802.11
（WLAN
）技术作为成熟而广泛应用的无线接入技术，已经广泛地应用于家庭、企业等。据统计，仅2008
年一年，全球销售了3
亿8
千多万颗WLAN
芯片。尽管802.11a/g
技术已经将物理层吞吐提高到了54Mbps
，但是随着YouTube
、无线家庭媒体网关、企业VoIP Over WLAN
等应用对WLAN
技术提出了越来越高的带宽要求，传统技术802.11a/g
已经无法支撑。用户需求呼唤着全新一代WLAN
接入技术。
文 /
史扬
IEEE 802.11
工作组意识到支持高吞吐将是WLAN
技术发展历程的关键点，基于IEEE HTSG
（High Throughput Study Group
）前期的技术工作，于2003
年成立了Task Group n (TGn)
。n
表示Next Generation
，核心内容就是通过物理层和MAC
层的优化来充分提高WLAN
技术的吞吐。由于802.11n
涉及了大量的复杂技术，标准过程中又涉及了大量的设备厂家，所以整个标准制定过程历时漫长，预计2010
年末才可能会成为标准。相关设备厂家早已无法耐心等待这么漫长的标准化周期，纷纷提前发布了各自的11n
产品(pre-11n)
。为了确保这些产品的互通性，WiFi
联盟基于IEEE 2007
年发布的802.11n
草案的2.0
版本制定了11n
产品认证规范，以帮助11n
技术能够快速产业化。
根据WIFI
联盟2009
年初公布的数据，802.11n
产品的认证增长率从2007
年成倍增长，截至目前全球已经有超过500
款的11n
设备完成认证，2009
年的认证数量必将超出802.11a/b/g
。
技术
概述
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600Mbps
。如果仅仅提高物理层的速率，而没有对空口访问等MAC
协议层的优化，802.11n
的物理层优化将无从发挥。就好比即使建了很宽的马路，但是车流的调度管理如果跟不上，仍然会出现拥堵和低效。所以802.11n
对MAC
采用了Block
确认、帧聚合等技术，大大提高MAC
层的效率。
802.11n
对用户应用的另一个重要收益是无线覆盖的改善。由于采用了多天线技术，无线信号（对应同一条空间流）将通过多条路径从发射端到接收端，从而提供了分集效应。在接收端采用一定方法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的SNR
，即使在接受端较远时，也能获得较好的信号质量，从而间接提高了信号的覆盖范围。其典型的技术包括了MRC
等。
除了吞吐和覆盖的改善，11n
技术还有一个重要的功能就是要兼容传统的802.11 a/b/g
，以保护用户已有的投资。
接下来对这些相关的关键技术进行逐一介绍。
物理层关键技术
1.
MIMO
MIMO
是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。它是当今无线最热门的技术，无论是3G
、IEEE 802.16e
WIMAX
，还是802.11n
，都把MIMO
列入射频的关键技术。
图1 MIMO
架构
MIMO
主要有如下的典型应用，包括：
1
） 提高吞吐
通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐。
２)
提高无线链路的健壮性和改善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，每条路径一般不会同时衰减严重，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，这里是同一条流在多个路径上传递了多份，并不能够提高吞吐。在MRC
部分将有更多说明。
2.
SDM
当基于MIMO
同时传递多条独立空间流（spatial streams
），如下图中的空间流X1,X2
，时，将成倍地提高系统的吞吐。
图2
通过MIMO
传递多条空间流
MIMO
系统支持空间流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，则支持的空间流为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
支持的空间流数。但是综合成本、实效等多方面因素，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。有意思的事情出现了：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。
图3 MIMO
利用多径传输数据
3.
MIMO-OFDM
在室内等典型应用环境下，由于多径效应的影响，信号在接收侧很容易发生(ISI)
，从而导致高误码率。OFDM
调制技术是将一个物理信道划分为多个子载体（sub-carrier
）,
将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流，通过这些子载体进行通讯，从而减少ISI
机会，提高物理层吞吐。
OFDM
在802.11a/g
时代已经成熟使用，到了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802.11a/g
，还是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802.11n MIMO
将物理速率从传统的54Mbps
提高到了58.5 Mbps(
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。802.11n
所采用的QAM-64
的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，对于一条空间流，在MIMO-OFDM
基础之上，物理速率从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，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)
。802.11
ｎ仍然使用缺省使用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
，对于一条空间流，可以将吞吐提高近１０％，即从65Mbps
提高到72.2 Mbps
。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。就好比是马路变宽了，车辆的通行能力自然提高。传统802.11a/g
使用的频宽是20MHz
，而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：对于一条空间流，并不是仅仅将吞吐从72.2 Mbps
提高到144.4
（即72.2
×2
）Mbps
。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。而通过40MHz
绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载体从104
（52
×2
）提高到108
。按照72.2*2*108/104
进行计算，所得到的吞吐能力达到了150Mbps
。
7.
MCS (Modulation Coding Scheme)
在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1Mbps
到54Mbps,
一共有12
种可能的物理速率。
到了802.11n
时代，由于物理速率依赖于调制方法、编码率、空间流数量、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
条空间流的条件下，物理速率可以达到600Mbps(
即4*150)
。为此，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几率非常小，一般地，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，对这些各接收路径上
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。
MAC
层关键技术
1.
帧聚合
帧聚合技术包含针对MSDU
的聚合（A-MSDU
）和针对MPDU
的聚合(A-MPDU)
：
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。这里的MSDU
可以认为是Ethernet
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Ethernet
报文头，我们称之为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802.11MAC
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。
图4
A-MSDU
报文结构
A-MSDU
技术只适用于所有MSDU
的目的端为同一个HT STA
的情况。
与A-MSDU
不同的是，A-MPDU
聚合的是经过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。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。
图5 A-MPDU
报文格式
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。
2.
Block ACK
为保证数据传输的可靠性，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：
Þ
通过
ADDBA Request/Response
报文协商建立
Block ACK
协定。
Þ
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
BlockAckReq
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。
Þ
通过
DELBA Request
报文来撤消一个已经建立的
Block Ack
协定。
图6 Block Ack
工作机制
3.
兼容
a/b/g
WLAN
标准从802.11a/b
发展到802.11g
，再到现在的802.11n
，提供良好的向后兼容性显得尤为重要。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。同样的，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。
结论
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600Mbps
。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
給我们带来吞吐、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，将帮助我们更好地应用802.11n
和解决应用所面临的实际问题。
参考文献
IEEE
standard for Information technology - Telecommunications and
information exchange between systems - Local and metropolitan area
networks – Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access
Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, Amendment 4:
Enhancements for Higher
Throughput
缩略语
ISI Inter-Symbol Interference
FEC Forward Error Correction
GI Guard Interval
MCS Modulation Coding Scheme
MRC
Maximal-Ratio Combining