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802.11n無線網絡技術剖析

2009-03-10
作者:ZDNet
IEEE 11n" title="802.11n">802.11n技術通過物理層和MAC層的技術改進實現了無線傳送速率的很大提升,使帶寬從54Mbps提升到300Mbps。

802.11n的核心——MIMO-OFDM

OFDM調制技術是將高速率的數據流調制成多個較低速率的子數據流,再通過已劃分為多個子載體的物理信道進行通訊,從而減少ISI(碼間干擾)機會。

MIMO(多入多出)技術是在鏈路的發送端和接收端都采用多副天線,將多徑傳播變為有利因素,從而在不增加信道帶寬的情況下,成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率,以達到WLAN系統速率的提升。

將MIMO與OFDM技術相結合,就產生了MIMO OFDM技術,它通過在OFDM傳輸系統中采用陣列天線實現空間分集,提高了信號質量,并增加了多徑的容限,使無線網絡的有效傳輸速率有質的提升。

雙頻帶(20-MHz和40-MHz帶寬)

IEEE 802.11n通過將兩個相鄰的20MHz帶寬捆綁在一起組成一個40MHz通訊帶寬,在實際工作時可以作為兩個20MHz的帶寬使用(一個為主帶寬,一個為次帶寬,收發數據時既可以40MHz的帶寬工作,也可以單個20MHz帶寬工作),這樣可將速率提高一倍。同時,對于IEEE 802.11a/b/g,為了防止相鄰信道干擾,20MHz帶寬的信道在其兩側預留了一小部分的帶寬邊界。而通過頻帶綁定技術,這些預留的帶寬也可以用來通訊,從而進一步提高了吞吐量。



圖 ?20/40-MHz帶寬的吞吐能力:

Short Guard Interval

Short GI(Guard Interval)是802.11n針對802.11a/g所做的改進。射頻芯片在使用OFDM調制方式發送數據時,整個幀是被劃分成不同的數據塊進行發送的,為了數據傳輸的可靠性,數據塊之間會有GI,用以保證接收側能夠正確的解析出各個數據塊。無線信號在空間傳輸會因多徑等因素在接收側形成時延,如果后續數據塊發送過快,會和前一個數據塊形成干擾,而GI就是用來規避這個干擾的。11a/g的GI時長為800us,而Short GI時長為400us,在使用Short GI的情況下,可提高10%的速率。另外,Short GI與帶寬無關,支持20MHz、40MHz帶寬。

數據鏈路層的優化

在信道的競爭中所產生的沖突,以及為解決沖突而引入的退避機制都大大降低了系統的吞吐量。802.11n為了解決MAC層的這兩個問題,采用了幀聚合(Frame Aggregation)技術和Block Acknowledgement機制。

幀聚合技術又包含針對MSDU的聚合(A-MSDU)和針對MPDU的聚合(A-MPDU):

A-MSDU

A-MSDU技術是指把多個MSDU通過一定的方式聚合成一個較大的載荷。這里的MSDU可以認為是Ethernet報文。通常,當AP或無線客戶端從協議棧收到報文(MSDU)時,會打上Ethernet報文頭,這里我們稱之為A-MSDU Subframe;而在通過射頻口發送出去前,需要逐一將其轉換成802.11報文格式。而A-MSDU技術旨在將若干個A-MSDU Subframe聚合到一起,并封裝為一個802.11報文進行發送。從而減少了發送每一個802.11報文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC頭的開銷,同時減少了應答幀的數量,提高了報文發送的效率。

A-MPDU

與A-MSDU不同的是,A-MPDU聚合的是經過802.11報文封裝后的MPDU,這里的MPDU是指經過802.11封裝過的數據幀。通過一次性發送若干個MPDU,減少了發送每個802.11報文所需的PLCP Preamble、PLCP Header,從而提高系統吞吐量。

Block Acknowledgement

為保證數據傳輸的可靠性,802.11協議規定每收到一個單播數據幀,都必須立即回應ACK幀。接收端在收到A-MPDU后,需要對其中的每一個MPDU進行處理,并針對每一個MPDU發送應答幀。

而Block Acknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答,以降低這種情況下ACK幀的數量。

Spatial Multiplexing Power Save

在使用802.11n服務時,由于安裝了多個天線,電源容量的問題顯得更為突出。因此802.11n協議在節省電源處理上做了改進,采用了Spatial Multiplexing(SM) Power Save技術,其技術原理在于當無數據轉發時,STA只有一個天線處于工作狀態,其余天線均處于休眠狀態,從而達到節省電源的目的。SM Power Save定義了兩種電源管理方式:動態SM Power Save和靜態SM Power Save。

向后兼容性

802.11n協議允許802.11a/b/g用戶的接入。802.11n設備發送的信號可能無法被802.11a/b/g的設備解析到,這樣造成802.11a/b/g設備直接往空中發送信號,導致信道使用上的沖突。為解決這個問題,當802.11n運行在混合模式(即同時有802.11a/b/g設備在網絡中)時,會在發送的報文頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g設備正確解析的前導碼。從而保證802.11a/b/g設備能夠偵聽到802.11n設備信號,并啟用沖突避免機制,進而實現802.11n的設備與802.11a/b/g設備的互通。
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