WLAN 80211n技術(shù)白皮書v100

1、H3C IEEE 802.11n技術(shù)白皮書關(guān)鍵詞：802.11n, MIMO, A-MPDU, A-MSDU, Short GI摘 要：本文講述了802.11n技術(shù)的特點(diǎn)，分析了802.11n的技術(shù)優(yōu)勢，并解釋了實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技 術(shù)?？s略語清單：縮略語英文全名中文解釋A-MSDUAggregate MAC Service Data Unit聚合媒介訪問服務(wù)數(shù)據(jù)單元A-MPDUAggregate MAC Service Data Unit聚合媒介訪問協(xié)議數(shù)據(jù)單元ACAccess Controller接入控制器APAccess Point無線接入點(diǎn)IEInformation Element信息元素GI

2、Guard Interval保護(hù)間隔HTHigh Throughput高吞吐MIMOMultiple Input, Multiple Output多入多出MSDUMAC Service Data Unit媒介訪問服務(wù)數(shù)據(jù)單元MPDUMAC Protocol Data Unit媒介訪問協(xié)議數(shù)據(jù)單元OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing正交頻分復(fù)用PLCPPhysical Layer Convergence Protocol物理層匯聚協(xié)議SISOSingle Input, Single Output單入單出STAStation無線站點(diǎn) TOC

3、o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1概述3 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 2技術(shù)應(yīng)用背景3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2.1技術(shù)優(yōu)點(diǎn)3 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2.2應(yīng)用限制3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3特性介紹4 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document

4、 3.1相關(guān)協(xié)議4 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3.2協(xié)議處理機(jī)制4 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.2.1物理層的優(yōu)化4 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層的優(yōu)化53.2.3向后兼容性8 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 4典型組網(wǎng)案例84.1 802.11n AP集中式管理組網(wǎng)案例84.2使用802.11n AP進(jìn)行大范圍室外覆蓋9 HYPERLINK l bo

5、okmark81 o Current Document 5支持802.11n技術(shù)的產(chǎn)品10 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 6總結(jié)和展望10 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 7參考文獻(xiàn)101概述無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)今應(yīng)用廣泛的無線技術(shù)，它的實(shí)用化程度高， 應(yīng)用成熟。隨著IP語音，網(wǎng)絡(luò)視頻等新興網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的出現(xiàn)，用戶對無線傳輸速率 的要求也越來越高，傳統(tǒng)的802.11a/b/g技術(shù)所能提供的帶寬已漸漸不能滿足用戶 的需求。IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)便應(yīng)運(yùn)而生，它定義了下一代的無線

6、局域網(wǎng)技術(shù)，旨 在提供支持對帶寬最為敏感的應(yīng)用所需的速率和可靠性。2技術(shù)應(yīng)用背景2.1技術(shù)優(yōu)點(diǎn)IEEE 802.11n技術(shù)主要依靠物理層和MAC層的技術(shù)改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)速率的提升。主要 應(yīng)用到的技術(shù)包含如下：MIMO，多入多出，在鏈路的發(fā)送端和接收端都采用多副天線，是將多徑傳播變 為有利因素，從而在不增加帶寬的情況下，成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利 用率，以達(dá)到WLAN系統(tǒng)速率的提升。雙頻帶(支持20/40M帶寬)，通過將兩個20MHz的帶寬綁定在一起組成一個 40MHz通訊帶寬，在實(shí)際工作時可以作為兩個20MHz的帶寬使用，收發(fā)數(shù)據(jù)時既 可以以40MHz的帶寬工作，也可以以單個20MHz帶寬工作

7、，從而將速率提高一 倍。Short Guard Interval(GI)，短保護(hù)間隔，射頻芯片在使用OFDM調(diào)制方式發(fā)送數(shù) 據(jù)時，整個幀是被劃分成不同的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行發(fā)送的，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù) 據(jù)塊之間會有GI，用以保證接收側(cè)能夠正確的解析出各個數(shù)據(jù)塊。無線信號在空 間傳輸會因多徑等因素在接收側(cè)形成時延，如果后面的數(shù)據(jù)塊發(fā)送的過快的話， 會和前一個數(shù)據(jù)塊的形成干擾，而GI就是用來規(guī)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。Frame Aggregation，幀聚合，通過把多個待發(fā)送的載荷聚合到一

8、起，一次性發(fā) 送，減小了多次報文發(fā)送所需的額外協(xié)議負(fù)荷，從而提高吞吐。SM Power Save，主要考慮在MIMO中如何通過關(guān)閉天線來節(jié)約電源。2.2應(yīng)用限制只有當(dāng)所有通訊各方同時遵循802.11n標(biāo)準(zhǔn)時，才能夠保證802.11n網(wǎng)絡(luò)的正常使用。3特性介紹3.1相關(guān)協(xié)議IEEE P802.11n3.2協(xié)議處理機(jī)制802.11n協(xié)議為提高處理性能，分別在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了優(yōu)化。以下針 對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的幾種重要的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行介紹。3.2.1物理層的優(yōu)化MIMO-OFDM - 802.11n的核心由于多徑效應(yīng)，信號在接收側(cè)將很容易發(fā)生符號間干擾(Inter-symbol Interfe

9、rence)，從而導(dǎo)致高誤碼率。OFDM調(diào)制技術(shù)是將一個物理信道劃分為多 個子載體(Sub-carrier)，將高速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制成多個較低速率的子數(shù)據(jù)流， 通過這些子載體進(jìn)行通訊，從而減少ISI機(jī)會，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐。MIMO (多入多出)技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻 譜利用率。其基本思路是在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通 道。傳輸信息流S(k)經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，1，.，N。這N個 子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機(jī)利 用先進(jìn)的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，這樣，MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng) 造多個

10、并行空間信道，解決了帶寬共享的問題。將MIM。與OFDM技術(shù)相結(jié)合，就產(chǎn)生了 MIMO OFDM技術(shù)，它通過在OFDM傳 輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，提高了信號質(zhì)量，并增加了多徑的容限， 使無線網(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)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(shí)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(fā)數(shù)據(jù)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11a/b/g，為了防止相鄰信道干擾，20MHz帶寬的信道在 其兩

11、側(cè)預(yù)留了一小部分的帶寬邊界。而通過頻帶綁定技術(shù)，這些預(yù)留的帶寬也可以用來通訊圖1 20/40-MHz帶寬的吞吐能力3. Short Guard Interval (GI)Short GI是802.11n針對802.11a/g所做的改進(jìn)。射頻芯片在使用OFDM調(diào)制方式 發(fā)送數(shù)據(jù)時，整個幀是被劃分成不同的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行發(fā)送的，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?性，數(shù)據(jù)塊之間會有GI(Guard Interval)，用以保證接收側(cè)能夠正確的解析出各 個數(shù)據(jù)塊。無線信號在空間傳輸會因多徑等因素在接收側(cè)形成時延，如果后面的 數(shù)據(jù)塊發(fā)送的過快的話，會和前一個數(shù)據(jù)塊的形成干擾，而6就是用來規(guī)避這個 干擾的。11a/g的GI時

12、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(guān)，支持20MHz、40MHz帶 寬。3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層的優(yōu)化802.11MA C協(xié)議耗費(fèi)了相當(dāng)部分的效率用作鏈路的維護(hù)，如在數(shù)據(jù)之前添加 PLCP Preamble，PLCP Header，MAC頭，以及每一個報頭的應(yīng)答幀(ACK)。同樣的，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(jī)制都大大降低了系統(tǒng)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(shù)和Block Acknowled

13、gement機(jī)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-MSDUA-MSDU技術(shù)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(rèn)為是Ethernet報文。通常，當(dāng)AP或無線客戶端從協(xié)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(fā)送出去前，需要一一將其轉(zhuǎn)換成802.11報文格式。而A-MDSU技 術(shù)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(jìn)行 發(fā)送。從而減少了發(fā)送每一個802.11報文所需的PLCP

14、 Preamble，PLCP Header 和802.11MA C頭的開銷，同時減少了應(yīng)答幀的數(shù)量，提高了報文發(fā)送的效率。A-MSDU報文是由若干個A-MSDU Subframe組成的，每個Subframe均是由 Subframe header (Ethernet Header)、一 個 MSDU 和 0-3 字節(jié)的填充組成。 TOC o 1-5 h z Odets； 6620-23040-3| 口丁saLgm | msdG PWing / Subframe Header (Etlieinet HeaderI/PLCP Predible PLCP Header 802.11 Header x-

15、MSDU Subfriril x-MSDU Subfrm2 x-MSDU Subfriri n FCS圖2 A-MSDU報文結(jié)構(gòu)A-MSDU技術(shù)只適用于所有MSDU的目的端為同一個HT STA的情況。A-MPDU與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經(jīng)過802.11報文封裝后的MPDU，這里 的MPDU是指經(jīng)過802.11封裝過的數(shù)據(jù)幀。通過一次性發(fā)送若干個MPDU，減少 了發(fā)送每個802.11報文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，從而提高系統(tǒng)吞 吐量。Reserved MPDU tength CRCDelimiEer Sig natureMPDU PadPLCP

16、 PreamblePLCPH已a(bǔ)derMACH已日d已rA-MPDU SubframelA-MPDUSubfram已功PLCP PLCP MAC A-MPDU A-MPDU圖3 A-MPDU報文組成A-MPDU報文格式如下：ReservedMPDU lengthCRCDelimiEer SignatureMPDUPad自 ils: BO B3 B4 B15 816 B2S B24B31其中MPDU格式和802.11定義的相同，而MPDU Delimiter是為了使用A-MPDU而 定義的新的格式。A-MPDU技術(shù)同樣只適用于所有MPDU的目的端為同一個HT STA的情況。Block Ackno

17、wledgement為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?02.11協(xié)議規(guī)定每收到一個單播數(shù)據(jù)幀，都必須立即 回應(yīng)以ACK幀。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要對其中的每一個 MPDU進(jìn)行處理，因此同樣針對每一個MPDU發(fā)送應(yīng)答幀。BlockAcknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應(yīng)答，以降低這種 情況下的ACK幀的數(shù)量。Block Ack機(jī)制分三個步驟來實(shí)現(xiàn)：通過 ADDBA Request/Response 報文協(xié)商建立 Block ACK 協(xié)定。協(xié)商完成后，發(fā)送方可以發(fā)送有限多個QoS數(shù)據(jù)報文，接收方會保留這些數(shù) 據(jù)報文的接收狀態(tài)，待收到發(fā)送方的Block

18、AckReq報文后，接收方則回應(yīng)以 BlockAck報文來對之前接收到的多個數(shù)據(jù)報文做一次性回復(fù)。通過DELBA Request報文來撤消一個已經(jīng)建立的Block Ack協(xié)定。(.c) Tear Down圖4 Block Ack工作機(jī)制(b) Dara & Block AckBlockAckSpatial Multiplexing Power Save電源容量永遠(yuǎn)是使用移動終端需要關(guān)注的一個話題，在使用802.11n服務(wù)時，由 于安裝了多個天線，電源容量的問題則顯得更為突出。因此802.11n協(xié)議在節(jié)省 電源處理上做了改進(jìn)，采用了 Spatial Multiplexing(SM) Power

19、Save技術(shù)，其主要 處理在于使得STA只有一個天線處于工作狀態(tài)，其余天線均處于休眠狀態(tài)，從而 達(dá)到節(jié)省電源的目的。SM Power Save定義了兩種電源管理方式：動態(tài)SM Power Sav e 和靜態(tài) SM Power Save0靜態(tài)SM Power Save：當(dāng)無線用戶處于靜態(tài)模式時，只有一個天線保持在工 作狀態(tài)，其余天線都處于睡眠狀態(tài)，相當(dāng)于一個普通的802.11a或802.11b/g 的用戶，通過這種方式來延長電源的供電時間。在進(jìn)入睡眠狀態(tài)時，無線用 戶會通知上行AP它已處于靜態(tài)模式，要求AP針對此用戶也同時單入單出 (SISO)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同理，在無線用戶恢復(fù)正常工作狀態(tài)

20、時，也會 通知AP切換到MIMO方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。動態(tài)SM Power Save：動態(tài)模式也只保留一個天線在工作狀態(tài)，但是當(dāng)無線 用戶收到數(shù)據(jù)報文時，它可以使其他天線迅速進(jìn)入工作狀態(tài)。報文處理完 后，它又可以將其余的天線恢復(fù)到睡眠狀態(tài)。這套通知機(jī)制是通過RTS、 CTS實(shí)現(xiàn)的。AP將通過RTS來喚醒無線用戶，而無線用戶則通過回應(yīng)CTS 報文來通知AP已經(jīng)成功恢復(fù)天線到工作狀態(tài)。3.2.3向后兼容性WLAN標(biāo)準(zhǔn)從802.11a/b發(fā)展到802.11g，再到現(xiàn)在的802.11n，提供良好的向后 兼容性顯得尤為重要。802.11g提供了一套保護(hù)機(jī)制來允許802.11b的無線用戶接 入802.11g網(wǎng)

21、絡(luò)。同樣的，802.11n協(xié)議提供相似的機(jī)制來允許802.11a/b/g用戶的 接入。802.11n設(shè)備發(fā)送的信號可能無法被802.11a/b/g的設(shè)備解析到，這樣造成 802.11a/b/g設(shè)備無法探測到802.11n設(shè)備，從而往空中直接發(fā)送信號，導(dǎo)致信道 使用上的沖突。為解決這個問題，當(dāng)802.11n運(yùn)行在混合模式(即同時有 802.11a/b/g設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中)時，會在發(fā)送的報文頭前添加能夠被802.11a或 802.11b/g設(shè)備正確解析的前導(dǎo)碼。從而保證802.11a/b/g設(shè)備能夠偵聽到802.11n 信號，并啟用沖突避免機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)802.11n的設(shè)備與802.11a/b/g設(shè)備的互 通。4典型組網(wǎng)案例4.1 802.11n AP集中式管理組網(wǎng)案例通過具有802.11n功能的AP與AC配合組網(wǎng)，AC作為無線數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)發(fā)中心，放 在企業(yè)的中心機(jī)房，AP則部署于企業(yè)的各種室內(nèi)、室外場所(室外組網(wǎng)需要與室外機(jī)箱配合使用）。AP