原创 WIFI技术

802.11n的目标是显著增加802.11设备的吞吐量，而不是简单地建立高比特率的无线传输能力。这两个目标的区别就如同你自己开车依据个人习惯驱使能达到的里程数和环保相关的额定要求针对于该款车能达到的里程数。增加802.11n设备的有效吞吐量比提供高比特率的要求更高。802.11n在一些方面存在比802.11更多的开销，而且很多开销是不能减少的。这就导致，如果不采用其他方法，吞吐量将会存在一个明显的上限。

802.11n不仅仅是一个新的无线标准。除了提供更高的比特率（如802.11a/b/g那样），它还改变了802.11设备之间通信的帧格式。该部分将介绍802.11n进行的一些改动，包括MIMO，无线增强和MAC增强。

MIMO

多输入多输出（MIMO）技术是802.11n的核心。对MIMO的介绍将让您对802.11n如何能达到600Mbps的速率有一个基本的了解。

要了解MIMO技术带来的好处，必须了解是什么决定传统无线电好坏。传统单输入单输出无线传输，接收的无线信号中携带的信息量的多少取决于接收信号的强度超过噪声强度的多少，也就是信噪比（signal-to-noiseratio），或SNR。SNR通过分贝（dB）来表示。信噪比越大，信号能承载的信息量就越多，在接收端复原的信息量也越多。

要了解这个概念，可以类比一下将眼睛作为接收器。你的眼睛可以判断隔壁房间的台灯是开还是关吗？周围的光线就是噪声。在晚上比较容易观察台灯是否打开。但是在白天，就很难做出同样的判断。因为周围的光线太强，台灯所发出的微弱的光不容易被察觉到。

光，像无线电波一样，从源散射出去。接收者离源越远，接收的能量就越弱。实际上，接收的能量减少的速度比离源的距离的平方更快。而环境中由自然界和人产生的噪音通常是恒定的。

回到台灯的例子，当周围光线太强以至于无法判断邻居家台灯是开是关时，也许可以走到邻居家的窗外去判断。或者，当邻居40瓦的灯泡换成了150瓦你可以判断了。这两种情况下，SNR都增加了——第一种因为到源的距离减少了，而第二种是因为发送的能量增强了。

一旦达到了允完成。这种反馈只有802.11n设备提供，802.11a/b/g设备均不能提供。为了最大化接收端的信号，接收端必须将反馈发往发射端，发射端才能够据此调整其发送的各个信号。该反馈不是立即的，而且只在很短的时间内有效。任何物理上的移动（发射端、接收端、或周围的环境）都会使这些用户波束成形的参数失效。2.4GHz的无线电的波长只 有120mm，而5GHz的无线电波只有55mm，因此普通步行速度1m/s会迅速的将接收端排除在波束成形的有效范围之内。

波束成形只适用于单接收者。在进行广播或者组播时无法对发射信号的相位进行优化。因此，在普通的网络应用中，波束成形的作用受到了限制，只能改善单播情况下接收端的SNR。波束成形可以增加距离AP较远时的数据率。但是不能增加AP的覆盖范围。因为这很大程度上是由从AP接收信标的能力决定的。而信标是一种组播传送，并不会从波束成形中受益。

MIMO技术：多径或空间分集

对于典型的室内WLAN部署，例如办公室、医院或仓库，无线信号很少通过直接的最短的路径传送到接收端。因为在发射端和接收端很少在视线范围之内。通常都会有隔板，门或者其他阻碍视线的东西。在信号穿透这些障碍物时，信号强度都会减弱。幸运的是，大多数障碍物都会像镜面反射光一样反射无线信号。

想像一下所有的金属表面，不论大小，实际上就是镜子。螺钉，门框，天花板吊顶等都是无线信号的反射体。可能在这些镜子同时看到同一个WLANAP。有一些AP的图像是通过单个镜子直接反射，而有一些可能是反射的反射。这种现象叫做多径。如图3所示。

图3：多径 

当信号通过不同的路径传播到单个接收者时，信号到达时间取决于路径的长度。路径最短的信号最早到达，接下来是经过较长路径的信号的复本或者回声。当通过光速传播时，无线信号也是如此，第一个信号和其他副本到达的时延非常小，通常在纳秒级。但这个实验足以显著减弱单天线的信号，因为所有的副本都干扰第一个到达的信号。

MIMO无线传输同时发送多个无线信号，并且利用多径效应。每个信号称为空间流。每个空间流都从自己的天线发送，使用自己的发射器。由于在各个天线之间存在空间，每个信号都会通过略微不同的路径发送给接收端。这叫做空间分集。每个无线电波都可以传送不同于其他无线电波的数据流。接收端也有多个天线，每个天线有自己的无线电波接收器，每个接收器都对收到的信息进行独立解码。如图4所示。然后将各个无线电接收器收到的信号组合起来。通过复杂的运算，结果会比通过单个天线或者波束成形收到的信号好得多。MIMO的好处之一就是显著改进SNR，为WLAN系统设计者提供更高的灵活性。

图4：空间复用 

MIMO系统由系统中发射机及接收机数目命名。如，2x1表示两个发射机及一个接收机。802.11n定义了一系列不同数目的发射机及接收机组合。从2x1，即发送端波束形成，到4x4。系统每增加一个发射机或接收机都会提高系统信噪比。然而，每个新增发射机或接收机增加的信噪比增益值会快速递减。从2x1到2x2到3x2，信噪比的增加是非常明显的，然后，从3x3之后，信噪比增幅则比较小。多个发射机的应用体现了MIMO的第二个优势：即采用不同的空间信息流分别承载各自的信息，从而大大提高了数据传输速度。

802.1n射频增强

除了应用MIMO技术外，802.1n还利用其他一些射频技术，提高了WLAN的有效吞吐。其中最重要的改进是，增大信道，采用更高的调制速率，同时还减少冗余数据。这一部分会介绍新应用的射频技术及他们对WLAN吞吐量的影响。

20-及40－兆赫兹信道

原本的802.11直接序列射频和802.11b增强标准使用的信道带宽为22兆赫兹。802.11a及802.11g使用20兆带宽信道。因802.11g是802.11b的增强，固其也使用22兆带宽。大小，带宽及射频信道是衡量射频效率的重要标准，称为：频谱效率，以比特每赫兹(bit/Hz)为单位。802.11b的频谱效率为0.5bit/Hz，802.11a及802.11g有稍高的频谱效率，在54Mbps时可达到2.7bits/Hz。

使用完全相同的技术，802.11a及802.11g的专有网络有时可到达108Mbps。这些专有系统使用简单的技术把802.11a/g数据率增强到原来的两倍。这种技术称为“信道绑定”，即同时利用两个信道传输。采用信道绑定，频谱效率跟原先的802.11a/g相同，当信道带宽是后者的两倍，这提供了一种简单的将数据速率提高到两倍的方法。

802.11n使用20兆赫兹及40兆赫兹信道。与前面提到的专有产品类似，40兆赫兹信道由两个相邻的20兆赫兹信道组成。若采用原先单独的20兆赫兹信道，信道最低及最高频段保留一部分带宽避免信道间干扰。而当使用40兆赫兹绑定信道时，这些保留带宽可以用来传输信息。通过利用保留带宽，802.11n的信道应用效率更高，通常可比20兆赫兹带宽的两倍要稍高（如图5示）。

图5：20兆赫兹及40兆赫兹信道

更高的调制速度

最初的802.11直接序列射频从发射端到接收端使用一个符号代表一个比特（或一组比特）。每个符号持续一微妙。每个符号由固定长度的11个码片组成。每个码片采用相移键控（PSK）调制。若采用1-Mbps的数据率，每微秒发送一个采用二进制相移键控技术调制的符号。同理，2-Mbps每微秒发送两个采用四相移键控（QPSK）的符号。802.11b通过把更多比特信息编码成一个符号的同时，采用四相移键控，延伸了直接序列射频效率。因此，802.11b的速率达到11Mbps。

802.11a/g改变了信息在射频信号传输的方式。这些标准采用了一种新调制解调技术：正交频分复用(OFDM)。OFDM把信道分割成大量子信道，每个子信道采用各自子载波信号（如图5示）。每个载波信号可以独立携带信息。这样做的效果几乎等同于同时进行几个独立射频传输。

802.11a/g中，每个符号持续4微秒，包括800纳秒的保护间隔。若达到最高54Mbps，每个符号要携带216比特信息。这些数字比特分布在48个子载波中。另外，在54Mbps时，每个符号包含72比特纠错信息。即一个符号达到288比特。为了把这么多比特包含在一个符号里，子载波采用64位四进制幅度调制(64QAM)，为802.11b的16倍调制速率。也即是说，每个子载波能携带6比特信息（包括数据信息及纠错码）。

与802.11a/g一样，802.11n继续采用OFDM及4微秒信号。然而，802.11n把每个20兆赫信道的子载波数由48提高到52。由此，对单一传输射频，数据速率可以达到最大65Mbps。802.11n为发射机提供了八个数据传输速率选项，同时发射机数目也提高到最多可达四个。对于两个发射机，最大速率为130Mbps。三个发射机提供最大速率195Mbps。四个则为260Mbps。在20兆赫信道中，802.11n一共能提供多达32个数据传输速率。

当采用40兆赫信道时，802.11n把可用子载波数提高到108，从而为一到四个发射机分别可提供最大的速率为135Mbps，270Mbps，405Mbps，540Mbps，其中每个发射机有八个数据传输速率选项，对四发射机，总共32个。

以上讨论的速率对所有子载波都基于相同的调制方式，如所有子载波采用QPSK或者64QAM。这与802.11a/g技术是一致的。802.11n可以对不同的流采用不同调制方式。比如，一些数据流采用QPSK，其他采用16QAM，余下的则采用64QAM。通过这项技术，大大提高了可用速率的数目。然而，发射机需要接收机提供反馈信息才能判断对于不同的数据流应采用何种调制方法，而这在实际应用中是比较难实现的。