802.11n技术特点及其应用在WLAN中的性能概述

802.11n技术特点及其应用在WLAN中的性能概述

Zschis Ren J R HU 2011-12-16

802.11n技术特点

在WLAN网络广泛应用的同时，802.11技术也没有停止过发展的脚步，从1999年802.11基础技术协议面世，为WLAN提供了2Mbps的物理介入速率，一直到2009年陆续经历了802.11b的11Mbps，802.11a的54Mbps，802.11n的最高达450Mbps的物理速率（如下图1）。

图1 802.11的速率增长示意图

那么，到底哪些技术促成了802.11n如此高速的物理传输速率呢？

首先，通过调制方式将物理速率从802.11a/g的54Mbps提高到65Mbps，但这是单条流20MHz频宽的默认情况下；

其次，使用多输入多输出（MIMO）技术通过多条流同时发送数据，实现相同时间内成倍数据的发送，从而也成倍的提升物理传输速率。例如，在20MHz频宽800nsGI条件下，两条流同时发送可将物理速率从65Mbps提升到130Mbps，三条流则提升到195Mbps，如下表1；

表1 802.11n常见的物理速率（单位，Mbps）

再次，802.11n协议支持将相邻的两个频宽绑定一起使用，即由原来802.11a/g的20MHz 扩展为40MHz，使一条流800ns GI条件下物理速率从65Mbps 提升到135Mbps；

最后，将物理发送信号之间的保护间隔（GI，Guard Interval）从800ns 缩短到400ns，物理速率提升1.11倍，使一条流400ns GI条件下物理速率提升到150Mbps。

WLAN中的性能

将802.11n技术应用到WLAN网络中，其网络性能和吞吐也得到同比于物理速率的成倍提升吗？其实，802.11协议定义每发送一个报文都必然进行信道竞争，添加物理层报文头，对于单报文还要等待物理层发送的ACK确认报文，等等这些都要消耗信道资源。表2为发送1538 Bytes单播报文且无重传和错包情况下的性能对比。

表2 持续发送1538字节报文的理论性能对比

通过表2可以看到，虽然物理速率实现进6倍的提升，但性能并没有同比上升。所以，事实上在802.11n网络的应用中还增加了两个功能使WLAN性能得到提升：报文聚合A-MPDU 和Block ACK功能。

报文聚合A-MPDU功能使通过将多个MPDU聚合为一个物理层报文，只需要进行一次信道竞争或避让，就可完成N个MPDU的同时发送，从而减少发送N-1个MPDU报文所带来的信道资源消耗，充分提高了信道资源的利用率，提升WLAN网络性能。

Block ACK功能可以配合A-MPDU特性，对整个A-MPDU中所有802.11报文只需要一个Block ACK报文，从而减少信道资源消耗，也提升了网络性能。

至此我们可以了解，通过802.11n技术协议使物理速率实现近6倍提升，再结合报文聚合A-MPDU和Block ACK功能使WLAN网络性能得到同步提升。

802.11n的实际WLAN网络应用分析

所有的性能分析和测试都是在尽可能发送大的数据报文前提下获取的，只能在一定程度上体现理想环境的WLAN网络性能。具体的802.11n网络实际应用情况又会怎样呢？通过对一个校园的实际布网应用，抓包测试发现，11n的WLAN网络传输性能相对于11g也只是2~3倍的提升。

原因分析如下：

首先，报文聚合个数少，性能没有充分发挥。由于在纯11n客户端的WLAN网络中绝大多数报文聚合个数集中在3~4个左右（占网络总报文数50%以上），极少的超过32个报文的聚合（占网络总报文数不到1%），则此网络性能可能只达到60Mbps左右的传输速率。而在一个40MHz双流捆绑信道里，报文聚合数越多（但小于64个）则网络传输速率（最大达300Mbps）和信道利用率（达95%以上）越高。

其次，实际中往往是混合11n和11g的客户端。以上分析基于整个网络都是11n客户端情况，如果网络中同时存在11a和11g的客户端，则总性能肯定会大大缩小。如表3所示。

表3 11n网络应用性能分析

再次，网络中存在非业务报文消耗信道资源。有以下几方面：AP定期持续发送Beacon 报文提供客户端所搜索接入；客户端定期持续发送probe request报文搜索AP请求接入；AP 收到probe request报文需回应probe response报文；上述的管理报文需要使用强制的最低物理速率发送，低物理速率会使整个WLAN网络性能下降；在AP覆盖边缘区，客户端信号强度比较低，数据报文的发送也会使用比较低的物理速率，这会降低整个网络性能。

影响和制约WLAN网络实际应用的因素

通过上述分析，可以确定以下的环境和网络因素都会制约着整个WLAN网络的应用性能和用户实际使用感受：

1.实际网络环境中，可能存在多个WLAN网络，它们实际上共享着一个信道资源和性能，

在2.4G频段上只有1，6，11信道是互不干扰的，在高密度的大型WLAN网络中，同一信道会被不同AP使用，当这些同信道的AP的覆盖存在重复区域时，就会存在互相干扰问题；

2.众多的WLAN网络设备会造成冲突和退让，导致报文重传和丢失，造成无谓信道资源消

耗，降低整个WLAN网络性能；

3.AP设备和无线终端随意的位置会带来众多的隐藏节点，同样带来冲突和干扰，造成信

道资源消耗，降低网络性能；

4.众多的无线终端和AP，为了完成WLAN服务的发现，会带来信道中出现大量的管理报

文，这些报文通常按照较低的物理速率发送，需要消耗信道资源；

5.网络中充斥的大量广播报文，通常也按照较低的物理速率发送，需要消耗信道资源；

6.不同技术协议（11n和11g）无线终端的混合在WLAN网络中，同样会消耗信道资源，

降低网络性能；

7.默认大部分的AP设备不会控制WLAN网络覆盖边缘的客户端接入，而这些接入信号强

度弱和物理速率低，同样会使整个WLAN网络性能降低；

8.存在非WLAN干扰源，它们是与WLAN一样工作在2.4G和5G频段的设备，包括微波炉、

无声电话、蓝牙设备、无限摄像机、户外微波链路、无线游戏控制器、Zigbee、WiMax 等。

在实施802.11n的WLAN网络时候，应针对以上制约因素，笔者这里提供几点参考：1.在AP布局的时候，同楼层相邻AP间和上下楼层相邻AP间均使用不同的信道，避免信

号覆盖区重叠；

2.采用策略配置AP，避免广播包等非业务报文占用网络资源；

3.使用同一协议标准的客户端（如802.11n），避免低速率客户端降低整体网络性能；

4.使用信道复用技术提高信道空闲扫描同时减低接受灵敏度，进而避免AP冲突和退避发

生；

5.采用AP智能负载均衡技术，让客户端自动接入负载轻的AP上，降低AP冲突比例；

6.采用频谱导航功能，将双频用户尽量阴道到5G频段上来，降低2.4G上的负荷。5G上

的非WLAN设备也相对少得多，信道数量多，能够得到非常好的性能；

以上是一般性参考，毕竟实施WLAN网络的条件复杂，应用系统的数据传输各有特点，室内空间间隔布局多样，WLAN网络中其它无线终端众多，等等这些因素都需要在实施过程中，结合上文所述WLAN性能制约因素进行设计和动态调整，以达到理想的WLAN网络性能和用户使用感受。