给力的网络 有道的性能——802.11n与WLAN(1)

给力的网络 有道的性能——802.11n与WLAN(1)

在WLAN网络广泛应用的同时，802.11技术也没有停止发展的脚步，2009年802.11n协议正式标准化，再一次实现了物理速率的提升，最高物理速率可以达到了300Mbps。而且，802.11n的A-MPDU报文聚合）功能充分提高空间媒介的信道利用率，同时带来了WLAN网络的信道承载性能的成倍提升。加上未来随着新的802.11n芯片和技术的发展，450Mbps物理速率的设备也将被普遍应用，WLAN网络还会将迎来新一轮的腾飞。

一、 物理速率的提升

从宏观角度，802.11协议可以分为两个主要部分：链路层业务和物理层传输。链路层业务主要制定了WLAN链路协商的规则，以及针对WLAN接入服务而设计的系列功能，例如报文重传和确认、重复报文检测、密钥协商、加密保护、漫游等等。而物理层传输则实现WLAN设备之间的能够完成信号的发送和接收，并致力于不断提高数据传输的物理速率。

802.11协议族所逐步实现的物理速率：

·1999年，802.11的基础协议完成了WLAN的基本架构定义，并定义了两种调制模式和速率，为WLAN提供了1Mbps和2Mbps的物理接入速率；

·1999年，802.11b协议直接致力于物理速率的提升，在802.11的基础上提出了"High Rate"的概念，通过调试模式CCK，将WLAN的最大物理接入速率从2Mbps直接提升到11Mbps；

·1999年，802.11a的问世一方面跳出了原来2.4GHz频段的限制为WLAN应用争取了更多的空间媒介资源5GHz的三段频点，可以提供多达13个不重叠的工作信道），另外一方面则通过OFDM调制模式又一次将物理速率提升到了54Mbps。如果单单从数据的传输速率角度，该物理速率已经是一个骄人的成绩，在当时一定程度上可以和以太网网络进行比较和抗衡；

·2003年，OFDM调制模式引入到2.4GHz推出了802.11g协议，该协议在802.11b的基础上扩充支持了OFDM调制模式，使得WLAN在2.4GHz上也能够实现54Mbps的物理传输速率。802.11g并没有为WLAN协议的物理速率的提升，而只是对于已有技术的扩展应用；

·2009年，长达10年的沉默后802.11n协议的推出重新对WLAN物理速率进行了一次洗牌，从调制模式开始、引入了MIMO技术、实现了2个信道的捆绑使用，甚至对信号间隔调整，将WLAN的物理传输速率推到了300Mbps，特别在3条流的基础上可以达到450Mbps的物理速率。

通过图1可以看出，802.11n时代实现了WLAN的高速无线接入，从物理速率上已经超出了其他无线网络，为WLAN无线网络的广泛应用带来了无限的前景和希望，为WLAN的长远发展奠定了坚实的基础。

图1 802.11的速率增长示意

到底哪些技术促成了此次802.11物理传输速率质的飞跃？

首先，通过调制方式的变化，将基本的物理速率从802.11a和802.11g的最高54Mbps提高到了65Mbps，该速率也是单条流20Mhz频宽默认情况下的最大物理速率。

其次，802.11n提出了MIMO技术，通过多条流同时发送数据，实现了相同时间内发送成倍的数据，最终将802.11n的物理传输速率成倍的提升。例如，在20Mhz频宽采用800ns GI条件下，两条流发送可以将物理速率从65Mbps提升到130Mbps，三条流可以将物理速率从65Mbps提升到195Mbps如表1所示）；

再次，传统802.11a/g使用的频宽为20MHz，而802.11n协议可以支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来一起使用。就是40MHz绑定技术有效地提高所用频谱的宽度，将原来的52个有效子载波扩展到了108个，将802.11的物理速率提升了2.077倍左右。例如，在一条流800ns GI条件下，信道捆绑可以将物理速率从65Mbps提升到135Mbps如表1所示）；

最后，通过深层里的挖掘，可以将物理发送信号之间的GI从800ns调整到400ns，802.11n又为物理速率找到了大约1.11倍的提升。

表1给出了802.11n常见的物理速率指定条件下系统提供的最高物理速率），并给出几个基本物理速率详细描述和解释：

表1. 802.11n常见的物理速率

·65Mbps：为20Mhz模式下单条流的最大物理发送速率没有启动short GI），一些早期的无线网卡可能都是一条流的11gn网卡，此类网卡数据发送时使用一条流，所以能够达到的最大物理速率为65Mbps；

·130Mbps：目前主流的11gn的物理速率，由于11gn不重叠信道只有3个，所以通常采用20Mhz模式而且不应用short GI特性，此时基本的无线客户端使用两条流进行数据发送，可以达到最大物理速率为130Mbps；

·300Mbps：11an不重叠信道相对11gn比较多，所以在11an模式下可以选择采用40Mhz模式并可以启动short GI功能，这样比较主流的11n客户端使用两条流发送数据，实现了300Mbps的最大物理速率。

二、 WLAN性能的同步提升

802.11n技术带来了物理速率的成倍提高，但是单单依靠物理速率的提高能够同时带来WLAN网络性能和吞吐的成倍提升吗？

802.11协议定义每发送一个报文都必然进行信道竞争，都需要根据模式添加物理层报文头，对于单播报文还需要等待物理层的ACK确认，等等这些和实际发送的报文一样都需要消耗信道资源。

在表2中假设持续发送1538bytes大小的单播报文，在不考虑重传和错包情况下，来对比一下54Mbps、130Mbps和300Mbps物理速率能为WLAN带来的理论性能：

表2. 持续发送1538字节报文的理论性能对比

通过表2可以看到，虽然物理速率实现近6倍的提升，但性能并没有同比上升。因此如果802.11n仅仅满足于物理速率，估计最终只能成为实验室的摆设。为了摆脱这个困境，802.11n协议必须实现WLAN网络性能的同步提升，为WLAN应用制造出足够的诱惑力，这个历史重任交给了报文聚合A-MPDU功能。

802.11的任何一个报文在物理发送时会被作为一个MDPU发送，每一次发送都必然需要信道竞争和避让，从而消耗信道资源。而报文聚合A-MPDU通过将多个MPDU聚合为一个物理层报文，只需要进行一次信道竞争或避让，就可完成N个MPDU的同时发送，从而减少了发送N-1个MPDU报文所带来的信道资源消耗。通过报文聚合特性，充分提高了信道资源的利用率，极大地实现了802.11网络性能的提升。

下图为A-MPDU的结构图，其中MPDU Delimiter是为了A-MPDU而专门定义，另外A-MPDU技术只会聚合同一个客户端的MPDU：

图2 报文聚合结构

在A-MPDU报文聚合特性，得到了Block ACK功能的强大支持。通常的802.11网络中，任何一个单播报文都需要得到目的设备的ACK确认，每一个ACK都是一个802.11报文，都需要消耗信道资源。而Block ACK可以配合A-MDPU特性，对于整个A-MDPU中所有的802.11报文只需要一个Block ACK报文，充分减少了信道资源的消耗。

通过下面WLAN性能的理论分析如图3、4、5、6），可以看出802.11的A-MPDU报文聚合为WLAN网络带来了极大的性能提升分析中，假设每一个802.11报文都为1534bytes）：

图3 20MHZ聚合报文数和性能关系

图4 20MHZ聚合报文数和信道利用率关系

图5 40MHZ聚合报文数和性能关系

图6 40MHZ聚合报文数和信道利用率关系

至此可以了解，虽然802.11n的物理速率实现了接近6倍的提升，却没有为WLAN性能带来大的提升，但是却通过A-MPDU报文聚合将WLAN性能提升了6倍多，最终实现了WLAN网络物理传输速率和性能的同步提升，将WLAN应用带到了一个高速接入的时代。