WIFI基础入门--802.11n--MIMO-OFDM-WWiSE--21

1.概述

大部分IEEE任务组的焦点是提升最高吞吐量，让数据能够尽快传输。802.11任务组N的目标是在扣除协议管理功能(例如前导码、帧间间隔以及确认信息)所造成的负担后达到100Mbps的净吞吐量。要达到100Mbps有两种方式：改善MAC的性能或将最高吞吐量拉到100Mbps以上或两者并行。
802.11任务组N总共收到6份完整的提案，不过焦点在其中2份，分别由TGnSync与WWiSE阵营提出。双方阵营均包括芯片制造商。Atheros,Agere,Marvell与Inter属于TGnSync阵营；Airgo,Broadcom,Conexant与Texas Instruments则是WWiSE的核心厂商。大多电子设备制造商倾向于TGnSync阵营。两份提案十分类似，尽管强调的重点不同，其中一方强调最高数据率的提升，另外一方则是侧重MAC性能的改善。在许多配置上，两者均采用多进/多出(multiple-input/multiple-output简称MIMO)技术，并且向下兼容于同频带的旧系统。操作上，两者均支持当前的20MHz信道，另外使用2倍宽的40MHz信道来提升吞吐量。

2.多进/多出(MIMO)

2004年之前，802.11接口仅使用单一天线。虽然有些接口使用两支天线作为天线分集，不过天线分集只是选用信号最好的天线。就天线分集而言，任一时间点都只用到单一天线。就算配置两组以上的天线，也只用到其中一组组件来处理信号或射频链路。接收器只有一组输入链路，发射器也只有一组输出链路。
为了进一步超越天线分集，必须将射频链路分配给系统天线。这就是多进/多出(MIMO)操作的基础。任一射频链路均能同时接收或发送，如此可以大幅提高吞吐量。此外，接收器平行处理的好处在于能够解决多径干扰的问题，也可以改善接收信号的质量，远胜于单纯的天线分集。个别射频链路及相应的天线负责传送空间流。单一帧可以被拆解，经过多任务处理后以多组空间流传送，接收器再加以重组。WWiSE与TGnSync提案均采用MIMO技术来提高数据率，虽然两者的应用方式不同。
MIMO的天线配置通常表示成"Y•Z"，其中Y与Z均为整数，分别代表传输天线与接收天线的数量。2•2即使用两组传输链路、两组接收链路以及两道经过多任务处理的无线链路传送的空间流。

3.带宽

802.11a目前使用20MHz信道，因为这是所有管制单位一致允许的带宽。理论上，将带宽倍增为40MHz，信道的通信量也会因此倍增。虽然渴望在未来开放，但一些管理者目前并不允许40MHz的操作，日本是最明显的例子。

4.MAC性能的提升

大多数情况下，MAC性能很难达到物理层额定位率的50%~60%以上。每个待传帧都需要用到物理层帧头以及只会造成负担的前导码。802.11 MAC要求每个帧都需要得到确认，这也是额外的负担。对小型帧而言这些负担更是沉重，因为它们可能比帧数据本身用掉更多的传输时间。MAC的性能定义为各种长度的帧中MAC有效载荷数据占额定位率的比例。任何网络测量都必须加计额外的LLC数据，经过加密的网络也会有额外的负担。此外，大多数网络协议都会提供本身的确认机制，这进一步拖累了实际的性能。
TGnSync与WWiSE采用了一些技术来改善无线电信道的性能。虽然概念相似，但是细节不同。两者均采用某种形式的块确认(有时也称为帧突发)。如果不需要个别确认，就可以减少ACK帧、前导码与成帧所造成的负担。块确认虽然有用，但在帧突发期间不能有任何闪失。只要漏掉任何帧或确认信息就会严重影响协议的操作，整个块必须予以重传。
帧聚合也同时见于这两份提案。802.11所承载的封包有时很小。交互式网络连接(如ssh)的封包通常很小，但需要立即传送。封包较小，帧也就跟着变小。每个小型帧都需要物理层成帧，因此造成额外的负担。将一些小型封包组合成较大的单一帧有助于改善数据开销比。帧聚合通常会搭配MAC标头压缩，因为目的地相同帧会有相当类似的MAC标头。

5.WWiSE

MAC的改良

从名称上标榜"频谱效率"即可预料WWiSE比较侧重MAC性能的改善。为了达到100Mbps的净吞吐量，必须在960微秒的时间内传送12000个字节(960000位)。使用两组天线搭配两道数据率的基本配置，WWiSE的物理层规范可以有135Mbps的数据率，在711微秒之内传送
所有数据。在711秒内传送所有数据，其余的249微秒则是用于前导码、成帧、帧间间隔以及单一块确认。

信道与无线电模式

WWiSE同时使用20MHz与40MHz两种信道。40MHz操作可以使用单一40MHz信道或者一对同时用来发送数据的20MHz信道。其中一个信道作为主信道，使用正常的操作方式。第二个信道只用于信道聚合，不会让工作站与之关联。第二个信道用来承载主信道溢出的流量。载波监听功能只在主信道进行。虽然双信道操作属于物理层，但是仍旧免不了若干MAC层操作。主信道的Beacon帧中会加入一个新的信息元素Channel Set，让工作站得以被通知第二个信道的存在。接入点也会在第二个信道发送Beacon帧。和一般Beacon操作不同的是，这么做的目的是为了避免工作站与之关联，或者避免其他设备选用此信道进行操作。第二信道的Beacon帧与主信道的Beacon帧类似，但只支持必要的MIMO PHY数据率。为了进一步避免他人使用此信道，它也会包含contention-free信息元素。

保护机制

如同802.11g，这些新式物理层必须改良现有的保护机制，才能避免干扰现有的工作站。当然，使用2.4GHz的工作站必须实行802.11g所规范的保护机制，方能避免干扰其他较旧的直接序列或802.11b设备。如果接入点检测到旧式设备，就去启动RTS-CTS或CTS-to-self保护机制。
不过，为避免MIMO工作站以802.11a或802.11g设备无法理解的速率进行传输，必须设计一些额外的保护机制。WWiSE提案提出一种OFDM保护机制，允许MIMO工作站以适当的方式设定旧式OFDM工作站的NAV。
最后，WWiSE提案使用Beacon帧ERP信息元素里的两个位来指示是否需要用到OFDM保护机制。在某些情况下，可能需要用到OFDM保护机制来协助802.11g网络，但无需提供802.11b工作站保护机制。接入点会监控无线链路以判断是否需要OFDM保护机制。为了协助使用成对信道的工作站，它们也会指示是否使用第二个信道。

帧聚合、帧突发与确认

WWiSE提案把有效载荷数据的最大长度从2304个字节提高到8000个字节以上。有效载荷数据变多相当于提升有效载荷开销比，因此可以提升整体性能，如果较大的帧或帧突发能够顺利传送的话。
帧聚合是将几个较上层网络协议的封包捆绑在单一帧中。每个封包均包含一个带有来源与目的地地址的子帧头以及指定封包大小的长度字段，除非所要捆绑的各帧的Address 1(帧的接收端)字段值相同，否则无法聚合帧。在基础结构型网络里，来自接入点的帧的Address 1字段代表目的地，因此接入点只能聚合传给单一工作站的帧。不过，基础结构型网络里的工作站可以聚合传至不同目的地的帧。工作站会在Address 1字段填入接入点地址，因为传递至骨干网络之前，所有帧都必须经过接入点的处理。聚合帧时，目的地地址是下一跳处理工作站，源地址则是帧的产生者。拆解帧时，各个子帧将根据各自的帧头进行处理。由于接收端地址必须相同，因此无法同时聚合单播、组播与广播数据。
帧突发是与帧聚合相关但稍有不同的概念。帧聚合汇集了较上层协议的封包，以较大的数据量进行传输。帧突发在物理层采取同样的做法。一旦工作站付出相当的代价取得子信道的控制权，就可以持续进行传输。相对于较上层的帧，使用多个物理层的优点在于能够指定各个帧的来源与目的地地址。帧突发可以包含传送到不同目的地地址的传输操作。帧突发另外定义了两个帧间间隔，称为零帧间间隔(Zero Interframe Space简称ZIFS)与缩短型帧间间隔(Reduced Interframe Space简称RIFS)。传输功率相同的连续帧，可以用ZIFS立即传送；如果帧的传输功率有所变动，则使用RIFS。然而RIFS短于其他帧间间隔，这让工作站得以持续掌控信道。第一个帧无法被聚合，必须等到传送者掌控信道后方能传送。一旦取得控制权，它就可以在允许的时限内持续掌控信道。第二与第三个帧使用相同的传输功率，因此在ZIFS后进行传送。此外，它们的Address 1字段值相同，因此被捆绑到同一个聚合帧。要传送下一个帧，必须调整所使用的传输功率，因此得使用RIFS。第四与第五个帧可以聚合，作为单一聚合帧传送。等到队列中的数据传送完毕，工作站随即释放信道的控制权。
802.11MAC的最初版本规定，每个单播数据帧必须得到一个肯定确认信息。WWiSE移除了此项限制，允许使用较灵活的确认策略。除了标准策略，帧的传送可以不用得到确认或者使用块确认来代替。

WWiSE MIMO物理层

WWiSE提案是从802.11a演变而来，使用MIMO技术。基本的信道访问机制维持不变，OFDM编码方式亦然。从高层次来看，WWiSE PHY主要是用来为各个位指定不同的天线。

操作信道的结构

如同802.11a，无线电信道的划分是以0.3125MHz为副载波间隔。和802.11a的信道分割一样，在WWiSE提案中，20MHz信道被划分为56个副载波，40MHz信道则被划分为112个副载波。40MHz信道并非必要，也只能用于5GHz频带，因为ISM频道根本挤不出几个40MHz信道。
如同802.11a，其中有几个副载波会被设为导频，用来监控无线链路的性能。MIMO系统用到较少的导频，因为导频覆盖好几个接收链路。20MHz的802.11a信道使用了4个导频。在WWiSE提案中，20MHz的信道只需要2个导频，因为每个导频是由2个接收链路处理，效果相当于以单一接收器处理的4个导频。由于导频数较少，多出来的副载波就可以用来传递数据。20MHz的WWiSE信道有54个数据副载波；40MHz信道则有108个，刚好是前者的两倍。

调制与编码

WWiSE提案并未规范新的调制速率。它广泛使用16-QAM(4位)与64-QAM(6位)调制技术，但不需要十分精确的调制星座图。
至于编码方面则有所改良。WWiSE新增5/6的卷积编码率。如同802.11a所定义的2/3与3/4编码率，5/6编码是从输出收缩得来的较高编码率定义而来。WWiSE还定义了低密度奇偶校验(LDPC)码的用法。

交错器

在802.11a中，交错器负责为各位指定其所使用的副载波。MIMO交错器比较复杂，因为除了指定位在信道本身的位置，还需指定位所使用的空间流。WWiSE交错器从前向错误编码器取得传送位，然后轮流分配给每个空间流。第一位指派给第一个空间流，第二个位指派给第二个空间流，以此类推。交错器也负责每个空间流中编码位的扰频事宜。

空时分组编码

通常，每到空间流由一组天线来传递。不过有时候天线可能远多于空间流数。举例来说，如果接入点使用3组天线，而工作站使用2组天线，就会出现所谓的额外传输天线，即两道空间数据流必须指派给3组天线。通过多组天线来传送单一空间流称为空时分组编码(space-time block coding简称STBC)。
将一道空间流划分给几组天线的基本规则，就是以不同天线传送两道相关流。分割空间流的规则与带宽无关，但40MHz的空间流显然能够承载更多位的数据。天线数大于空间流数时WWiSE所采用的编码规则：

传输天线	空间流	第一道空间流	第二道空间流	第三道空间流
2	1	跨天线1与2编码	N/A	N/A
3	2	跨天线1与2编码	在第三组天线上正常传送	N/A
4	2	跨天线1与2编码	跨天线3与4编码	N/A
4	3	跨天线1与2编码	第三组天线	第4组天线

调制速率

WWiSE PHY定义了24种数据率以及49种不同的调制选项。为了节省空间，此处只列出数据(传输)率的基本公式：
数据率(Mbps)=0.675 * channel bandwidth * number of spatial streams * coded bits per subcarrier * code rate
channel bandwith(信道带宽)
20MHz信道的带宽为20，40MHz信道或成对信道的带宽为40。
number of spatial streams(空间流数)
空间流数可以是1，2，3或4。它必须小于或等于传输天线数。提案规定，必须至少支持两道空间流。
coded bits per subcarrier(每个副载波的编码位数)
大多数情况下，64-QAM为6位而16-QAM为4位。BPSK(每个副载波编码1位)与QPSK(每个副载波编码2位)只能用于20MHz且只有一道空间流的信道。
code rate(编码率)
16-QAM可以搭配1/2或3/4的编码率，64-QAM可以搭配2/3，3/4，5/6的编码率。
要达到相同的数据率，有几种不同的方式。例如，有4种方式可以达到108Mbps:
a.使用4道20MHz的空间流，以16-QAM搭配1/2的编码率(R=1/2)
b.使用2道20MHz的空间流，以64-QAM搭配2/3的编码率(R=2/3)
c.使用1道40MHz的空间流，以64-QAM搭配2/3的编码率(R=2/3)
d.使用2道40MHz的空间流，以16-QAM搭配1/2的编码率(R=1/2)
在使用单一空间流的基本模式中，信道的通信量稍高于802.11a，因为所使用的导频数量较少。单一信道调制最高可达60.75Mbps，而非802.11a的54Mbps。如果将所有参数调至极限(4到40MHz的空间流，以64-QAM搭配5/6的编码率)，WWiSE提案的吞吐量最高可达540Mbps。

MIMO与传输模式

之前的802.11物理层规范使用相当简单的传输模式。WWiSE提案提出了14种传输模式，使用哪一种取决于三项因素：
a.传输天线数，以xTX表示，其中x代表传输天线数。其范围从1至4，不过单一天线只能用于40MHz信道。所有20MHz的信道必须至少使用2组天线，但可以只使用一道空间流。
b.将帧用于Greenfield模式(简称GF)或mixed模式(简称MM)的环境。混合模式使用向下兼容于其他OFDM PHY的物理层标头，GF模式则是使用速度较快的物理层标头。
c.信道的宽度，可以是20MHz或40MHz。

WWiSE PLCP

PLCP必须能够操作于两种模式。操作于Greenfield模式时，PLCP不会使用向下兼容的物理层标头。Greenfield的访问比较简单：它可以不同向下兼容。
MIMO-OFDM PLCP Preamble字段
此字段包含已知的位序列，协助接收器锁定信号。Preamble可能划分为几个部分，取决于采用何种传输模式。它通常同时包含长短两种训练序列。在WWiSE提案中，所有天线均会传送相同的前导码，但有稍微的时间差。
Signal-N字段
Signal-N字段中包含解读数据流时所需要的信息。它通常以QPSK、R=1/2的编码率进行传送，而且未经扰频。其中包含空间流数、带宽、调制与编码的相关信息以及一个CRC码。
Service字段
Service字段与802.11a的用法相同。
Data字段
最后一个字段是一系列历时4微秒的符号，用来承载数据。最后6个设定为0的结尾位，用来结束纠错码并以填充位使得符号块的长度值变为偶数。

Signal-N字段

Signal-N字段用于所有传输模式。其中包含从数据符号还原位流所需要的信息。
Config子字段
Configuration子字段由6个字段组成。
NSS(空间流数)
3个位用来指示所使用的空间流数。此数值从0起算，因此范围从0至3。
NTX(传输天线数)
3个位用来指示使用多少天线来承载空间流。此数值从0起算，因此范围从0至3。
BW(带宽)
2个位用来指示所使用的带宽：20MHz以0表示，40MHz以1表示。
CR(编码率)
3个位用来指示所使用的编码率：1/2以0表示，2/3以1表示，3/4以2表示，5/6以3表示。
CT(编码类型)
2个位用来指示所使用的编码类型：0代表卷积编码，1代表非必要的LDPC。
CON(星座图类型)
3个位用来指示所使用的星座图类型：0代表BPSK，1代表QPSK，2代表16-QAM，而3代表64-QAM。

Length
长度为13位，用来记载物理层帧有效载荷的数据位数。其范围从0至8191。
LPI(最终PSDU指示)
在帧突发期间，最后一个帧会设定LPI位，告诉其他工作站此次突发已经结束。
CRC
除了CRC与Tail位，将根据其他所有字段计算出CRC值。
Tail
长度为6位的结尾位，用来关闭卷积编码器。

WWiSE PMD

WWiSE和802.11a收发器没有两样，只不过具备多组传输链路。交错器主要负责将已编码位分配给不同的传输链路以及空间流。提案所规范的灵敏度等同于802.11a对接收器的要求。

WWiSE PHY的特性

参数	值	备注
最大MAC帧长度	8191byte	无
时隙时间	9us	无
SIFS时间	16us	SIFS可用来推演出其他帧间间隔值(DIFS、PIFS以及EIFS)
信号扩展时间	6us	每个802.11g封包均伴随此信号扩展时间
RIFS时间	2us	无
竞争窗口的大小	15至1023个时隙	无
前导码持续时间	16us	无
PLCP标头持续时间	4us	无
接收器灵敏度	-65至-82dBm	取决于数据传输速率

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