802.11N技术介绍

物理层技术原理无线网络体系[普通用户上网过程]通过特定的通信媒体；可以是无线媒体、光媒体、有限媒体等等借助网络通信设备：可以是无线接入点，光纤交换机，以太网路由器等等获取使用此通信设备的权限：通过DHCP+Portal，PPPoE等等最终能享有此通信权限IEEE802.11基本网络体系[无线通信设备]无线网卡无线接入点或无线控制器MIMO多输入多输出技术40MhzChannels通道绑定技术PacketAggregation数据包聚合技术BackwardCompatibility向后兼容性802.11N特征MIMO40MhzChannelsPacketAggregationBackwardCompatibilityMCS(ModulationCodingScheme)------调制编码方案到了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。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。􀂙数据子载波从48个提升到了52个，速率由原来的54Mbps演变到了58.5Mbps􀂙调制方式由之前的3/4编码调制提升到了5/6调制（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）速率由原来的58.5Mbps演变到了65Mbps􀂙Symbols之间的间隔由800ns提升到了400ns，速率由原来的65Mbps演变到了72.2Mbps􀂙带宽由原来的20M提升到了40M，速率由原来的72.2Mbps演变到了150Mbps支持􀂙四个空间扩展流，速率可达600MbpsIEEE802.11N的技术简介802.11n的吞吐能力增强IEEE802.11N的关键技术（一）多天线系统（MIMO）通过在密集多径散射环境中放置分离天线而充分利用空间分集。这些系统可以采用许多不同方法来实现，以获得用于对抗信号衰落的分集增益，或者用于实现容量改善。一般来说，存在三类多天线技术。第一类旨在通过使空间分集最大化来提高功率效率。这类技术包括延迟分集、空时分组码(STBC)和空时网格码(STTC)。第二种类型使用空间复用，定义为MIMO，当采用这一技术时，在散射丰富的环境中，同时经由不同天线传输相互独立的数据流，以提高有效数据传输率。第三类多天线系统的发射机充分利用信道的信息，也称为波束成形。这种系统利用信道信息建立波束成形矩阵，作为发射机和接收机端的前置和后置滤波器，以实现容量增益IEEE802.11N的关键技术（二）带宽绑定：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。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)。IEEE802.11N的关键技术（三）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）。IEEE802.11N的关键技术（四和五）IEEE802.11N的关键技术（六）802.11n为了解决MAC层的这两个问题，采用了帧聚合（FrameAggregation）技术和BlockAcknowledgement机制。帧聚合技术又包含针对MSDU的聚合（A-MSDU）和针对MPDU的聚合(A-MPDU)A-MSDUA-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。A-MSDU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。IEEE802.11N的关键技术（七和八）BlockAcknowledgement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ACK帧。接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，并针对每一个MPDU发送应答帧。而BlockAcknowledgement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ACK帧的数量。SpatialMultiplexingPowerSave在使用802.11n服务时，由于安装了多个天线，电源容量的问题显得更为突出。因此802.11n协议在节省电源处理上做了改进，采用了SpatialMultiplexing(SM)PowerSave技术，其技术原理在于当无数据转发时，STA只有一个天线处于工作状态，其余天线均处于休眠状态，从而达到节省电源的目的。SMPowerSave定义了两种电源管理方式：动态SMPowerSave和静态SMPowerSave。IEEE802.11N的关键技术（九）向后兼容性802.11n协议允许802.11a/b/g用户的接入。802.11n设备发送的信号可能无法被802.11a/b/g的设备解析到，这样造成802.11a/b/g设备直接往空中发送信号，导致信道使用上的冲突。为解决这个问题，当802.11n运行在混合模式（即同时有802.11a/b/g设备在网络中）时，会在发送的报文头前添加能够被802.11a或802.11b/g设备正确解析的前导码。从而保证802.11a/b/g设备能够侦听到802.11n设备信号，并启用冲突避免机制，进而实现802.11n的设备与802.11a/b/g设备的互通。54483624Mbps54MbpsMRCTxBFSpatialMultiplexing802.11a/gAP(non-MIMO)802.11nAP(MIMO)802.11a/gclient(non-MIMO)802.11a/gclient(non-MIMO)300Mbps802.11nAP(MIMO)802.11nclient(MIMO)MRCTxBFSpatialMultiplexingMRCTxBFSpatialMultiplexing802.11nOperationMIMOImpact802.11n提升的不仅是速度，还有很多……吞吐量可靠性可预测性802.11a/g802.11a/g802.11nIDEAL60921302xPredictabilityofThroughputStandardDeviationofPacketRetries22.588.5146.83020406080100120140802.11a/g802.11n,20MHz802.11n,40MHzMbpsThroughput152201306010020030011a/g–AP124011a/g–AP125011n–AP1250AveragePacketRetries2x为大尺寸文件传输和网络下载提供增强的性能为移动的一体化通信应用提供更低的网络延迟为移动应用提供一致的无线覆盖和吞吐量5x5xmorethroughput2xmorereliable2xmorepredictable