下一代WLAN——802.11n的原理和性能分析
一，下一代WLAN 802.11n的应用环境
设计802.11n时主要考虑三种应用环境：家庭场所、办公室场所和热点地区。
家庭场所的应用场景如图1所示，包括1个AP和几个客户终端，涉及的业务主要有上网浏览、数据传送、语音业务和视频业务，一些比较新的业务比如VoIP、视频电话将来也可能包括进来。AP也可以被视为无线家庭媒体网关（Wireless Home Media Gateway），它能够在家庭中分发音频和视频内容，包括DVD、标清电视和高清电视，或者从一个摄像机或照相机高速下载数据。交互式游戏逐渐往移动领域渗透，游戏者不再被束缚在线缆旁边，控制台和显示器、控制台和网络连接点之间都可以无线化。
图 1
办公室场所强调通过多个AP覆盖尽可能多的建筑和楼层，提供良好的网络连接（参加图2）。AP及其连接的客户终端也叫BSS（Basic Service Set）。AP之间通过以太网连接，组成一个ESS（Extended Service Set）。每增加一个AP，就能够增加覆盖面积和系统容量。802.11n的高带宽和高吞吐量带来很大的便利，能够提高文件传送和备份的效率，能够通过无线接口实现远程文件演示，能够实现VoIP和视频会议。
图 2
热点地区包括机场、咖啡店、图书馆、宾馆、会展中心等（参见图3）.热点地区可以是室内，也可以是室外，往往覆盖一大片地区，因此其传播模式不同于家庭场所和办公室场所。在热点地区，大多数的流量经过互联网，而且业务持续时间不会超过2小时。具体业务包括web浏览、互联网文件传输、电子邮件等。还可能包括一些新的业务比如观看电视节目和在线电影，因此涉及音频流和视频流的传送。
[ 本帖最后由 odyssey_2010 于 2012-3-1 10:43 编辑 ]
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设计802.11n时主要考虑三种应用环境：家庭场所、办公室场所和热点地区。
家庭场所的应用场景如图1所示，包括1个AP和几个客户终端，涉及的业务主要有上网浏览、数据传送、语音业务和视频业务，一些比较新的业务比如VoIP、视频电话将来也可能包括进来。AP也可以被视为无线家庭媒体网关（Wireless Home Media Gateway），它能够在家庭中分发音频和视频内容，包括DVD、标清电视和高清电视，或者从一个摄像机或照相机高速下载数据。交互式游戏逐渐往移动领域渗透，游戏者不再被束缚在线缆旁边，控制台和显示器、控制台和网络连接点之间都可以无线化。
图 1
办公室场所强调通过多个AP覆盖尽可能多的建筑和楼层，提供良好的网络连接（参加图2）。AP及其连接的客户终端也叫BSS（Basic Service Set）。AP之间通过以太网连接，组成一个ESS（Extended Service Set）。每增加一个AP，就能够增加覆盖面积和系统容量。802.11n的高带宽和高吞吐量带来很大的便利，能够提高文件传送和备份的效率，能够通过无线接口实现远程文件演示，能够实现VoIP和视频会议。
图 2
热点地区包括机场、咖啡店、图书馆、宾馆、会展中心等（参见图3）.热点地区可以是室内，也可以是室外，往往覆盖一大片地区，因此其传播模式不同于家庭场所和办公室场所。在热点地区，大多数的流量经过互联网，而且业务持续时间不会超过2小时。具体业务包括web浏览、互联网文件传输、电子邮件等。还可能包括一些新的业务比如观看电视节目和在线电影，因此涉及音频流和视频流的传送。
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二，802.11n的主要特征
引入包括MIMO和40MHz带宽的空分复用技术，802.11n的物理层速率大大提高，与之相适应，MAC层的进行了相应的升级，增加了frame aggregation和block acknowledgment协议功能，使得802.11n MAC层的处理能力与802.11a、802.11g相比有明显的提升。
由于使用了多天线技术，增加了空间分集增益，系统的稳定性得以增强。如果在物理层增加可选的STBC（space-time block coding）,根据不断变化的信道状况快速调度链路，系统稳定性还能够增加。802.11n修正版本还介绍了transmit beamforming技术。
物理层的其它提高增益的技术包括：
1， Shorter guard interval，应用于某些特定的信道状况；
2， Greenfield 前缀，这比之前推荐的混合模式的前缀要短，不过Greenfield 前缀和没有MAC保护的802.11a和802.11g设备不兼容
802.11n物理层的功能模块参见图4。802.11n正式标准制定之前，市场上存在两代pre-n或者草案2.0的产品。第一代产品只适用2.4GHz，使用40MHz和最多两个并发spatial streams。Spatial streams表示通过不同的天线传送的彼此内容独立的数据流。发送端和接受端都需要配置和spatial streams数量相同的天线。使用shorter guard interval的情况下，物理层速率能达到300Mbps。第二代产品即适用2.4GHz，又适用5GHz，也能达到300Mbps，不过有的产品结合了接收天线链实现额外的接收分集。有的产品还支持Greenfield 前缀。希望第三代产品能增加发射天线链以支持3条spatial streams和450Mbps。
[ 本帖最后由 odyssey_2010 于 2012-1-19 14:49 编辑 ]
引入包括MIMO和40MHz带宽的空分复用技术，802.11n的物理层速率大大提高，与之相适应，MAC层的进行了相应的升级，增加了frame aggregation和block acknowledgment协议功能，使得802.11n MAC层的处理能力与802.11a、802.11g相比有明显的提升。
由于使用了多天线技术，增加了空间分集增益，系统的稳定性得以增强。如果在物理层增加可选的STBC（space-time block coding）,根据不断变化的信道状况快速调度链路，系统稳定性还能够增加。802.11n修正版本还介绍了transmit beamforming技术。
物理层的其它提高增益的技术包括：
1， Shorter guard interval，应用于某些特定的信道状况；
2， Greenfield 前缀，这比之前推荐的混合模式的前缀要短，不过Greenfield 前缀和没有MAC保护的802.11a和802.11g设备不兼容
802.11n物理层的功能模块参见图4。802.11n正式标准制定之前，市场上存在两代pre-n或者草案2.0的产品。第一代产品只适用2.4GHz，使用40MHz和最多两个并发spatial streams。Spatial streams表示通过不同的天线传送的彼此内容独立的数据流。发送端和接受端都需要配置和spatial streams数量相同的天线。使用shorter guard interval的情况下，物理层速率能达到300Mbps。第二代产品即适用2.4GHz，又适用5GHz，也能达到300Mbps，不过有的产品结合了接收天线链实现额外的接收分集。有的产品还支持Greenfield 前缀。希望第三代产品能增加发射天线链以支持3条spatial streams和450Mbps。
[ 本帖最后由 odyssey_2010 于 2012-1-19 14:49 编辑 ]
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802.11n MAC层的新特性参见图5。 MAC层需要处理Greenfield格式的前缀，处理revserse direction protocol exchange。由于引入了40 MHz，要考虑很多兼容性问题。
40 MHz实际上就是两个20 MHz捆绑起来，因此某个用户使用40 MHz时，另外的用户同时在单独使用组成40 MHz的20 MHz信道，比如想办法减轻彼此之间的影响。主要的方法是选择合适的信道进行捆绑，比如捆绑一个没有流量或者流量很少的相邻20MHz信道。802.11n还可以实时了解终端使用的20 MHz信道，必要时改变用户使用的20 MHz信道。802.11n还支持phased coexistence operation (PCO)技术。为了支持低功耗要求的手持式设备，802.11n还支持一种叫PSMP（power-save multi-poll）的接入信道排队技术。
40 MHz实际上就是两个20 MHz捆绑起来，因此某个用户使用40 MHz时，另外的用户同时在单独使用组成40 MHz的20 MHz信道，比如想办法减轻彼此之间的影响。主要的方法是选择合适的信道进行捆绑，比如捆绑一个没有流量或者流量很少的相邻20MHz信道。802.11n还可以实时了解终端使用的20 MHz信道，必要时改变用户使用的20 MHz信道。802.11n还支持phased coexistence operation (PCO)技术。为了支持低功耗要求的手持式设备，802.11n还支持一种叫PSMP（power-save multi-poll）的接入信道排队技术。
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三，802.11n物理层
802.11n和802.11a一样，物理层使用了OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）技术。OFDM技术非常适用于工作在频率选择性衰落环境下的宽带系统。阴影或者窄带干扰只能影响到部分子载波，被影响到的部分还可以通过前向纠错技术来恢复。OFDM对时间同步相关的错误有很强的免疫力，同时，OFDM的带宽利用率非常高。
在单载波调制技术中，数据比特被调制好之后，信号脉冲在时间域依照次序依次发送，而OFDM则是将数据比特块调制到大量子载波上，两个的比较参见图6。当不同子载波的信号在时间域混合起来时，信号脉冲的幅度会有很大的变化，这造成了很高的峰均比。单载波调制系统的峰均比则很小。高峰均比是OFDM系统的一大弱点。由于发射端的功放不可能做到完全的线性放大，高峰均比的信号失真明显，除非功放进行采取特殊的调整措施。因此，一般来说，OFDM系统发射端信号的功率比较小。但是，如果单载波系统也要实现有限带宽上的高速率，必须使用高阶调制技术，也会将峰均比提高到和OFDM差不多的水平。
OFDM系统相比较单载波系统的第二个弱点是对载波frequency offset和相位噪声非常敏感。frequency offset和相位噪声会造成相位偏移，提高了对锁相环的要求，同时加大了子载波之间的干扰。
802.11n和802.11a一样，物理层使用了OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）技术。OFDM技术非常适用于工作在频率选择性衰落环境下的宽带系统。阴影或者窄带干扰只能影响到部分子载波，被影响到的部分还可以通过前向纠错技术来恢复。OFDM对时间同步相关的错误有很强的免疫力，同时，OFDM的带宽利用率非常高。
在单载波调制技术中，数据比特被调制好之后，信号脉冲在时间域依照次序依次发送，而OFDM则是将数据比特块调制到大量子载波上，两个的比较参见图6。当不同子载波的信号在时间域混合起来时，信号脉冲的幅度会有很大的变化，这造成了很高的峰均比。单载波调制系统的峰均比则很小。高峰均比是OFDM系统的一大弱点。由于发射端的功放不可能做到完全的线性放大，高峰均比的信号失真明显，除非功放进行采取特殊的调整措施。因此，一般来说，OFDM系统发射端信号的功率比较小。但是，如果单载波系统也要实现有限带宽上的高速率，必须使用高阶调制技术，也会将峰均比提高到和OFDM差不多的水平。
OFDM系统相比较单载波系统的第二个弱点是对载波frequency offset和相位噪声非常敏感。frequency offset和相位噪声会造成相位偏移，提高了对锁相环的要求，同时加大了子载波之间的干扰。
xx
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802.11n引入了MIMO技术。MIMO系统能够通过不同的天线发送彼此独立的数据流（或者叫空间流），这种MIMO技术也叫空分复用（SDM， spatial division multiplexing，参见图7），因此，系统的最大数据传送速率和独立数据流的数量密切相关。系统可以配置和数据流一样多的天线，也可以配置比数据流多的天线。
简单地增加天线不能增加数据传送速率，空间复用矩阵必须满足一定的条件。如果简单地将N×M MIMO系统天线的发射端口与接收端口直接对接，是无法将数据从接收端还原出来，因为SDM的空间复用太有秩序了。要让MIMO正常工作，空间链路应该是随机分布，并且彼此之间互不相关，只有满足这条件，空间复用矩阵才是可逆的，才能在接收端将数据完整地恢复。幸运得是，实际的无线环境由于存在很多反射、折射和多径衰落，正好满足这个条件（参见图8）。
简单地增加天线不能增加数据传送速率，空间复用矩阵必须满足一定的条件。如果简单地将N×M MIMO系统天线的发射端口与接收端口直接对接，是无法将数据从接收端还原出来，因为SDM的空间复用太有秩序了。要让MIMO正常工作，空间链路应该是随机分布，并且彼此之间互不相关，只有满足这条件，空间复用矩阵才是可逆的，才能在接收端将数据完整地恢复。幸运得是，实际的无线环境由于存在很多反射、折射和多径衰落，正好满足这个条件（参见图8）。
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对于802.11n这样的宽带OFDM系统，用瑞利衰落模型来模拟传播方式并不十分理想，只能进行简单的SISO和MIMO的容量对比（参见图9），精确的分析需要建立802.11n特有的传播模型。
图9比较了2×2MIMO系统和SISO系统，展示了MIMO系统能够获得的高增益。互补累计分布函数（complementary cumulative distribution function）表示所有大于某个容量（bps/Hz）的出现概率。容量计算公式是：C（bps/Hz）=log2，信噪比SNR设定为20dB。作为比较，802.11a能在20MHz最大实现54Mbps，因此其频率效率是2.7bps/Hz，而2×2MIMO系统在理想状态下容量能提高3倍。在实际环境中，由于硬件损害、同步丢失等原因，容量提升没有这么多，但一个有2个空间流的802.11n系统在20MHz带宽上能够实现2.8倍802.11a的数据传送速率。
对MIMO系统影响最大的是天线的相关性，随着天线相关性的增加，信道空间矩阵的性能将明显下降。为了减少相关性，天线之间应至少相隔半个波长的距离。而且，天线应该具有低互耦性。非视距效应能够减少天线的互相关，从而降低了接收器对SNR的要求。
图9比较了2×2MIMO系统和SISO系统，展示了MIMO系统能够获得的高增益。互补累计分布函数（complementary cumulative distribution function）表示所有大于某个容量（bps/Hz）的出现概率。容量计算公式是：C（bps/Hz）=log2，信噪比SNR设定为20dB。作为比较，802.11a能在20MHz最大实现54Mbps，因此其频率效率是2.7bps/Hz，而2×2MIMO系统在理想状态下容量能提高3倍。在实际环境中，由于硬件损害、同步丢失等原因，容量提升没有这么多，但一个有2个空间流的802.11n系统在20MHz带宽上能够实现2.8倍802.11a的数据传送速率。
对MIMO系统影响最大的是天线的相关性，随着天线相关性的增加，信道空间矩阵的性能将明显下降。为了减少相关性，天线之间应至少相隔半个波长的距离。而且，天线应该具有低互耦性。非视距效应能够减少天线的互相关，从而降低了接收器对SNR的要求。
好帖子，支持一下！
好东西，顶
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发展802.11n标准时，假想了好几个信道传播模型。由于WLAN的应用特点，传播模型主要基于室内的测量，一共有6个传播模型（参见图10）。其中A模型——扁平瑞利衰落模型，仅限于理论比较，不适合802.11系统。B、D、E模型最通用，经常被用于物理层的丢包率计算，以及MAC层的模拟。B模型适用于住宅环境，C模型适用于住宅或者小型办公室，D模型适用于普通办公室，E模型适用于较大的办公室，F模型适用于大型热点地区等空旷场地。
影响传播模型的参数包括：天线的相关性、路径损耗、多普勒效应、相位噪声、功放的线性性能等。
[ 本帖最后由 odyssey_2010 于 2011-12-28 10:19 编辑 ]
影响传播模型的参数包括：天线的相关性、路径损耗、多普勒效应、相位噪声、功放的线性性能等。
[ 本帖最后由 odyssey_2010 于 2011-12-28 10:19 编辑 ]
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不错，好东西哈
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四，802.11n和802.11a的兼容
802.11n被设计成与802.11a（以及2.4GHz的802.11g）兼容。为了在物理层实现这种兼容，802.11n定义了MF（mixed format）前缀。我们先回顾一下802.11a的数据包结构、发送处理流程和接收处理流程，以便理解定义一个前缀以实现11n和11a之间的兼容的必要性，然后详细讨论MF前缀的格式。
802.11n被设计成与802.11a（以及2.4GHz的802.11g）兼容。为了在物理层实现这种兼容，802.11n定义了MF（mixed format）前缀。我们先回顾一下802.11a的数据包结构、发送处理流程和接收处理流程，以便理解定义一个前缀以实现11n和11a之间的兼容的必要性，然后详细讨论MF前缀的格式。
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802.11a的数据包格式如图11所示。Short Training Field（STF）用于侦测数据包的起始点，以及自动增益控制（AGC）的设置。另外，STF还用于时间同步和频率偏置（frequency offset）的初始化估计。STF后面是Long Training Field（LTE），LTE的作用是信道评估、更精确的频率偏置（frequency offset）估计和时间同步。LTF后面是Signal Field（SIG），SIG携带了数据包的长度信息和数据包的rate信息，比如BPSK（1/2 rate 编码），再比如64-QAM（3/4 rate编码）。SIG之后是Date Field，Date Field的前16个bit是Service Field。上述802.11a数据包字段的信号波形见图12。
顶下！！！！
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802.11n的高吞吐量（high throughput，HT）数据包格式适用于传送多空间流。有两种802.11n HT格式，一种叫mixed format（MF），一种叫Greenfield format（GF）。Mixed format（MF）的前缀以802.11a的字段开头，以确保兼容性。传送完802.11a legacy字段后，再传送HT training字段（参见图11）。图12是一个20MHz频段上有两个并发空间流的802.11n MF波形，从时间域看，前缀中前20us都是legacy字段，HT部分的字段占据接下来的20us，之后是HT数据字段。
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MF前缀的第一部分是non-HT（legacy）training字段，也就是802.11a的字段，具体包括Non-HT Short Training field (L-STF)，non-HT Long Training field (L-LTF)
和Non-HT Signal field (L-SIG)，根据这些字段，市场上已有的802.11a设备能够侦测到前缀。而且，一个802.11n HT终端也需要通过这些字段来完成training 和对L-SIG的解码。
和Non-HT Signal field (L-SIG)，根据这些字段，市场上已有的802.11a设备能够侦测到前缀。而且，一个802.11n HT终端也需要通过这些字段来完成training 和对L-SIG的解码。
回复 16# 的帖子
MF前缀的HT部分包括HT-SIG（High Throughput Signal Field），HT-STF（High Throughput Short Training field）和HT-LTF（High Throughput Long Training field）。HT-STF用于AGC设置，HT-LTF用于MIMO信道预估。HT数据字段跟在HT-LTF后面。
HT-SIG包括48个比特，分成两个symbol：HT-SIG1和HT-SIG2，分别有24个比特（参加图15）。在HT-SIG1，前7个比特决定哪个MCS（modulation coding schemes, 0-76）被用于传送数据字段。MCS包括BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM，这些MCS 802.11a也使用了。编码速率包括和802.11a一样的1/2，2/3，3/4，以及新定义的5/6。MCS 0-7适用单空间流，MCS8-15适用双空间流，MCS16-23适用三空间流，MCS 24-31适用四空间流。MCS 0-31中每个空间流的调制方式都相同。MCS仅用于40MHz。MCS 33-76中，每个空间流有不同的调制方式。CBW 20/40比特定义用20MHz带宽还是40MHz带宽传送数据。后面16比特是长度信息，可以是0到65535字节。为了获得更高的数据速率和效率，更长的数据包是必要的。
HT-SIG包括48个比特，分成两个symbol：HT-SIG1和HT-SIG2，分别有24个比特（参加图15）。在HT-SIG1，前7个比特决定哪个MCS（modulation coding schemes, 0-76）被用于传送数据字段。MCS包括BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM，这些MCS 802.11a也使用了。编码速率包括和802.11a一样的1/2，2/3，3/4，以及新定义的5/6。MCS 0-7适用单空间流，MCS8-15适用双空间流，MCS16-23适用三空间流，MCS 24-31适用四空间流。MCS 0-31中每个空间流的调制方式都相同。MCS仅用于40MHz。MCS 33-76中，每个空间流有不同的调制方式。CBW 20/40比特定义用20MHz带宽还是40MHz带宽传送数据。后面16比特是长度信息，可以是0到65535字节。为了获得更高的数据速率和效率，更长的数据包是必要的。
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