IEEE 802.11n高吞吐量無線局域網技術分析

摘 要:文章針對IEEE 802.11n高吞吐量無線局域網關鍵技術進行分析。802.11n標準在物理層采用MIMO、OFDM、信道綁定以及短保護間隔等技術，MAC層采用幀聚合、Block ACK、反向傳輸以及RIFS等技術，從而使無線傳輸吞吐量和可靠性得到提升。

關鍵詞:正交頻分復用多入多出幀聚合

中圖分類號:TN915文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0012-01

IEEE 802.11系列標準是最具有代表性無線局域網。最新高速率無線局域網標準IEEE 802.11n，物理層采用MIMO/OFDM、信道綁定以及short GI等技術，物理速率最高可達到600Mbit/s，同時MAC層采用幀聚合、Block ACK、反向傳輸以及RIFS等機制，進一步提升MAC傳輸效率。本文將對IEEE 802.11n物理層和MAC層的關鍵技術進行分析。

1 IEEE 802.11n物理層技術

IEEE 802.11n標準物理層關鍵技術包括MIMO、OFDM和信道綁定以及短保護間隔技術。

1.1 MIMO技術

多入多出技術是在鏈路發送端和接收端采用多個天線，利用多徑提供更高數據吞吐量。MIMO系統中利用信道提供空間復用增益，理想情況下信道容量隨著天線數量增大而線性增大，因此在不增加帶寬和天線發送功率情況下頻譜利用率可以成倍提高。

MIMO系統中也可利用信道提供空間分集增益，將具有相同信息信號通過不同路徑發送，接收機端可獲得數據符號多個獨立衰落復制品，從而提高接收可靠性降低誤碼率。

1.2 OFDM技術

正交頻分復用技術是將信道劃為若干個正交子信道，將高速率數據流調制成多個較低速率子數據流，每個子信道上傳輸。正交信號可通過在接收端采用相關技術來分開，可減少子信道之間相互干擾。每個子信道上信號帶寬小于信道相關帶寬，因此每個子信道上可看成平坦性衰落，從而可消除符號間干擾。而且因每個子信道帶寬僅僅是原信道帶寬一小部分，信道均衡變得相對容易。

采用OFDMA調制，當調制信號通過無線信道到達接收端時，因信道多徑效應帶來碼間串擾作用子信道之間不再保持良好正交狀態，因而發送前需要在碼元間插入保護間隔。如果保護間隔大于最大時延擴展，則所有時延小于保護間隔多徑信號將不會延伸到下一個碼元期間，從而有效消除碼間串擾。

1.3 信道綁定技術

IEEE 802.11n通過將兩個相鄰20MHz帶寬信道綁定一起組成一個40MHz帶寬信道，其中一個主信道另一個從信道。因信道帶寬增加了一倍，吞吐量也相應增加一倍。為防止相鄰信道干擾，20MHz信道在頻帶兩側預留了一小部分帶寬邊界起保護作用，而對于40MHz信道，保護帶寬也可用于通信進一步提高吞吐量。

1.4 短保護間隔技術

保護間隔是用來避免符號間干擾。在用OFDM調制方式發送數據時，整個幀被劃分成若干符號進行發送，無線信號在空間傳輸會因多徑等因素在接收側形成時延，因此前一符號可能會對后一個符號形成干擾，為保證數據傳輸可靠性，符號之間會有GI，用以保證接收側能夠正確解析出每個符號。

短保護間隔是802.11n針對802.11a/g所做改進。802.11a/g的GI時長800μs，而802.11n的Short GI時長400μs，使用Short GI情況下可提高10%速率。另外Short GI與帶寬無關，支持20MHz、40MHz帶寬。

2 IEEE 802.11n MAC層技術

IEEE 802.11n標準MAC層關鍵技術包括幀聚合、Block ACK、反向傳輸以及RIFS技術等。

2.1 幀聚合技術

幀聚合是為適應高速率特點，對幀的結構做調整，把多個幀連接起來成為一個獨立聚合幀，簡化幀結構，去除以往協議幀之間幀間間隔和競爭時間。

MAC層有兩種聚合方式:A-MSDU和A-MPDU。這兩種聚合方式可結合起來使用。使用時A-MPDU每個子幀中本身是個已經聚合MSDU，也就是說從A-MSDU中去掉MAC頭和幀檢測字段FCS 后把它裝載進MPDU中，進一步省去MAC頭和幀檢測序列FCS占用負載，從而提高MAC層吞吐量。

2.2 Block ACK技術

分塊應答是針對A-MPDU數據應答方式。在傳統802.11傳輸方式中，每發送一個數據幀都會有一次競爭信道過程，并且對于每個數據幀也都會接收方都發送ACK進行應答。在速度非常高802.11n網絡中，ACK幀占用了一部分信道使用時間，因此影響信道利用率。

Block ACK有兩種方式，一種是立即型Block ACK，允許將MPDU進行批量傳輸，最后由接收方回復一個Block ACK。每個Block ACK中都有與傳輸中每個MPDU相對應字段，里面有該M PDU接收信息。使用或不使用Block ACK由發起者決定，如果不使用會發送一個特殊幀通知接收方，然后就會以一般ACK機制進行響應。另一種是延遲型Block ACK，是在發送站點發送幾個幀之后，接收站點并不馬上響應，而是在下一次反向數據傳輸過程中響應。

2.3 反向傳輸技術

為進一步增強傳輸效率802.11n引入傳輸機會TXOP概念。傳輸機會是指一個站點在競爭獲得介質使用權之后，在一定時間之內占用信道，這段時間就是TXOP在TXOP允許時間范圍內，某一站點發送完一個數據后，如果對方站點有數據要傳輸給發送方，則可以立即傳輸即反向傳輸。

反向傳輸是IEEE 802.11n草案提出對普通傳輸方式一種改進。使某個時間正在占用信道通信站點可以有幀就發，不用單方向傳輸結束后釋放信道再重復進行競爭等一系列動作以傳輸另一方向數據。宏觀上看能進一步減少普通傳輸方式中部分控制幀和響應幀，提高幀傳輸效率。響應過程中只有響應站點可以傳輸，包括發起站點在內其它站點一概不收發數據。響應站點負責保證其數據單元和預期響應都包括在剩余TXOP持續時間中。

2.4 RIFS技術

RIFS指的是精簡幀間間隔，在兩個站點之間傳輸數據時候，每傳輸兩個幀都會要求在兩幀之間有一定時間間隔在傳統網絡中，最短的時間間隔是SIFS為16μs;在802.11n網絡中，把原來的每發一個兩個幀幀間間隔從SIFS的16usec調整為RIFS的2μs，以適用高傳輸速率要求。

3 結語

新一代無線局域網標準IEEE 802.11n在物理層和MAC層采用了各種增強技術，使得無線傳輸的吞吐量和可靠性都有很大提升。在未來無線通信中802.11n將得到更加廣泛應用，使用戶體驗到更高質量通信服務。

參考文獻

[1]Halford S.(2001).Implementing OFDM in wireless designs.Communications Design Conference， Oct.1st，San Jose， CA.