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[技术交流] 802.11n是如何实现600Mbps速率的

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发表于 2019-10-22 14:52:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
802.11n已经成为当前Wi-Fi的主流产品。我们来看看802.11n是如何在802.11a/g的基础上在物理层实现600Mbps的传输速率的。

Wi-Fi联盟在2007年6月25日发布的802.11n draft2.0保证802.11n设备之间基本的兼容性和功能。制造商开始依据规范生产802.11n设备。802.11n在2009年9月成为了无线局域网行业的主流。因为最终的标准兼容以前的draft2.0全部内容,任何draft2.0设备也是一个802.11n设备。最大的区别是,802.11n draft2.0支持2SS (空间流)可使最大网络吞吐量达到300Mbps,而最终的802.11n支持使用4SS 使得吞吐量最大到600Mbps。我们来逐个分析802.11n提高速率的因素。

802.11n的主要特点是物理层采用OFDM和MIMO技术。

1)子载波

OFDM技术将20 MHz频段划分成每个312.5khz宽的子带共形成64个子载波。

312.5KHz X 64=20MHz

后部6个和前部5个子载波没有用于数据传输,以防止相邻信道之间的干扰。中心的一个子载波和四个导频子载波也没有用于数据传输.。于是总的有16个子载波没有用于数据传输。48个子载波进行数据传输的802.11a/g的最大吞吐量为54Mbps的。802.11 a/g子载波可以通过采用不同的调制技术以取得各种各样的数据速率。

在802.11n中增加4个额外的子载波进行数据传输,共52个子载波。这增加了一个额外的11mbps速率使得最大吞吐量达到65Mbps。

2) 保护间隔

保护间隔是射频信号之间的延迟时间,以补偿前一个射频信号(如传播延迟、回波和反射)的负效应。在802.11a/g的 OFDM条件下保护间隔是800ns。信号间干扰是当前一个射频信号完全接收之前一个新的射频信号已到达。这样的干扰构成信噪比。当发送方与接收方同意的条件下,一个可选的400nsec保护间隔可以用在802.11n系统中。在保护间隔减少了400ns的情况下可增加7Mbps数据率,。可使得吞吐量从65 Mbps增加到72Mbps。

3) 40MHz信道连接和恢复四个子载波

802.11a/g网络只能使用20MHz带宽的频段,而802.11n网络可以使用20MHz和40MHz带宽的频段。新的40MHz频段是通过连接两个相邻的20 MHz频段得到的。

不同于以往的20MHZ频段,数据传输中需要缓冲子载波用于以防止相邻信道的干扰,新的40MHz信道两个20 MHz信道连接的地方不需要这些缓冲子载波。因此,四个子载波为数据传输另外增加6Mbps的吞吐量。

40MHz信道增加吞吐量为72Mbps x 2(2频段连接)+ 6Mbps(取消相邻信道干扰的缓冲区恢复的子载波)= 150Mbps。简单来说,40MHz信道绑定产生了二车道公路的效果。

4)MIMO

我们谈MIMO之前需了解多径效应是怎么回事。想象一下,AP安装在您的客厅里而无线局域网笔记本电脑在厨房里使用。从AP发送的射频信号到达笔记本电脑有各种不同路径。包括直接的路径,通过镜面反射的路径,其他的路径有通过地面反射的,由一个木制的椅子衰减的信号,或冰箱的涂层材料的折射等等。多径是指从发送方到达接收方信号走的不同路径.。

传统的802.11a/b/g模型只有一个Tx和Rx天线可用。即使安装了两个天线,其中一个是作为备用。在上面的例子中,收件人笔记本电脑有空间上隔开的天线A和天线B,天线A可以接收一个较好的信号,而天线B的功能仅是作为备份天线用。

这样一个只使用一个Rx和Tx天线的系统称为SISO(单输入单输出)系统,这是与MIMO系统相对而言的。802.11a/b/g均是单输入单输出系统。

顾名思义,MIMO系统可以同时接收和发送多个输入和输出的信号,在上面的例子中,天线A和B同时发送Tx信号,而接受天线也同时接收多个射频信号。在MIMO系统中,上述的多路径提高了信噪比。这就是为什么一个11n系统可以在多路径环境下反而提高了性能。不同于以往的SISO系统,MIMO系统可以组合两个接收天线增加信号的信噪比。

空间流(Spatial Stream)意味着可以在不同的空间发送和接收多个流。前面已经介绍了,802.11n在40MHz信道通过连接频段和恢复子载波使得吞吐量增加到了150Mbps。这150Mbps就成为MIMO系统中的一个空间流。两个同步空间流就有300Mbps的最大吞吐量,3个空间流有450Mbps,4个空间流就是600Mbps吞吐量。OFDM 5GHz信道为8个频段,因此一个802.11n系统的最大吞吐量可达600Mbps。

总之,最大吞吐量基于保护间隔的大小,空间流数,和子载波数量。 例如,一个系统为2SS(空间流),一个20MHz的信道,和400ns保护间隔则其最大吞吐量为144Mbps。如果保护间隔改为800ns,其它同等配置则最大吞吐量为130Mbps。draft2.0只支持两个空间流。802.11n标准允许最多4个空间流来创造最大的4x150Mbps = 600Mbps。注意,虽然大多数802.11n设备支持至少2空间流,但是最新流行的平台也有只支持一个空间流的。虽然有一些笔记本电脑支持3个空间流,但是移动设备可能不需要4个空间流。3个空间流已经提供了一个450Mbps的最大速率。需要高数据速度的应用程序,如AP到AP通信的设备会希望利用较多的空间流。

下图是一个802.11n如何从54Mbps传输速率提高到600Mbps的示意图。



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