1.3.6 IEEE 802.11n

IEEE 802.11n的提出是为增加IEEE 802.11设备的吞吐量，而不是简单地建立高比特率的无线传输能力。IEEE 802.11n除了提供更高的比特率，还改变了IEEE 802.11设备之间通信的帧格式。本小节将介绍IEEE 802.11n的关键特性，包括MIMO、无线增强特性和MAC增强特性。IEEE 802.11g和IEEE 802.11b运行在2.4 GHz的频段或者5 GHz的频段上。而IEEE 802.11n工作在2.4 GHz或5 GHz，或者同时两个频段上，从而提供了对IEEE 802.11a/b/g的向下兼容性。目前市场上绝大多数的Wi-Fi设备和无线接入点都是支持双频段（2.4 GHz和5 GHz）。利用5 GHz的IEEE 802.11n将能够为商业级用户提供更大的接入容量和更不易受干扰的频段。

基于IEEE 802.11n的无线解决方案利用如下几项技术来提供网络高性能、高可靠性和高可预言性：

● 多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术；

● 数据包聚合（Packet aggregation）技术；

● 通道绑定（Channel bonding）技术。

上述三项关键技术结合起来能够让IEEE 802.11n提供5倍于IEEE 802.11a/b/g的网络性能。在同时传2路流的情况下，IEEE 802.11n的最高无线接入速率目前为300 Mbps，实际吞吐量可以超过150 Mbps；将来IEEE 802.11n同时传4路流时，IEEE 802.11n的最高无线接入速率目前为600 Mbps，实际吞吐量可以超过300 Mbps。

1．MIMO

多输入多输出（MIMO）技术是IEEE 802.11n的核心。在传统单输入单输出无线传输中，接收的无线信号中携带的信息量的多少取决于接收信号的强度超过噪声强度的多少，也就是信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）。SNR通过分贝（dB）来表示，信噪比越大，信号能承载的信息量就越多，在接收端复原的信息量也越多。

一旦达到了允许信息交换的最小SNR，额外的SNR可以用来增加信息速率，增加距离，或者二者均增加一些。MIMO技术利用其他技术来改进接收端的SNR，其中一项技术叫做传输波束成形。当有多个发射天线时，可以调整从各个天线发出的信号，使得接收端信号强度有显著的改善，该技术一般用于接收端只有单天线和表面反射障碍较少（如空旷环境）的情况。

要了解传输波束成形，可以认为无线信号是一种具有特定波长的波形。当从不同的天线发送两个无线信号时，这些信号在接收端天线进行叠加，如图1-23所示。由于传播的路径不同，两个信号在接收端存在相差，这种差异影响接收端总体的信号强度，通过微调发射端无线信号的相位，可以最大化接收端信号强度，即增加SNR，这就是传输波束成形的工作——在接收端对发送端进行聚焦，如图1-24所示。

如果没有接收端接收信号的信息，传输波束成形很难在发射端完成。这种反馈只有IEEE 802.11n设备提供，IEEE 802.11a/b/g设备均不能提供。为了最大化接收端的信号，接收端必须将反馈发往发射端，发射端才能够据此调整其发送的各个信号。该反馈不是立即的，而且只在很短的时间内有效。任何物理上的移动（发射端、接收端、或周围的环境）都会使这些用户波束成形的参数失效。2.4 GHz的无线电的波长只有120 mm，而5 GHz的无线电波只有55 mm，因此，普通步行速度1 m/s 会迅速地将接收端排除在波束成形的有效范围之外。

波束成形只适用于单接收者，在进行广播或者组播时无法对发射信号的相位进行优化。因此，在普通的网络应用中，波束成形的作用受到了限制，只能改善单播情况下接收端的SNR。波束成形可以增加距离AP较远时的速率，但不能增加AP 的覆盖范围，这在很大程度上是由从AP接收信标的能力决定的，而信标是一种组播传送，并不会从波束成形中受益。

对于典型的室内 WLAN 部署，例如，办公室，无线信号很少通过直接的最短的路径传送到接收端，因为发射端和接收端很少在视线范围之内，通常都会有隔板、门或者其他阻碍视线的障碍物，在信号穿透这些障碍物时，信号强度都会减弱。幸运的是，大多数障碍物都会像镜面反射光一样反射无线信号。

想象一下所有的金属表面，不论大小，实际上就是镜子。螺钉、门框和天花板吊顶等都是无线信号的反射体。可能在这些镜子同时看到同一个WLAN AP，有一些AP 的图像是通过单个镜子直接反射的，而有一些可能是间接反射的，这种现象叫做多径效应，如图1-25所示。

当信号通过不同的路径传播到单个接收者时，信号到达时间取决于路径的长度，路径最短的信号最早到达，接下来是经过较长路径的信号的副本或者回声。当通过光速传播时，无线信号也是如此，第一个信号和其他副本到达的时延非常小，通常在纳秒级，但这个实验足以显著减弱单天线的信号，因为所有的副本都干扰第一个到达的信号。

MIMO无线传输同时发送多个无线信号，并且利用多径效应。每个信号称为空间流。每个空间流都从自己的天线发送，使用自己的发射器。由于在各个天线之间存在空间，每个信号都会通过略微不同的路径发送给接收端。这叫做空间分集。每个无线电波都可以传送不同于其他无线电波的数据流。接收端也有多个天线，每个天线有自己的无线电波接收器，每个接收器都对收到的信息进行独立解码，如图1-26所示。然后将各个无线电接收器收到的信号组合起来，通过复杂的运算，结果会比通过单个天线或者波束成形收到的信号好得多。MIMO的优点之一就是显著改进SNR，为WLAN系统设计者提供更高的灵活性。

MIMO系统由系统中发射机及接收机数目命名。如，2×1表示两个发射机及一个接收机。IEEE 802.11n定义了一系列不同数目的发射机及接收机组合，从2×1，即发送端波束形成，到4×4。系统每增加一个发射机或接收机都会提高系统信噪比，然而，每个新增发射机或接收机增加的信噪比增益值会快速递减。从2×1 到 2×2 到3×2，信噪比的增加是非常明显的，然后，从3×3之后，信噪比增幅则比较小，多个发射机的应用体现了MIMO的第二个优势：即采用不同的空间信息流分别承载各自的信息，从而大大提高了数据传输速度。

2．物理射频增强

IEEE 802.11n除了使用MIMO技术外，还使用增大信道，采用更高的调制速率，同时还减少冗余数据等射频技术，提高了 WLAN 的有效吞吐。下面将介绍新应用的射频技术及其对WLAN吞吐量的影响，首先介绍20 MHz和40 MHz信道，如图2-27所示。

原本的IEEE 802.11直接序列射频和IEEE 802.11b增强标准使用的信道带宽为22 MHz。IEEE 802.11a及IEEE 802.11g使用20 MHz带宽信道。因为IEEE 802.11g是IEEE 802.11b的增强，故其也使用22 MHz带宽。吞吐量大小、带宽及射频信道是衡量射频效率的重要标准，称为频谱效率，以比特每赫兹（bit/Hz）为单位。IEEE 802.11b的频谱效率为0.5 bit/Hz，IEEE 802.11a和IEEE 802.11g有稍高的频谱效率，在54 Mbps时可达到2.7 bits/Hz。

使用完全相同的技术，IEEE 802.11a和IEEE 802.11g的专有网络有时可到达108 Mbps。这些专有系统使用简单的技术把IEEE 802.11a/g速率增强到原来的两倍，这种技术称为“信道绑定”，即同时利用两个信道传输。采用信道绑定，频谱效率跟原先的IEEE 802.11a/g相同，而信道带宽是后者的两倍，这就提供了一种简单的将速率提高到两倍的方法。

IEEE 802.11n使用20 MHz和40 MHz信道，与前面提到的专有产品类似，40 MHz信道由两个相邻的20 MHz信道组成，若采用原先单独的20 MHz信道，信道最低就最高频段保留一部分带宽避免信道间干扰，而当使用40 MHz绑定信道时，这些保留带宽可以用来传输信息。通过利用保留带宽，IEEE 802.11n的信道应用效率更高，通常可比20 MHz带宽的两倍要稍高，如图1-27示。

最初的IEEE 802.11直接序列射频从发射端到接收端使用一个符号代表一个比特（或一组比特）。每个符号持续1微秒。每个符号由固定长度的11个码片组成。每个码片采用相移键控（PSK）调制。若采用1 Mbps的数据率，每微秒发送一个采用二进制相移键控技术调制的符号。同理，2 Mbps每微秒发送两个采用四相移键控（QPSK）的符号。IEEE 802.11b 通过把更多比特信息编码成一个符号的同时，采用四相移键控，延伸了直接序列射频效率。因此，IEEE 802.11b的速率达到11 Mbps。

IEEE 802.11a/g改变了信息在射频信号传输的方式，这些标准采用了一种新调制解调技术：正交频分复用（OFDM），OFDM 把信道分割成大量子信道，每个子信道采用各自子载波信号（如图26所示），每个载波信号可以独立携带信息，这样做的效果几乎等同于同时进行几个独立射频传输。

在IEEE 802.11a/g中，每个符号持续4微秒，包括800纳秒的保护间隔。若采用最高的传输速率54 Mbps，每个符号要携带216比特信息，这些数字比特分布在48个子载波中。另外，当传输速率为54 Mbps时，每个符号包含72比特纠错信息，即一个符号达到288比特。为了把这么多比特包含在一个符号里，子载波采用64位四进制幅度调制（64QAM），为IEEE 802.11b的16倍调制速率。也就是说，每个子载波能携带6比特信息（包括数据信息及纠错码）。

与IEEE 802.11a/g 一样，IEEE 802.11n继续采用OFDM，4微秒信号。然而，IEEE 802.11n把每个20 MHz信道的子载波数由48提高到52。由此，对单一传输射频，速率可以达到最大65 Mbps。IEEE 802.11n为发射机提供了8个数据传输速率选项，同时发射机数目也提高到最多可达4个。对于两个发射机，最大速率为130 Mbps。3个发射机可提供的最大速率为195 Mbps。4个则为260 Mbps。在20 MHz信道中，IEEE 802.11n一共能提供多达32个数据传输速率。

当采用40 MHz信道时，IEEE 802.11n把可用子载波数提高到108，从而为1～4个发射机分别可提供最大的速率为135 Mbps，270 Mbps，405 Mbps，540 Mbps，其中每个发射机有8个数据传输速率选项，对4个发射机而言，总共32个。

以上讨论的速率对所有子载波都基于相同的调制方式，如所有子载波采用QPSK或者64 QAM，这与IEEE 802.11a/g技术是一致的。IEEE 802.11n可以对不同的流采用不同调制方式。比如，一些数据流采用QPSK，其他采用16QAM，余下的则采用64 QAM。通过这项技术，大大提高了可用速率的数目。然而，发射机需要接收机提供反馈信息才能判断对于不同的数据流应采用何种调制方法，而这在实际应用中是比较难实现的。

保护间隔是 OFDM 符号中用于减少符号间干扰的时间。在多径环境下，后一符号的前端比前一符号的末端更快到达接收机，从而引致符号间产生干扰。前、后符号从不同路径到达，前一符号尚未被接收机完全接收，后一符号却从一个更短路径到达，如图1-28所示。符号间干扰会降低射频链路的信噪比（SNR）。保护间隔是前、后符号间的一段空白时间，可以为迟到信号提供更长的缓冲时间。保护间隔长度根据多径状态选择。在最多800英尺的路径差异下，IEEE 802.11a/g使用800纳秒的保护间隔。

IEEE 802.11n也默认采用800纳秒保护间隔。然而，假如在多径环境中，最长径与最短径差异远小于800英尺，IEEE 802.11n采用400纳秒的保护间隔，这使符号长度从4微秒减少到3.6微秒。减少的符号时间会相应提高数据速率。对于20 MHz信道，采用1～4个发射机的最大数据速率分别为72 Mbps，144 Mbps，216 Mbps和288 Mbps，对于40 MHz信道，则为150 Mbps，300 Mbps，450 Mbps和600 Mbps。