 MIMO利用多徑傳輸數據
3. MIMO-OFDM
在室內等典型應用環境下，由於多徑效應的影響，信號在接收側很容易發生(ISI)，從而導致高誤碼率。OFDM調製技術是將一個物理信道劃分爲多個子載體（sub-carrier）,將高速率的數據流調製成多個較低速率的子數據流，通過這些子載體進行通訊，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個子載體作爲pilot子載體，而這些子載體並不用於數據的傳遞。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統的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，爲了使信息適合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發射端將把信息進行編碼並攜帶冗餘信息，以提高系統的糾錯能力，使接收端能夠恢復原始信息。802.11n所採用的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，對於一條空間流，在MIMO-OFDM基礎之上，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)
由於多徑效應的影響，信息符號（Information Symbol）將通過多條路徑傳遞，可能會發生彼此碰撞，導致ISI干擾。爲此，802.11a/g標準要求在發送信息符號時，必須保證在信息符號之間存在800 ns的時間間隔，這個間隔被稱爲Guard Interval (GI)。802.11ｎ仍然使用缺省使用800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時，用戶可以將該間隔配置爲400，對於一條空間流，可以將吞吐提高近１０％，即從65Mbps提高到72.2 Mbps。對於多徑效應較明顯的環境，不建議使用Short Guard Interval (GI)。
6. 40MHz綁定技術
這個技術最爲直觀：對於無線技術，提高所用頻譜的寬度，可以最爲直接地提高吞吐。就好比是馬路變寬了，車輛的通行能力自然提高。傳統802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個頻寬綁定爲40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。
需要注意的是：對於一條空間流，並不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4（即72.2×2 ）Mbps。對於20MHz頻寬，爲了減少相鄰信道的干擾，在其兩側預留了一小部分的帶寬邊界。而通過40MHz綁定技術，這些預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進行計算，所得到的吞吐能力達到了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，速率範圍從1Mbps到54Mbps,一共有12種可能的物理速率。
到了802.11n時代，由於物理速率依賴於調製方法、編碼率、空間流數量、是否40MHz綁定等多個因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，將產生非常多的物理速率供選擇使用。比如基於Short GI,40MHz綁定等技術，在4條空間流的條件下，物理速率可以達到600Mbps(即4*150)。爲此，802.11n提出了MCS的概念。MCS可以理解爲這些影響速率因素的完整組合，每種組合用整數來唯一標示。對於AP，MCS普遍支持的範圍爲0-15。
8. MRC (Maximal-Ratio Combining)
MRC和吞吐提高沒有任何關係，它的目的是改善接收端的信號質量。基本原理是：對於來自發射端的同一個信號，由於在接收端使用多天線接收，那麼這個信號將經過多條路徑（多個天線）被接收端所接收。多個路徑質量同時差的機率非常小，一般地，總有一條路徑的信號較好。那麼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行加權彙總（顯然，信號最好的路徑分配最高的權重），實現接收端的信號改善。當多條路徑上信號都不太好時，仍然通過MRC技術獲得較好的接收信號。
MAC層關鍵技術
1. 幀聚合
幀聚合技術包含針對MSDU的聚合（A-MSDU）和針對MPDU的聚合(A-MPDU)：
A-MSDU技術是指把多個MSDU通過一定的方式聚合成一個較大的載荷。這裏的MSDU可以認爲是Ethernet報文。通常，當AP或無線客戶端從協議棧收到報文（MSDU）時，會打上Ethernet報文頭，我們稱之爲A-MSDU Subframe；而在通過射頻口發送出去前，需要一一將其轉換成802.11報文格式。而A-MDSU技術旨在將若干個A-MSDU Subframe聚合到一起，並封裝爲一個802.11報文進行發送。從而減少了發送每一個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11MAC頭的開銷，同時減少了應答幀的數量，提高了報文發送的效率。
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字節的填充組成。
圖4 A-MSDU 報文結構
A-MSDU技術只適用於所有MSDU的目的端爲同一個HT STA的情況。
與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經過802.11報文封裝後的MPDU，這裏的MPDU是指經過802.11封裝過的數據幀。通過一次性發送若干個MPDU，減少了發送每個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，從而提高系統吞吐量。
圖5 A-MPDU報文格式
其中MPDU格式和802.11定義的相同，而MPDU Delimiter是爲了使用A-MPDU而定義的新的格式。A-MPDU技術同樣只適用於所有MPDU的目的端爲同一個HT STA的情況。
2. Block ACK
爲保證數據傳輸的可靠性，802.11協議規定每收到一個單播數據幀，都必須立即迴應以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU後，需要對其中的每一個MPDU進行處理，因此同樣針對每一個MPDU發送應答幀。Block Acknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答，以降低這種情況下的ACK幀的數量。
Block Ack機制分三個步驟來實現：
Þ 通過ADDBA Request/Response報文協商建立Block ACK協定。
Þ 協商完成後，發送方可以發送有限多個QoS數據報文，接收方會保留這些數據報文的接收狀態，待收到發送方的BlockAckReq報文後，接收方則迴應以BlockAck報文來對之前接收到的多個數據報文做一次性回覆。
Þ 通過DELBA Request報文來撤消一個已經建立的Block Ack協定。
圖6 Block Ack 工作機制
3. 兼容a/b/g
WLAN標準從802.11a/b發展到802.11g，再到現在的802.11n，提供良好的向後兼容性顯得尤爲重要。802.11g提供了一套保護機制來允許802.11b的無線用戶接入802.11g網絡。同樣的，802.11n協議提供相似的機制來允許802.11a/b/g用戶的接入。
802.11n設備發送的信號可能無法被802.11a/b/g的設備解析到，造成802.11a/b/g設備無法探測到802.11n設備，從而往空中直接發送信號，導致信道使用上的衝突。爲解決這個問題，當802.11n運行在混合模式（即同時有802.11a/b/g設備在網絡中）時，會在發送的報文頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g設備正確解析的前導碼。從而保證802.11a/b/g設備能夠偵聽到802.11n信號，並啓用衝突避免機制，進而實現802.11n的設備與802.11a/b/g設備的互通。
結論
MIMO是802.11n物理層的核心，通過結合40MHz綁定、MIMO-OFDM等多項技術，可以將物理層速率提高到600Mbps。爲了充分發揮物理層的能力，802.11n對MAC層採用了幀聚合、Block ACK等多項技術進行優化。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挑戰。瞭解這些技術，將幫助我們更好地應用802.11n和解決應用所面臨的實際問題。
參考文獻
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
縮略語
ISI Inter-Symbol Interference
FEC Forward Error Correction
GI Guard Interval
MCS Modulation Coding Scheme
MRC Maximal-Ratio Combining