802.11n標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

　　IEEE 802.11工作組意識(shí)到支持高吞吐將是WLAN技術(shù)發(fā)展歷程的關(guān)鍵點(diǎn)，基于IEEE HTSG （High Throughput Study Group）前期的技術(shù)工作，于2003年成立了Task Group n （TGn）。n表示Next Generation，核心內(nèi)容就是通過(guò)物理層和MAC層的優(yōu)化來(lái)充分提高WLAN技術(shù)的吞吐。由于802.11n涉及了大量的復(fù)雜技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中又涉及了大量的設(shè)備廠家，所以整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程歷時(shí)漫長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2010年末才可能會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)設(shè)備廠家早已無(wú)法耐心等待這么漫長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化周期，紛紛提前發(fā)布了各自的11n產(chǎn)品（pre-11n）。為了確保這些產(chǎn)品的互通性，WiFi聯(lián)盟基于IEEE 2007年發(fā)布的802.11n草案的2.0版本制定了11n產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)范，以幫助11n技術(shù)能夠快速產(chǎn)業(yè)化。

　　根據(jù)WIFI聯(lián)盟2009年初公布的數(shù)據(jù)，802.11n產(chǎn)品的認(rèn)證增長(zhǎng)率從2007年成倍增長(zhǎng)，截至目前全球已經(jīng)有超過(guò)500款的11n設(shè)備完成認(rèn)證，2009年的認(rèn)證數(shù)量必將超出802.11a/b/g。

　　802.11n的關(guān)鍵技術(shù)

　　802.11n主要是結(jié)合物理層和MAC層的優(yōu)化來(lái)充分提高WLAN技術(shù)的吞吐。主要的物理層技術(shù)涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術(shù)，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(méi)有對(duì)空口訪(fǎng)問(wèn)等MAC協(xié)議層的優(yōu)化，802.11n的物理層優(yōu)化將無(wú)從發(fā)揮。就好比即使建了很寬的馬路，但是車(chē)流的調(diào)度管理如果跟不上，仍然會(huì)出現(xiàn)擁堵和低效。所以802.11n對(duì)MAC采用了Block確認(rèn)、幀聚合等技術(shù)，大大提高M(jìn)AC層的效率。

　　802.11n對(duì)用戶(hù)應(yīng)用的另一個(gè)重要收益是無(wú)線(xiàn)覆蓋的改善。由于采用了多天線(xiàn)技術(shù)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)（對(duì)應(yīng)同一條空間流）將通過(guò)多條路徑從發(fā)射端到接收端，從而提供了分集效應(yīng)。在接收端采用一定方法對(duì)多個(gè)天線(xiàn)收到信號(hào)進(jìn)行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使在接受端較遠(yuǎn)時(shí)，也能獲得較好的信號(hào)質(zhì)量，從而間接提高了信號(hào)的覆蓋范圍。其典型的技術(shù)包括了MRC等。

　　除了吞吐和覆蓋的改善，11n技術(shù)還有一個(gè)重要的功能就是要兼容傳統(tǒng)的802.11 a/b/g，以保護(hù)用戶(hù)已有的投資。

　　接下來(lái)對(duì)這些相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行逐一介紹。

　　物理層關(guān)鍵技術(shù)

　　1. MIMO

　　MIMO是802.11n物理層的核心，指的是一個(gè)系統(tǒng)采用多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。它是當(dāng)今無(wú)線(xiàn)最熱門(mén)的技術(shù)，無(wú)論是3G、IEEE 802.16e WIMAX，還是802.11n，都把MIMO列入射頻的關(guān)鍵技術(shù)。

　　MIMO主要有如下的典型應(yīng)用，包括：

　　1） 提高吞吐

　　通過(guò)多條通道，并發(fā)傳遞多條空間流，可以成倍提高系統(tǒng)吞吐。

　?。玻?提高無(wú)線(xiàn)鏈路的健壯性和改善SNR

　　通過(guò)多條通道，無(wú)線(xiàn)信號(hào)通過(guò)多條路徑從發(fā)射端到達(dá)接收端多個(gè)接收天線(xiàn)。由于經(jīng)過(guò)多條路徑傳播，每條路徑一般不會(huì)同時(shí)衰減嚴(yán)重，采用某種算法把這些多個(gè)信號(hào)進(jìn)行綜合計(jì)算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，這里是同一條流在多個(gè)路徑上傳遞了多份，并不能夠提高吞吐。在MRC部分將有更多說(shuō)明。

　　2. SDM

　　當(dāng)基于MIMO同時(shí)傳遞多條獨(dú)立空間流（spatial streams），如下圖中的空間流X1，X2，時(shí)，將成倍地提高系統(tǒng)的吞吐。

　　MIMO系統(tǒng)支持空間流的數(shù)量取決于發(fā)送天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的最小值。如發(fā)送天線(xiàn)數(shù)量為3，而接收天線(xiàn)數(shù)量為２，則支持的空間流為2。MIMO/SDM系統(tǒng)一般用“發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量×接收天線(xiàn)數(shù)量”表示。如上圖為2*2 MIMO/SDM系統(tǒng)。顯然，增加天線(xiàn)可以提高M(jìn)IMO支持的空間流數(shù)。但是綜合成本、實(shí)效等多方面因素，目前業(yè)界的WLAN AP都普遍采用3×3的模式。

　　MIMO/SDM是在發(fā)射端和接收端之間，通過(guò)存在的多條路徑（通道）來(lái)同時(shí)傳播多條流。有意思的事情出現(xiàn)了：一直以來(lái)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)（如OFMD）總是企圖克服多徑效應(yīng)的影響，而MIMO恰恰是在利用多徑來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

　　3. MIMO-OFDM

　　在室內(nèi)等典型應(yīng)用環(huán)境下，由于多徑效應(yīng)的影響，信號(hào)在接收側(cè)很容易發(fā)生（ISI），從而導(dǎo)致高誤碼率。OFDM調(diào)制技術(shù)是將一個(gè)物理信道劃分為多個(gè)子載體（sub-carrier），將高速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制成多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，通過(guò)這些子載體進(jìn)行通訊，從而減少I(mǎi)SI機(jī)會(huì)，提高物理層吞吐。

　　OFDM在802.11a/g時(shí)代已經(jīng)成熟使用，到了802.11n時(shí)代，它將MIMO支持的子載體從52個(gè)提高到56個(gè)。需要注意的是，無(wú)論802.11a/g，還是802.11n，它們都使用了4個(gè)子載體作為pilot子載體，而這些子載體并不用于數(shù)據(jù)的傳遞。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統(tǒng)的54Mbps提高到了58.5 Mbps（即54*52/48）。

　　4. FEC （Forward Error Correction）

　　按照無(wú)線(xiàn)通信的基本原理，為了使信息適合在無(wú)線(xiàn)信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發(fā)射端將把信息進(jìn)行編碼并攜帶冗余信息，以提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，使接收端能夠恢復(fù)原始信息。802.11n所采用的QAM-64的編碼機(jī)制可以將編碼率（有效信息和整個(gè)編碼的比率）從3/4 提高到5/6。所以，對(duì)于一條空間流，在MIMO-OFDM基礎(chǔ)之上，物理速率從58.5提高到了65Mbps（即58.5乘5/6除以3/4）。

　　5. Short Guard Interval （GI）

　　由于多徑效應(yīng)的影響，信息符號(hào)（Information Symbol）將通過(guò)多條路徑傳遞，可能會(huì)發(fā)生彼此碰撞，導(dǎo)致ISI干擾。為此，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)要求在發(fā)送信息符號(hào)時(shí)，必須保證在信息符號(hào)之間存在800 ns的時(shí)間間隔，這個(gè)間隔被稱(chēng)為Guard Interval （GI）。802.11ｎ仍然使用缺省使用800 ns GI。當(dāng)多徑效應(yīng)不是很?chē)?yán)重時(shí)，用戶(hù)可以將該間隔配置為400，對(duì)于一條空間流，可以將吞吐提高近１０％，即從65Mbps提高到72.2 Mbps。對(duì)于多徑效應(yīng)較明顯的環(huán)境，不建議使用Short Guard Interval （GI）。

　　6. 40MHz綁定技術(shù)

　　這個(gè)技術(shù)最為直觀：對(duì)于無(wú)線(xiàn)技術(shù)，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(chē)輛的通行能力自然提高。傳統(tǒng)802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個(gè)頻寬綁定為40MHz來(lái)使用，所以可以最直接地提高吞吐。

　　需要注意的是：對(duì)于一條空間流，并不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4（即72.2×2 ）Mbps。對(duì)于20MHz頻寬，為了減少相鄰信道的干擾，在其兩側(cè)預(yù)留了一小部分的帶寬邊界。而通過(guò)40MHz綁定技術(shù)，這些預(yù)留的帶寬也可以用來(lái)通訊，可以將子載體從104（52×2）提高到108。按照72.2*2*108/104進(jìn)行計(jì)算，所得到的吞吐能力達(dá)到了150Mbps。

　　IEEE 802.11n通過(guò)將兩個(gè)相鄰的20MHz帶寬捆綁在一起組成一個(gè)40MHz通訊帶寬，在實(shí)際工作時(shí)可以作為兩個(gè)20MHz的帶寬使用（一個(gè)為主帶寬，一個(gè)為次帶寬，收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)既可以40MHz的帶寬工作，也可以單個(gè)20MHz帶寬工作），這樣可將速率提高一倍。同時(shí)，對(duì)于IEEE 802.11a/b/g，為了防止相鄰信道干擾，20MHz帶寬的信道在其兩側(cè)預(yù)留了一小部分的帶寬邊界。而通過(guò)頻帶綁定技術(shù)，這些預(yù)留的帶寬也可以用來(lái)通訊，從而進(jìn)一步提高了吞吐量。

　　圖 20/40-MHz帶寬的吞吐能力：

　　7. MCS （Modulation Coding Scheme）

　　在802.11a/b/g時(shí)代，配置AP工作的速率非常簡(jiǎn)單，只要指定特定radio類(lèi)型（802.11a/b/g）所使用的速率集，速率范圍從1Mbps到54Mbps，一共有12種可能的物理速率。

　　到了802.11n時(shí)代，由于物理速率依賴(lài)于調(diào)制方法、編碼率、空間流數(shù)量、是否40MHz綁定等多個(gè)因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，將產(chǎn)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(shù)，在4條空間流的條件下，物理速率可以達(dá)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(shù)來(lái)唯一標(biāo)示。對(duì)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(méi)有任何關(guān)系，它的目的是改善接收端的信號(hào)質(zhì)量。基本原理是：對(duì)于來(lái)自發(fā)射端的同一個(gè)信號(hào)，由于在接收端使用多天線(xiàn)接收，那么這個(gè)信號(hào)將經(jīng)過(guò)多條路徑（多個(gè)天線(xiàn)）被接收端所接收。多個(gè)路徑質(zhì)量同時(shí)差的幾率非常小，一般地，總有一條路徑的信號(hào)較好。那么在接收端可以使用某種算法，對(duì)這些各接收路徑上的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)匯總（顯然，信號(hào)最好的路徑分配最高的權(quán)重），實(shí)現(xiàn)接收端的信號(hào)改善。當(dāng)多條路徑上信號(hào)都不太好時(shí)，仍然通過(guò)MRC技術(shù)獲得較好的接收信號(hào)。

　　MAC層關(guān)鍵技術(shù)

　　1. 幀聚合

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

　　l A-MSDU

　　A-MSDU技術(shù)是指把多個(gè)MSDU通過(guò)一定的方式聚合成一個(gè)較大的載荷。這里的MSDU可以認(rèn)為是Ethernet報(bào)文。通常，當(dāng)AP或無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端從協(xié)議棧收到報(bào)文（MSDU）時(shí)，會(huì)打上Ethernet報(bào)文頭，我們稱(chēng)之為A-MSDU Subframe；而在通過(guò)射頻口發(fā)送出去前，需要一一將其轉(zhuǎn)換成802.11報(bào)文格式。而A-MDSU技術(shù)旨在將若干個(gè)A-MSDU Subframe聚合到一起，并封裝為一個(gè)802.11報(bào)文進(jìn)行發(fā)送。從而減少了發(fā)送每一個(gè)802.11報(bào)文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11MAC頭的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)減少了應(yīng)答幀的數(shù)量，提高了報(bào)文發(fā)送的效率。

　　A-MSDU報(bào)文是由若干個(gè)A-MSDU Subframe組成的，每個(gè)Subframe均是由Subframe header （Ethernet Header）、一個(gè)MSDU和0-3字節(jié)的填充組成。

　　A-MSDU技術(shù)只適用于所有MSDU的目的端為同一個(gè)HT STA的情況。

　　l A-MPDU

　　與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經(jīng)過(guò)802.11報(bào)文封裝后的MPDU，這里的MPDU是指經(jīng)過(guò)802.11封裝過(guò)的數(shù)據(jù)幀。通過(guò)一次性發(fā)送若干個(gè)MPDU，減少了發(fā)送每個(gè)802.11報(bào)文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，從而提高系統(tǒng)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(shù)同樣只適用于所有MPDU的目的端為同一個(gè)HT STA的情況。

　　2. Block ACK

　　為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?02.11協(xié)議規(guī)定每收到一個(gè)單播數(shù)據(jù)幀，都必須立即回應(yīng)以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要對(duì)其中的每一個(gè)MPDU進(jìn)行處理，因此同樣針對(duì)每一個(gè)MPDU發(fā)送應(yīng)答幀。Block Acknowledgement通過(guò)使用一個(gè)ACK幀來(lái)完成對(duì)多個(gè)MPDU的應(yīng)答，以降低這種情況下的ACK幀的數(shù)量。

　　Block Ack機(jī)制分三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：

　　T 通過(guò)ADDBA Request/Response報(bào)文協(xié)商建立Block ACK協(xié)定。

　　T 協(xié)商完成后，發(fā)送方可以發(fā)送有限多個(gè)QoS數(shù)據(jù)報(bào)文，接收方會(huì)保留這些數(shù)據(jù)報(bào)文的接收狀態(tài)，待收到發(fā)送方的BlockAckReq報(bào)文后，接收方則回應(yīng)以BlockAck報(bào)文來(lái)對(duì)之前接收到的多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文做一次性回復(fù)。

　　T 通過(guò)DELBA Request報(bào)文來(lái)撤消一個(gè)已經(jīng)建立的Block Ack協(xié)定。

　　3 IEEE802.11n速率計(jì)算

　　802.11n采用了MIMO多天線(xiàn)技術(shù)，當(dāng)存在兩根天線(xiàn)（即假如是2X2時(shí)），在每種帶寬下它存在16種速率（記為MCS0-MCS15，MCS：Modulation and coding scheme）（當(dāng)有3根或者4根天線(xiàn)都同時(shí)能夠發(fā)射數(shù)據(jù)的時(shí)候，理論上應(yīng)該是1根天線(xiàn)時(shí)的3倍或4倍）。這16種速率分別是：

　　HT20時(shí)：（MCS0-MCS7） 6.5M、13M、19.5M、26M、39M、52M、58.5M、65M

　?。∕CS8-MCS15） 13M、26M、39M、52M、78M、104M、117M、130M

　　HT40時(shí)：（MCS0-MCS7） 13.5M、27M、40.5M、54M、81M、108M、121.5M、135M

　　（MCS8-MCS15） 27M、54M、81M、108M、162M、216M、243M、270M。

　　從上面可以看出，MCS8-MCS15分別是對(duì)應(yīng)的MCS0-MCS7的兩倍。這是因?yàn)樵贛CS8-MCS15時(shí)，采用了MIMO技術(shù)，一個(gè)數(shù)據(jù)流會(huì)分成兩部分，分別由兩個(gè)stream發(fā)出去，所以速度提高了一倍；而在MCS0-MCS7時(shí)，雖然兩根天線(xiàn)也是同時(shí)發(fā)出信號(hào)，但這兩路信號(hào)是一樣的，所以速度只有MCS8-MCS15的一半。

　　802.11n采用多種調(diào)制技術(shù)，但是在上表中每一列速率對(duì)應(yīng)的碼率（即有效數(shù)據(jù)和發(fā)出的數(shù)據(jù)的比率）是不一樣的，例如在MCS7和MCS15時(shí)，碼率是5/6，而在MCS6和MCS14時(shí)，碼率是3/4。

　　由于11n采用的是和11a/g一樣的OFDM方式，而OFDM是將一個(gè)寬的帶寬正交地分割成幾個(gè)小的子載波，這些子載波并行地傳輸數(shù)據(jù)。所以為了得到某個(gè)理論上的速率是如何計(jì)算出來(lái)的，可以從這方面著手。

　　4. 兼容a/b/g

　　WLAN標(biāo)準(zhǔn)從802.11a/b發(fā)展到802.11g，再到現(xiàn)在的802.11n，提供良好的向后兼容性顯得尤為重要。802.11g提供了一套保護(hù)機(jī)制來(lái)允許802.11b的無(wú)線(xiàn)用戶(hù)接入802.11g網(wǎng)絡(luò)。同樣的，802.11n協(xié)議提供相似的機(jī)制來(lái)允許802.11a/b/g用戶(hù)的接入。

　　802.11n設(shè)備發(fā)送的信號(hào)可能無(wú)法被802.11a/b/g的設(shè)備解析到，造成802.11a/b/g設(shè)備無(wú)法探測(cè)到802.11n設(shè)備，從而往空中直接發(fā)送信號(hào)，導(dǎo)致信道使用上的沖突。為解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)802.11n運(yùn)行在混合模式（即同時(shí)有802.11a/b/g設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中）時(shí)，會(huì)在發(fā)送的報(bào)文頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g設(shè)備正確解析的前導(dǎo)碼。從而保證802.11a/b/g設(shè)備能夠偵聽(tīng)到802.11n信號(hào)，并啟用沖突避免機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)802.11n的設(shè)備與802.11a/b/g設(shè)備的互通。

　　MIMO是802.11n物理層的核心，通過(guò)結(jié)合40MHz綁定、MIMO-OFDM等多項(xiàng)技術(shù)，可以將物理層速率提高到600Mbps。為了充分發(fā)揮物理層的能力，802.11n對(duì)MAC層采用了幀聚合、Block ACK等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。802.11n給我們帶來(lái)吞吐、覆蓋等提高的同時(shí)，也增加了更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。了解這些技術(shù)，將幫助我們更好地應(yīng)用802.11n和解決應(yīng)用所面臨的實(shí)際問(wèn)題。

　　802.11n怎么使用

　　802.11n無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡是指采用802.11n無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡。它使用比較簡(jiǎn)單，只要將網(wǎng)卡插到電腦上，安裝相應(yīng)版本的驅(qū)動(dòng)程序，即可搜索無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，連接使用。

　　1.將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡插在電腦USB2.0或3.0接口上后，用鼠標(biāo)右擊電腦“屬性”，找到設(shè)備管理器，如圖

　　2.進(jìn)入設(shè)備管理器界面之后，進(jìn)行掃描工作，然后新硬件出來(lái)。如圖

　　3.將下載好的無(wú)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)擊并運(yùn)行，如圖下

　　4.找到想要鏈接的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，最后根據(jù)提示設(shè)置無(wú)線(xiàn)密碼就OK了！

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