技术小白必读:802.11n都有哪些技术关键点必须关注

2015年12月04日 11:15
  802.11n标准具有高达600Mbps的速率,是新一代的无线网络技术,可提供支持对带宽最为敏感应用所需的速率、范围和可靠性。802.11n结合了多种技术,其中包括Spatial Multiplexing MIMO (Multi-In, Multi-Out)(空间多路复用多入多出)、多发多收天线(MTMRA)技术、20MHz和40MHz信道和双频带(2.4 GHz和5 GHz)技术,以形成很高的速率。802.11n工作模式包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段,保障了与以往的802.11a/b/g标准兼容,极大的保护了用户的投资。
  一、802.11n的技术核心
  802.11n专注于高吞吐量的研究,实现将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上,最高速率可达300Mbps甚至600Mbps.
  这样高的速率当然要有技术支撑,而OFDM技术、MIMO(多入多出)技术等正是关键。
  OFDM技术是MCM(Multi-Carrier Modulation,多载波调制)的一种,曾经在802.11g标准中采用。其核心思想是将信道分成许多进行窄带调制和传输正交子信道,并使每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,用以减少各个载波之间的相互干扰,同时提高频谱的利用率的技术。OFDM还通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行的非对称性传输。不过OFDM技术易受频率偏差的影响,存在较高的峰值平均功率比(PAR),不过可以通过时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线技术,最大程度地提高物理层的可靠性。
  MIMO(多入多出)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破,能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。
  MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k),i=1,……,N.这N个子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,MIMO系统可以创造多个并行空间信道,解决了带宽共享的问题。802.11n天线数量可以支持到3*3,比802.11g增加了3倍。
  将MIMO与OFDM技术相结合,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,使无线网络的有效传输速率有质的提升。
  而为了提升整个网络的吞吐量,802.11n还对802.11标准的单一MAC层协议进行了优化,改变了数据帧结构,增加了净负载所占的比重,减少管理检错所占的字节数大大提升了网络的吞吐量。在天线上,智能天线技术的应用也解决了802.11n的传输覆盖范围问题。通过多组独立天线组成的天线阵列系统,动态地调整波束的方向,802.11n保证让用户接收到稳定的信号,并减少其它噪音信号的干扰,使无线网络的传输距离能够增加到几公里,移动性大大增强。
  二、802.11n技术关键点
  1、关键点:信道绑定
  示意图:
  


  传统的802.11标准,空口都工作在20MHz频宽,802.11n技术通过将相邻的两个20MHz信道绑定成40MHz,使传输速率成倍提高。在实际工作中,将两个相邻的20MHz信道绑定使用,一个为主带宽,一个为次带宽,收发数据时既可以40MHz的带宽工作,也可以单个20MHz带宽工作。同时为避免相互干扰,原本每20MHz信道之间都会预留一小部分的带宽,当采用信道绑定技术工作在40MHz带宽时,这一部分预留的带宽也可以被用来通信,进一步提高了吞吐量。
  需要注意的是:在2.4GHz资源有限(信道带宽少),干扰又多(使用802.11b/g的客户端又多),所以在2.4GHz建议不使用40MHz模式,在5 GHz使用40MHz模式是比较合理的选择。
  2、关键点:MIMO
  2.1 Beamforming技术
  以Transmit beamforming为例,该技术应用在接收端只有一个天线,且没有障碍物的环境。如果不采用Beamforming技术,接收端接收到的相位可能发生异相。
  


  Transmit Beanforming(Destructive Interference)
  采用了Beamforming技术后,接收端能收到正相相位,使信号最大,如下图所示,并达到在接收端提高SNR的目的。
  


  Transmit Beanforming(Constructive Interference)
  但Transmit beamforming只能用于只有一个接收端的情况下,应用受局限。
  2.2 Spatial Diversity
  在室内,障碍物较多,信号不可能总是以直线最短距离传输到接收端,此时就会产生Multipath(多径干扰)。多径干扰就是由于传输行走不同路径造成迟延结果,它会损害信号发送,并在RF覆盖范围内产生gaps或holes,像湖面、带有金属质地的门/百叶窗等都会引起严重的多径干扰。
  对MIMO系统来说,多径效应却可以作为一个有利因素加以利用。
  MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道(如图红色圈圈所示发送端和接收端都可以有多个天线),传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k),i=1,……,N,这N个子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,从而实现最佳的处理。
  可以使用接收和发送的数量来定义MIMO,比如:2×1:表示两个发送和一个接收,效果等同于Transmit beamforming,如下图所示。从2×1到2×2到3×2,SNR逐渐增大,3×3能使SNR达到最大。
  


  3、关键点:MAC enhancement(A-MSDU A-MPDU)
  802.11MAC层协议耗费了相当的效率用作链路的维护,如在数据之前添加PLCP Preamble、PLCP Header、MAC头,同时为解决冲突而引入的退避机制都大大降低了系统的吞吐量。802.11n引入帧聚合技术,提高了MAC层效率。报文聚合技术包括针对MSDU的聚合和MPDU的聚合。采用A-MPDU技术,多个MPDU聚合到一起,只用抢占一次信道,减少了因竞争信道而产生冲突的概率,提高了信道利用率。A-MSDU,是具有相同的DA和SA的MSDU报文聚合成一个较大的载荷,减少物理和MAC层的开销,提高链路效率。
  A-MSDU
  和A-MPDU两种聚合的共同点:减少负荷,且只能聚合同一QoS级别的帧,但因为要等待需要聚合的报文,可能造成延时。另外,只有A-MPDU才使用Block Acknowledgement.
  


  4、关键点:Short GI
  射频芯片在使用OFDM调制方式发送数据时,整个帧是被划分成不同的数据块进行发送的,为了数据传输的可靠性,数据块之间会有GI(Guard Interval),用以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。802.11a/g采用的800ns的GI,在802.11n模式中,提供了一种Short GI特性。将GI时长减少至400ns,从而可以提高数据传输速率百分之十左右。
  如图所示,在多径环境中,前一个数据块还没有发送完成,后一个数据块可能通过不同的路径先到达,合理的GI长度能够避免相互干扰。如果GI时长不合理,会降低链路的有效SNR.
  


  使用场景:Short GI使用于多径情况较少、射频环境较好的应用场景。在多径效应影响较大的时候,应该关闭Short GI功能。
  5、关键点:Block Acknowledgement
  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。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,因此同样需要对每一个MPDU发送应答帧。Block Acknowledgement机制通过使用一个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。
  6、关键点:Power Savings
  在使用802.11n服务时,由于使用了多个天线,电源容量问题则显得尤为突出。因此802.11n协议在节省电源处理上做了改进,采用了Spatial
  Multiplexing(SM)Power Save技术,其主要处理在于使得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。SM Power Save定义了两种电源管理方式:静态SM Power Save和动态SM Power Save.
  静态SM Power Save
  当无线用户处于静态模式时,只有一个天线保持在工作状态,其余天线都处于睡眠状态,相当于一个普通的802.11a或802.11b/g的用户,通过这种方式,可以延长电源的供电时间。在进入睡眠状态时,无线用户会通知上行AP它已处于静态模式,要求AP针对此用户也同时单入单出(SISO)的方式进行数据传输。同理,在无线用户恢复正常工作状态时,也会通知AP切换到MIMO方式进行数据传输。
  动态SM Power Save
  动态模式也只保留一个天线在工作状态,但是当无线用户收到数据报文时,它可以使其他天线迅速进入工作状态。报文处理完后,它又可以将其余的天线恢复到睡眠状态。这套通知机制是通过RTS、CTS实现的。AP将通过RTS来唤醒无线用户,而无线用户则通过回应CTS报文来通知AP已经成功恢复天线到工作状态。