1、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
2、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。
3、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
4、 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
5、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 H
6、eader、 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
7、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
8、 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
9、。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
10、: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吞吐量（Mbps） （终端近点:中点: 远点=3:4:3）全上行 全下行终端模式 信道带宽 AP 工作模式最低 最高 总吞吐量 用户数 最低 最高 总吞吐量 用户数单双流自适应（限速1Mbps）0.049 0.851 9.947 23 0.301 0.963 20.286 30802.11n 20MHz 单双流自适应（限速 2Mbps) 0.017 1.465 14.388 21 0.403 1.846 25.207 22单双流自适应（限速1Mbps）0.145 0.948 13.298 24 0.438
11、 0.995 22.429 30g:n=1:1混合模式802.11n 40MHz 单双流自适应（限速 2Mbps) 0.206 1.934 26.431 22 0.542 1.929 29.7 22单流 0.357 2.128 33.071 30 0.858 2.76 49.411 30单双流自适应 0.143 1.864 23.181 27 0.557 2.112 37.647 27802.11n 20MHz 单双流自适应 （限速1Mbps）0.127 0.957 22.657 30 0.779 0.965 27.107 30单流 0.512 1.952 24.727 30 0.751 3.
12、124 53.51 30单双流自适应 0.156 2.499 23.261 28 0.724 2.964 48.612 28纯11n模式802.11n 40MHz 单双流自适应 （限速2Mbps）0.203 1.673 26.937 30 0.565 1.827 39.483 30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
13、，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
14、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）吞吐量提升比例单流 21.777 32% 27.182 65%802.11n （ 20MHz） 单双流自适应 16.483 25.964 58% 45.898 178%单流 34.595 82% 48.710 156%802.11n （ 40MHz） 单双流自适应 19.013 54.948 189% 52.637 177%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 20MH
15、z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 20M
16、Hz 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
17、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。A P 1A P 2S T A 2S T A 1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）AP1 AP2 STA1 STA2 合计 11g（20MHz ，信道 1） 11n（20MHz ，信道 1） 14.869 26.013 40.88
18、211g（20MHz ，信道 1）11n（40MHz，信道1、6） 14.225 23.114 37.33911n（20MHz，信道 1） 11n（20MHz ，信道 1） 33.082 28.356 61.43811n（20MHz，信道 1）11n（40MHz，信道1、6） 26.233 31.092 57.32511n（40MHz ，信道1、6）11n（20MHz，信道6、11 ） 23.111 24.272 47.383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
19、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
20、，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=7:3 g:n=3:7 纯 n 终端 纯 g 终端 g:n=7:3 g:n=3:7 纯 n 终端设备 1 16.813 25.53 27.26 31.549 11.83 17.763 24.733 23.806设备 2 15.8
21、95 27.359 29.545 30.776 15.107 25.129 31.69 30.425设备 3 15.334 27.847 27.763 30.952 13.434 29.323 29.937 34.13设备 4 18.586 19.016 26.381 33.218 12.524 13.731 17.624 28.721设备 5 24.033 30.991 35.988 35.282 11.976 19.629 28.502 17.242设备 6 16.083 24.237 27.936 33.418 5.041 6.319 7.988 14.854设备 7 25.774 30
22、.705 32.342 35.805 21.388 26.736 18.984 20.115设备 8 24.031 30.876 32.666 36.123 17.272 24.033 21.255 24.417以上数据表明，802.11n 合路建设方式与单独布放的 20MHz 单流方式容量基本一致。网络容量随 802.11n 用户比例上升，总吞吐量呈上升趋势，在终端混合模式下，11n 性能较 11g 模式提升约 40%50%。随着 LTE 系统的建设，未来将会建设大量的双路室内分布系统，设备商也在积极研发相关产品，很快会有双路室分合路 AP 设备的推出。三、现网组网规划建议综上所述，802.
23、11n 组网规划设计应充分运用新特性带来吞吐量的提升，同时根据频率资源、无线环境等具体情况，合理规划配置网络，充分发挥 802.11n 的网络性能。802.11n 网络规划建议如下表：类别 室内放装型 室分合路型边缘信号场强 不低于-75dBmAP 设备容量 在接入用户带宽 512kbit/s 情况下，单 AP 并发支持用户按照 2530 用户考虑单双流配置 配置为单双流自适应模式 仅支持单流设备频率 同时 2.4GHz 和 5.8GHz 频段 仅支持 2.4GHz 频段频率规划2.4GHz 频段在蜂窝组网、较多干扰环境下，建议采用 3 个互不重叠的 20M信道组网；在链状组网、干扰较少、AP 数量较少时，可采用 1 个 40M、1个 20M 频段组网；5.8GHz 频段干扰相对较少，建议采用两个 40M、一个 20M 组网方案；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。2.4GHz 频段在较多干扰环境下，建议采用三个互不重叠的 20M 信道组网；在干扰较少、AP 数量较少时，可采用1 个 40M、1 个 20M 频段组网；
