解析IEEE 802.11n的核心——MIMO-OFDM

IEEE 802.11n技術(shù)通過物理層和MAC層的技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)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(diào)制技術(shù)是將高速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制成多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，再通過已劃分為多個(gè)子載體的物理信道進(jìn)行通訊，從而減少ISI（碼間干擾）機(jī)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，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(tǒng)的容量和頻譜利用率，以達(dá)到WLAN系統(tǒng)速率的提升。
　　將MIMO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(hào)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）
　　IEEE 802.11n通過將兩個(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(shù)據(jù)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(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，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(diào)制方式發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，整個(gè)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(huì)有GI，用以保證接收側(cè)能夠正確的解析出各個(gè)數(shù)據(jù)塊。無線信號(hào)在空間傳輸會(huì)因多徑等因素在接收側(cè)形成時(shí)延，如果后續(xù)數(shù)據(jù)塊發(fā)送過快，會(huì)和前一個(gè)數(shù)據(jù)塊形成干擾，而GI就是用來規(guī)避這個(gè)干擾的。11a/g的GI時(shí)長為800us，而Short GI時(shí)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。數(shù)據(jù)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(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(gè)問題，采用了幀聚合（Frame Aggregation）技術(shù)和Block Acknowledgement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-MSDU
　　A-MSDU技術(shù)是指把多個(gè)MSDU通過一定的方式聚合成一個(gè)較大的載荷。這里的MSDU可以認(rèn)為是Ethernet報(bào)文。通常，當(dāng)AP或無線客戶端從協(xié)議棧收到報(bào)文（MSDU）時(shí)，會(huì)打上Ethernet報(bào)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，需要逐一將其轉(zhuǎn)換成802.11報(bào)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(bào)文進(jìn)行發(fā)送。從而減少了發(fā)送每一個(gè)802.11報(bào)文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC頭的開銷，同時(shí)減少了應(yīng)答幀的數(shù)量，提高了報(bào)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802.11報(bào)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(gè)MPDU，減少了發(fā)送每個(gè)802.11報(bào)文所需的PLCP Preamble、PLCP Header，從而提高系統(tǒng)吞吐量。

　　Block Acknowledgement
　　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(gè)單播數(shù)據(jù)幀，都必須立即回應(yīng)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(yīng)答幀。
　　而Block Acknowledgement通過使用一個(gè)ACK幀來完成對多個(gè)MPDU的應(yīng)答，以降低這種情況下ACK幀的數(shù)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，電源容量的問題顯得更為突出。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 Save技術(shù)，其技術(shù)原理在于當(dāng)無數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，STA只有一個(gè)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(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用戶的接入。802.11n設(shè)備發(fā)送的信號(hào)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)備直接往空中發(fā)送信號(hào)，導(dǎo)致信道使用上的沖突。為解決這個(gè)問題，當(dāng)802.11n運(yùn)行在混合模式（即同時(shí)有802.11a/b/g設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中）時(shí)，會(huì)在發(fā)送的報(bào)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設(shè)備信號(hào)，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。