2.2　IEEE 802.11n協議的關鍵技術

IEEE 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600Mb/s。

2.2.1　物理層關鍵技術

IEEE 802.11n中涉及的物理層關鍵技術包括MIMO、SDM、MIMO-OFDM、FEC、Short Guard Interval、40MHz綁定技術、MCS、MRC等，下面進行詳細介紹。

1. MIMO

MIMO是IEEE 802.11n物理層的核心，指的是一個系統采用多個天線進行無線信號的收發。右上圖為MIMO的架構示意圖。它是當今無線最熱門的技術，無論是4G、IEEE 802.16e WIMAX，還是IEEE 802.11n，都把MIMO列入射頻的關鍵技術。

MIMO主要有如下的典型應用，包括：

（1）提高吞吐。通過增加多通道，并發傳傳遞數據，可以成倍提高系統吞吐。

（2）提高無線鏈路的健壯性和改善接收端的SNR。通過多條通道，無線信號通過多條路徑從發射端到達接收端多個接收天線。由于經過多條路徑傳播，多條路徑不會同時出現嚴重衰竭，采用某種算法把這些多個信號進行綜合計算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這里是同一條數據在多個路徑上傳遞了多份，并不能夠提高吞吐。

2. SDM

當基于MIMO同時傳遞多條獨立信道（spatial streams），下圖為通過MIMO傳遞多條信道的示意圖，信道X1、X2進行傳遞時，將成倍地提高系統的吞吐。

MIMO系統支持信道的數量取決于發送天線和接收天線的最小值。如發送天線數量為3，而接收天線數量為2，則支持的信道為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支持的信道數。但是綜合成本、實際效果等多方面因素，目前業界的WLAN AP都普遍采用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。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數據，下圖為MIMO利用多路徑傳輸數據示意圖。

3. MIMO-OFDM

在室內等典型應用環境下，由于多徑效應的影響，信號在接收端很容易發生符號間干擾（ISI），從而導致丟包率增高。OFDM調制技術是將一個物理信道劃分為多個子載體（sub-carrier），將高速率的信道調制成多個較低速率的子信道，通過這些子載體進行通信，從而減少ISI機會，提高物理層吞吐。

OFDM在IEEE 802.11a/g時代已經成熟使用，到了IEEE 802.11n時代，它將MIMO支持的子載體從52個提高到56個。需要注意的是，無論IEEE 802.11a/g，還是IEEE 802.11n，它們都使用了4個子載體作為pilot子載體，而這些子載體并不用于數據的傳遞。所以IEEE 802.11n MIMO將物理速率從傳統的54Mb/s提高到58.5Mb/s（即54×52/48）。

4. FEC（Forward Error Correction）

按照無線通信的基本原理，為了使信息適合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發射端將把信息進行編碼并攜帶冗余信息，以提高系統的糾錯能力，使接收端能夠恢復原始信息。IEEE 802.11n所采用的QAM-64編碼機制可以將編碼率（有效信息和整個編碼的比率）從3/4提高到5/6。所以，對于一條信道，在MIMO-OFDM基礎之上，物理速率從58.5Mb/s提高到65Mb/s（即58.5×5/6÷3/4）。右圖為改變數據排序示意圖，改變數據的擺列方式由原先的圓形數據改為方形數據，這樣使得空間利用更加合理。

5. Short Guard Interval（GI）

由于多徑效應的影響，信息符號（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，IEEE 802.11a/g標準要求在發送信息符號時，必須保證在信息符號之間存在800 ns的時間間隔，這個間隔被稱為Guard Interval（GI）。IEEE 802.11n仍然使用默認的800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時，用戶可以將該間隔配置為400，對于一條信道，可以將吞吐提高近10%，即從65Mb/s提高到72.2Mb/s。對于多徑效應較明顯的環境，不建議使用Short Guard Interval（GI）。

6. 40MHz綁定技術

這個技術最為直觀：對于無線技術，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。就好比是寬松的河道，水流通過率自然提高。傳統IEEE 802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而IEEE 802.11n支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。

需要注意的是：對于一條信道，并不僅僅是將吞吐從72.2 Mb/s提高到144.4（即72.2×2）Mb/s。對于20MHz頻寬，為了減少相鄰信道的干擾，在其兩側預留了一小部分的帶寬邊界，通過40MHz綁定技術，這些預留的帶寬也可以用來通信，可以將子載體從104（52×2）提高到108Mb/s。按照72.2×2×108/104進行計算，所得到的吞吐能力達到了150Mb/s。

7. MCS（Modulation Coding Scheme）

在IEEE 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類型（802.11a/b/g）所使用的速率集，速率范圍從1Mb/s到54Mb/s，一共有12種可能的物理速率，見下表。

到了IEEE 802.11n時代，由于物理速率依賴于調制方法、編碼率、信道數量、是否40MHz綁定等多個因素。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。比如基于Short GI，40MHz綁定等技術，在4條信道的條件下，物理速率可以達到600Mb/s（即4×150）。為此，IEEE 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。對于AP、MCS普遍支持的范圍為0～15。

8. MRC（Maximal-Ratio Combining）

MRC和吞吐提高沒有任何關系，它的目的是改善接收端的信號質量。基本原理是：對于來自發射端的同一個信號，由于在接收端使用多天線接收，那么這個信號將經過多條路徑（多個天線）被接收端所接收。多個路徑質量同時差的概率非常小，一般總有一條路徑的信號較好。那么在接收端可以使用某種算法，對各條接收路徑上的信號進行加權匯總（顯然，信號最好的路徑分配最高的權重），實現接收端的信號改善。當多條路徑上信號都不太好時，仍然通過MRC技術獲得較好的接收信號。

2.2.2　MAC層關鍵技術

MAC層的技術主要針對幀聚合技術、Block ACK以及兼容IEEE 802.11a/b/g協議，其中，幀聚合包含針對MSDU的聚合（A-MSDU）和針對MPDU的聚合（A-MPDU）。

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。下圖為A-MSDU結構示意圖，這里的MSDU可以認為是以太網報文。

通常當AP或無線客戶端從協議棧收到報文（MSDU）時，會打上以太網報文頭，它被稱為A-MSDU Subframe；而在通過射頻口發送出去前，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，并封裝為一個802.11報文進行發送。從而減少了發送每一個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11 MAC頭的開銷，同時減少了應答幀的數量，提高了報文發送的效率。

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字節的填充組成。

MSDU技術只適用于所有MSDU的目的端為同一個HT STA的情況。

2. A-MPDU

與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合是經過802.11報文封裝后的MPDU，這里的MPDU是指經過802.11封裝過的數據幀，右圖為A-MPDU結構示意圖。

通過一次性發送若干個MPDU，減少了發送每個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技術同樣只適用于所有MPDU的目的端為同一個HT STA的情況。

3. Block ACK

為保證數據傳輸的可靠性，IEEE 802.11協議規定每收到一個單播數據幀，都必須立即回應以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要對其中的每一個MPDU進行處理，因此同樣針對每一個MPDU發送應答幀。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：

（1）通過ADDBA Request/Response報文協商建立Block ACK協定。

（2）協商完成后，發送方可以發送有限多個QoS數據報文，接收方會保留這些數據報文的接收狀態，待收到發送方的Block-AckReq報文后，接收方則回應以BlockAck報文來對之前接收到的多個數據報文做一次性回復。

（3）通過DELBA Request報文來撤銷一個已經建立的Block Ack協定。

4. 兼容802.11a/b/g

WLAN標準從802.11 a/b發展到802.11g，再到現在的802.11n，提供良好的向后兼容性是非常重要的。802.11g提供了一套保護機制來允許802.11b的無線用戶接入802.11g網絡。同樣地，802.11n協議提供相似的機制來允許802.11a/b/g用戶的接入。

802.11n設備發送的信號可能無法被802.11a/b/g的設備解析到，造成802.11a/b/g設備無法探測到802.11n設備，從而往空中直接發送信號，導致信道使用上的沖突。為解決這個問題，當802.11n運行在混合模式（即同時有802.11a/b/g設備在網絡中）時，會在發送的報文頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g設備正確解析的前導碼。從而保證802.11a/b/g設備能夠偵聽到802.11n信號，并啟用沖突避免機制，進而實現802.11n的設備與802.11a/b/g設備的互通。

802.11n向下兼容802.11a/g，802.11a/g的終端接入802.11n網絡后，由于MIMO技術提高了SNR，因此802.11a/g的網絡最大吞吐量54Mb/s范圍有所擴大。同時802.11n的網絡性在802.11a/g終端和802.11n終端混合接入時，網絡整體吞吐量較純802.11n終端接入有一定的下降，此時802.11n終端的速率還是高于802.11a/g的終端性能。

5. MIMO技術

MIMO是802.11n物理層的核心，通過結合40MHz綁定、MIMO-OFDM等多項技術，可以將物理層速率提高到600Mb/s。為了充分發揮物理層的能力，802.11n對MAC層采用了幀聚合、Block ACK等多項技術進行優化。802.11n帶來大吞吐、廣覆蓋等提高的同時，也增加了更多的技術挑戰。了解這些技術，將有助于更好地應用802.11n和解決應用所面臨的實際問題。