WLAN - 802.11n关键技术及单双数据流对比

WLAN 802.11n关键技术介绍及单双数据流研究

随着WLAN 802.11n标准的发布和产业链的不断成熟，支持802.11n的网络设备和终端产品普及率逐步提高。802.11n不仅能够提供更高的接入速率，同时还具备很好的向下兼容型，可兼容802.11a/b/g标准，因此，在目前WLAN网络建设中802.11n将会成为主流。但是，802.11n标准中引入了许多新的技术，使得802.11n具备了比以往802.11系列标准更多的可选特性，网络配置要比802.11g设备复杂，提升了网络规划的难度。我们需要了解802.11n各特性对网络性能的影响，合理的规划设计网络，充分发挥802.11n的网络性能。 一、 802.11n的关键技术

IEEE 802.11n技术通过物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN网络的吞吐量，使带宽从802.11a/g的54Mbps提升到600Mbps。

1.1 物理层关键技术

物理层引入的关键技术主要包括MIMO（多入多出）、更多子载波、信道绑定、Short GI（Guard Interval）等。

1.1.1 MIMO

MIMO是802.11n物理层的核心，802.11n通过使用MIMO（多入多出）技术，无线传输同时发送多个无线信号，并且利用多径效应，形成多个空间流，可以成倍提高数据传输速度。通过MIMO技术，可以获得分集增益和复用增益，有效提高了覆盖距离和速率。

在802.11n标准中定义了1～4空间流的MIMO技术，如采用2空间流可以将802.11的速率提升2倍，采用4空间流可以将802.11的速率提升四倍，达到600Mbps。目前的802.11n产品普遍支持到2空间流，理论峰值速率可达300Mbps。

1.1.2 更多的子载波

OFDM在802.11a/g时代已经成熟使用，与802.11a/g 相比，802.11n将20MHz带宽支持的子载波从52个提高到56个，除去4个pilot子载波，数据子载波达到52个。此外，由于采用了更高效率的编码方案，使得单个空间流的数据速率可以达到最大65Mbps。

1.1.3 信道绑定

IEEE 802.11n通过将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通信带宽，这样可将速率提高一倍。同时，对于802.11a/g，为了防止相邻信道干扰，20MHz带宽的信道在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过频带绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，从而进一步提高了吞吐量。

1.1.4 Short GI（Guard Interval）

射频芯片在使用OFDM调制方式发送数据时，整个帧被划分成不同的数据块进行发送，由于无线信号在空间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后续数据块发送过快，会和前一个数据块形成干扰，因此数据块之间会有GI，来规避这个干扰，以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。802.11a/g的GI时长为800us，802.11n通过Short GI特性，将GI时长减少为400us，从而可以将数据传输速率提高10%左右。 1.2 MAC层关键技术

为了充分发挥物理层的能力，802.11n对MAC层采用了帧聚合、Block ACK等多项技术

进行优化。

1.2.1 帧聚合

帧聚合技术包含MSDU的聚合（A-MSDU）和MPDU的聚合(A-MPDU)。802.11 MAC层协议损失了相当的效率用作链路的维护，如在数据之前添加PLCP Preamble、PLCP Header、MAC头，A-MSDU是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷，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聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，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。

1.2.2 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，因此同样需要对每一个MPDU发送应答帧。Block Acknowledgement机制通过使用一个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。 1.3 802.11n吞吐量计算

802.11n速率=有效载波数×编码率×子载波传输数位×空间流数×GI/ OFDM符号的时长有效子载波数

公式中各个因子含义：

20MHZ带宽：有效子载波数量56，其中52个用于传输，4个用于引导帧； 40MHZ带宽：有效子载波数量112，其中108个用于传输，6个用于引导帧； GI 是OFDM符号时长，在使用了Short GI技术后，有效数据传输系数值为1.1；

空间流数依据天线数量：4*4系数是4，3*3系数是3，2*2系数是2，1*1系数是1。 1.3.1 802.11n理论吞吐量计算结果 单数据流

802.11n—20MHZ数据吞吐量=71.5Mbps 802.11n—40MHZ数据吞吐量=148.5Mbps 双数据流

802.11n—20MHZ数据吞吐量=142Mbps 802.11n—40MHZ数据吞吐量=297Mbps

1.3.2 单空间流与双空间流的选择

MIMO是802.11n物理层的核心，它通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐量。目前的802.11n产品普遍支持到双空间流，以下是802.11n设备在20MHz信道带宽情况下，单空间流与双空间流吞吐量数据。

图4 802.11n 20MHz单、双流吞吐量测试数据

从以上数据看出，双空间流吞吐量均大于单空间流吞吐量。由于实际的无线信道环境并不是理想的互不相关的，因此实际的吞吐量性能也并不是理论的双空间流容量比单空间流容量提升2倍，测试环境大约提升45%~60%左右。 二、结论

目前，2G/3G室分系统采用的都是单极化天线，如果将802.11n的AP合路其中，获得的只是单空间流模式，吞吐量将获得很大损失。综上所述，鉴于双空间流模式吞吐量有显著的提升，所以基于802.11n标准开发的AP设备，推荐采用放装方式进行安装。

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