802.11n助力下一代無線局域網(wǎng)
——
加入技術(shù)交流群
性能更高的WLAN
由于市場對性能更高的無線局域網(wǎng)（WLAN）的需求越來越大，電氣和電子工程師協(xié)會－標準協(xié)會（IEEE-SA）批準在2003年下半年成立IEEE 802.11任務(wù)組N（802.11 TGn）。TGn的目標是定義物理層和介質(zhì)訪問控制層（PHY/MAC）的改進，從而在介質(zhì)訪問控制層服務(wù)訪問點（MAC SAP）至少提供100Mbps的速率（這是MAC的最高速率，詳見附表）。
要求至少達到這種速率意味著，WLAN速率性能將比如今的802.11a/g網(wǎng)絡(luò)大約提高4倍。TGn要求WLAN性能邁上一個臺階，旨在改善用戶在使用現(xiàn)有WLAN應(yīng)用時獲得的體驗，同時實現(xiàn)新的應(yīng)用、創(chuàng)造新的市場。與此同時，通過與現(xiàn)有的IEEE WLAN遺留解決方案（802.11a/b/g）向后兼容，從而確保順利過渡。 Wi-Fi聯(lián)盟也對TGn開展的802.11n工作表示了興趣。在Wi-Fi聯(lián)盟－高速率市場任務(wù)組的領(lǐng)導(dǎo)下，行業(yè)代表共同定義及發(fā)布了市場需求文檔（MRD）。Wi-Fi聯(lián)盟的MRD具體規(guī)定了性能方面的預(yù)期目標，將通過以下幾方面為最終用戶改善體驗: 提高速率、擴大傳輸范圍、增強抗干擾性、讓用戶可以更可靠地體驗整個基本服務(wù)集（BSS）。
實現(xiàn)下一代WLAN性能
探討提高WLAN性能時，需要考慮三個關(guān)鍵方面。首先，為了提高物理層傳輸速率，需要改進無線電技術(shù)。其次，必須開發(fā)出新的機制，以便有效管理增強的物理層性能模式。第三，為了減小物理層報頭和無線電信號往返延遲對性能的影響，必須提高數(shù)據(jù)傳輸效率，不然它們就會減弱物理層傳輸速率提高帶來的性能提升效果。
與此同時，在設(shè)計實現(xiàn)高性能的新方法時，也需要與現(xiàn)有的802.11a/b/g遺留設(shè)備和諧共存。在為成本敏感的市場考慮有效的實施方案時，這些方面都需要加以解決。
提高物理層傳輸速率
提高無線系統(tǒng)的物理層傳輸速率的一個方法是，發(fā)射器和接收器都采用多個天線系統(tǒng)。這項技術(shù)被稱為多輸入多輸出（MIMO），或者智能天線系統(tǒng)。MIMO充分利用了多個信號通過無線介質(zhì)傳輸、多個信號從無線介質(zhì)接收的特點，從而提高無線性能。
MIMO具有許多優(yōu)點，其技術(shù)特別是可同時處理空間上不同的諸多信號。本文探討的兩個重要優(yōu)點是天線密度和空間復(fù)用。使用多根天線，MIMO技術(shù)就能夠利用空間不同的接收天線，從而解析來自多條信號路徑的信息。多徑信號是反射信號，它到達接收器要比原始信號或者視距信號收到遲一些。多徑信號通常被認為是干擾信號，會降低接收器收回智能信息的功能。MIMO有機會空間解析多徑信號，從而提高了天線密度，增強了接收器收回智能信息的能力。
MIMO技術(shù)有望帶來的另一個重要機會就是空分復(fù)用（SDM）。SDM可以對多個獨立數(shù)據(jù)流進行空間多路傳輸，在同一頻譜信道里面進行傳輸。MIMO SDM能大大提高數(shù)據(jù)速率，因為解析的空間數(shù)據(jù)流數(shù)量增加了。每個空間數(shù)據(jù)流需要在傳輸兩端都要有各自的一對發(fā)射/接收天線。MIMO技術(shù)需要每根MIMO天線都使用單獨的射頻鏈和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。這就增加了復(fù)雜性，最終意味著實施成本會更高，因為需要更高性能的系統(tǒng)。
可提高物理層傳輸速率的另一個重要工具就是頻譜帶寬更寬的信道。提高信道帶寬不是新概念。香農(nóng)的容量等式[C = B log2 (1+SNR)] 清楚地表明: 如果考慮占用帶寬“B”的增加，理論容量極限“C”就會直接加大。
在實現(xiàn)性能的最大化時，使用更寬的信道帶寬及OFDM提供了顯著優(yōu)點。帶寬更寬的信道具有成本效益，而且易于實現(xiàn)， 只要適當(dāng)增強數(shù)字信號處理（DSP）能力即可。如果實施得當(dāng)，40MHz信道提供的可用信道帶寬是兩條802.11遺留信道的兩倍多。結(jié)合MIMO架構(gòu)和帶寬更寬的信道創(chuàng)造了這種機會: 設(shè)計出非常有效又具有成本效益的方案，從而提高物理層傳輸速率。
只使用20MHz信道的MIMO方法需要較高的實施成本才能滿足TGn的要求: MAC SAP的速率至少達到100 Mbps。單單滿足IEEE TGn在20MHz信道方面的要求，發(fā)射器和接收器都至少需要三個天線模擬前端。同時，20MHz方法需要竭力確保用戶在使用要求實際環(huán)境具有更高速率的應(yīng)用時獲得良好體驗。
為了可靠地滿足預(yù)計來自802.11n的更高速率要求，將需要MIMO技術(shù)和帶寬更寬的信道。保守地增加信道帶寬，加上MIMO技術(shù)的保守方法，將能夠獲得具有成本效益的解決方案，可滿足這類需求。隨著摩爾定律和CMOS工藝技術(shù)的進步促使DSP功能增強，采用MIMO和40MHz信道的混合方法將使IEEE 802.11n技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能。
IEEE 802.11n標準應(yīng)當(dāng)支持20MHz和40MHz信道，其中40MHz信道將是最寬的信道，由兩個鄰近、遺留的20MHz頻譜信道組成; 如果可用頻譜資源有限，就使用20MHz信道。
所有802.11n設(shè)備都應(yīng)當(dāng)支持40MHz。為了防止20MHz和40MHz高速率設(shè)備之間的信道寬度復(fù)用造成效率低下，就需要所有802.11n設(shè)備支持40MHz信道。這樣就能夠在802.11n網(wǎng)絡(luò)里面實現(xiàn)最高的性能。獲得預(yù)期性能所需的復(fù)雜的MIMO實施方法提高了成本，這給信道帶寬限制在20 MHz的環(huán)境增添了復(fù)雜性。
802.11n標準還要求使用空分復(fù)用（SDM）支持至少兩個MIMO空間數(shù)據(jù)流。明確規(guī)定支持至少兩個空間數(shù)據(jù)流，這可以提供可在高速率網(wǎng)絡(luò)有效地協(xié)同工作的架構(gòu)設(shè)計。支持至少兩個空間數(shù)據(jù)流將需要實施的所有802.11n方案至少需要兩根發(fā)送天線。支持兩根以上的發(fā)送天線即兩個以上的空間數(shù)據(jù)流應(yīng)當(dāng)是可選的，由于實際原因，數(shù)量最多限制在四個。
可能需要實施高級特性，為需要最高性能的那些應(yīng)用實現(xiàn)速率最大化。預(yù)計這些高級特性會在802.11n標準中得到指定，以確保互操作性。不過它們具有可選特性，只有在必要時才實施。其中包括以下特性: 兩根以上的發(fā)送天線、信道自適應(yīng)波束成形和高級的前向糾錯（FEC）編碼方案。
管理物理層性能模式
在實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率的最大化時，需要智能機制來管理物理層性能模式的選擇。雖然MAC層對提高物理層傳輸速率沒有直接影響，但它對有效優(yōu)化物理層性能模式的選擇會起到重要作用。
應(yīng)當(dāng)在物理層處理信道快速適應(yīng)機制，不需要與MAC進行通信。一旦開始適應(yīng)信道——及時地使用空中傳輸信號，MAC層就需要根據(jù)無線信道環(huán)境來適應(yīng)信道，并加以維持。這將包括負責(zé)選擇調(diào)制編碼方案、編碼速率、天線配置、信道帶寬和信道選擇，以便發(fā)射/接收關(guān)系的優(yōu)化可實現(xiàn)速率最大化。
提高傳輸效率
可實現(xiàn)傳輸效率最大化的新的MAC特性有望大大提高MAC SAP的總速率。物理層報頭和無線電信號往返延遲會大大限制可以達到的速率。開銷的降低與物理層有效載荷的提高不屬于同一個比率。實際上，物理層報頭需要更長，才能支持前文所述的新的高級物理層模式。要知道: 報頭的長度需要增加，但總的連接開銷必須最小化。
新的聚合交換序列（aggregate exchange sequences）可以提供提高傳輸效率的一個重要方法。聚合交換是指，多個MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）聚合成一個物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）。聚合交換序列之所以成為可能，就是因為: 接到區(qū)塊確認請求（BAR）后，協(xié)議能夠用單一區(qū)塊確認（Block ACK）來確認多個MPDU。該協(xié)議實際上不需要為每個MPDU開始新傳輸。如果試圖在不使用聚合的情況下使用現(xiàn)有的MAC協(xié)議，就需要500Mbps的物理層速率，這樣才能達到TGn的速率目標: MAC SAP至少為100 Mbps。
新的MAC機制帶來了其他機會，也可以雙向傳輸速率，無須開始新傳輸。這種方法讓應(yīng)答方可以逆向聚合MPDU，以應(yīng)答發(fā)起站的傳輸。有些機制還有可能盡量縮短發(fā)起方和應(yīng)答方間的往返時間，同時確保BSS里面的爭用保護機制。
為了更有效地傳輸數(shù)據(jù)、降低連接開銷，就需要把來自一個信號源的多個MPDU組成的聚合PPDU傳輸?shù)揭粋€目的地。
聚合PPDU還能夠使用新的MPDU格式，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€目的地。這對IP語音傳輸（VoIP）這類應(yīng)用來說很重要。這種方法可以為需要訪問的許多站點提供很高的BSS容量，根據(jù)站點需求，每個站點擁有比較低的速率。
與802.11遺留設(shè)備共存
IEEE TGn要求802.11n與802.11a/b/g設(shè)備向后兼容。預(yù)計遺留的802.11b設(shè)備會和諧共存; 如果工作在同一波段和信道上，遺留的 802.11a/g設(shè)備將與802.11n設(shè)備協(xié)同工作。這意味著802.11n需要支持20MHz信道，以實現(xiàn)向后兼容。
MAC將負責(zé)處理與現(xiàn)有的遺留802.11a/b/g設(shè)備進行向后兼容。這將包括與進入802.11n BSS的所有遺留設(shè)備（802.11a/b/g）和諧共存。MAC還將在相匹配的頻譜環(huán)境（譬如，2.4GHz ISM或者5.0GHz U-NII），提供與支持的調(diào)制方案（如OFDM）協(xié)同工作的功能。共存機制需要處理混合BSS環(huán)境中的信道帶寬不匹配問題，并且確保: 802.11n和遺留的802.11a或者802.11g之間的低開銷支持該混合模式操作。
作者：清水編譯
摘自：計算機世界報 2006年05月22日 第19期 B3
評論