80211n概述汇总Word格式.docx
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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依然面临带宽不足、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”,很难进一步发展。
3.11n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VoIPOverWLAN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。
用户需求呼唤着全新一代WLAN接入技术。
文/史扬
标准发展历程
IEEE802.11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IEEEHTSG(HighThroughputStudyGroup)前期的技术工作,于2003年成立了TaskGroupn(TGn)。
n表示NextGeneration,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IEEE2007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、ShortGI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。
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802.11a/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.MIMO
MIMO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、IEEE802.16eWIMAX,还是802.11n,都把MIMO列入射频的关键技术。
图1MIMO架构
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(spatialstreams),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“发射天线数量×
接收天线数量”表示。
如上图为2*2MIMO/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WLANAP都普遍采用3×
3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3MIMO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802.11nMIMO将物理速率从传统的54Mbps提高到了58.5Mbps(即54*52/48)。
4.FEC(ForwardErrorCorrection)
按照无线通信的基本原理,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.ShortGuardInterval(GI)
由于多径效应的影响,信息符号(InformationSymbol)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800ns的时间间隔,这个间隔被称为GuardInterval(GI)。
802.11n仍然使用缺省使用800nsGI。
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72.2Mbps。
对于多径效应较明显的环境,不建议使用ShortGuardInterval(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72.2Mbps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×
2)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(ModulationCodingScheme)
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radio类型(802.11a/b/g)所使用的速率集,速率范围从1Mbps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ShortGI,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(Maximal-RatioCombining)
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):
1)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,我们称之为A-MSDUSubframe;
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-MSDUSubframe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,PLCPHeader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报文是由若干个A-MSDUSubframe组成的,每个Subframe均是由Subframeheader(EthernetHeader)、一个MSDU和0-3字节的填充组成。
图
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