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标题: 下一代WLAN——802.11n的原理和性能分析 [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2011-12-16 12:37

作者: odyssey_2010 标题: 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 ]

时间: 2011-12-19 16:51

作者: odyssey_2010 标题: 回复 1# 的帖子

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 ]

时间: 2011-12-20 09:18

作者: odyssey_2010 标题: 回复 2# 的帖子

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。

时间: 2011-12-20 09:59

作者: odyssey_2010 标题: 回复 3# 的帖子

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。

时间: 2011-12-20 16:57

作者: fing66520

时间: 2011-12-22 11:12

作者: odyssey_2010 标题: 回复 4# 的帖子

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）。

时间: 2011-12-26 09:35

作者: odyssey_2010 标题: 回复 6# 的帖子

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[det(In+ρ×HH*/M)]，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。

时间: 2011-12-26 17:16

作者: daniel_11

好帖子，支持一下！

时间: 2011-12-26 23:06

作者: a597810829

好东西，顶

时间: 2011-12-27 16:52

作者: odyssey_2010 标题: 回复 7# 的帖子

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 ]

时间: 2011-12-27 20:54

作者: whellis 标题: 回复 1# 的帖子

不错，好东西哈

时间: 2011-12-28 10:38

作者: odyssey_2010 标题: 回复 10# 的帖子

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。

时间: 2011-12-30 09:50

作者: odyssey_2010 标题: 回复 12# 的帖子

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。

时间: 2011-12-30 15:27

作者: a281220465

顶下！！！！

时间: 2011-12-31 09:38

作者: odyssey_2010 标题: 回复 13# 的帖子

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。

时间: 2011-12-31 09:55

作者: odyssey_2010 标题: 回复 15# 的帖子

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。

时间: 2012-1-4 09:47

作者: odyssey_2010 标题: 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。

时间: 2012-1-4 11:03

作者: albet_alvis

好帖子，支持

时间: 2012-1-5 09:13

作者: fenghai_sun

好资料，顶一个

时间: 2012-1-5 19:13

作者: yanchaobob

赞，正需要这种资料呢

时间: 2012-1-9 10:13

作者: odyssey_2010 标题: 回复 17# 的帖子

HT-SIG2的结构见图16，其中的Smoothing bit, Not Sounding bit, and Number of Extension Spatial Streams bits与发射端的波束赋形有关。如果Not Sounding bit
等于0，表示发射的是一个sounding数据包，sounding数据包用于为波速赋形收集信道状态信息。Aggregate比特表示数据包载荷中包含单个MPDU（Aggregate比特=0）或者A-MPDU（Aggregate比特=1）。通过解码HT-SIG，物理层能够立即向MAC层报告数据包中是否包含A-MPDU。两个STBC比特确定STBC的工作状态，如果STBC比特=0，表示没有STBC。FEC Coding比特等于0表示数据是BCC编码，FEC Coding比特等于1表示数据是LDPC编码。Short GI比特等于1，表示子载波之间的保护带是400ns，而标准情况下的保护带是800ns。

时间: 2012-1-11 09:40

作者: dragonkiln

感谢楼主分享资料辛苦了

时间: 2012-1-16 22:54

作者: chuenlai

下载看下

时间: 2012-1-19 14:45

作者: odyssey_2010 标题: 回复 21# 的帖子

接下来讨论HT-STF（High Throughput Short Training field）。前面讨论过，当同一个空间数据流通过不同的天线链发送时，需要较大的循环偏移对信号做解相关。如果有四个发射天线，STF要获得和Data字段匹配的功率，需要600纳秒量级的循环偏移。然而，为了兼容老的OFDM设备，L-STF只能支持最大200纳秒的循环偏移，因此，HT-SIG后面必须增加一个字段，为MIMO的AGC（自动增益控制）设置提供精确的功率估计。HT-STF与L-STF比较，能够做更精确的AGC设置。不同空间流服用需要的不同循环偏移值参加图17。HT-STF的长度是4.0 us 。

时间: 2012-1-19 15:04

作者: odyssey_2010 标题: 回复 24# 的帖子

MF前缀的最后一部分是HT-LTF（High Throughput Long Training field），HT-LTF用于MIMO信道预估。系统为每个空间数据流传送一个4us长的HT-LTF，代表一个选定的MCS（modulation and coding scheme）。HT-STF中使用的循环偏移，也被用于LTF，以便精确地匹配数据字段中的功率。HT-LTF的具体结构参见图18。

图 18

HT long training 频域序列与来自正交映射矩阵的序列（+1或者-1）相乘，每个long training symbol用来自图17的值进行循环偏移。正交映射矩阵如图19所示。

时间: 2012-1-20 10:06

作者: odyssey_2010 标题: 回复 25# 的帖子

数据字段的发送处理过程如图20所示，其中的很多步骤和802.11a相同。802.11n使用的编码方法包括binary convolutional code (BCC)、low density parity check (LDPC) code和space-time block code (STBC)。

图 20
Stream parsing功能块负责将数据流分到不同的空间流（spatial streams, Nss，参见图21）。

图 21
802.11n的子载波根据选择的MCS，可以用BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM等方式进行调制。如果是20MHz的情况，802.11n的导频子载波的位置和802.11a一样，分别是-21、-7、7和21。每个空间流都有不同的导频子载波模式。每个空间流的52个数据子载波和4个导频子载波组合起来后，执行一次IFFT，最后得到OFDM数据symbol。
2，通过40MHz带宽提高数据速率
除了通过MIMO/SDM技术提高数据传送速率外，引入40MHz带宽也是一个关键技术。40MHz带宽技术涉及到short guard interval, Greenfield前缀，等等。

时间: 2012-2-1 13:46

作者: odyssey_2010 标题: 回复 26# 的帖子

40MHz的子载波定义如图22所示，一共包括128个子载波的位置，每个子载波的宽度是40MHz/128=312.5 kHz。最左边的6个子载波（-64到-59）和最右边的5个子载波（59到63）是相邻40MHz之间的保护隔离带。中间的3个NULL子载波（-1，0，1）用于简化“直接下行转换接收器（direct down conversion receivers）的设计。相比较而言，20MHz HT子载波的保护隔离带是左边4个子载波，右边3个子载波，中间1个NULL子载波。
图 22
在上述14个NULL子载波之外，40MHz一共有114个子载波可以使用，分别位于-58,-57,…,-2,2,…,57,58，其中，6个子载波是导频（Pilot）子载波，分别是-53,-25,-11,11,25,53，比20MHz多两个导频子载波，以更精确地实现相位同步。剩下的108个子载波用于数据传输，几乎是20MHz子载波的两倍，因此速率也是后者的两倍，比如20MHz的MCS15能达到130Mbps，而40MHz的MCS15能达到270Mbps。

时间: 2012-2-2 20:48

作者: lovelds

好像下不了啊

时间: 2012-2-8 11:21

作者: odyssey_2010 标题: 回复 27# 的帖子

当一个20MHz终端和一个40MHz终端工作在相邻的频点时，20MHz终端会感觉到更多的干扰（和两个20MHz终端工作在相邻频点比较）。通常，只有相邻的20MHz频点才会被捆绑成40MHz频点。20MHz频点的编号如图23所示。一个40MHz频点的编号由两个字段组成：（Nprimary_ch , Secondary），其中第一个字段表示主用20MHz频点的编号，在主用20MHz频点，AP可以传输所有相关的控制和管理信息，因此，同样的AP也能够被20MHz终端使用。第二个字段代表附属20MHz频点的编号，附属20MHz频点的编号比主用20MHz频点的编号大1号或者小1号，计算公式是（Nprimary_ch + Secondary*4）。比如1个40MHz频点的编号是（Nprimary_ch=36 , Secondary=1），则主用20MHz频点的编号是36，附属20MHz频点的编号是40 。

图 23

从图23中看出，5GHz频段，20MHz频点并不重叠，而在2.4GHz频段，20MHz频点是重叠的，因此在2.4GHz频段，40MHz频点也是重叠的。40MHz频点的编号如图24所示。

时间: 2012-2-9 14:24

作者: zhaoyi001

hao

时间: 2012-2-11 21:32

作者: willis12345

多谢分享

时间: 2012-2-13 15:45

作者: odyssey_2010 标题: 回复 29# 的帖子

为了和802.11a/g OFDM设备兼容，旧有的20MHz MF前缀在40MHz中仍然使用，这样旧的OFDM设备能在40MHz中的任何一个20MHz部分处理L-STF，L-LTF和L-SIG等信息字段。前面提到过，HT-SIG中有一个CBW 20/40比特标志，如果CBW 20/40等于0，表示使用20MHz信道；如果如果CBW 20/40等于1，表示使用40MHz信道。根据这个标志，在40MHz基站环境中，20MHz终端设备判断何时停止接收数据。
在数据编码方面，20MHz和40MHz的区别是所有20MHz MCS使用唯一的编码器，而有些40MHz MCS使用两个的编码器。

时间: 2012-3-1 10:44

作者: odyssey_2010 标题: 回复 32# 的帖子

制定802.11n规范时发现，如果数据速率超过300Mbps且基于800 ns的guard间隔，使用单个卷积编解码器的负担过重，因此，对于数据速率超过300Mbps且基于800 ns的guard间隔的MCS，建议使用两个编解码器。使用两个编解码器的HT数据字段的格式如图25所示：
图 25
为40MHz和800ns guard间隔定义的MCS参数和数据速率参见图26至图29，分别对应一个空间流到四个空间流。

时间: 2012-3-2 09:58

作者: xieweihua

时间: 2012-3-3 14:14

作者: tongxin945

最近正在学习802.11n，感谢楼主的奉献，谢谢

时间: 2012-3-3 14:29

作者: lisheguo

这个好，写的很详细啊。我想要下载来学习

时间: 2012-3-3 18:54

作者: zhangwenbin1!

时间: 2012-3-9 09:04

作者: 伯涵 标题: 学习中，非常感谢

时间: 2012-3-9 20:24

作者: 小乌龟123

现在正在学习11n协议，想问一下关于传输速率、qos、channel的有效范围是什么？谢谢

时间: 2012-4-25 15:01

作者: mxx12222 标题: 1111

111

时间: 2012-4-25 20:56

作者: zebrasky

好东西

时间: 2012-4-26 12:59

作者: 月夜清风2011

thanks！

时间: 2012-4-27 10:30

作者: 51112892

赞，正需要这种资料呢

时间: 2012-5-2 11:18

作者: 157310852

123

时间: 2012-5-3 13:44

作者: zic008

赞一个！很需要这个资料

时间: 2012-5-4 11:02

作者: yltack

我要下载所以给你回复！！！！！！！

时间: 2012-7-24 14:27

作者: streamboy

好东西

时间: 2012-7-25 14:34

作者: 许超杰

还以为是“下一代无线网络802.11n”那本书呢，失望了，

时间: 2012-7-31 19:25

作者: yizhiyizhi1985

好东西。正准备看这类东西

时间: 2012-7-31 19:30

作者: Davidcl

谢谢楼主分享

时间: 2012-8-22 11:20

作者: syf900318

好东西

时间: 2012-8-22 13:17

作者: dengwentao

继续吸收营养，求下载

时间: 2012-9-28 09:55

作者: 15308406311

新手，学习，楼主辛苦了。

时间: 2012-9-28 20:44

作者: ghyNONO

这么多，看来写的人很辛苦啊

时间: 2012-10-10 16:04

作者: 51112892

赞，正需要这种资料呢

时间: 2012-10-17 16:17

作者: nisuper 标题: RE: 下一代WLAN——802.11n的原理和性能分析

学习了，顶

时间: 2012-10-21 19:16

作者: 马将军

不错，好东西哈

时间: 2013-3-19 22:45

作者: 彀彀870118

谢谢

时间: 2013-3-20 11:54

作者: sun3596209

谢谢楼主，本人对协议比较感兴趣，可以交流一下！~

时间: 2013-3-25 10:41

作者: chencsw

赞，正需要这种资料呢

时间: 2013-3-25 11:00

作者: hjh661541

好，下来学习学习

时间: 2013-3-25 11:01

作者: hjh661541

好，下来学习学习

时间: 2013-4-9 12:28

作者: 蝴蝶在飞舞

学习，看看那

时间: 2013-6-15 14:04

作者: mayrain2010

非常不错的帖子，感谢分享

时间: 2013-7-10 22:21

作者: ilaowu

好资料，顶一个

时间: 2013-7-12 14:13

作者: donnar

谢谢分享

时间: 2013-7-12 14:31

作者: yija

感谢楼主分享~~

时间: 2015-4-28 16:52

作者: 禹泽

感谢分享

时间: 2015-11-3 14:29

作者: nhtabs

非常详细，写的不错。

时间: 2016-4-21 15:52

作者: yangcsrpo

必须学习学习

时间: 2016-5-10 12:30

作者: buerzuo

谢谢分享

时间: 2016-5-14 00:04

作者: scs15306913442

看一下

时间: 2017-10-19 21:36

作者: xjtulei

好东西！

时间: 2017-12-14 23:43

作者: vessial

学习一下

时间: 2018-4-27 16:17

作者: kobe082018

谢谢分享，学习一下

时间: 2019-3-18 11:33

作者: dyang__

看上去很不错，找了很久相关资料

时间: 2020-4-6 20:34

作者: 小傻子瞅啥呢

正在寻找的好东西！

时间: 2020-7-6 16:39

作者: 18292863022

时间: 2021-3-10 09:16

作者: terencebetter

感谢楼主的整理和分享！

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