802.11n_概述汇总
802.11n 概述
1.11n简介
【简介】IEEE 802.11n使用2.4GHz频段和5GHz频段，IEEE 802.11n标准的核心是MIMO（multiple-input multiple-output，多入多出）和OFDM技术,传输速度300Mbps，最高可达600Mbps，可向下兼容802.11b、802.11g。
北京时间2009年9月14日消息，据国外媒体报道，行业标准组织IEEE（电气与电子工程师学会）在9月11日批准了802.11n高速无线局域网标准。在该标准支持下的产品理论速率为300Mbps，较之前的802.11a/g产品的54Mbps有极大提升。IEEE当天并未公开宣布这一消息，但802.11n工作组的主席Bruce Kraemer向工作组的成员发送了通知邮件。802.11n工作组成员包括一系列的
Wi-Fi芯片制造商、软件开发人员和设备制造商。
2.11n - 术语解释
Wi－Fi联盟在802.11a/b/g后面的一个无线传输标准协议
在当今各种无线局域网技术交织的战国时代，WLAN、蓝牙、HomeRF、UWB等竞相绽放，但IEEE802.11系列的WLAN是应用最广泛的。自从1997年IEEE802.11标准实施以来，先后有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e、802.11f、 802.11h、802.11i、802.11j等标准制定或者酝酿，但是WLAN依然面临带宽不足、漫游不方便、网管不强大、系统不安全和没有杀手级的应用等。就像当今VoIP应用中一个全新的领域VoWLAN那样，虽被业内人士看作是WLAN最有希望的杀手级应用，却因为这四个“不”，很难进一步发展。
3.11n的关键技术
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
标准发展历程
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)。802.11ｎ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)：
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。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。
2）A-MPDU
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：
T 通过ADDBA Request/Response报文协商建立Block ACK协定。
T 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。
T 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。
4.技术特性
Broadcom公司推出新型无线LAN(WLAN)芯片组Intensi-fi系列,这是和IEEE 802.11n标准(草案)兼容的首个解决方案. Intensi-fi技术提供了在家庭或办公室优异的性能和功能强大的无线连接,使得下一代Wi-Fi设备能提供完美的多媒体体验,支持新兴的语音,视频和数据应用.
Intensi-fi技术集成了IEEE 802.11n标准(草案)所有强制性的元件,一当标准完成即可进行软件升级.忠于标准是Broadcom的工作重点,因为它不需要考虑兼容性和使用户烦恼的非标准产品的性能问题.Broadcom和业界其它一流厂商紧密配合,当草案02.11n产品变成现实时,在分支中演示真实的互连
性.Broadcom还向Wi-Fi联盟提供技术资源,来加速802.11n互连测试程序.
Intensi-fi技术支持在多个发送和接收天线上多个同时发生的数据(或"空间")流,提供的数据速率高达300Mbps,比以前的802.11产品(它采用一个发送器和一个接收器,支持单一数据流),其覆盖范围更广.它提供了足够的带宽,范围和可靠性,对家庭中每个房间提供高清晰视频(HD).为了提供完美的多媒体体验, Intensi-fi技术把传统的PC和网络设备扩充到消费电子和娱乐设备,在线缆
/DSL/卫星机顶盒,个人视频记录仪,DVD播放器,游戏系统,音频设备照相机,手机和其它手提设备提供了发送电影,照片,音乐,语音呼叫和数据所需的基础设备.
Intensi-fi解决方案包括MAC/基带芯片以及能配置各种高速无线应用的无线电芯片.Broadcom还提供两个网络处理器,使用户能优化无线路由器设计的性价比.完整的系列产品包括下面所有的CMOS器件:
BCM4321:业界首个和802.11n标准(草案)兼容的MAC和基带,提供超过
300Mbps的PHY速率,并和PCI,Cardbus和主机PCI-Express接口,
BCM2055:Broadcom第五代802.11无线电,集成了多个2.4GHz和5GHz无线电,支持用于802.11n产品的同时发生的空间数据流,并具有2x2,3x3或4x4天线配置.BCM2055是最佳性能的802.11无线电,具有更小的芯片尺寸,更低的功耗,更低的相位噪音和误差向量幅度(EVM).所有这些对于高吞吐量的802.11n(草案)系统都是至关重要的.
BCM4704:Broadcom已验证过的第五代无线网络处理器,提供先进的路由/桥接功能,并能满足802.11n(草案)芯片组的目标性能,用于路由器和网关的设计.
BCM4705:Broadcom第六代无线网络处理器,支持同时工作的2.4GHz和5GHz 无线电,集成的吉比特以太网MAC使得802.11n(草案)和以太网网络间的吞吐量大于200Mbps.
5.11n 的美妙前景
在传输速率方面，802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及
802.11g提供的54Mbps、108Mbps，提供到300Mbps甚至高达600Mbps。得益于将MIMO（多入多出）与OFDM（正交频分复用）技术相结合而应用的MIMO OFDM 技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。
在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使WLAN移动性极大提高。
在兼容性方面，802.11n采用了一种软件无线电技术，它是一个完全可编程的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN将不但能实现802.11n向前后兼容，而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合，比如3G。
两个阵营在争标准
让人遗憾的是，802.11n现在处于一种“标准滞后、产品早产”的尴尬境地。802.11n标准还没有得到IEEE的正式批准，但采用 MIMO OFDM技术的厂商已经很多，包括D－Link，Airgo、Bermai、Broadcom以及杰尔系统、Atheros、思科、Intel等等，产品包括无线网卡、无线路由器等，而且已经大量在PC、笔记本电脑中应用。
主导802.11n标准的技术阵营有两个，即WWiSE（World Wide Spectrum Efficiency）联盟和TGn Sync联盟。这两个阵营都希望在下一代无线局域网标准之争中处于优先地位，不过两大阵营的技术构架已经越来越相似，例如都是采用MIMO OFDM技术，而且在8月2日有消息称，他们已经决定不计前嫌，共同向美国电气电子工程师学会（IEEE）递交了802.11n的无线技术版本。
在2007年上半年已经确定802.11n的2.0草案，可以完全支持日后的正式标准。并且IEEE预计在2008年上半年可以通过正式标准。
MIMO技术：
所谓的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output 的缩写，大部分您所看到的说法，都是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加资料传输率。然而比较正确的解释，应该是说，网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。
由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距离，又增加天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不用额外占用频谱范围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。所以不少强调资料传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求，而采用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。
MIMO技术可以简单的认为多进多出（MIMO：Multiple Input Multiple Output）技术，是在上个世纪末美国的贝尔实验室提出的多天线通信系统，在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道。因此我们今天看到的MIMO 产品多数都不只一根天线。（如上图）。MIMO无线通信技术的概念是在任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。MIMO无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理，在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率。MIMO技术非常适用于室内环境下的无线局域网系统使用。采用MIMO技术的无线局域网系统在室内环境下的频谱效率可以达到20～40bps/Hz;而使用
传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1～5bps/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10～12bps/Hz。
“MIMO”一词泛指任何在传送器部分具有多重输入，与在接收器部分具多重输出的系统。虽然MIMO系统可能包含有线连结的装置，但整个系统通常是无线系统，例如多重天线系统、3G行动电话系统(无线系统)中所使用的Code Division Multiple Access(CDMA)系统，甚至是使用多条电话线多方通话(crosstalk)的DSL系统(有线系统)。MIMO并不是单一概念，而是由多种无线射频技术所组成，因此我们必须充份了解MIMO的运作和效能。当应用于WLAN时，有些MIMO技术能与现时的WLAN标准（如802.11a、802.11b与802.11g）相兼容，因而能扩充其传输范围；相反，有些MIMO技术则只能用于与一般WLAN标准不相容的MIMO 装置。
MIMO特色
通过多只天线同时进行收发，增加无线网络基地台的涵盖范围。
利用多重路径的设计方式，减少基地台数量，
不仅可以增加资料传输率，也能够增加无线网络客户端服务数量。
6.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。
参考资料：
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