802.11n助力下一代无线局域网

2006年1月份，IEEE结合TGn与WWiSE两大阵营的技术，批准了802.11n标准草案。正式的标准则有望于今年定案。

　　性能更高的WLAN

　　由于市场对性能更高的无线局域网（WLAN）的需求越来越大，电气和电子工程师协会－标准协会（IEEE-SA）批准在2003年下半年成立IEEE 802.11任务组N（802.11 TGn）。TGn的目标是定义物理层和介质访问控制层（PHY/MAC）的改进，从而在介质访问控制层服务访问点（MAC SAP）至少提供100Mbps的速率（这是MAC的最高速率，详见附表）。



　　要求至少达到这种速率意味着，WLAN速率性能将比如今的802.11a/g网络大约提高4倍。TGn要求WLAN性能迈上一个台阶，旨在改善用户在使用现有WLAN应用时获得的体验，同时实现新的应用、创造新的市场。与此同时，通过与现有的IEEE WLAN遗留解决方案（802.11a/b/g）向后兼容，从而确保顺利过渡。

　　Wi-Fi联盟也对TGn开展的802.11n工作表示了兴趣。在Wi-Fi联盟－高速率市场任务组的领导下，行业代表共同定义及发布了市场需求文档（MRD）。Wi-Fi联盟的MRD具体规定了性能方面的预期目标，将通过以下几方面为最终用户改善体验: 提高速率、扩大传输范围、增强抗干扰性、让用户可以更可靠地体验整个基本服务集（BSS）。

　　实现下一代WLAN性能

　　探讨提高WLAN性能时，需要考虑三个关键方面。首先，为了提高物理层传输速率，需要改进无线电技术。其次，必须开发出新的机制，以便有效管理增强的物理层性能模式。第三，为了减小物理层报头和无线电信号往返延迟对性能的影响，必须提高数据传输效率，不然它们就会减弱物理层传输速率提高带来的性能提升效果。

　　与此同时，在设计实现高性能的新方法时，也需要与现有的802.11a/b/g遗留设备和谐共存。在为成本敏感的市场考虑有效的实施方案时，这些方面都需要加以解决。

　　提高物理层传输速率

　　提高无线系统的物理层传输速率的一个方法是，发射器和接收器都采用多个天线系统。这项技术被称为多输入多输出（MIMO），或者智能天线系统。MIMO充分利用了多个信号通过无线介质传输、多个信号从无线介质接收的特点，从而提高无线性能。

　　MIMO具有许多优点，其技术特别是可同时处理空间上不同的诸多信号。本文探讨的两个重要优点是天线密度和空间复用。使用多根天线，MIMO技术就能够利用空间不同的接收天线，从而解析来自多条信号路径的信息。多径信号是反射信号，它到达接收器要比原始信号或者视距信号收到迟一些。多径信号通常被认为是干扰信号，会降低接收器收回智能信息的功能。MIMO有机会空间解析多径信号，从而提高了天线密度，增强了接收器收回智能信息的能力。

　　MIMO技术有望带来的另一个重要机会就是空分复用（SDM）。SDM可以对多个独立数据流进行空间多路传输，在同一频谱信道里面进行传输。MIMO SDM能大大提高数据速率，因为解析的空间数据流数量增加了。每个空间数据流需要在传输两端都要有各自的一对发射/接收天线。MIMO技术需要每根MIMO天线都使用单独的射频链和模拟数字转换器（ADC）。这就增加了复杂性，最终意味着实施成本会更高，因为需要更高性能的系统。

　　可提高物理层传输速率的另一个重要工具就是频谱带宽更宽的信道。提高信道带宽不是新概念。香农的容量等式[C = B log2 (1+SNR)] 清楚地表明: 如果考虑占用带宽"B"的增加，理论容量极限"C"就会直接加大。

　　在实现性能的最大化时，使用更宽的信道带宽及OFDM提供了显著优点。带宽更宽的信道具有成本效益，而且易于实现， 只要适当增强数字信号处理（DSP）能力即可。如果实施得当，40MHz信道提供的可用信道带宽是两条802.11遗留信道的两倍多。结合MIMO架构和带宽更宽的信道创造了这种机会: 设计出非常有效又具有成本效益的方案，从而提高物理层传输速率。

　　只使用20MHz信道的MIMO方法需要较高的实施成本才能满足TGn的要求: MAC SAP的速率至少达到100 Mbps。单单满足IEEE TGn在20MHz信道方面的要求，发射器和接收器都至少需要三个天线模拟前端。同时，20MHz方法需要竭力确保用户在使用要求实际环境具有更高速率的应用时获得良好体验。

　　为了可靠地满足预计来自802.11n的更高速率要求，将需要MIMO技术和带宽更宽的信道。保守地增加信道带宽，加上MIMO技术的保守方法，将能够获得具有成本效益的解决方案，可满足这类需求。随着摩尔定律和CMOS工艺技术的进步促使DSP功能增强，采用MIMO和40MHz信道的混合方法将使IEEE 802.11n技术能够实现更高的性能。

　　IEEE 802.11n标准应当支持20MHz和40MHz信道，其中40MHz信道将是最宽的信道，由两个邻近、遗留的20MHz频谱信道组成; 如果可用频谱资源有限，就使用20MHz信道。

　　所有802.11n设备都应当支持40MHz。为了防止20MHz和40MHz高速率设备之间的信道宽度复用造成效率低下，就需要所有802.11n设备支持40MHz信道。这样就能够在802.11n网络里面实现最高的性能。获得预期性能所需的复杂的MIMO实施方法提高了成本，这给信道带宽限制在20 MHz的环境增添了复杂性。

　　802.11n标准还要求使用空分复用（SDM）支持至少两个MIMO空间数据流。明确规定支持至少两个空间数据流，这可以提供可在高速率网络有效地协同工作的架构设计。支持至少两个空间数据流将需要实施的所有802.11n方案至少需要两根发送天线。支持两根以上的发送天线即两个以上的空间数据流应当是可选的，由于实际原因，数量最多限制在四个。

　　可能需要实施高级特性，为需要最高性能的那些应用实现速率最大化。预计这些高级特性会在802.11n标准中得到指定，以确保互操作性。不过它们具有可选特性，只有在必要时才实施。其中包括以下特性: 两根以上的发送天线、信道自适应波束成形和高级的前向纠错（FEC）编码方案。

　　管理物理层性能模式

　　在实现数据速率的最大化时，需要智能机制来管理物理层性能模式的选择。虽然MAC层对提高物理层传输速率没有直接影响，但它对有效优化物理层性能模式的选择会起到重要作用。

　　应当在物理层处理信道快速适应机制，不需要与MAC进行通信。一旦开始适应信道--及时地使用空中传输信号，MAC层就需要根据无线信道环境来适应信道，并加以维持。这将包括负责选择调制编码方案、编码速率、天线配置、信道带宽和信道选择，以便发射/接收关系的优化可实现速率最大化。

　　提高传输效率

　　可实现传输效率最大化的新的MAC特性有望大大提高MAC SAP的总速率。物理层报头和无线电信号往返延迟会大大限制可以达到的速率。开销的降低与物理层有效载荷的提高不属于同一个比率。实际上，物理层报头需要更长，才能支持前文所述的新的高级物理层模式。要知道: 报头的长度需要增加，但总的连接开销必须最小化。

　　新的聚合交换序列（aggregate exchange sequences）可以提供提高传输效率的一个重要方法。聚合交换是指，多个MAC协议数据单元（MPDU）聚合成一个物理层协议数据单元（PPDU）。聚合交换序列之所以成为可能，就是因为: 接到区块确认请求（BAR）后，协议能够用单一区块确认（Block ACK）来确认多个MPDU。该协议实际上不需要为每个MPDU开始新传输。如果试图在不使用聚合的情况下使用现有的MAC协议，就需要500Mbps的物理层速率，这样才能达到TGn的速率目标: MAC SAP至少为100 Mbps。

　　新的MAC机制带来了其他机会，也可以双向传输速率，无须开始新传输。这种方法让应答方可以逆向聚合MPDU，以应答发起站的传输。有些机制还有可能尽量缩短发起方和应答方间的往返时间，同时确保BSS里面的争用保护机制。

　　为了更有效地传输数据、降低连接开销，就需要把来自一个信号源的多个MPDU组成的聚合PPDU传输到一个目的地。

　　聚合PPDU还能够使用新的MPDU格式，把数据传输到多个目的地。这对IP语音传输（VoIP）这类应用来说很重要。这种方法可以为需要访问的许多站点提供很高的BSS容量，根据站点需求，每个站点拥有比较低的速率。

　　与802.11遗留设备共存

　　IEEE TGn要求802.11n与802.11a/b/g设备向后兼容。预计遗留的802.11b设备会和谐共存; 如果工作在同一波段和信道上，遗留的 802.11a/g设备将与802.11n设备协同工作。这意味着802.11n需要支持20MHz信道，以实现向后兼容。

　　MAC将负责处理与现有的遗留802.11a/b/g设备进行向后兼容。这将包括与进入802.11n BSS的所有遗留设备（802.11a/b/g）和谐共存。MAC还将在相匹配的频谱环境（譬如，2.4GHz ISM或者5.0GHz U-NII），提供与支持的调制方案（如OFDM）协同工作的功能。共存机制需要处理混合BSS环境中的信道带宽不匹配问题，并且确保: 802.11n和遗留的802.11a或者802.11g之间的低开销支持该混合模式操作。