无线技术凭借其固有的特性不断地发展和增值。从最开始的 802.11 到 802.11 a/b,再到 802.11 g 和现在的 802.11n 标准。从开始到最终获准正式发布具有多项增强功能的协议标准,一共花费了超过七年的时间。

 

802.11n 技术

在过去的七年里,IEEE 标准化组织一直致力于研究一套新的标准。新标准在提供新功能的同时也标准化了 802.11 射频功能的提升。新标准明显改进了 802.11 通信的可靠性、无线信号覆盖范围的可预测性和增强 802.11 设备总的吞吐量。同时向后兼容传统的 802.11 环境。

 

最初的 802.11n 标准很大程度上是基于 802.11n Wi-Fi 联盟 2.0 版本的草案,并且包括了以下的关键设备要求。这些关键的设备要求现已在最终的版本里都已经包括:

*MIMO- 描述了多进多出(MIMO)技术的使用;

*射频增强 - 增加了信道容量,更高的调制速率和更低的系统开销;

*MAC 增强 - 在现有 802.11 设备数据帧的基础上修改了能为 802.11n 使所用的帧格式;

 

MIMO

多进多出(MIMO)技术是 802.11n 标准的核心。这个 MIMO 技术的讨论提供了理解 802.11n 如何实现 600Mbps 速率的一个基础。

 

无线通信的本质是很容易受到各种干扰、失真或噪声的影响。与有线技术类似,信噪比(SNR)的效益对高效数据传输的能力至关重要。信噪比的值越大,信号所能承载的信息量就越多,并且在接收端所能复原的信息量也越多。

 

802.11n 使用两种有趣的技术来改善信噪比和存在多径效应的环境:波束成形和多路空间分集。下面的章节描述了它们的功能以及好处。

 

传输的波束成形技术

波束成形是在一个开放或较少障碍物的环境下有多根发射天线和单根接收天线时使用的一项技术。当有多根发射天线时,每个被发送的射频信号在传输时由于传输路径不同会产生一个不同的相位。这些差值将影响总体的信噪比。通过调整发射信号的相位从而在接收端它们能进很好地匹配,信噪比将会有大幅的提高。因此发射端信号就能承载更多的信息并且接收端也能复原更多的信息。

 

至此,我们注意到这种特殊的方法紧密地依赖于发射端和接收端之间的反馈机制。接收端接收到无线信号上的信息将会返回到发射端,从而让发射端去调整它的射频信号。

 

*当实施波束成形技术时,需要注意以下几点:

1. 这个特殊技术只对 802.11n 发射端和接收端有效;

2. 仅应用在只发送信号到单个接收端的情况下;

3. 接收端和发射端之间的反馈机制不是直接和瞬间的。如果发射端或接收端位置改变,则需要重建之间的关系;

 

多径或空间分集

MIMO 技术同时利用多个射频信号,每个信号由对应的天线发送出去属于自己的空间流。在典型的无线环境下,任何的发射信号无疑都会碰到一些干扰或反射体。随着发射端数量的增多,发射信号的数量也会增多。因此,信号将从不同的路径在不同的时间被接收。这种情况被称为多径。

 

由于每个天线的功能彼此独立,不同数据流有自己的发射源。在接收端,来自于每个射频的每个数据流会被组合起来,在复杂的运算之后,形成一个更清晰或更强的信号从而达到更高的信噪比。

 

射频增强

除了引入更高效的天线以外,802.11n 做了额外的射频改进来提高 WLAN 的有效吞吐量。其中最重要的改进是增加频带宽度、采用更高的调制速率和减少开销。下面的章节将描述每个改进和它们对 WLAN 吞吐量的影响。

 

20MHz 及 40MHz 信道

为了理解射频增强技术及其对 WLAN 性能的总体提升,有必要对频谱效率和信道绑定的背景知识有所了解。

 

在最初的 802.11 和 802.11b 标准里,他们的频谱效率或频宽为 0.5 bits/Hz;802.11a 和 802.11g 的频谱效率为 2.7 bits/Hz@ 54Mbps。频谱效率越高,有限的频带空间利用效率也越高。

 

除了频谱效率外,一些专有的 WLAN 系统使用被称为“Super G”或“信道绑定”的智能技术来绑定两个 802.11g(54Mbps)频道来提供高达 108Mpbs 的速率。

 

通过信道绑定技术,虽然频谱效率与 802.11a 和 802.11g 一样,但是频带宽度却是两倍。这提供了一个两倍数据传输速率的简单方法。

 

在新的 802.11n 标准中一个关键的增强功能是高效地使用了 20MHz 及 40MHz 的信道。与其它专有产品类似,802.11n 标准中 40MHz 的信道由两个 20MHz 的信道绑定组成。使用 40MHz 绑定信道,802.11n 利用每个 20MHz 信道在频带的顶部及底部保留用来降低相邻信道干扰的少量信道来传输信号。低信道的顶部和高信道的底部将不再保留用来避免干扰。这些一小部分的信道可用于承载信息。通过这种更高效地使用两个 20MHz 信道的方法,当从 20MHz 过渡到 40MHz 信道时,802.11n 可实现略高于原本 20MHz 两倍的数据传输速率(参见图 1)。

 

 

图 1:20MHz 和 40MHz 信道

更高的调制速率

802.11n 标准使用一个众所周知的被称为正交频分复用(OFDM)的调制解调技术,它把一个射频信道分割成大量的更小的具有自己子载波信号的信道(参见上图 1)。每个载波信号都独立地承载信息。就像把一组独立的射频捆绑在一起同时进行传输。

 

802.11n 标准在每个 20MHz 信道中子载波的数量从 48 个增加到 52 个。对于只有单个传输射频的系统,这稍微增加数据传输速率到最大 65Mbps。802.11n 为一个发射器提供 8 个速率可供使用,同时可使用的发射器的数量增加到 4 个。对于两个发射器,最大的速率可达到 130Mbps。三个发射器则可提供最大 195Mbps 的速率。最多四个发射器可达到 260Mbps。在 20MHz 信道 802.11n 总共能提供多达 32 个速率集。

 

当使用 40MHz 信道时,802.11n 增加子载波的数量到 108 个。从而为 1 到 4 个发射器分别提供最大 135Mbps,270 Mbps,405 Mbps 和 540 Mbps 的速率。相同地,40MHz 每个发射器有 8 个速率集,总计 32 个速率集。

 

降低开销:保护间隔

OFDM 包含一种多径环境下防止码间干扰的安全机制。在前一个符号还未被完全接收一个新的符号就已到达接收端的情况下产生了码间干扰(参见图 2)。

 

 

图 2:保护间隔

 

802.11n 使用 800 纳秒的保护间隔,允许 800 英尺的多径差异。然而,假定接收器和发射器之间 800 英尺的多径差异对于多径环境来说并不太严格,这时可以降低保护间隔。802.11n 的保护间隔能够被配置成 400 纳秒或 4 微秒。这个小的改动可以提高数据传输速率。对于 20MHz 信道而言,降低保护间隔后 1 到 4 个发射器的最大速率可分别可达到 72Mbps、144Mbps、216Mbps 和 288Mbps;对于 40MHz 信道,最大速率可达到 150Mbps、300Mbps、450Mbps 和 600Mbps。

 

MAC 层增强

在前面的文章中我们了解到射频的改善如何提高了传输的性能。然而,这些改进也仅仅是性能的提升。

 

每个数据报文或数据帧都有一定的开销。更准确地说,就是 MAC 层协议的开销。除这些开销之外,帧间间隔和确认机制也会降低有效的最大吞吐量。802.11n 引入了一些改进来优化 MAC 层协议的开销。

 

为了减少开销,802.11n 引入了帧聚合。帧聚合本质上是将两个或更多的帧组合成一个数据帧进行传输。802.11n 提供了两种帧聚合的方法:MAC 服务数据单元(MSDU)聚合和信息协议数据单元(MSDU)聚合。两种聚合方式减少开销到每次数据帧传输时只有一个射频前导(参见图 3)。

 

 

图 3:帧聚合

 

MAC 协议数据单元聚合(A-MPDU)

A-MPDU 的工作机制和 A-MSDU 不同。MPDU 聚合把每个以太网帧转换成 802.11 的格式然后再将这些帧按相同的目的地址搜集起来,而不是直接搜集以太网帧。因为搜集的数据帧已经封装了 802.11MAC 帧头,从而不再需要封装另外的 802.11 帧结构(参见图 4)。

 

 

图 4: A-MPDU 帧

 

因为额外开销是聚合帧的一部分,所以 MPDU 效率较低。图 4 显示的是具有一个包头和有效数据的数据帧格式。此外,当把加密包括在内时效率将会进一步降低。

 

另外一个值得关注的特性是部分 A-MPDU 采用块确认机制。通过块确认机制,接收方返回一个 ACK 确认帧给发送方作为对任意未被确认的帧的统一确认。在大量错误不可避免的环境下,确认帧数量的减少至关重要。

 

MAC 服务数据单元聚合(A-MSDU)

A-MSDU 是两种帧聚合中更高效的一种。A-MSDU 的工作机制是聚合具有相同目的地的以太网帧,并封装它们到一个 802.11 帧里然后传输这个 802.11 封装的聚合以太网帧(参见图 5)。

 

 

图 5:MSDU 聚合帧

 

与 MPDU 聚合帧中的每个子帧都有一个帧头不同,MSDU 只包含一个由 radio preamble、radio header 和 MAC header 组成的帧头。另外,MSDU 仅对整个聚合帧加密,然而 MPDU 每个单独的数据帧都被加密。

 

与 MPDU 相似,MSDU 聚合帧中的所有帧必须有相同的 QoS 等级。不允许将语音帧和 best-effort 帧合成一个聚合帧。

 

随着 802.11n 标准的正式发布,无线技术变得越来越成熟并通过关键功能的实现为目前及将来的企业带来更大的好处。

 

802.11n 标准的增强功能具有以下的关键好处:

增加了信号的覆盖范围 -- 引入的 MIMO 技术和多径效应明显地降低了出现盲点的机会。受到多径效应影响的相同位置反而利用这个条件增强了信号的覆盖范围;

增加了数据传输的可靠性 --MIMO 技术的另外一个优点是其 SNR 效率的增长。这个增长带来了更高的数据传输速率和对充满干扰的环境更强健的适应性;

增加了整体吞吐量 --20MHz 和 40MHz 的频宽、信道绑定和保护间隔时间的减少所带来的效益最终得到的是一个整体吞吐量的增长;

凭借着 802.11n 标准的好处,企业部署无线技术更趋向于考虑使用 802.11n。这个新的标准可以增加每个无线客户端的 WLAN 容量和吞吐量,同时保持低成本、部署时间短、投资回报快和无缝过渡的优势。