2023年无线传输协议802.11n解析.doc

IEEE 802.11n技术解析 目录 前言 2 1. 产生背景 2 2. IEEE 802.11n关键技术 2 1.1物理层关键技术 3 1.1.1 MIMO技术 3 1.1.2 OFDM技术 4 1.1.3 40MHZ绑定技术 5 1.1.4 FEC〔Forward Error Correction〕技术 5 1.1.5 Short Guard Interval (GI)技术 5 1.2 MAC层关键技术 5 1.2.1 帧聚合技术 5 1.2.2 块确认〔Block ACK〕技术 7 1.2.3 802.11n速率计算方法 7 3. 802.11n与802.11b/g的兼容性 8 4. IEEE 802.11n应用前景 8 4.1家庭环境 8 4.2企业环境 8 4.3校园与城市网络 9 5. 结论 9 前言 日前百度发布了一款小度wifi，将其插入可以创立一个小型无线局域网，方便大家更便捷的接入互联网。在这款产品中应用了最新的无线传输协议——IEEE 802.11n协议。高达600Mbps的传输速率，100Mbps的净吞吐量以及很好的向前向后兼容性，奠定了IEEE 802.11n在无线局域网中的重要地位。接下来我们将更全面的了解一下该无线传输协议。 1. 产生背景 在当今各种无线局域网技术交织的战国时代，WLAN、蓝牙、HomeRF、UWB等竞相绽放，但IEEE802.11系列的WLAN是应用最广泛的。自从1997年IEEE802.11标准实施以来，先后有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e、802.11f、 802.11h、802.11i、802.11j等标准制定或者酝酿，但是WLAN依然面临带宽缺乏、漫游不方便、网管不强大、系统不安全和没有杀手级的应用等。就像当今VoIP应用中一个全新的领域VoWLAN那样，虽被业内人士看作是WLAN最有希望的杀手级应用，却因为这四个“不〞，很难进一步开展。 为了实现高带宽、高质量的WLAN效劳，是无线局域网到达以太网的性能水平，802.11任务组N〔TGn〕应运而生。2023年IEEE正式批准了802.11n标准。 2. IEEE 802.11n关键技术 802.11n标准较之前的标准引入了许多新的技术。IEEE 802.11n技术通过物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN网络的吞吐量，主要的物理层技术涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI、FEC、MRC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。 1.1物理层关键技术 1.1.1 MIMO技术 多输入多输出〔MIMO〕技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的效劳质量〔误比特率或数据速率〕。 MIMO是802.11n物理层的核心，802.11n通过使用MIMO〔多入多出〕技术，无线传输同时发送多个无线信号，并且利用多径效应，形成多个空间流，即同一信道内占据不同空间的数据流。可以成倍提高数据传输速度。通过MIMO技术，还可以获得分集增益和复用增益，有效提高了覆盖距离和速率。 MIMO技术示意图 在802.11n标准中定义了1～4空间流的MIMO技术，如采用2空间流可以将802.11的速率提升2倍，采用4空间流可以将802.11的速率提升四倍，到达600Mbps。目前的802.11n产品普遍支持到2空间流，理论峰值速率可达300Mbps。 MIMO特色 l 通过多只天线同时进行收发，增加无线网络基地台的涵盖范围。 l 利用多重路径的设计方式，减少基地台数量， l 不仅可以增加资料传输率，也能够增加无线网络客户端效劳数量。 l 2009年9月11日：IEEE标准委员会终于批准通过802.11n成为正式标准。 1.1.2 OFDM技术 OFDM〔Orthogonal Frequency Division Multiplexing〕即正交频分复用技术。是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 MIMO-OFDM工作流程 将MIMO和OFDM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，是无线网络的 有效传输速率有质的提高。 1.1.3 40MHZ绑定技术 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局部的带宽边界。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72.2x2x108/104进行计算，所得到的吞吐能力到达了150Mbps。 1.1.4 FEC〔Forward Error Correction〕技术 按照无线通信的根本原理，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根底之上，物理速率从58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)。 1.1.5 Short Guard Interval (GI)技术 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)。802.11n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)。 1.2 MAC层关键技术 1.2.1 帧聚合技术 帧聚合技术包含针对MSDU的聚合(A-MSDU)和针对MPDU的聚合(A-MPDU)： 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技术旨在将假设干个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 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。通过一次性发送假设干个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。 A-MPDU报文 1.2.2 块确认〔Block ACK〕技术 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。 块确认〔BlockAck〕机制 1.2.3 802.11n速率计算方法 l 802.11n采用MIMO多天线技术，当存在一根天线(1X1)，在每种带宽下它存在8种速率(记为MCS0-MCS7，MCS：Modulation and coding scheme);当存在两根天线(2X2)，在每种带宽下它存在16种速率(记为MCS0-MCS15)；当存在三根天线(3X3)，在每种带宽下它存在24种速率(记为MCS0-MCS23);当存在四根天线(4X4)，在每种带宽下它存在32种速率(记为MCS0-MCS31)。 l 802.11n采用多种调制技术，但是每一列速率对应的码率(即有效数据和发出的数据的比率)是不一样的，例如在MCS7和MCS15时，码率是5/6，而在MCS6和MCS14时，码率是3/4。 l 802.11n采用和11a/g一样的OFDM调制方式，OFDM是将一个宽的带宽正交地分割成几个小的子载波，这些子载波并行地传输数据。对于20MHz时，其子载波的数目为56个，其中52个用于传输数据，另外4个称之为pilot carries，用于辅助传输；当40MHz时，子载波数目为114个，其中108个用于传输数据，其余为pilot carries。 l 802.11n支持400us的Short GI。原11a/g 的Short GI 时长800us，短间隔Short GI 时长为400us无线信号在空间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后面的数据块发送的过快，会和前一个数据块的形成干扰，GI 可以用来躲避这个干扰。在使用Short GI 的情况下，可提高10%的速率。 l 802.11n速率=有效载波数×编码率×子载波传输数位×空间流数×GI 3. 802.11n与802.11b/g的兼容性 在兼容性方面，802.11n采用了软件无线电技术，使得WLAN的兼容性得到极大改善。并且IEEE 802.11n支持双频信道2.4GHZ和5GHZ两个频段。使得802.11n可以兼容802.11b/g技术。802.11n技术与802.11b和802.11g技术所谈到的兼容不同于以往，其优势主要体现在混合模式下的运行和向下兼容性。而混合模式下的运行是指，不同于以前的专用网络技术，802.11n网络在和以前的产品一起运行时必须保持最适当的速度。向下兼容性保证在使用802.11n的条件下，基于现有标准的无线产品的运行能够到达各自的最正确状态。 4. IEEE 802.11n应用前景 4.1家庭环境 随着覆盖率和吞吐量的增加，Wi-Fi n 实现了家庭环境下的高清视频于视听多媒体应用。吞吐量和WMM功能的改良，实现了更为可靠的语音与多媒体会话同步传输。为我们在家庭应用方面提供