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無(wú)線技術(shù)憑借其固有的特性不斷地發(fā)展和增值。從最開始的802.11到802.11 a/b，再到802.11 g 和現(xiàn)在的802.11n標(biāo)準(zhǔn)。從開始到最終獲準(zhǔn)正式發(fā)布具有多項(xiàng)增強(qiáng)功能的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，一共花費(fèi)了超過七年的時(shí)間。
802.11n技術(shù)
在過去的七年里，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織一直致力于研究一套新的標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)在提供新功能的同時(shí)也標(biāo)準(zhǔn)化了802.11射頻功能的提升。新標(biāo)準(zhǔn)明顯改進(jìn)了802.11通信的可靠性、無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍的可預(yù)測(cè)性和增強(qiáng)802.11設(shè)備總的吞吐量。同時(shí)向后兼容傳統(tǒng)的802.11環(huán)境。
最初的802.11n標(biāo)準(zhǔn)很大程度上是基于802.11n Wi-Fi 聯(lián)盟2.0版本的草案，并且包括了以下的關(guān)鍵設(shè)備要求。這些關(guān)鍵的設(shè)備要求現(xiàn)已在最終的版本里都已經(jīng)包括：
*MIMO-描述了多進(jìn)多出（MIMO）技術(shù)的使用；
*射頻增強(qiáng)-增加了信道容量，更高的調(diào)制速率和更低的系統(tǒng)開銷；
*MAC 增強(qiáng)-在現(xiàn)有802.11設(shè)備數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上修改了能為802.11n使所用的幀格式；
MIMO
多進(jìn)多出（MIMO）技術(shù)是802.11n標(biāo)準(zhǔn)的核心。這個(gè)MIMO技術(shù)的討論提供了理解802.11n如何實(shí)現(xiàn)600Mbps速率的一個(gè)基礎(chǔ)。
無(wú)線通信的本質(zhì)是很容易受到各種干擾、失真或噪聲的影響。與有線技術(shù)類似，信噪比（SNR）的效益對(duì)高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰χ陵P(guān)重要。信噪比的值越大，信號(hào)所能承載的信息量就越多，并且在接收端所能復(fù)原的信息量也越多。
802.11n 使用兩種有趣的技術(shù)來改善信噪比和存在多徑效應(yīng)的環(huán)境：波束成形和多路空間分集。下面的章節(jié)描述了它們的功能以及好處。
傳輸?shù)牟ㄊ尚渭夹g(shù)
波束成形是在一個(gè)開放或較少障礙物的環(huán)境下有多根發(fā)射天線和單根接收天線時(shí)使用的一項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)有多根發(fā)射天線時(shí)，每個(gè)被發(fā)送的射頻信號(hào)在傳輸時(shí)由于傳輸路徑不同會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不同的相位。這些差值將影響總體的信噪比。通過調(diào)整發(fā)射信號(hào)的相位從而在接收端它們能進(jìn)很好地匹配，信噪比將會(huì)有大幅的提高。因此發(fā)射端信號(hào)就能承載更多的信息并且接收端也能復(fù)原更多的信息。
至此，我們注意到這種特殊的方法緊密地依賴于發(fā)射端和接收端之間的反饋機(jī)制。接收端接收到無(wú)線信號(hào)上的信息將會(huì)返回到發(fā)射端，從而讓發(fā)射端去調(diào)整它的射頻信號(hào)。
*當(dāng)實(shí)施波束成形技術(shù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：
1. 這個(gè)特殊技術(shù)只對(duì)802.11n發(fā)射端和接收端有效；
2. 僅應(yīng)用在只發(fā)送信號(hào)到單個(gè)接收端的情況下；
3. 接收端和發(fā)射端之間的反饋機(jī)制不是直接和瞬間的。如果發(fā)射端或接收端位置改變，則需要重建之間的關(guān)系；
多徑或空間分集
MIMO 技術(shù)同時(shí)利用多個(gè)射頻信號(hào)，每個(gè)信號(hào)由對(duì)應(yīng)的天線發(fā)送出去屬于自己的空間流。在典型的無(wú)線環(huán)境下，任何的發(fā)射信號(hào)無(wú)疑都會(huì)碰到一些干擾或反射體。隨著發(fā)射端數(shù)量的增多，發(fā)射信號(hào)的數(shù)量也會(huì)增多。因此，信號(hào)將從不同的路徑在不同的時(shí)間被接收。這種情況被稱為多徑。
由于每個(gè)天線的功能彼此獨(dú)立，不同數(shù)據(jù)流有自己的發(fā)射源。在接收端，來自于每個(gè)射頻的每個(gè)數(shù)據(jù)流會(huì)被組合起來，在復(fù)雜的運(yùn)算之后，形成一個(gè)更清晰或更強(qiáng)的信號(hào)從而達(dá)到更高的信噪比。
射頻增強(qiáng)
除了引入更高效的天線以外，802.11n做了額外的射頻改進(jìn)來提高WLAN的有效吞吐量。其中最重要的改進(jìn)是增加頻帶寬度、采用更高的調(diào)制速率和減少開銷。下面的章節(jié)將描述每個(gè)改進(jìn)和它們對(duì)WLAN吞吐量的影響。
20MHz及40MHz信道
為了理解射頻增強(qiáng)技術(shù)及其對(duì)WLAN性能的總體提升，有必要對(duì)頻譜效率和信道綁定的背景知識(shí)有所了解。
在最初的802.11和802.11b標(biāo)準(zhǔn)里，他們的頻譜效率或頻寬為0.5 bits/Hz；802.11a和802.11g的頻譜效率為2.7 bits/Hz@ 54Mbps。頻譜效率越高，有限的頻帶空間利用效率也越高。
除了頻譜效率外，一些專有的WLAN 系統(tǒng)使用被稱為“Super G”或“信道綁定”的智能技術(shù)來綁定兩個(gè)802.11g（54Mbps）頻道來提供高達(dá)108Mpbs的速率。
通過信道綁定技術(shù)，雖然頻譜效率與802.11a和802.11g一樣，但是頻帶寬度卻是兩倍。這提供了一個(gè)兩倍數(shù)據(jù)傳輸速率的簡(jiǎn)單方法。
在新的802.11n標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)關(guān)鍵的增強(qiáng)功能是高效地使用了20MHz及40MHz的信道。與其它專有產(chǎn)品類似，802.11n標(biāo)準(zhǔn)中40MHz的信道由兩個(gè)20MHz的信道綁定組成。使用40MHz綁定信道，802.11n利用每個(gè)20MHz信道在頻帶的頂部及底部保留用來降低相鄰信道干擾的少量信道來傳輸信號(hào)。低信道的頂部和高信道的底部將不再保留用來避免干擾。這些一小部分的信道可用于承載信息。通過這種更高效地使用兩個(gè)20MHz信道的方法，當(dāng)從20MHz過渡到40MHz信道時(shí)，802.11n可實(shí)現(xiàn)略高于原本20MHz兩倍的數(shù)據(jù)傳輸速率（參見圖1）。
圖1：20MHz和40MHz信道
更高的調(diào)制速率
802.11n標(biāo)準(zhǔn)使用一個(gè)眾所周知的被稱為正交頻分復(fù)用（OFDM）的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，它把一個(gè)射頻信道分割成大量的更小的具有自己子載波信號(hào)的信道（參見上圖1）。每個(gè)載波信號(hào)都獨(dú)立地承載信息。就像把一組獨(dú)立的射頻捆綁在一起同時(shí)進(jìn)行傳輸。
802.11n標(biāo)準(zhǔn)在每個(gè)20MHz信道中子載波的數(shù)量從48 個(gè)增加到52 個(gè)。對(duì)于只有單個(gè)傳輸射頻的系統(tǒng)，這稍微增加數(shù)據(jù)傳輸速率到最大65Mbps。802.11n為一個(gè)發(fā)射器提供8個(gè)速率可供使用，同時(shí)可使用的發(fā)射器的數(shù)量增加到4 個(gè)。對(duì)于兩個(gè)發(fā)射器，最大的速率可達(dá)到130Mbps。三個(gè)發(fā)射器則可提供最大195Mbps的速率。最多四個(gè)發(fā)射器可達(dá)到260Mbps。在20MHz信道802.11n總共能提供多達(dá)32 個(gè)速率集。
當(dāng)使用40MHz信道時(shí)，802.11n增加子載波的數(shù)量到108 個(gè)。從而為1 到4 個(gè)發(fā)射器分別提供最大135Mbps，270 Mbps，405 Mbps 和540 Mbps的速率。相同地，40MHz每個(gè)發(fā)射器有8個(gè)速率集，總計(jì)32 個(gè)速率集。
降低開銷：保護(hù)間隔
OFDM包含一種多徑環(huán)境下防止碼間干擾的安全機(jī)制。在前一個(gè)符號(hào)還未被完全接收一個(gè)新的符號(hào)就已到達(dá)接收端的情況下產(chǎn)生了碼間干擾（參見圖2）。
圖2：保護(hù)間隔
802.11n使用800納秒的保護(hù)間隔，允許800英尺的多徑差異。然而，假定接收器和發(fā)射器之間800英尺的多徑差異對(duì)于多徑環(huán)境來說并不太嚴(yán)格，這時(shí)可以降低保護(hù)間隔。802.11n 的保護(hù)間隔能夠被配置成400 納秒或4微秒。這個(gè)小的改動(dòng)可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于20MHz信道而言，降低保護(hù)間隔后1 到4 個(gè)發(fā)射器的最大速率可分別可達(dá)到72Mbps、144Mbps、216Mbps和288Mbps；對(duì)于40MHz 信道，最大速率可達(dá)到150Mbps、300Mbps、450Mbps和600Mbps。
MAC層增強(qiáng)
在前面的文章中我們了解到射頻的改善如何提高了傳輸?shù)男阅堋Ｈ欢@些改進(jìn)也僅僅是性能的提升。
每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文或數(shù)據(jù)幀都有一定的開銷。更準(zhǔn)確地說，就是MAC層協(xié)議的開銷。除這些開銷之外，幀間間隔和確認(rèn)機(jī)制也會(huì)降低有效的最大吞吐量。802.11n引入了一些改進(jìn)來優(yōu)化MAC層協(xié)議的開銷。
為了減少開銷，802.11n引入了幀聚合。幀聚合本質(zhì)上是將兩個(gè)或更多的幀組合成一個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。802.11n提供了兩種幀聚合的方法：MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU）聚合和信息協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MSDU）聚合。兩種聚合方式減少開銷到每次數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)只有一個(gè)射頻前導(dǎo)（參見圖3）。
圖 3：幀聚合
MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元聚合（A-MPDU）
A-MPDU的工作機(jī)制和A-MSDU不同。MPDU聚合把每個(gè)以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換成802.11的格式然后再將這些幀按相同的目的地址搜集起來，而不是直接搜集以太網(wǎng)幀。因?yàn)樗鸭臄?shù)據(jù)幀已經(jīng)封裝了802.11MAC幀頭，從而不再需要封裝另外的802.11幀結(jié)構(gòu)（參見圖4）。
圖 4： A-MPDU幀
因?yàn)轭~外開銷是聚合幀的一部分，所以MPDU效率較低。圖4 顯示的是具有一個(gè)包頭和有效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀格式。此外，當(dāng)把加密包括在內(nèi)時(shí)效率將會(huì)進(jìn)一步降低。
另外一個(gè)值得關(guān)注的特性是部分A-MPDU采用塊確認(rèn)機(jī)制。通過塊確認(rèn)機(jī)制，接收方返回一個(gè)ACK確認(rèn)幀給發(fā)送方作為對(duì)任意未被確認(rèn)的幀的統(tǒng)一確認(rèn)。在大量錯(cuò)誤不可避免的環(huán)境下，確認(rèn)幀數(shù)量的減少至關(guān)重要。
MAC 服務(wù)數(shù)據(jù)單元聚合（A-MSDU）
A-MSDU是兩種幀聚合中更高效的一種。A-MSDU的工作機(jī)制是聚合具有相同目的地的以太網(wǎng)幀，并封裝它們到一個(gè)802.11幀里然后傳輸這個(gè)802.11封裝的聚合以太網(wǎng)幀（參見圖5）。
圖5：MSDU聚合幀
與MPDU聚合幀中的每個(gè)子幀都有一個(gè)幀頭不同，MSDU只包含一個(gè)由radio preamble、radio header和MAC header組成的幀頭。另外，MSDU僅對(duì)整個(gè)聚合幀加密，然而MPDU 每個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)幀都被加密。
與MPDU相似，MSDU 聚合幀中的所有幀必須有相同的QoS等級(jí)。不允許將語(yǔ)音幀和best-effort幀合成一個(gè)聚合幀。
隨著802.11n標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，無(wú)線技術(shù)變得越來越成熟并通過關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)為目前及將來的企業(yè)帶來更大的好處。
802.11n標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)功能具有以下的關(guān)鍵好處：
憑借著802.11n標(biāo)準(zhǔn)的好處，企業(yè)部署無(wú)線技術(shù)更趨向于考慮使用802.11n。這個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)可以增加每個(gè)無(wú)線客戶端的WLAN容量和吞吐量，同時(shí)保持低成本、部署時(shí)間短、投資回報(bào)快和無(wú)縫過渡的優(yōu)勢(shì)。
