802.11协议详解

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WLAN协议详解

　　802.11b/g/n定义在2.4GHz频段中，802.11a/n/ac工作在5GHz频段中。

802.11：工作在2.4G频段，提供了每秒1兆或2兆的传输速率

802.11b：

　　* 最高11Mbps吞吐量

　　* 工作在2.4GHz，采用直序扩频（DSSS）

　　* 802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。在2.4GHz ISM频段中共有14个频宽为22MHz的频道可供使用，3个信道不重叠。

802.11g：

　　* 最高速率54Mbps

　　* 802.11g工作在2.4GHz频段

　　* 802.11g采用正交频分复用（OFDM），支持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps数据速率及802.11b速率

支持13个信道

802.11a：

　　* 最高速率达54Mbps

　　* 802.11a工作在5GHz

　　* 802.11a采用正交频分复用（OFDM），支持6、9、12、18、24、36、48、54Mbps数据速率

802.11n：

　　* 最高速率可达600Mbps

　　* 802.11n协议为双频工作模式，支持2.4GHz和5GHz，兼容802.11a/b/g标准兼容

　　* 802.11n采用MIMO与OFDM相结合

　　* 传输距离大大增加

　　* 提高网络吞吐量性能

　　802.11n优势：

　　* 速率提升-更多的子载波

　　　　　　802.11a/g在20MHz模式下有48个可用子载波，速度可达54Mbps

　　　　　　802.11n在20MHz模式下有52个可用子载波，速度可达58.5Mbps

　　* 速率提升-编码率

　　* 速率提升-Short GI

　　　　在无线收发过程中收/发间或多次传发过程中，需要若干间隔时间，而这个间隔时间就成为Guard Interval，简称GI

　　　　Short Guard Interval 更短的帧间保护间隔

　　　　802.11a/b/g标准要求在发送数据时，必须保证在数据之间存在800ns的时间间隔，802.11n仍缺省使用800ns，当多径效应不严重时，可以将该间隔配置为400ns，可以将吞吐量提升近10%

　　　　Short GI使用用于多径情况较少、射频环境较好的应用场景。

　　速率提升-40M频宽模式

　　　　802.11n同时定义了2.4GHz频段和5GHz频段的WLAN标准，与802.11a/b/g每信道只用20MHz频宽不同的是802.11n定义了两种频带宽度：20MHz频宽、40MHz频宽。使用40MHz频宽模式，可以成倍的增加无线网络的支持速率

MINO技术

　　采用802.11a/b/g技术的无线接入点和客户端是通过单个天线单个空间信道（SISO）来实现数据传送的

　　采用802.11n技术的无线接入点和客户端可以利用两个或更多空分信道同时传输数据，如果终端也支持MIMO技术的话，能够采用多个接收天线和高级信号处理技术来重建从多个信道发送过来的数据

　　MIMO（Multiple in，Multiple out）技术就是利用其他技术来改进接收端的信噪比

　　在无线通信系统中，发射机。接收机上使用多个天线开辟了一个新的维度空间。如果能够正确利用这一技术，可以极大提高性能，它现在被广泛地称为MIMO。发射机的多个天线意味着有多个信号输入到无线信道中，接收端的多个天线是指多个信号从无线信道输出，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理，并有效抵抗空间选择性衰落。

　　波束成形技术：当发射端有多个发射天线时，调整从各个天线发出的信号使得接收端信号强度有显著改善的技术。

　　MIMO的天线配置通常表示成 “ M *N “，其中M和N均为整数

　　　　M表示传输天线的数量

　　　　N表示接收天线的数量

802.11nMAC层改进

　　802.11MAC层协议耗费了相当多效率用作链路的维护，从而大大降低了系统的吞吐量。802.11n通过改善MAC层来减少固定的开销及拥塞造成的损失。帧聚合技术和块确认技术

　　帧聚合

　　　　　　802.11n引入帧聚合技术，提高MAC层效率，报文帧聚合技术包括：

　　　　　　　　MAC服务数据单元聚合 A-MSDU

　　　　　　　　MAC协议数据单元聚合 A-MPDU

　　　　两种聚合方式的共同点：减少负荷，且只能聚合同一QoS级别对的帧，但因为要等待需要聚合的报文，可能造成延时。另外只有MPDU才能使用块确认。

　　MSDU聚合

　　　　MAC服务数据单元 MSDU-Mac Service Data Units聚合：

　　　　　　* 收集以太网帧汇聚

　　　　　　* 转成802.11无线帧

　　　　A-MSDU允许对目的地及应用都相同的多个包进行聚合，聚合后的多个包只有一个共同的MAC帧头。当多个帧聚合到一起后，包头的负载、传播的时间及确认包都会减少，从而提高无线传输效率。A-MSDU最大的大小是7935字节。

　　MPDU聚合

　　　　MAC协议数据单元MPDU聚合：

　　　　　　* 转成802.11无线帧

　　　　　　* 将802.11无线帧汇聚

　　　　MPDU允许对目的地相同但是应用不同的多个包进行聚合，其效率不如MSDU，但还是会减少报文负载及空气传播时间。A-MPDU的最大的包为65535字节。

　　块确认：

　　　　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，都必须立即回应一个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，因此需要对每一个MPDU发送应答帧。块确认机制通过使用一个ACK来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下ACK帧的数量。

802.11ac

　　* 802.11ac工作频段为5GHz频率

　　* 保持与旧的协议的兼容性。改进了物理层帧结构，考虑不同信道带宽共存时的信道管理等

　　* 安全性方面，它将完全遵循802.11i安全标准的所有内容

　　* 802.11ac将可以帮助企业或家庭实现无缝漫游

　　* 802.11可支持20M、40M、80M、80+80M（不连续，非重叠）、160M带宽，其中20M、40M、80M是必选的。

　　802.11ac的优势：

　　　　* 更高的吞吐量，802.11ac wave2最大可支持3.47Gbps

　　　　* 更少的干扰，主流的承载频率是5G频段

　　　　* 更多的接入，提供了更大的吞吐率和多用户MIMO在客观上提高了更多的用户接入能力

　　MU-MIMO

　　　　MU-MIMO （ Multi-User Multiple-Input Multiple-Output ）多用户-多输入多输出，其采用显示波束成形技术，实现信号的传播方向和接受控制，向多个终端发送数据，同时保证终端彼此不受干扰。MU-MIMO之后，可以将AP空间流灵活分配给多个终端进行数据传送，缓解了AP和终端空间流能力不匹配的问题，充分发挥了AP的性能。　

　　　　单用户MIMO可以大大增加单用户的吞吐量，但现网中大量终端仍然单流。单流的终端相对于多流的终端传输相同的大小的数据需要占用更多的空口时间，因此单流提升终端也成了提升用户数的一个瓶颈。多用户MIMO是解决这问题的好办法，在不改变用户带宽和频率的情况下，在同一时刻，一个AP同时给多个用户（最多支持4个用户）发送不同的数据。

　　A-MPDU扩展

　　　　802.11ac中，为了进一步提高效率和可靠性，增加了MPDU帧的大小和A-MPDU帧的大小，长度限制从64k到1。802.11ac只支持A-MPDU

　　RTS/CTS

　　　　（Request To Send/Clear To Send，请求发送/允许发送）握手协议，可以避免信道冲突导致的数据传输失败。当AP向某个客户端发送数据的时候，AP会向客户端发送一个RTS报文，这样在AP覆盖范围内的所有设备在收到RTS后都会在指定时间内不发送数据。目的客户端收到RTS后，发送一个CTS报文，这样在客户端覆盖范围内所有的设备都会在指定时间内不发送数据。

　　　802.11ac中，增强定义了RTS/CTS机制，用来协调什么时候信道可用和哪些信道可用，具体机制如下：

　　　　　　* 802.11ac设备在其使用的信道内，以20MHz为单位的子信道内发送RTS。当信道带宽为80M时，再复制3份充满80MHz；当信道带宽为160MHz时，复制7份，充满160MHz。这样做的号出是，不管周边设备的主信道是80M或者是160M信道中的任意20M都可以侦听到RTS报文，每个收到RTS报文的设备将虚拟载波侦听设为忙

　　　　　　* 收到RTS报文的设备会检测其主信道或者80M带宽内的其他子信道是否繁忙。如果信道带宽的一部分被使用，则接收设备只会在CTS帧内响应可用的20MHz的子带宽，并报告重复的带宽。

　　　　　　* 在每个可用的20M的子信道上回复CTS报文，这样发送设备就知道哪些信道可用，哪些信道不可用。最终只在可用的信道上发送数据。

　　　　　　* RTS和CTS支持动态频宽模式，在此模式下假如部分频宽已被占用则只在主用道上发送CTS帧。发送RTS帧的客户STA则可以回落到一个较低频宽模式。