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802.11协议解析-Part1

作者:吉赫兹来源:吉赫兹 日期:2017年3月16日 21:40

802.11协议解析-Part1

1.1 802.11n标准发展历程

IEEE 802.11工作组意识到支持高吞吐将是WLAN技术发展历程的关键点,基于IEEE HTSG (High Throughput Study Group)前期的技术工作,于2003年成立了Task Group n (TGn)n表示Next Generation,核心内容就是通过物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN技术的吞吐。由于802.11n涉及了大量的复杂技术,标准过程中又涉及了大量的设备厂家,所以整个标准制定过程历时漫长,预计2010年末才可能会成为标准。相关设备厂家早已无法耐心等待这么漫长的标准化周期,纷纷提前发布了各自的11n产品(pre-11n)。为了确保这些产品的互通性,WiFi联盟基于IEEE 2007年发布的802.11n草案的2.0版本制定了11n产品认证规范,以帮助11n技术能够快速产业化。

1.2  技术概述

802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN技术的吞吐。主要的物理层技术涉及了MIMOMIMO-OFDM40MHzShort GI等技术,从而将物理层吞吐提高到600Mbps。如果仅仅提高物理层的速率,而没有对空口访问等MAC协议层的优化,802.11n的物理层优化将无从发挥。就好比即使建了很宽的马路,但是车流的调度管理如果跟不上,仍然会出现拥堵和低效。所以802.11nMAC采用了Block确认、帧聚合等技术,大大提高MAC层的效率。

802.11n对用户应用的另一个重要收益是无线覆盖的改善。由于采用了多天线技术,无线信号(对应同一条空间流)将通过多条路径从发射端到接收端,从而提供了分集效应。在接收端采用一定方法对多个天线收到信号进行处理,就可以明显改善接收端的SNR,即使在接受端较远时,也能获得较好的信号质量,从而间接提高了信号的覆盖范围。其典型的技术包括了MRC等。

除了吞吐和覆盖的改善,11n技术还有一个重要的功能就是要兼容传统的802.11 a/b/g,以保护用户已有的投资。

接下来对这些相关的关键技术进行逐一介绍。

2.    物理层关键技术

2.1  MIMO

MIMO802.11n物理层的核心,指的是一个系统采用多个天线进行无线信号的收发。它是当今无线最热门的技术,无论是3GIEEE 802.16e WIMAX,还是802.11n,都把MIMO列入射频的关键技术。

 

            图1 MIMO架构

MIMO主要有如下的典型应用,包括:

1) 提高吞吐

通过多条通道,并发传递多条空间流,可以成倍提高系统吞吐。

2) 提高无线链路的健壮性和改善SNR

通过多条通道,无线信号通过多条路径从发射端到达接收端多个接收天线。由于经过多条路径传播,每条路径一般不会同时衰减严重,采用某种算法把这些多个信号进行综合计算,可以改善接收端的SNR。需要注意的是,这里是同一条流在多个路径上传递了多份,并不能够提高吞吐。在MRC部分将有更多说明。

2.2  SDM

当基于MIMO同时传递多条独立空间流(spatial streams),如下图中的空间流X1,X2,时,将成倍地提高系统的吞吐。

            图2 通过MIMO传递多条空间流

MIMO系统支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3,而接收天线数量为2,则支持的空间流为2MIMO/SDM系统一般用发射天线数量×接收天线数量表示。如上图为2*2 MIMO/SDM系统。显然,增加天线可以提高MIMO支持的空间流数。但是综合成本、实效等多方面因素,目前业界的WLAN AP都普遍采用3×3的模式。

MIMO/SDM是在发射端和接收端之间,通过存在的多条路径(通道)来同时传播多条流。有意思的事情出现了:一直以来,无线技术(OFMD)总是企图克服多径效应的影响,而MIMO恰恰是在利用多径来传输数据。

          图3 MIMO利用多径传输数据

 

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