802.11n下一代高性能无线网络

802.11n：下一代高性能无线网络April22，2008802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-2-802.11n：下一代高性能无线网络在过去的几年中，IEEE802.11工作组一直致力于802.11无线协议的升级工作，来提高802.11通信的可靠性、802.11覆盖范围的可预见性和802.11设备的吞吐量。本文将介绍这些新的能力，阐述实现这些能力的原理，以及这项新的标准如何与现有802.11网络兼容。本文也会讲述从现有802.11网络升级到802.11n会面临的问题，以及升级完成的结果。不过，首先让我们来了解到底什么是802.11n？802.11n的IEEE版本和批准进程802.11n的官方版本是由802.11相关的工作组制定并由IEEE批准的。正式版本目前还不存在。802.11工作组正在制定802.11n的草案。该草案已经由内部工作组投票通过，但是在完成该草案和递交下一步批准之前，还有一些技术问题需要解决。工作组预测这一阶段的工作将于2008年6月完成。一旦802.11工作组完成了802.11n的草案，将会进行发起人投票。发起人投票由IEEE执行，在此过程中各种专家会再次审查该草案。基于发起人投票反馈的意见，802.11工作组会继续对草案进行完善，直到发起人投票成员们达成一致，批准该草案。完成这一进程并成为IEEE正式标准的官方时间是2009年3月。只有当802.11n通过了IEEE标准委员会的昀终批准之后，才能成为正式的标准。Wi-Fi联盟版的802.11n802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-3-Wi-Fi联盟，是一个为802.11设备提供互操作性认证的产业组织。它在2007年6月开始对802.11n设备进行互操作性认证。该认证使用IEEE802.11n的2.0草案。802.11n2.0草案是首次在802.11工作组内部批准的草案。成为批准草案需要内部工作组的75%的选票。802.11n2.0草案建立了802.11n设备的基本需求。2.0草案包括下列内容：•包括对信道和数据速率的无线需求；•描述了多输入多输出(Multiple-inputmultiple-output，简称MIMO)技术•修改现有802.11设备的帧格式以便802.11n设备使用•描述与现有部署的802.11a/b/g后向兼容的机制2.0草案通过之后，原有草案的许多地方都被修改了。未被修改的地方仍在进行激烈的技术讨论。802.11n2.0草案是802.11n标准的一个早期的未经批准的版本。他们之间将会存在很多的更改。一个重要却悬而未解的问题是草案和正式标准之间会存在多少差异。Wi-Fi联盟和其成员正致力于确保802.11n昀终标准和802.11n2.0草案之间的差异可以通过软件升级来弥补。这项策略是否成功还有待观察。Wi-Fi联盟称一旦802.11n正式标准被批准，便会将其包含在认证测试中。Pre-802.11n产品802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-4-需要注意的是：在802.11工作组批准802.11n草案2.0版本之前，就存在一些“Pre-n”的产品。这些产品基于提交给802.11工作组的一个或多个建议书。大多数产品之间都不兼容。802.11n技术802.11n的目标是显著增加802.11设备的吞吐量，而不是简单地建立高比特率的无线传输能力。这两个目标的区别就如同你自己开车依据个人习惯驱使能达到的里程数和环保相关的额定要求针对于该款车能达到的里程数。增加802.11n设备的有效吞吐量比提供高比特率的要求更高。802.11n在一些方面存在比802.11更多的开销，而且很多开销是不能减少的。这就导致，如果不采用其他方法，吞吐量将会存在一个明显的上限。802.11n不仅仅是一个新的无线标准。除了提供更高的比特率（如802.11a/b/g那样），它还改变了802.11设备之间通信的帧格式。该部分将介绍802.11n进行的一些改动，包括MIMO，无线增强和MAC增强。MIMO多输入多输出（MIMO）技术是802.11n的核心。对MIMO的介绍将让您对802.11n如何能达到600Mbps的速率有一个基本的了解。无线传输基础要了解MIMO技术带来的好处，必须了解是什么决定传统无线电好坏。传统单输入单输出无线传输，接收的无线信号中携带的信息量的多少取决于接收信号的强度超过噪声强度的多少，也就是信噪比（signal-to-noiseratio），或SNR。SNR802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-5-通过分贝（dB）来表示。信噪比越大，信号能承载的信息量就越多，在接收端复原的信息量也越多。要了解这个概念，可以类比一下将眼睛作为接收器。你的眼睛可以判断隔壁房间的台灯是开还是关吗？周围的光线就是噪声。在晚上比较容易观察台灯是否打开。但是在白天，就很难做出同样的判断。因为周围的光线太强，台灯所发出的微弱的光不容易被察觉到。光，像无线电波一样，从源散射出去。接收者离源越远，接收的能量就越弱。实际上，接收的能量减少的速度比离源的距离的平方更快。而环境中由自然界和人产生的噪音通常是恒定的。回到台灯的例子，当周围光线太强以至于无法判断邻居家台灯是开是关时，也许可以走到邻居家的窗外去判断。或者，当邻居将40瓦的灯泡换成了150瓦你可以判断了。这两种情况下，SNR都增加了——第一种因为到源的距离减少了，而第二种是因为发送的能量增强了。一旦达到了允许信息交换的昀小SNR，任何额外的SNR就像存在银行里的钱。额外的SNR可以用来增加信息速率，增加距离，或者二者均增加一些。但是你不能多次使用相同的dB，就像你不能多次使用相同的钱一样。这些背景知识都是帮助您了解MIMO给802.11n带来的好处的前提。MIMO技术：波束成形MIMO技术利用其它技术来改进接收端的SNR。其中一项技术叫做传输波束成形。当有多个发射天线时，可以调整从各个天线发出的信号使得接收端信号强度802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-6-有显著的改善。该技术一般用于接收端只有单天线和表面反射障碍较少（如空旷环境）的情况。要了解传输波束成形，可以认为无线信号是一种具有特定波长的波形。当从不同的天线发送两个无线信号时，这些信号在接受端天线进行叠加（如图1）。由于传播的路径不同，两个信号在接收端存在相差。这种差异影响接收端总体的信号强度。通过谨慎调整发射端无线信号的相位，可以昀大化接收端信号强度，即增加SNR。这就是传输波束成形的工作——在接收端对发送端进行聚焦。如图2所示。图1：破坏性干扰图2：传输波束成形（建设性干扰）如果没有接收端接收信号的信息，传输波束成形很难在发射端完成。这种反馈只有802.11n设备提供，802.11a/b/g设备均不能提供。为了昀大化接收端的信号，接收端必须将反馈发往发射端，发射端才能够据此调整其发送的各个信号。该反馈不是立即的，而且只在很短的时间内有效。任何物理上的移动（发射端、接收端、或周围的环境）都会使这些用户波束成形的参数失效。2.4GHz的无线电的波长只802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-7-有120mm，而5GHz的无线电波只有55mm，因此普通步行速度1m/s会迅速的将接收端排除在波束成形的有效范围之内。波束成形只适用于单接收者。在进行广播或者组播时无法对发射信号的相位进行优化。因此，在普通的网络应用中，波束成形的作用受到了限制，只能改善单播情况下接收端的SNR。波束成形可以增加距离AP较远时的数据率。但是不能增加AP的覆盖范围。因为这很大程度上是由从AP接收信标的能力决定的。而信标是一种组播传送，并不会从波束成形中受益。MIMO技术：多径或空间分集对于典型的室内WLAN部署，例如办公室、医院或仓库，无线信号很少通过直接的昀短的路径传送到接收端。因为在发射端和接收端很少在视线范围之内。通常都会有隔板，门或者其他阻碍视线的东西。在信号穿透这些障碍物时，信号强度都会减弱。幸运的是，大多数障碍物都会像镜面反射光一样反射无线信号。想像一下所有的金属表面，不论大小，实际上就是镜子。螺钉，门框，天花板吊顶等都是无线信号的反射体。可能在这些镜子同时看到同一个WLANAP。有一些AP的图像是通过单个镜子直接反射，而有一些可能是反射的反射。这种现象叫做多径。如图3所示。图3：多径802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-8-当信号通过不同的路径传播到单个接收者时，信号到达时间取决于路径的长度。路径昀短的信号昀早到达，接下来是经过较长路径的信号的复本或者回声。当通过光速传播时，无线信号也是如此，第一个信号和其他副本到达的时延非常小，通常在纳秒级。但这个实验足以显著减弱单天线的信号，因为所有的副本都干扰第一个到达的信号。MIMO无线传输同时发送多个无线信号，并且利用多径效应。每个信号称为空间流。每个空间流都从自己的天线发送，使用自己的发射器。由于在各个天线之间存在空间，每个信号都会通过略微不同的路径发送给接收端。这叫做空间分集。每个无线电波都可以传送不同于其他无线电波的数据流。接收端也有多个天线，每个天线有自己的无线电波接收器，每个接收器都对收到的信息进行独立解码。如图4所示。然后将各个无线电接收器收到的信号组合起来。通过复杂的运算，结果会比通过单个天线或者波束成形收到的信号好得多。MIMO的好处之一就是显著改进SNR，为WLAN系统设计者提供更高的灵活性。图4：空间复用802.11n：下一代高性能无线网络AllcontentsareCopyright©1992–2007CiscoSystems,Inc.Allrightsreserved.ThisdocumentisCiscoPublicInformation.-9-MIMO系统由系统中发射机及接收机数目命名。如，2x1表示两个发射机及一个接收机。802.11n定义了一系列不同数目的发射机及接收机组合。从2x1，即发送端波束形成，到4x4。系统每增加一个发射机或接收机都会提高系统信噪比。然而，每个新增发射机或接收机增加的信噪比增益值会快速递减。从2x1到2x2到3x2，信噪比的增加是非常明显的，然后，从3x3之后，信噪比增幅则比较小。多个发射机的应用体现了MIMO的第二个优势：即采用不同的空间信息流分别承载各自的信息，从而大大提高了数据传输速度。802.1n射频增强除了应用MIMO技术外，8