802.11n 技术简结

802.11n的几个关键技术是其相对于b/g来说，性能得以提升的本质，下面是从网上收集到的相关技术说明，重点是关于MIMO和吞吐量方面的。

1. 浅析802.11n技术规格

　　802.11n当中吓人的专有名词包括像多进多出(MIMO)、空间流和空间复用这些会迅速让网络经理大脑麻木的神秘术语。在真实的802.11n无线网络环境的语境中，这些规范的真正含义是什么呢?
　　MIMO和空间流
　　一般而言(并且从过于简化的意义讲)，MIMO和空间流的数字共同用来表示给定距离上的吞吐量潜力。总的来说，接收天线的数量越多，可以保持一定数据传输速度的传输距离就越长。
　　当然，同大多数无线技术一样，你在使用802.11n时体验到的实际吞吐量和距离取决于你的环境。比如楼层平面布局是开放的，还是隔开的;建筑和窗户的建筑材料是什么;参与传输的客户端设备的配置等。因此，请在这种背景下，综合考虑出现在厂商数据表中的MIMO和空间流的数字。
　　实际上，MIMO只是这个等式的一部分。它指的是在传播信道(“传播信道”是一个用于表示信号在空中所走的无线路径的奇特单词)中参与交换无线信号的发射和接收天线的数量。例如，2×2 MIMO表示发射端两根天线，接收端两根天线，是802.11n标准草案的最低要求。2×3 MIMO则表示两根发射天线和三根接收天线，如此类推。
　　空间复用是强制性组件
　　空间复用是802.11n标准的强制性组件，而MIMO则是实现空间复用所必须的。因此，两者是携手合作的关系。
　　那么，什么是空间复用呢?它实际上是一种技术，在使用这种技术时，多根天线独立地并行发送由单独编码的信号组成的不同的流(所谓的空间流)。实际上，重用无线媒介或“复用”信号，是为了在给定信道中传送更多的数据。在接收端，每根天线都看到信号流的不同组合。为了准确地对它们进行解码，接收设备必须分离这些信号(即“解复用”)。
　　注意，可无线复用的空间流的数量取决于发射天线的数量。因此，虽然与2×2 MIMO相比，2×3 MIMO多了一根接收天线，但在两种配置中都只能支持两条空间流。那么，为什么接收端要配置三根天线呢?
　　N×N有何不同
　　结论是，多出的接收天线增加了你可以享受到的给定吞吐量的传输距离。或者说，它增加了给定距离上的吞吐量。不过，还是让我们从头谈起。
　　空间复用涉及多根天线同时独立地无线发送由独立编码的信号组成的不同的流。通过在无线路径上复用信号，更多的数据通过无线路径传输。
　　简单地说，N根发射天线向N根接收天线发送数据，每根接收天线检测一个唯一的流，结果是吞吐量增加了N-1倍。“N×N”数字分别代表参与基于MIMO的和空间复用传输的发射(Tx)天线的数量和接收(Rx)天线的数量。
　　到目前为止，市场上出现了使用2×2 MIMO支持两个空间流的系统，以及使用2×3 MIMO支持两个空间流。发射端和接收端上不同的N对传输有何影响呢?
　　 WLAN芯片制造商Atheros公司架构主管Paul Petrus解释说：“当你有更多的接收天线时，你得到了所谓的‘组合增益’。换句话说，你收到了相同信号的更多的副本，以及……更大的信噪比，而这增加了信号强度。”
　　一份Atheros白皮书中记录的模拟和真实性能测试显示，当在20MHz信道的上行链路方向中从2×2系统迁移到2×3系统上时，平均性能提高大约20%。这份白皮书还显示，当在40MHz(两个20MHz绑定的信道，这是11n标准所允许的)信道上传输时，2×3配置比2×2配置平均上行链路吞吐量的增加比例，在30到40英尺距离上多达40%，而在60到100英尺距离上也有20%的提高。

2. 802.11n 关键技术
802.11n物理层采用的关键技术有MIMO、MIMO-OFDM、40MHz信道、Short GI、FEC、MRC等。
802.11n MAC层采用的关键技术有Block确认、帧聚合等。

3. 802.11n 速率提升
1）FEC (Forward Error Correction)
按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接收端能够恢复原始信息。802.11n所采用的QAM-64的编码机制可以将编码率(有效信息和整个编码的比率)从3/4 提高到5/6。所以，对于一条空间流，在MIMO-OFDM基础之上，物理速率从58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)。

2）Short Guard Interval (GI)
由于多径效应的影响，信息符号(Information Symbol)将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致ISI干扰。为此，802.11a/g标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval (GI)。802.11n仍然使用缺省使用800 ns GI。 当多径效应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400，对于一条空间流，可以将吞吐提高近10%，即从65Mbps提高到72.2 Mbps。对于多径效应较明显的环境，不建议使用Short Guard Interval (GI)。

3）40MHz绑定技术
对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。就好比是马路变宽了，车辆的通行能力自然提高。传统802.11a/g使用的频宽是20MHz，而802.11n支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来使用，所以可以最直接地提高吞吐。需要注意的是：对于一条空间流，并不是仅仅将吞吐从72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2 )Mbps。对于20MHz频宽，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界。 而通过40MHz绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，可以将子载体从104(52×2)提高到108。按照72.2*2*108/104进行计算，所得到的吞吐能力达到了150Mbps。

4）MIMO
802.11n采用MIMO多天线技术，当存在一根天线(1X1)，在每种带宽下它存在8种速率(记为MCS0-MCS8，MCS：Modulation and coding scheme);当存在两根天线(2X2)，在每种带宽下它存在16种速率(记为MCS0-MCS15)；当存在三根天线(3X3)，在每种带宽下它存在24种速率(记为MCS0-MCS23);当存在四根天线(4X4)，在每种带宽下它存在32种速率(记为MCS0-MCS31)。当最大四条空间流时，理论上最大吞吐能力可提升4倍，即600Mbps（150*4）。
802.11n速率=有效载波数×编码率×子载波传输数位×空间流数×GI
5）帧聚合技术包含针对MSDU的聚合(A-MSDU)和针对MPDU的聚合(A-MPDU)
A-MSDU技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷。这里的MSDU可以认为是Ethernet报文。通常，当AP或无线客户端从协议栈收到报文(MSDU)时，会打上Ethernet报文头，我们称之为A-MSDU Subframe;而在通过射频口发送出去前，需要一一将其转换成802.11报文格式。而A-MDSU技术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行发送。从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP Preamble，PLCP Header和802.11MAC头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。
A-MPDU：与A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，这里的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧。通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，从而提高系统吞吐量。

6）Block ACK
为保证数据传输的可靠性，802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以ACK帧。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，因此同样针对每一个MPDU发送应答帧。Block Acknowledgement通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。

4. 802.11n 速率表

MCS	空间流数	调制方式	码率	带宽（20MHz）		带宽（40MHz）
MCS	空间流数	调制方式	码率	GI=800ns	GI=400ns	GI=800ns	GI=400ns
0	1	BPSK	1/2	6.5	7.2	13.5	15
1	1	QPSK	1/2	13	14.4	27	30
2	1	QPSK	3/4	19.5	21.7	40.5	45
3	1	16-QAM	1/2	26	28.9	54	60
4	1	16-QAM	3/4	39	43.3	81	90
5	1	64-QAM	2/3	52	57.8	108	120
6	1	64-QAM	3/4	58.5	65	121.5	135
7	1	64-QAM	5/6	65	72.2	135	150
8	2	BPSK	1/2	13	14.4	27	30
9	2	QPSK	1/2	26	28.9	54	60
10	2	QPSK	3/4	39	43.3	81	90
11	2	16-QAM	1/2	52	57.8	108	120
12	2	16-QAM	3/4	78	86.7	162	180
13	2	64-QAM	2/3	104	115.6	216	240
14	2	64-QAM	3/4	117	130	243	270
15	2	64-QAM	5/6	130	144.4	270	300
23	3	64-QAM	5/6	195	216.7	405	450
31	4	64-QAM	5/6	260	288.9	540	600

5. 802.11n 技术要求
1）EVM要求
误差向量幅度[EVM]：Error Vector Magnitude，误差向量(包括幅度和相位的矢量)是在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差，能全面衡量调制信号的幅度误差和相位误差。
EVM具体表示接收机对信号进行解调时产生的IQ分量与理想信号分量的接近程度，是考量调制信号质量的一种指标。误差向量通常与QPSK等M-ary I/Q调制方案有关，且常以解调符号的I/Q“星状”图表示。
误差向量幅度[EVM]定义为误差矢量信号平均功率的均方根值与理想信号平均功率的均方根值之比，并以百分比的形式表示。 EVM越小，信号质量越好。
误差矢量幅度是实际测量到的波形和理论调制波形之间的偏差。两个波形都通过带宽1.28MHz，滚降系数α=0.22的根升余弦匹配滤波器。两个波形再进一步通过选择频率、绝对相位、绝对幅度及码片时钟定时进行调制，以使误差矢量最小。EVM定义为误差矢量平均功率与参考信号平均功率之比的平方根，用百分数表示。测量间隔为一个时隙。
误差矢量幅度的最低要求不超过17.5%。
测试目的：验证发射机产生的波形是否足够精确，以使接收机达到指定的接收性能。

调制方式	码率	Relative Constellation Error(dB)
BPSK	1/2	-5
QPSK	1/2	-10
QPSK	3/4	-13
16-QAM	1/2	-16
16-QAM	3/4	-19
64-QAM	2/3	-22
64-QAM	3/4	-25
64-QAM	5/6	-28

2）接收灵敏度
接收机灵敏度定义了接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度。灵敏度是一个功率电平，通常用dBm表示（一般是一个较大的负dBm数）。它可以用场强来表示。简单的说，如果链路方程的输出等于或大于接收机灵敏度的接收功率，则链路在起作用，也就是说接收机能正确地提取发射信号中所包含的信息。如果接收功率小于灵敏度电平，那么所提取的信息质量就达不到要求。

调制方式	码率	Adjacent channel rejection（dB）	Non-adjacent channel rejection（dB）	最小灵敏度（20MHZ）	最小灵敏度（40MHZ）
BPSK	1/2	16	32	-82	-79
QPSK	1/2	13	29	-79	-76
QPSK	3/4	11	27	-77	-74
16-QAM	1/2	8	24	-74	-71
16-QAM	3/4	4	20	-70	-67
64-QAM	2/3	0	16	-66	-63
64-QAM	3/4	-1	15	-65	-62
64-QAM	5/6	-2	14	-64	-61

6. 802.11n 关键规范
在为802.11n设计选择RF前端时，关键的评选项目归纳起来无非是尺寸、性能和成本。尺寸和成本很直观，也容易比较，但决定终端产品成败的关键性能基准是什么呢？SiGe的Poulin认为应该“提供所需的功率，同时满足误差向量幅度(EVM)要求——尤其是突发应用中的动态EVM——并且在低功率水平时能超越EVM规范。”他还指出，满足频谱屏蔽要求和易于系统集成也是重要考虑因素。
Ralink公司市场经理Lillian Chiu认为最重要的考虑因素是：影响长距性能的噪声系数；影响短距性能的1dB压缩点的输出功率；影响峰值吞吐量的I/Q匹配。
Broadcom公司的Mukai则表示：“输出功率、线性度和耗电量是802.11n前端的一些关键指标。输出功率是决定绝对距离的关键因素，而线性度则决定吞吐量和距离之间折衷时的性能。”

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