2.2　IEEE 802.11n协议的关键技术

IEEE 802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN技术的吞吐。主要的物理层技术涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技术，从而将物理层吞吐提高到600Mb/s。

2.2.1　物理层关键技术

IEEE 802.11n中涉及的物理层关键技术包括MIMO、SDM、MIMO-OFDM、FEC、Short Guard Interval、40MHz绑定技术、MCS、MRC等，下面进行详细介绍。

1. MIMO

MIMO是IEEE 802.11n物理层的核心，指的是一个系统采用多个天线进行无线信号的收发。右上图为MIMO的架构示意图。它是当今无线最热门的技术，无论是4G、IEEE 802.16e WIMAX，还是IEEE 802.11n，都把MIMO列入射频的关键技术。

MIMO主要有如下的典型应用，包括：

（1）提高吞吐。通过增加多通道，并发传传递数据，可以成倍提高系统吞吐。

（2）提高无线链路的健壮性和改善接收端的SNR。通过多条通道，无线信号通过多条路径从发射端到达接收端多个接收天线。由于经过多条路径传播，多条路径不会同时出现严重衰竭，采用某种算法把这些多个信号进行综合计算，可以改善接收端的SNR。需要注意的是，这里是同一条数据在多个路径上传递了多份，并不能够提高吞吐。

2. SDM

当基于MIMO同时传递多条独立信道（spatial streams），下图为通过MIMO传递多条信道的示意图，信道X1、X2进行传递时，将成倍地提高系统的吞吐。

MIMO系统支持信道的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3，而接收天线数量为2，则支持的信道为2。MIMO/SDM系统一般用“发射天线数量×接收天线数量”表示。如上图为2×2 MIMO/SDM系统。显然，增加天线可以提高MIMO支持的信道数。但是综合成本、实际效果等多方面因素，目前业界的WLAN AP都普遍采用3×3的模式。

MIMO/SDM是在发射端和接收端之间，通过存在的多条路径（通道）来同时传播多条流。一直以来，无线技术（如OFMD）总是企图克服多径效应的影响，而MIMO恰恰是在利用多径来传输数据，下图为MIMO利用多路径传输数据示意图。

3. MIMO-OFDM

在室内等典型应用环境下，由于多径效应的影响，信号在接收端很容易发生符号间干扰（ISI），从而导致丢包率增高。OFDM调制技术是将一个物理信道划分为多个子载体（sub-carrier），将高速率的信道调制成多个较低速率的子信道，通过这些子载体进行通信，从而减少ISI机会，提高物理层吞吐。

OFDM在IEEE 802.11a/g时代已经成熟使用，到了IEEE 802.11n时代，它将MIMO支持的子载体从52个提高到56个。需要注意的是，无论IEEE 802.11a/g，还是IEEE 802.11n，它们都使用了4个子载体作为pilot子载体，而这些子载体并不用于数据的传递。所以IEEE 802.11n MIMO将物理速率从传统的54Mb/s提高到58.5Mb/s（即54×52/48）。

4. FEC（Forward Error Correction）

按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接收端能够恢复原始信息。IEEE 802.11n所采用的QAM-64编码机制可以将编码率（有效信息和整个编码的比率）从3/4提高到5/6。所以，对于一条信道，在MIMO-OFDM基础之上，物理速率从58.5Mb/s提高到65Mb/s（即58.5×5/6÷3/4）。右图为改变数据排序示意图，改变数据的摆列方式由原先的圆形数据改为方形数据，这样使得空间利用更加合理。

5. Short Guard Interval（GI）

由于多径效应的影响，信息符号（Information Symbol）将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致ISI干扰。为此，IEEE 802.11a/g标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval（GI）。IEEE 802.11n仍然使用默认的800 ns GI。当多径效应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400，对于一条信道，可以将吞吐提高近10%，即从65Mb/s提高到72.2Mb/s。对于多径效应较明显的环境，不建议使用Short Guard Interval（GI）。

6. 40MHz绑定技术

这个技术最为直观：对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。就好比是宽松的河道，水流通过率自然提高。传统IEEE 802.11a/g使用的频宽是20MHz，而IEEE 802.11n支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来使用，所以可以最直接地提高吞吐。

需要注意的是：对于一条信道，并不仅仅是将吞吐从72.2 Mb/s提高到144.4（即72.2×2）Mb/s。对于20MHz频宽，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界，通过40MHz绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通信，可以将子载体从104（52×2）提高到108Mb/s。按照72.2×2×108/104进行计算，所得到的吞吐能力达到了150Mb/s。

7. MCS（Modulation Coding Scheme）

在IEEE 802.11a/b/g时代，配置AP工作的速率非常简单，只要指定特定radio类型（802.11a/b/g）所使用的速率集，速率范围从1Mb/s到54Mb/s，一共有12种可能的物理速率，见下表。

到了IEEE 802.11n时代，由于物理速率依赖于调制方法、编码率、信道数量、是否40MHz绑定等多个因素。这些影响吞吐的因素组合在一起，将产生非常多的物理速率供选择使用。比如基于Short GI，40MHz绑定等技术，在4条信道的条件下，物理速率可以达到600Mb/s（即4×150）。为此，IEEE 802.11n提出了MCS的概念。MCS可以理解为这些影响速率因素的完整组合，每种组合用整数来唯一标示。对于AP、MCS普遍支持的范围为0～15。

8. MRC（Maximal-Ratio Combining）

MRC和吞吐提高没有任何关系，它的目的是改善接收端的信号质量。基本原理是：对于来自发射端的同一个信号，由于在接收端使用多天线接收，那么这个信号将经过多条路径（多个天线）被接收端所接收。多个路径质量同时差的概率非常小，一般总有一条路径的信号较好。那么在接收端可以使用某种算法，对各条接收路径上的信号进行加权汇总（显然，信号最好的路径分配最高的权重），实现接收端的信号改善。当多条路径上信号都不太好时，仍然通过MRC技术获得较好的接收信号。

2.2.2　MAC层关键技术

MAC层的技术主要针对帧聚合技术、Block ACK以及兼容IEEE 802.11a/b/g协议，其中，帧聚合包含针对MSDU的聚合（A-MSDU）和针对MPDU的聚合（A-MPDU）。

1. A-MSDU

A-MSDU技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷。下图为A-MSDU结构示意图，这里的MSDU可以认为是以太网报文。

通常当AP或无线客户端从协议栈收到报文（MSDU）时，会打上以太网报文头，它被称为A-MSDU Subframe；而在通过射频口发送出去前，需要一一将其转换成802.11报文格式。而A-MDSU技术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行发送。从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11 MAC头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。

A-MSDU报文是由若干个A-MSDU Subframe组成的，每个Subframe均是由Subframe header（Ethernet Header）、一个MSDU和0～3字节的填充组成。

MSDU技术只适用于所有MSDU的目的端为同一个HT STA的情况。

2. A-MPDU

与A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合是经过802.11报文封装后的MPDU，这里的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧，右图为A-MPDU结构示意图。

通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，从而提高系统吞吐量。

其中MPDU格式和802.11定义的相同，而MPDU Delimiter是为了使用A-MPDU而定义的新的格式。A-MPDU技术同样只适用于所有MPDU的目的端为同一个HT STA的情况。

3. Block ACK

为保证数据传输的可靠性，IEEE 802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以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，因此同样针对每一个MPDU发送应答帧。Block Acknowledgement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。

Block Ack机制分三个步骤来实现：

（1）通过ADDBA Request/Response报文协商建立Block ACK协定。

（2）协商完成后，发送方可以发送有限多个QoS数据报文，接收方会保留这些数据报文的接收状态，待收到发送方的Block-AckReq报文后，接收方则回应以BlockAck报文来对之前接收到的多个数据报文做一次性回复。

（3）通过DELBA Request报文来撤销一个已经建立的Block Ack协定。

4. 兼容802.11a/b/g

WLAN标准从802.11 a/b发展到802.11g，再到现在的802.11n，提供良好的向后兼容性是非常重要的。802.11g提供了一套保护机制来允许802.11b的无线用户接入802.11g网络。同样地，802.11n协议提供相似的机制来允许802.11a/b/g用户的接入。

802.11n设备发送的信号可能无法被802.11a/b/g的设备解析到，造成802.11a/b/g设备无法探测到802.11n设备，从而往空中直接发送信号，导致信道使用上的冲突。为解决这个问题，当802.11n运行在混合模式（即同时有802.11a/b/g设备在网络中）时，会在发送的报文头前添加能够被802.11a或802.11b/g设备正确解析的前导码。从而保证802.11a/b/g设备能够侦听到802.11n信号，并启用冲突避免机制，进而实现802.11n的设备与802.11a/b/g设备的互通。

802.11n向下兼容802.11a/g，802.11a/g的终端接入802.11n网络后，由于MIMO技术提高了SNR，因此802.11a/g的网络最大吞吐量54Mb/s范围有所扩大。同时802.11n的网络性在802.11a/g终端和802.11n终端混合接入时，网络整体吞吐量较纯802.11n终端接入有一定的下降，此时802.11n终端的速率还是高于802.11a/g的终端性能。

5. MIMO技术

MIMO是802.11n物理层的核心，通过结合40MHz绑定、MIMO-OFDM等多项技术，可以将物理层速率提高到600Mb/s。为了充分发挥物理层的能力，802.11n对MAC层采用了帧聚合、Block ACK等多项技术进行优化。802.11n带来大吞吐、广覆盖等提高的同时，也增加了更多的技术挑战。了解这些技术，将有助于更好地应用802.11n和解决应用所面临的实际问题。