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802.11n 標準具有高達600Mbps 的速率，是新一代的無線網絡技術，可提供支持對帶寬最為敏感應用所需的速率、范圍和可靠性。802.11n 結合了多種技術，其中包括 Spatial Multiplexing MIMO (Multi-In, Multi-Out) （空間多路復用多入多出）、多發多收天線(MTMRA)技術、20MHz和 40MHz 信道和雙頻帶 (2.4 GHz 和5 GHz)技術，以形成很高的速率。802.11n工作模式包含2.4GHz和5.8GHz兩個工作頻段，保障了與以往的802.11a/b/g標準兼容，極大的保護了用戶的投資。 一、802.11n的技術核心 802.11n專注于高吞吐量的研究，實現將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達300Mbps甚至600Mbps。 這樣高的速率當然要有技術支撐，而OFDM技術、MIMO(多入多出)技術等正是關鍵。 OFDM技術是MCM(Multi-Carrier Modulation，多載波調制)的一種，曾經在802.11g標準中采用。其核心思想是將信道分成許多進行窄帶調制和傳輸正交子信道，并使每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，用以減少各個載波之間的相互干擾，同時提高頻譜的利用率的技術。OFDM還通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行的非對稱性傳輸。不過OFDM技術易受頻率偏差的影響，存在較高的峰值平均功率比(PAR)，不過可以通過時空編碼、分集、干擾抑制以及智能天線技術，最大程度地提高物理層的可靠性。 MIMO(多入多出)技術是無線通信領域智能天線技術的重大突破，能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。 MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。傳輸信息流S(k)經過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，i=1，……，N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，MIMO系統可以創造多個并行空間信道，解決了帶寬共享的問題。802.11n天線數量可以支持到3*3，比802.11g增加了3倍。 將MIMO與OFDM技術相結合，就產生了MIMO OFDM技術，它通過在OFDM傳輸系統中采用陣列天線實現空間分集，提高了信號質量，并增加了多徑的容限，使無線網絡的有效傳輸速率有質的提升。 而為了提升整個網絡的吞吐量，802.11n還對802.11標準的單一MAC層協議進行了優化，改變了數據幀結構，增加了凈負載所占的比重，減少管理檢錯所占的字節數大大提升了網絡的吞吐量。在天線上，智能天線技術的應用也解決了802.11n的傳輸覆蓋范圍問題。通過多組獨立天線組成的天線陣列系統，動態地調整波束的方向，802.11n保證讓用戶接收到穩定的信號，并減少其它噪音信號的干擾，使無線網絡的傳輸距離能夠增加到幾公里，移動性大大增強。 二、802.11n技術關鍵點 1、關鍵點：信道綁定 示意圖： 傳統的802.11標準，空口都工作在20MHz頻寬，802.11n技術通過將相鄰的兩個20MHz信道綁定成40MHz，使傳輸速率成倍提高。在實際工作中，將兩個相鄰的20MHz信道綁定使用，一個為主帶寬，一個為次帶寬，收發數據時既可以40MHz的帶寬工作，也可以單個20MHz帶寬工作。同時為避免相互干擾，原本每20MHz信道之間都會預留一小部分的帶寬，當采用信道綁定技術工作在40MHz帶寬時，這一部分預留的帶寬也可以被用來通信，進一步提高了吞吐量。 需要注意的是：在2.4GHz資源有限（信道帶寬少），干擾又多（使用802.11b/g的客戶端又多），所以在2.4GHz建議不使用40MHz模式，在5 GHz使用40MHz模式是比較合理的選擇。 2、關鍵點：MIMO 2.1 Beamforming技術 以Transmit beamforming為例，該技術應用在接收端只有一個天線，且沒有障礙物的環境。如果不采用Beamforming技術，接收端接收到的相位可能發生異相。 Transmit Beanforming（Destructive Interference） 采用了Beamforming技術后，接收端能收到正相相位，使信號最大，如下圖所示，并達到在接收端提高SNR的目的。 Transmit Beanforming （Constructive Interference） 但Transmit beamforming只能用于只有一個接收端的情況下，應用受局限。 2.2 Spatial Diversity 在室內，障礙物較多，信號不可能總是以直線最短距離傳輸到接收端，此時就會產生Multipath（多徑干擾）。多徑干擾就是由于傳輸行走不同路徑造成遲延結果，它會損害信號發送，并在RF覆蓋范圍內產生gaps或holes，像湖面、帶有金屬質地的門/百葉窗等都會引起嚴重的多徑干擾。 對MIMO系統來說，多徑效應卻可以作為一個有利因素加以利用。 MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道（如圖紅色圈圈所示發送端和接收端都可以有多個天線），傳輸信息流S(k)經過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，i=1，……，N，這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。 可以使用接收和發送的數量來定義MIMO，比如：2×1：表示兩個發送和一個接收，效果等同于Transmit beamforming，如下圖所示。從2×1到2×2到3×2，SNR逐漸增大，3×3能使SNR達到最大。 3、關鍵點：MAC enhancement（A-MSDU & A-MPDU） 802.11MAC層協議耗費了相當的效率用作鏈路的維護，如在數據之前添加PLCP Preamble、PLCP Header、MAC頭，同時為解決沖突而引入的退避機制都大大降低了系統的吞吐量。802.11n引入幀聚合技術，提高了MAC層效率。報文聚合技術包括針對MSDU的聚合和MPDU的聚合。采用A-MPDU技術，多個MPDU聚合到一起，只用搶占一次信道，減少了因競爭信道而產生沖突的概率，提高了信道利用率。A-MSDU，是具有相同的DA和SA的MSDU報文聚合成一個較大的載荷，減少物理和MAC層的開銷，提高鏈路效率。 A-MSDU 和 A-MPDU兩種聚合的共同點：減少負荷，且只能聚合同一QoS級別的幀，但因為要等待需要聚合的報文，可能造成延時。另外，只有A-MPDU才使用Block Acknowledgement。 4、關鍵點：Short GI 射頻芯片在使用OFDM調制方式發送數據時，整個幀是被劃分成不同的數據塊進行發送的，為了數據傳輸的可靠性，數據塊之間會有GI（Guard Interval），用以保證接收側能夠正確的解析出各個數據塊。802.11a/g采用的800ns的GI，在802.11n模式中，提供了一種Short GI特性。將GI時長減少至400ns，從而可以提高數據傳輸速率百分之十左右。 如圖所示，在多徑環境中，前一個數據塊還沒有發送完成，后一個數據塊可能通過不同的路徑先到達，合理的GI長度能夠避免相互干擾。如果GI時長不合理，會降低鏈路的有效SNR。 使用場景：Short GI使用于多徑情況較少、射頻環境較好的應用場景。在多徑效應影響較大的時候，應該關閉Short GI功能。 5、關鍵點：Block Acknowledgement 為保證數據傳輸的可靠性，802.11協議規定每收到一個單播數據幀，都必須立即回應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，因此同樣需要對每一個MPDU發送應答幀。Block Acknowledgement機制通過使用一個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。 6、關鍵點：Power Savings 在使用802.11n服務時，由于使用了多個天線，電源容量問題則顯得尤為突出。因此802.11n協議在節省電源處理上做了改進，采用了Spatial Multiplexing（SM）Power Save技術，其主要處理在于使得STA只有一個天線處于工作狀態，其余天線均處于休眠狀態，從而達到節省電源的目的。SM Power Save定義了兩種電源管理方式：靜態SM Power Save和動態SM Power Save。 靜態SM Power Save 當無線用戶處于靜態模式時，只有一個天線保持在工作狀態，其余天線都處于睡眠狀態，相當于一個普通的802.11a或802.11b/g的用戶，通過這種方式，可以延長電源的供電時間。在進入睡眠狀態時，無線用戶會通知上行AP它已處于靜態模式，要求AP針對此用戶也同時單入單出（SISO）的方式進行數據傳輸。同理，在無線用戶恢復正常工作狀態時，也會通知AP切換到MIMO方式進行數據傳輸。 動態SM Power Save 動態模式也只保留一個天線在工作狀態，但是當無線用戶收到數據報文時，它可以使其他天線迅速進入工作狀態。報文處理完后，它又可以將其余的天線恢復到睡眠狀態。這套通知機制是通過RTS、CTS實現的。AP將通過RTS來喚醒無線用戶，而無線用戶則通過回應CTS報文來通知AP已經成功恢復天線到工作狀態。 |
