解析IEEE 802.11n的核心――MIMO-OFDM

IEEE 802.11n技術(shù)通過(guò)物理層和MAC層的技術(shù)改進(jìn)實(shí)現了無(wú)線(xiàn)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(shù)是將高速率的數據流調制成多個(gè)較低速率的子數據流，再通過(guò)已劃分為多個(gè)子載體的物理信道進(jìn)行通訊，從而減少I(mǎi)SI（碼間干擾）機會(huì )。
　　MIMO（多入多出）技術(shù)是在鏈路的發(fā)送端和接收端都采用多副天線(xiàn)，將多徑傳播變?yōu)橛欣蛩?，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(shù)相結合，就產(chǎn)生了MIMO OFDM技術(shù)，它通過(guò)在OFDM傳輸系統中采用陣列天線(xiàn)實(shí)現空間分集，提高了信號質(zhì)量，并增加了多徑的容限，使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的有效傳輸速率有質(zhì)的提升。

雙頻帶（20-MHz和40-MHz帶寬）
　　IEEE 802.11n通過(guò)將兩個(gè)相鄰的20MHz帶寬捆綁在一起組成一個(gè)40MHz通訊帶寬，在實(shí)際工作時(shí)可以作為兩個(gè)20MHz的帶寬使用（一個(gè)為主帶寬，一個(gè)為次帶寬，收發(fā)數據時(shí)既可以40MHz的帶寬工作，也可以單個(gè)20MHz帶寬工作），這樣可將速率提高一倍。同時(shí)，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(guò)頻帶綁定技術(shù)，這些預留的帶寬也可以用來(lái)通訊，從而進(jìn)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(jìn)。射頻芯片在使用OFDM調制方式發(fā)送數據時(shí)，整個(gè)幀是被劃分成不同的數據塊進(jìn)行發(fā)送的，為了數據傳輸的可靠性，數據塊之間會(huì )有GI，用以保證接收側能夠正確的解析出各個(gè)數據塊。無(wú)線(xiàn)信號在空間傳輸會(huì )因多徑等因素在接收側形成時(shí)延，如果后續數據塊發(fā)送過(guò)快，會(huì )和前一個(gè)數據塊形成干擾，而GI就是用來(lái)規避這個(gè)干擾的。11a/g的GI時(shí)長(cháng)為800us，而Short GI時(shí)長(cháng)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(wú)關(guān)，支持20MHz、40MHz帶寬。數據鏈路層的優(yōu)化
　　在信道的競爭中所產(chǎn)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(gè)問(wèn)題，采用了幀聚合（Frame Aggregation）技術(shù)和Block Acknowledgement機制。

幀聚合技術(shù)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(shù)是指把多個(gè)MSDU通過(guò)一定的方式聚合成一個(gè)較大的載荷。這里的MSDU可以認為是Ethernet報文。通常，當AP或無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端從協(xié)議棧收到報文（MSDU）時(shí)，會(huì )打上Ethernet報文頭，這里我們稱(chēng)之為A-MSDU Subframe；而在通過(guò)射頻口發(fā)送出去前，需要逐一將其轉換成802.11報文格式。而A-MSDU技術(shù)旨在將若干個(gè)A-MSDU Subframe聚合到一起，并封裝為一個(gè)802.11報文進(jìn)行發(fā)送。從而減少了發(fā)送每一個(gè)802.11報文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC頭的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)減少了應答幀的數量，提高了報文發(fā)送的效率。

　　A-MPDU
　　與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經(jīng)過(guò)802.11報文封裝后的MPDU，這里的MPDU是指經(jīng)過(guò)802.11封裝過(guò)的數據幀。通過(guò)一次性發(fā)送若干個(gè)MPDU，減少了發(fā)送每個(gè)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(xié)議規定每收到一個(gè)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(gè)MPDU進(jìn)行處理，并針對每一個(gè)MPDU發(fā)送應答幀。
　　而B(niǎo)lock Acknowledgement通過(guò)使用一個(gè)ACK幀來(lái)完成對多個(gè)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(wù)時(shí)，由于安裝了多個(gè)天線(xiàn)，電源容量的問(wèn)題顯得更為突出。因此802.11n協(xié)議在節省電源處理上做了改進(jìn)，采用了Spatial Multiplexing(SM) Power Save技術(shù)，其技術(shù)原理在于當無(wú)數據轉發(fā)時(shí)，STA只有一個(gè)天線(xiàn)處于工作狀態(tài)，其余天線(xiàn)均處于休眠狀態(tài)，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(dòng)態(tài)SM Power Save和靜態(tài)SM Power Save。

　　向后兼容性
　　802.11n協(xié)議允許802.11a/b/g用戶(hù)的接入。802.11n設備發(fā)送的信號可能無(wú)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(fā)送信號，導致信道使用上的沖突。為解決這個(gè)問(wèn)題，當802.11n運行在混合模式（即同時(shí)有802.11a/b/g設備在網(wǎng)絡(luò )中）時(shí)，會(huì )在發(fā)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(tīng)到802.11n設備信號，并啟用沖突避免機制，進(jìn)而實(shí)現802.11n的設備與802.11a/b/g設備的互通。