解析IEEE 802.11n的核心——MIMO-OFDM

IEEE 802.11n技術通過物理層和MAC層的技術改進實現(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)制技術是將高速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制成多個較低速率的子數(shù)據(jù)流，再通過已劃分為多個子載體的物理信道進行通訊，從而減少ISI（碼間干擾）機會。
　　MIMO（多入多出）技術是在鏈路的發(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，以達到WLAN系統(tǒng)速率的提升。
　　將MIMO與OFDM技術相結合，就產(chǎn)生了MIMO OFDM技術，它通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(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通過將兩個相鄰的20MHz帶寬捆綁在一起組成一個40MHz通訊帶寬，在實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。而通過頻帶綁定技術，這些預留的帶寬也可以用來通訊，從而進一步提高了吞吐量。
　　

                                    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。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)塊進行發(fā)送的，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑪?shù)據(jù)塊之間會有GI，用以保證接收側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形成時延，如果后續(xù)數(shù)據(jù)塊發(fā)送過快，會和前一個數(shù)據(jù)塊形成干擾，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。另外，Short GI與帶寬無關，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）技術和Block Acknowledgement機制。

幀聚合技術又包含針對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可以認為是Ethernet報文。通常，當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，需要逐一將其轉換成802.11報文格式。而A-MSDU技術旨在將若干個A-MSDU Subframe聚合到一起，并封裝為一個802.11報文進行發(fā)送。從而減少了發(fā)送每一個802.11報文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC頭的開銷，同時減少了應答幀的數(shù)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。

　　Block Acknowledgement
　　為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?02.11協(xié)議規(guī)定每收到一個單播數(shù)據(jù)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MPDU進行處理，并針對每一個MPDU發(fā)送應答幀。
　　而Block Acknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答，以降低這種情況下ACK幀的數(shù)量。

　　Spatial Multiplexing Power Save
　　在使用802.11n服務時，由于安裝了多個天線，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，采用了Spatial Multiplexing(SM) Power Save技術，其技術原理在于當無數(shù)據(jù)轉發(fā)時，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 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設備發(fā)送的信號可能無法被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。為解決這個問題，當802.11n運行在混合模式（即同時有802.11a/b/g設備在網(wǎng)絡中）時，會在發(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設備能夠偵聽到802.11n設備信號，并啟用沖突避免機制，進而實現(xiàn)802.11n的設備與802.11a/b/g設備的互通。