WLAN_80211n关键技术介绍及组网规划建议.doc

WLAN 802.11n关键技术介绍及组网规划建议随着WLAN 802.11n标准的发布和产业链的不断成熟，支持802.11n的网络设备和终端产品普及率逐步提高。802.11n不仅能够提供更高的接入速率，同时还具备很好的向下兼容型，可兼容802.11a/b/g标准，因此，在目前WLAN网络建设中802.11n将会成为主流。但是，802.11n标准中引入了许多新的技术，使得802.11n具备了比以往802.11系列标准更多的可选特性，网络配置要比802.11g设备复杂，提升了网络规划的难度。我们需要了解802.11n各特性对网络性能的影响，合理的规划设计网络，充分发挥802.11n的网络性能。一、 802.11n的关键技术IEEE 802.11n技术通过物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN网络的吞吐量，使带宽从802.11a/g的54Mbps提升到600Mbps。1.1 物理层关键技术物理层引入的关键技术主要包括MIMO（多入多出）、更多子载波、信道绑定、Short GI（Guard Interval）等。1.1.1 MIMOMIMO是802.11n物理层的核心，802.11n通过使用MIMO（多入多出）技术，无线传输同时发送多个无线信号，并且利用多径效应，形成多个空间流，可以成倍提高数据传输速度。在802.11n标准中定义了14空间流的MIMO技术，如采用2空间流可以将802.11的速率提升2倍，采用4空间流可以将802.11的速率提升四倍，达到600Mbps。目前的802.11n产品普遍支持到2空间流，理论峰值速率可达300Mbps。1.1.2 更多的子载波OFDM在802.11a/g时代已经成熟使用，与802.11a/g 相比，802.11n将20MHz带宽支持的子载波从52个提高到56个，除去4个pilot子载波，数据子载波达到52个。此外，由于采用了更高效率的编码方案，使得单个空间流的数据速率可以达到最大65Mbps。1.1.3 信道绑定IEEE 802.11n通过将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通信带宽，这样可将速率提高一倍。同时，对于802.11a/g，为了防止相邻信道干扰，20MHz带宽的信道在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过频带绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，从而进一步提高了吞吐量。1.1.4 Short GI（Guard Interval）射频芯片在使用OFDM调制方式发送数据时，整个帧被划分成不同的数据块进行发送，由于无线信号在空间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后续数据块发送过快，会和前一个数据块形成干扰，因此数据块之间会有GI，来规避这个干扰，以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。802.11a/g的GI时长为800us，802.11n通过Short GI特性，将GI时长减少为400us，从而可以将数据传输速率提高10%左右。1.2 MAC层关键技术为了充分发挥物理层的能力，802.11n对MAC层采用了帧聚合、Block ACK等多项技术进行优化。1.2.1 帧聚合帧聚合技术包含MSDU的聚合（A-MSDU）和MPDU的聚合(A-MPDU)。802.11 MAC层协议损失了相当的效率用作链路的维护，如在数据之前添加PLCP Preamble、PLCP Header、MAC头，A-MSDU是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷，从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble、PLCP Header，从而提高系统吞吐量。1.2.2 Block ACK为保证数据传输的可靠性，802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以ACK帧。A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，因此同样需要对每一个MPDU发送应答帧。Block Acknowledgement机制通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。二、组网规划中涉及的问题及分析2.1 802.11n的覆盖能力: 边缘场强建议为-75dBm802.11n的物理层引入了许多新技术，且标准定义的802.11n的最低接入速率的接收电平比802.11g提高了4dB，这些变化对802.11n的覆盖能力有影响。在不同无线环境下，选取6个主流厂家的AP设备，从AP覆盖电平为-25dBm开始，以5dBm为步长，进行拉远测试，对比802.11g和802.11n在各场强点单用户对应的吞吐量。覆盖电平为-70dBm和一般802.11g规划设计的电平要求-75dBm处的测试结果如下：图1 场强-70dBm时802.11g与802.11n（20MHz-单流）吞吐量测试数据图2 场强-75dBm时802.11g与802.11n（20MHz-单流）吞吐量测试数据虽然受到无线测试环境干扰的影响，各设备的吞吐量性能表现有所差异，但在-70dBm场强的情况下，802.11n的吞吐量均明显高于802.11g。在-75dBm场强的情况下，则出现了个别802.11n吞吐量小于802.11g的情况，但可以保证连接。从测试结果可以看出，802.11n与802.11g的覆盖范围相当，802.11n网络规划设计时，边缘场强建议为-75dBm。同时，我们也看出，覆盖边缘电平在-70dBm以上时可以更好发挥802.11n的性能优势，在具体网络设计时应根据用户模型进行调整增强。2.2 802.11n设备容量:并发用户数约为2330个802.11n AP设备支持的并发用户数是我们进行网络容量规划的关键依据，模拟真实的用户使用环境，使用30个终端，按照距离AP近中远点3:4:3比例分布，测试AP支持并发接入用户数据如下：表2 单AP支持用户数测试数据终端模式信道带宽AP工作模式吞吐量（Mbps）（终端近点:中点:远点=3:4:3）全上行全下行最低最高总吞吐量用户数最低最高总吞吐量用户数g:n=1:1混合模式802.11n 20MHz单双流自适应（限速1Mbps）0.0490.8519.947230.3010.96320.28630单双流自适应（限速2Mbps)0.0171.46514.388210.4031.84625.20722802.11n 40MHz单双流自适应（限速1Mbps）0.1450.94813.298240.4380.99522.42930单双流自适应（限速2Mbps)0.2061.93426.431220.5421.92929.722纯11n模式802.11n 20MHz单流0.3572.12833.071300.8582.7649.41130单双流自适应0.1431.86423.181270.5572.11237.64727单双流自适应（限速1Mbps）0.1270.95722.657300.7790.96527.10730802.11n 40MHz单流0.5121.95224.727300.7513.12453.5130单双流自适应0.1562.49923.261280.7242.96448.61228单双流自适应（限速2Mbps）0.2031.67326.937300.5651.82739.48330鉴于实际网络应用中，存在着大量的802.11g终端，11n设备支持用户数量主要参考终端混合模式测试数据。从以上测试数据可以看出，用户平均速率不小于512kbps情况下，802.11nAP可以支持的并发用户数约为2330个，比802.11g支持用户数高约50%。同时，在测试时也发现，在不限速情况下，802.11n用户会抢占大部分资源，使得802.11g用户无法接入，因此建议在实际网络运行中，要对用户进行限速。2.3 802.11n设备性能: 802.11n用户比例上升，AP总吞吐量呈上升趋势双空间流802.11n的理论带宽可以达到300Mbps，相对802.11g的54Mbps有大幅的提升，但实际提升效果会受到无线传播环境、干扰、不同终端比例、终端性能等多种因素的影响，以下是使用20台不同类型的终端，测试AP性能对比数据。表1 单AP在不同类型终端比例情况下的吞吐量测试数据 （单位：Mbsp） 信道带宽单/双流模式纯11g模式（20台11g终端）11g:11n=1:1（10台11g；10台11n）吞吐量提升比例纯11n模式（20台11n终端）吞吐量提升比例802.11n （20MHz）单流16.48321.77732%27.18265%单双流自适应25.96458%45.898178%802.11n （40MHz）单流19.01334.59582%48.710156%单双流自适应54.948189%52.637177%图3 单AP在不同类型终端比例情况下吞吐量测试数据从以上数据可以看出，随802.11n用户比例上升，AP总吞吐量呈上升趋势。在20MHz单流模式纯11n用户总吞吐量比纯11g用户吞吐量增加超过50%；在使用11n 40MHz信道带宽、双空间流等特性情况下，可以大幅提升吞吐量，纯11n用户总吞吐量比纯11g用户吞吐量增加超过100%。2.4 单空间流与双空间流的选择: 将AP工作状态设置为单双流自适应，尽量使AP工作在双空间流模式MIMO是802.11n物理层的核心，它通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐量。目前的802.11n产品普遍支持到双空间流，以下是802.11n设备在20MHz信道带宽情况下，单空间流与双空间流吞吐量数据。图4 802.11n 20MHz单、双流吞吐量测试数据从以上数据看出，双空间流吞吐量均大于单空间流吞吐量。由于实际的无线信道环境并不是理想的互不相关的，因此实际的吞吐量性能也并不是理论的双空间流容量比单空间流容量提升2倍，测试环境大约提升45%60%左右。鉴于双空间流模式吞吐量的显著提升，在设备具备双空间流能力时（室内放装型AP设备支持双空间流；室分合路型AP设备需要与单路室分系统合路，只支持单空间流），建议将AP工作状态设置为单双流自适应，尽量使AP工作在双空间流模式。2.5 信道带宽选择与频率规划在工作频段及带宽方面，802.11n可以工作在双频模式，即2.4GHz和5GHz两个工作频段，支持20MHz和40MHz两种信道带宽。40MHz信道捆绑特性在带来性能提升的同时，也带来了很多共存问题，因为40MHz运行使用两个20MHz信道，需要考虑与附近独立使用20MHz信道的AP之间的干扰问题。通过以下测试环境模拟了各种干扰信道环境下的设备吞吐量性能。图5 干扰信道测试环境示意图表3 干扰信道环境吞吐量测试数据AP工作模式及信道配置吞吐量（Mbps）AP1AP2STA1 STA2 合计 11g（20MHz，信道1）11n（20MHz，信道1）14.86926.01340.88211g（20MHz，信道1）11n（40MHz，信道1、6）14.22523.11437.33911n（20MHz，信道1）11n（20MHz，信道1）33.08228.35661.43811n（20MHz，信道1）11n（40MHz，信道1、6）26.23331.09257.32511n（40MHz，信道1、6）11n（20MHz，信道6、11）23.11124.27247.383图6 干扰信道环境吞吐量测试数据根据以上测试数据，可以看出：在2.4GHz工作频段，由于到2.4GHz频段存在较多干扰，如业主自建网络、其它运营商网络等，建议采用20M带宽进行组网和规划，选择1、6、11三个互不重叠的信道。在干扰较少，AP数量较少或链状部署的情况下，可以采用40MHZ或一个20M、一个40M频段组网。在5.8GHz工作频段，由于5.8GHz频段相对干扰较少，且5.8GHz不存在信道重叠问题，建议采用两个40MHz、一个20MHz三个信道组网，与2.4GHz三个信道组成频率组，进行网络频率规划。在干扰较少、AP数量较少或链状部署的情况下，采用一个或两个40M组网方案；在AP密集部署，干扰不易控制时可采用5个20MHz信道组网。2.6 室分合路建设目前，室内分布系统主要是单路，室分合路型AP也以11 MIMO为主，这虽然损失了双流带来的性能提升，但更多载波、帧聚合仍使其较802.11g在性能上仍有所提升。以下是802.11n在室分合路建设方式下不同类型终端接入的测试数据：表4 室分合路建设AP在不同类型终端比例情况下的吞吐量测试数据吞吐量（下行）（Mbit/s）吞吐量（上行）（Mbit/s）纯g终端g:n=7:3g:n=3:7纯n终端纯g终端g:n=7:3g:n=3:7纯n终端设备116.81325.5327.2631.54911.8317.76324.73323.806设备215.89527.35929.54530.77615.10725.12931.6930.425设备315.33427.84727.76330.95213.43429.32329.93734.13设备418.58619.01626.38133.21812.52413.73117.62428.721设备524.03330.99135.98835.28211.97619.62928.50217.242设备616.08324.23727.93633.4185.0416.3197.98814.854设备725.77430.70532.34235.80521.38826.73618.98420.115设备824.03130.87632.66636.12317.27224.03321.25524.417以上数据表明