无线局域网IEEE 802.11n标准分析

&Information communications信 息 通 信 The analyze of WLAN IEEE 802.11n standard LIU Wei-mu1，LIU Hou-quan (School of Computer Science & Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China) Abstract: 802.11n is a new emerging WLAN standard. The paper fi rst introduces WLAN and the history of the 802.11 series. Then it introduces the characteristics and the present situation of the 802.11n development. By comparing the WWiSE and the TGnSynch group, the paper analyzes the core technology of 802.11n. Finally it makes some forecasts of the future 802.11n Keyword: WLAN、802.11n、WWiSE、TGnSynch. 摘 要：802.11n是制定中的最新的无线局域网标准。首先 介绍了无线局域网以及802.11标准系列的发展历史。然后 介绍了802.11n标准的特点和发展现状。通过对WWiSE和 TGnSynch两大技术阵营的对比，对802.11n的核心技术进 行了分析介绍。最后对未来的802.11n标准做出了预测。 关键词：WLAN、802.11n、WWiSE、TgnSynch 中图分类号：TP393.17 文献标识码：A 文章编号：1673-1131(2008)04-036-04 一、WLAN及802.11标准系列简介 无线局域网络WLAN (Wireless Local Area Network) 自诞生以来，因其优越的灵活性和便捷性，发展迅速， 具有广阔的发展前景。所谓WLAN是指利用射频(Radio Frequency：RF)或是红外线(Infrared：IR)技术，以无线的方 式连接二部或多部需要交换资料的计算机设备。它一般由 无线网卡、无线接入点（AP）、计算机和有关设备组成，其 中AP是 Access Point的简称，一般翻译为“无线访问节点”， 它主要是提供无线工作站对有线局域网和从有线局域网对 无线工作站的访问，在访问接入点覆盖范围内的无线工作 站可以通过它进行相互通信。 IEEE的802.11标准系列是现今WLAN实现技术的主流， 它相对简单，通信可靠，具有灵活、高吞吐量和快速安装的 特点，而且技术发展存在渐进性和继承性，升级较为方便。 802.11标准系列的最初版本是由IEEE美国国际电子电机学会 于1997年正式批准的，是第一个被国际上认可的协议。在最 初版本中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层， 总数据传输速率 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 为2Mbps。两个设备之间的通信可以自 由直接(ad hoc)的方式进行，也可以在基站(Base Station, BS) 或者访问点（Access Point，AP）的协调下进行。为了解决冲 突，在不同的通讯环境下取得良好的通讯品质，采用 CSMA/ CA (Carrier Sense Multi Access/Collision Avoidance)硬件沟 通方式。之后IEEE又陆续发布了若干改进版本，包括1999年 的 802.11a，定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率 可达54Mbps的物理层；802.11b，定义了一个在2.4GHz的ISM 频段上的数据传输速率为11Mbps的物理层。以及以后的 802.11c到802.11m一系列标准。其中802.11g在2.4GHz的ISM 频段上达到了54Mbps的传输速率。而正在制定中的802.11n 更是最高达到了600Mbps的传输速率。 二、802.11n发展现状 无线局域网IEEE 802.11n标准分析 刘维穆 刘厚泉/中国矿业大学 计算机学院（徐州·221008) 36 刘维穆 刘厚泉/无线局域网IEEE 802.11n标准分析2008 No.4 专业论坛 Specialized forum 2004年1月，IEEE宣布组成802.11n工作组来发展新的 802.11n标准。802.11n标准的最高传输速率将达600Mbps， 是802.11b的50倍，802.11g的10倍左右。同时802.11n也将 会比目前的无线网络传送到更远的距离。但迄今为止， 802.11n还没有获得正式的批准。其实早在2006年3月份， 802.11n就被定为工作草案并进行了投票。但是当时的投 票支持率只有46%，远低于75%的通过标准，并存在多达 12000条修改意见。 802.11工作组在经过耗时9个多月的艰 苦努力后，终于完成了对12000条修改意见的处理工作，并 于2007年1月14日到19日，在英国伦敦举行了第101次会议。 其中一项重要议程就是对修改后的802.11n草案1.10版本进 行投票，为草案2.0版本最终定稿，同时对802.11n标准时间 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 做进一步的规划。在这次会议上，802.11n草案1.10版本终 于获得通过。 802.11n之所以很难最终形成标准，存在着大量的修改 意见，是因为同时有许多个不同的提议在相互竞争。其中 最主要的两个提议分别由WWiSE (World-Wide Spectrum Effi ciency)和TGnSynch提出。 WWiSE由Airgo公司领导，主要成员有Broadcom， Conexant Systems，摩托罗拉，STMicroelectronics，Texas Instruments。而TGnSynch主要由Atheros， Intel， Nortel Networks，Panasonic， Philips Electronics，Qualcomm， Samsung和 Sony组成。 两大阵营都希望在无线局域网络标准中占据主导地 位，但是实力旗鼓相当，不分上下，因此也就造成了802.11n 标准诞生的一再延迟。为了实现最终的标准，两个组织均 于2005年解散，并由其中的大多数成员共同形成了EWC （Enhanced Wireless Consortium）扩展无线联盟，以期解 决差异，达到相互妥协。现在两者的技术构架已经越来越相 似，例如两者都采用了MIMO技术，都采取了MAC增强技 术，但是细节上仍然存在着细微差异。两者在40MHz信道 的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 上，仍然存在着较大的分歧。 三、核心技术介绍 3.1 MIMO 802.11n草案的最大特点在于引入了MIMO技术[1]。传 统的单入单出系统（SISO）中，在发送端和接收端都只采用 一根天线。但是在实际的无线通信环境中，传播路径上会存 在许多障碍物，使得信号在传播过程中发生散射、反射。当 这些信号传播到接收端时就形成了多条传播路径。不同传 播路径信号相位不同，彼此干扰引起信号衰落[2]，这就是多 路干扰问题。传统的802.11装置会将这些来自别的路径的信 号视为干扰，给通信的有效性和可靠性带来严重的影响。 MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）技术就是利 用多天线来抑制信道衰落。实际上在现有的802.11设备中，有 些已经具有了多条配置不同的天线，但是在任何点只有其中 一个最好的天线被使用，其他处于闲置状态。这样在发送端 和接收端之间仍然只有一条输入输出流。在MIMO技术中， 发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，形成 多径无线信道，使多天线同时工作。由MIMO技术的原理图 可以看出：传输信息流S经过空时编码后被分解形成N个信 息子流Sn(其中n=1,.....,N)。这N个子信息流由N个天线发射 出去，经空间传播后被 M个接收天线所接收。多天线接收机 利用这些信号的差异，用先进的空时编码处理将这些信息子 流分离和解码，并将它们合并恢复出原始信号。这样，它恰 恰利用了多路干扰，从中取利，原来的信号干扰变为信号增 益，提高了信道的可靠性，降低了信道的误码率。 同时由于MIMO技术采用多个数据通道共用一个频带 的方法，因而可以在不增加带宽和天线发射功率的情况下， 图表 1 : 802.11n标准计划时间表 图 2:多路干扰 图表 3 MIMO 37刘维穆 刘厚泉/无线局域网IEEE 802.11n标准分析 2008 No.4 &Information communications信 息 通 信 创造出多个并行空间信道，使信道容量呈线性(与天线数量 成正比)增加，大大提高了频谱的利用率。 WWiSE和TGnSynch均采用STBC编码（Space-time block coding 用来在无线通讯环境中通过若干个天线传输 单个数据流，并在接收端对不同的数据版本进行分析从而 改善数据传输可靠性的技术）。由于802.11n最多允许四条 天线，这样收发两端的天线数量就可能存在非对称性。例 如一个只有两条天线的发送端设备和一个有四条天线的接 收端设备进行通信时，客观上就认为天线产生了冗余。 这 时候WWiSE规定单一的空间流只能采用STBC编码在2条 天线上传输。 而TGnSynch则定义了一种空间引导矩阵用 来在天线间分配传输数据。从而允许不使用STBC编码在 2，3或者4条天线上传输单个空间流。 3.2信道结构 信道就是采用无线信号作为传输媒体传输数据的无线 通道。现行的IEEE802.11b，a，g都采用20Mhz信道结构， 工作在2.4GHz、ISM频段上。所谓ISM频段是指世界各国 均保留了一些无线频段，以用于工业，科学研究，和微波医 疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一 定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干 扰即可。除2.4GHz之外，ISM频段在各国的规定并不统一。 如在美国有三个频段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz 和 5725-5850 MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于 GSM通信。 常用的IEEE 802.11b/g将其使用的2.4GHz、ISM频段分 为11或13个20Mhz的频段，信道重叠再所难免。如图四所 示，最多只有1，6，11三条信道互不重叠。同时在无线AP信 号覆盖范围内有两个以上的AP时，需要为每个AP设定不同 的频段，以免共用信道发生冲突。而很多用户使用的无线设 备的默认设置都是Channel（信道）为1，当两个以上的这样 的无线AP设备相“遇”时就必然会产生冲突。 为了实现最高6 0 0 M b p s的传输速率，W W i S E和 TGnSynch都采用了40Mhz信道技术来实现，但是在是否使 用一个独立完整的40MHz信道的问题上还存在着较大的分 歧。TGnSynch主张在2.4Ghz或者5Ghz频段上使用MIMO 技术，通过把2条20Mhz进行捆绑而形成40Mhz信道，从而 使带宽达到600Mbps。 而WWiSE则主张在2.4Ghz或者5Ghz频段采用单独的 20Mhz或者40Mhz信道。他们认为采用信道捆绑会和现有 的无线网络发生冲突。当采用20Mhz信道时，他们使用了2 ×2MIMO技术，使两条20MHz信道同时工作。一条作为主 信道，一条作为备用信道。备用信道只有在传输数据超过主 信道传输能力时才工作。这样使得通过单个20Mhz信道达 到相当于40Mhz信道的传输容量。 虽然40MHZ信道理论上把传输容量提升了1倍，最高达 到了600Mbps的传输目标。但是40MHz的信道不可能压缩 在2.4GHz到2.4835Hz的ISM频段上。使用单独的40Mhz信 道就要求迁移到更高的频段上，而在大多数国家，40MHz 的信道操作是不被允许的。 因此两者的争论焦点就在于是否把40MHZ的使用最 为强制选项。如果它被批准为强制使用，那么将来所有的无 线设备芯片集都必须支持40MHz，增加了成本和复杂性， 同时40MHz也并不一定被允许。目前两个组织都同意把 20MHz作为强制使用和把40MHz作为可选项，因此在最终 版本中很可能是两者并存的局面。这也造 成了会产生两种不同的设备，一种只支持 20MHz，一种两者都支持。两者价格上的 差异也许会造成浪费（在允许40MHz的地 区）。 在伦敦会议上通过的新草案围绕在 40MHz信道的实现问题上，针对原有的 2.4GHz频段设备增加信道带宽时出现的 干扰现象做了一些调整。新版本的标准 草案要求使用两个20MHz 信道，在2.0版 本中，系统将搜索网络环境中不支持更大 带宽，而只通过一个20MHz发送数据的 802.11n设备，避免降低全部数据的吞吐 量。同时还将允许设备（包括蓝牙设备）发图四：信道划分 38 刘维穆 刘厚泉/无线局域网IEEE 802.11n标准分析2008 No.4 专业论坛 Specialized forum 送信号告知相关设备是否以40MHz模式接收数据。由此可 以推测新标准将把单独的40MHz信道作为可选项。新草案 的改动也说明了这一点。 3.3 MAC增强 MAC层增强技术主要有两个方面，一个是减少ACK 报文，另一个就是聚合技术。之前每个单播数据帧都要有 一个ACK应答报文，在802.11n中采取了更为灵活的应答机 制，减少了ACK报文的数量，提高了效率。这一点上WWiSE 和TGnSynch的观点是相同的。 在802.11n无线网络中，很多时候传送的都是小的，交互 性的网络数据包。这些小的数据包形成小的数据帧，都要求 物理层封装发送，造成很大的开销。把若干小的数据包聚 集在一起形成一个相对较大的数据帧来传送就提高了信道 传输效率。 在包聚合技术上，WWiSE仅在数据包中的目的地址相 同时才可以进行聚合。在从客户端到接入点（AP）的上行数 据传送中，因为目的地址相同，所有的包都可以进行聚合。 但是在从AP到客户端的下行数据传送就因为目的地址的多 样化使得聚合受到了限制。WWiSE对每个目的地址分别进 行传送，而TGnSynch则仍然使用包聚合形成一种多接收者 帧，并收集聚合帧中每个接收者的反应，从而减少开销。 不管采用哪种技术，包聚合技术必然要求对传送包队 列的排队算法有很高的效率[3]，算法的优劣是成败的关键， 也是最终802.11n新标准需要着力解决的问题之一。 3.4 OFDM 和802.11a/g一样，WWiSE和TGnSynch都采用了OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术。 OFDM又称为正交频分复用技术，是多载波调制技术的一 种。它的基本思想是把通信信号按90度的相位做频分，形成 许多个正交子信道。当某个信道波形过零点时，相邻信道的 波形恰好是幅值的最大值。然后在每个子信道上使用一个 子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样由于各个 子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，不 但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 四、结论 新的802.11n标准提供了诱人的传输速率，迎合并满足了 诸如VoIP，网络多媒体，NAS（网络附加存储）的需求。虽然 还没有正式批准，但它注定将成为未来无线标准的主流。事 实上基于802.11n的无线网络产品已经生产了出来。但一旦形 成最终标准并存在较大差异，这些设备将难以继续运行。除 了上述的核心技术以外，未来的802.11n还必须要考虑兼容性 的问题。现在运行的无线网络产品中，既有基于802.11g的， 也有基于802.11 b，a的。这些硬件产品不可能立即被淘汰 掉，为了能和这些无线网络设备进行通信，新的802.11n必须 考虑和以前标准的相互兼容。另外为了应对复杂的无线传输 环境，新的802.11n必须要提供足够丰富的传输选项，从而允 许设备根据不同的情况选择不同的传输配置，提高设备的利 用率。对于单独40MHz的信道使用，一方面在大多数国家不 被允许，同时如果硬件产品被强制要求予以支持，那么无疑 会增加成本，并有可能造成浪费。因此40MHz将很可能只作 为可选项，硬件产品不会大规模支持。 参考文献 [1] BROADCOM CORPORATION, 802.11n: Next- Generation Wireless LAN, 2006 [2] Steven J. Vaughan-Nichols, Will the New Wi-Fi Fly?, 2006 [3] Josip Lorincz, Dinko Begusic,University of Split, FESB-Split, Croatia, Physical Layer Analysis of Emerging IEEE 802.1 inWLAN Standard, 2006 作者简介 刘维穆（1982-），男，河北省衡水人，硕士研究生，主 要研究方向为计算机网络安全和GIS； 刘厚泉，男，江苏徐州人，副教授，主要研究方向为多 媒体网络通信和虚拟现实技术。 图五：聚合技术 39刘维穆 刘厚泉/无线局域网IEEE 802.11n标准分析 2008 No.4