1.1  802.11n標準發展歷程

IEEE 802.11工作組意識到支援高吞吐將是WLAN技術發展歷程的關鍵點，基於IEEE HTSG (High Throughput Study Group)前期的技術工作，於2003年成立了Task Group n (TGn)。n表示Next Generation，核心內容就是通過物理層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。由於802.11n涉及了大量的複雜技術，標準過程中又涉及了大量的裝置廠家，所以整個標準制定過程歷時漫長，預計2010年末才可能會成為標準。相關裝置廠家早已無法耐心等待這麼漫長的標準化週期，紛紛提前釋出了各自的11n產品(pre-11n)。為了確保這些產品的互通性，WiFi聯盟基於IEEE 2007年釋出的802.11n草案的2.0版本制定了11n產品認證規範，以幫助11n技術能夠快速產業化。

1.2  技術概述

802.11n主要是結合物理層和MAC層的優化來充分提高WLAN技術的吞吐。主要的物理層技術涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術，從而將物理層吞吐提高到600Mbps。如果僅僅提高物理層的速率，而沒有對空口訪問等MAC協議層的優化，802.11n的物理層優化將無從發揮。就好比即使建了很寬的馬路，但是車流的排程管理如果跟不上，仍然會出現擁堵和低效。所以802.11n對MAC採用了Block確認、幀聚合等技術，大大提高MAC層的效率。

802.11n對使用者應用的另一個重要收益是無線覆蓋的改善。由於採用了多天線技術，無線訊號(對應同一條空間流)將通過多條路徑從發射端到接收端，從而提供了分集效應。在接收端採用一定方法對多個天線收到訊號進行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使在接受端較遠時，也能獲得較好的訊號質量，從而間接提高了訊號的覆蓋範圍。其典型的技術包括了MRC等。

除了吞吐和覆蓋的改善，11n技術還有一個重要的功能就是要相容傳統的802.11 a/b/g，以保護使用者已有的投資。

接下來對這些相關的關鍵技術進行逐一介紹。

2.    物理層關鍵技術

2.1  MIMO

MIMO是802.11n物理層的核心，指的是一個系統採用多個天線進行無線訊號的收發。它是當今無線最熱門的技術，無論是3G、IEEE 802.16e WIMAX，還是802.11n，都把MIMO列入射頻的關鍵技術。

　　　　　　　　　　　　圖1 MIMO架構

MIMO主要有如下的典型應用，包括：

1) 提高吞吐

通過多條通道，併發傳遞多條空間流，可以成倍提高系統吞吐。

2) 提高無線鏈路的健壯性和改善SNR

通過多條通道，無線訊號通過多條路徑從發射端到達接收端多個接收天線。由於經過多條路徑傳播，每條路徑一般不會同時衰減嚴重，採用某種演算法把這些多個訊號進行綜合計算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這裡是同一條流在多個路徑上傳遞了多份，並不能夠提高吞吐。在MRC部分將有更多說明。

2.2  SDM

當基於MIMO同時傳遞多條獨立空間流(spatial streams)，如下圖中的空間流X1,X2，時，將成倍地提高系統的吞吐。

　　　　　　　　　　　　圖2 通過MIMO傳遞多條空間流

MIMO系統支援空間流的數量取決於傳送天線和接收天線的最小值。如傳送天線數量為3,而接收天線數量為2，則支援的空間流為2。MIMO/SDM系統一般用“發射天線數量×接收天線數量”表示。如上圖為2*2 MIMO/SDM系統。顯然，增加天線可以提高MIMO支援的空間流數。但是綜合成本、實效等多方面因素，目前業界的WLAN AP都普遍採用3×3的模式。

MIMO/SDM是在發射端和接收端之間，通過存在的多條路徑(通道)來同時傳播多條流。有意思的事情出現了：一直以來，無線技術(如OFMD)總是企圖克服多徑效應的影響，而MIMO恰恰是在利用多徑來傳輸資料。

　　　　　　　　　　圖3 MIMO利用多徑傳輸資料

2.3  MIMO-OFDM

在室內等典型應用環境下，由於多徑效應的影響，訊號在接收側很容易發生(ISI)，從而導致高誤位元速率。OFDM調製技術是將一個物理通道劃分為多個子載體(sub-carrier),將高速率的資料流調製成多個較低速率的子資料流，通過這些子載體進行通訊，從而減少ISI機會，提高物理層吞吐。

OFDM在802.11a/g時代已經成熟使用，到了802.11n時代，它將MIMO支援的子載體從52個提高到56個。需要注意的是，無論802.11a/g，還是802.11n，它們都使用了4個子載體作為pilot子載體，而這些子載體並不用於資料的傳遞。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統的54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54*52/48)。

2.4  FEC (Forward Error Correction)

按照無線通訊的基本原理，為了使資訊適合在無線通道這樣不可靠的媒介中傳遞，發射端將把資訊進行編碼並攜帶冗餘資訊，以提高系統的糾錯能力，使接收端能夠恢復原始資訊。802.11n所採用的QAM-64的編碼機制可以將編位元速率(有效資訊和整個編碼的比率)從3/4 提高到5/6。所以，對於一條空間流，在MIMO-OFDM基礎之上，物理速率從58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)。

2.5  Short Guard Interval (GI)

由於多徑效應的影響，資訊符號(Information Symbol)將通過多條路徑傳遞，可能會發生彼此碰撞，導致ISI干擾。為此，802.11a/g標準要求在傳送資訊符號時，必須保證在資訊符號之間存在800 ns的時間間隔，這個間隔被稱為Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用預設使用800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時，使用者可以將該間隔配置為400，對於一條空間流，可以將吞吐提高近10%，即從65Mbps提高到72.2 Mbps。對於多徑效應較明顯的環境，不建議使用Short Guard Interval (GI)。

2.6  40MHz繫結技術

這個技術最為直觀：對於無線技術，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。就好比是馬路變寬了，車輛的通行能力自然提高。傳統802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支援將相鄰兩個頻寬繫結為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。

需要注意的是：對於一條空間流，並不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2 )Mbps。對於20MHz頻寬，為了減少相鄰通道的干擾，在其兩側預留了一小部分的頻寬邊界。而通過40MHz繫結技術，這些預留的頻寬也可以用來通訊，可以將子載體從104(52×2)提高到108。按照72.2*2*108/104進行計算，所得到的吞吐能力達到了150Mbps。

2.7  MCS (Modulation Coding Scheme)

在802.11a/b/g時代，配置AP工作的速率非常簡單，只要指定特定radio型別(802.11a/b/g)所使用的速率集，速率範圍從1Mbps到54Mbps,一共有12種可能的物理速率。

到了802.11n時代，由於物理速率依賴於調製方法、編位元速率、空間流數量、是否40MHz繫結等多個因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，將產生非常多的物理速率供選擇使用。比如基於Short GI,40MHz繫結等技術，在4條空間流的條件下，物理速率可以達到600Mbps(即4*150)。為此，802.11n提出了MCS的概念。MCS可以理解為這些影響速率因素的完整組合，每種組合用整數來唯一標示。對於AP，MCS普遍支援的範圍為0-15。

2.8  MRC (Maximal-Ratio Combining)

MRC和吞吐提高沒有任何關係，它的目的是改善接收端的訊號質量。基本原理是：對於來自發射端的同一個訊號，由於在接收端使用多天線接收，那麼這個訊號將經過多條路徑(多個天線)被接收端所接收。多個路徑質量同時差的機率非常小，一般地，總有一條路徑的訊號較好。那麼在接收端可以使用某種演算法，對這些各接收路徑上的訊號進行加權彙總(顯然，訊號最好的路徑分配最高的權重)，實現接收端的訊號改善。當多條路徑上訊號都不太好時，仍然通過MRC技術獲得較好的接收訊號。

3.    MAC層關鍵技術

3.1  幀聚合

幀聚合技術包含針對MSDU的聚合(A-MSDU)和針對MPDU的聚合(A-MPDU)：

3.1.1      A-MSDU

A-MSDU技術是指把多個MSDU通過一定的方式聚合成一個較大的載荷。這裡的MSDU可以認為是Ethernet報文。通常，當AP或無線客戶端從協議棧收到報文(MSDU)時，會打上Ethernet報文頭，我們稱之為A-MSDU Subframe；而在通過射頻口傳送出去前，需要一一將其轉換成802.11報文格式。而A-MDSU技術旨在將若干個A-MSDU Subframe聚合到一起，並封裝為一個802.11報文進行傳送。從而減少了傳送每一個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11MAC頭的開銷，同時減少了應答幀的數量，提高了報文傳送的效率。

A-MSDU報文是由若干個A-MSDU Subframe組成的，每個Subframe均是由Subframe header (Ethernet Header)、一個MSDU和0-3位元組的填充組成。

A-MSDU技術只適用於所有MSDU的目的端為同一個HT STA的情況。

3.1.2      A-MPDU

與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經過802.11報文封裝後的MPDU，這裡的MPDU是指經過802.11封裝過的資料幀。通過一次性發送若干個MPDU，減少了傳送每個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，從而提高系統吞吐量。

其中MPDU格式和802.11定義的相同，而MPDU Delimiter是為了使用A-MPDU而定義的新的格式。A-MPDU技術同樣只適用於所有MPDU的目的端為同一個HT STA的情況。

3.2  Block ACK

為保證資料傳輸的可靠性，802.11協議規定每收到一個單播資料幀，都必須立即迴應以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU後，需要對其中的每一個MPDU進行處理，因此同樣針對每一個MPDU傳送應答幀。Block Acknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答，以降低這種情況下的ACK幀的數量。

Block Ack機制分三個步驟來實現：

Þ 通過ADDBA Request/Response報文協商建立Block ACK協定。

Þ 協商完成後，傳送方可以傳送有限多個QoS資料報文，接收方會保留這些資料報文的接收狀態，待收到傳送方的BlockAckReq報文後，接收方則迴應以BlockAck報文來對之前接收到的多個數據報文做一次性回覆。

Þ 通過DELBA Request報文來撤消一個已經建立的Block Ack協定。

圖6 Block Ack 工作機制

3.3  相容a/b/g

WLAN標準從802.11a/b發展到802.11g，再到現在的802.11n，提供良好的向後相容性顯得尤為重要。802.11g提供了一套保護機制來允許802.11b的無線使用者接入802.11g網路。同樣的，802.11n協議提供相似的機制來允許802.11a/b/g使用者的接入。

802.11n裝置傳送的訊號可能無法被802.11a/b/g的裝置解析到，造成802.11a/b/g裝置無法探測到802.11n裝置，從而往空中直接傳送訊號，導致通道使用上的衝突。為解決這個問題，當802.11n執行在混合模式(即同時有802.11a/b/g裝置在網路中)時，會在傳送的報文頭前新增能夠被802.11a或802.11b/g裝置正確解析的前導碼。從而保證802.11a/b/g裝置能夠偵聽到802.11n訊號，並啟用衝突避免機制，進而實現802.11n的裝置與802.11a/b/g裝置的互通。

l  802.11n向下相容802.11ag，802.11ag的終端接入802.11n網路後，由於MIMO技術提高了SNR，因此802.11ag的網路最大吞吐量54Mbps範圍有所擴大。同時802.11n的網路性在802.11ag終端和802.11n終端混合接入時，網路整體吞吐量較純802.11n終端接入有一定的下降，此時802.11n終端的速率還是高於802.11ag的終端效能

• 由於2.4G只有3個不重疊通道，開啟40MHz後，兩臺AP即存在同頻干擾

l  Intel網絡卡在2.4G頻段預設只開啟20MHz模式

l  2.4G部署採用20MHz模式，1、6、11間隔部署

l  5.8G開啟40MHz模式，5.8G中國可以使用149、153、157、161、165

多臺AP採用2+1的方式部署

• 為了在新的WLAN上實現更高的安全性，11n在使用WEP或TKIP保證相關安全性時禁止了HT資料速率（>54Mbps），即速率協商為54Mbps，等同於11ag。如果要獲得11n的高吞吐量，請採用AES的加密演算法。
• 幀聚合A-MSDU和A-MPDU只能對具有同一QOS優先順序的幀做聚合，所以必須支援並開啟QOS（WMM）

4.    結論

MIMO是802.11n物理層的核心，通過結合40MHz繫結、MIMO-OFDM等多項技術，可以將物理層速率提高到600Mbps。為了充分發揮物理層的能力，802.11n對MAC層採用了幀聚合、Block ACK等多項技術進行優化。802.11n給我們帶來吞吐、覆蓋等提高的同時，也增加了更多的技術挑戰。瞭解這些技術，將幫助我們更好地應用802.11n和解決應用所面臨的實際問題。