在WLAN網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的同時,，802.11技術(shù)也沒有停止發(fā)展的腳步，2009年802.11n協(xié)議正式標(biāo)準(zhǔn)化,，再一次實現(xiàn)了物理速率的提升,，最高物理速率可以達(dá)到了300Mbps。而且,，802.11n的A-MPDU（報文聚合）功能充分提高空間媒介的信道利用率,，同時帶來了WLAN網(wǎng)絡(luò)的信道承載性能的成倍提升,。加上未來隨著新的802.11n芯片和技術(shù)的發(fā)展，450Mbps物理速率的設(shè)備也將被普遍應(yīng)用,，WLAN網(wǎng)絡(luò)還會將迎來新一輪的騰飛,。

　　一、物理速率的提升

　　從宏觀角度,，802.11協(xié)議可以分為兩個主要部分：鏈路層業(yè)務(wù)和物理層傳輸,。鏈路層業(yè)務(wù)主要制定了WLAN鏈路協(xié)商的規(guī)則，以及針對WLAN接入服務(wù)而設(shè)計的系列功能,，例如報文重傳和確認(rèn),、重復(fù)報文檢測、密鑰協(xié)商,、加密保護(hù),、漫游等等。而物理層傳輸則實現(xiàn)WLAN設(shè)備之間的能夠完成信號的發(fā)送和接收,，并致力于不斷提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硭俾省?/p>

　　802.11協(xié)議族所逐步實現(xiàn)的物理速率：

　　· 1999年,，802.11的基礎(chǔ)協(xié)議完成了WLAN的基本架構(gòu)定義，并定義了兩種調(diào)制模式和速率,，為WLAN提供了1Mbps和2Mbps的物理接入速率,；

　　· 1999年，802.11b協(xié)議直接致力于物理速率的提升,，在802.11的基礎(chǔ)上提出了“High Rate”的概念,，通過調(diào)試模式CCK，將WLAN的最大物理接入速率從2Mbps直接提升到11Mbps,；

　　· 1999年,，802.11a的問世一方面跳出了原來2.4GHz頻段的限制為WLAN應(yīng)用爭取了更多的空間媒介資源（5GHz的三段頻點，可以提供多達(dá)13個不重疊的工作信道）,，另外一方面則通過OFDM調(diào)制模式又一次將物理速率提升到了54Mbps,。如果單單從數(shù)據(jù)的傳輸速率角度，該物理速率已經(jīng)是一個驕人的成績,，在當(dāng)時一定程度上可以和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較和抗衡,；

　　· 2003年，OFDM調(diào)制模式引入到2.4GHz推出了802.11g協(xié)議,，該協(xié)議在802.11b的基礎(chǔ)上擴(kuò)充支持了OFDM調(diào)制模式,，使得WLAN在2.4GHz上也能夠?qū)崿F(xiàn)54Mbps的物理傳輸速率。802.11g并沒有為WLAN協(xié)議的物理速率的提升,，而只是對于已有技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用,；

　　· 2009年，長達(dá)10年的沉默后802.11n協(xié)議的推出重新對WLAN物理速率進(jìn)行了一次洗牌,，從調(diào)制模式開始,、引入了MIMO技術(shù),、實現(xiàn)了2個信道的捆綁使用，甚至對信號間隔調(diào)整,，將WLAN的物理傳輸速率推到了300Mbps,，特別在3條流的基礎(chǔ)上可以達(dá)到450Mbps的物理速率。

　　通過圖1可以看出,，802.11n時代實現(xiàn)了WLAN的高速無線接入,，從物理速率上已經(jīng)超出了其他無線網(wǎng)絡(luò)，為WLAN無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用帶來了無限的前景和希望,，為WLAN的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ),。

圖1 802.11的速率增長示意

　　到底哪些技術(shù)促成了此次802.11物理傳輸速率質(zhì)的飛躍？

　　首先,，通過調(diào)制方式的變化,，將基本的物理速率從802.11a和802.11g的最高54Mbps提高到了65Mbps，該速率也是單條流20Mhz頻寬默認(rèn)情況下的最大物理速率,。

　　其次,，802.11n提出了MIMO技術(shù)，通過多條流同時發(fā)送數(shù)據(jù),，實現(xiàn)了相同時間內(nèi)發(fā)送成倍的數(shù)據(jù),，最終將802.11n的物理傳輸速率成倍的提升。例如,，在20Mhz頻寬采用800ns GI條件下,，兩條流發(fā)送可以將物理速率從65Mbps提升到130Mbps，三條流可以將物理速率從65Mbps提升到195Mbps（如表1所示）,；

　　再次,，傳統(tǒng)802.11a/g使用的頻寬為20MHz，而802.11n協(xié)議可以支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來一起使用,。就是40MHz綁定技術(shù)有效地提高所用頻譜的寬度,，將原來的52個有效子載波擴(kuò)展到了108個，將802.11的物理速率提升了2.077倍左右,。例如,，在一條流800ns GI條件下，信道捆綁可以將物理速率從65Mbps提升到135Mbps（如表1所示）,；

　　最后,，通過深層里的挖掘，可以將物理發(fā)送信號之間的GI從800ns調(diào)整到400ns,，802.11n又為物理速率找到了大約1.11倍的提升,。

　　表1給出了802.11n常見的物理速率（指定條件下系統(tǒng)提供的最高物理速率）,，并給出幾個基本物理速率詳細(xì)描述和解釋：

表1 802.11n常見的物理速率

　　· 65Mbps：為20Mhz模式下單條流的最大物理發(fā)送速率（沒有啟動short GI）,，一些早期的無線網(wǎng)卡可能都是一條流的11gn網(wǎng)卡,，此類網(wǎng)卡數(shù)據(jù)發(fā)送時使用一條流，所以能夠達(dá)到的最大物理速率為65Mbps,；

　　· 130Mbps：目前主流的11gn的物理速率,，由于11gn不重疊信道只有3個，所以通常采用20Mhz模式而且不應(yīng)用short GI特性,，此時基本的無線客戶端使用兩條流進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,，可以達(dá)到最大物理速率為130Mbps；

 　　· 300Mbps：11an不重疊信道相對11gn比較多,，所以在11an模式下可以選擇采用40Mhz模式并可以啟動short GI功能,，這樣比較主流的11n客戶端使用兩條流發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了300Mbps的最大物理速率,。

　　二,、WLAN性能的同步提升

　　802.11n技術(shù)帶來了物理速率的成倍提高，但是單單依靠物理速率的提高能夠同時帶來WLAN網(wǎng)絡(luò)性能和吞吐的成倍提升嗎,？

　　802.11協(xié)議定義每發(fā)送一個報文都必然進(jìn)行信道競爭,，都需要根據(jù)模式添加物理層報文頭，對于單播報文還需要等待物理層的ACK確認(rèn),，等等這些和實際發(fā)送的報文一樣都需要消耗信道資源,。

　　在表2中假設(shè)持續(xù)發(fā)送1538bytes大小的單播報文，在不考慮重傳和錯包情況下,，來對比一下54Mbps,、130Mbps和300Mbps物理速率能為WLAN帶來的理論性能：

表2 持續(xù)發(fā)送1538字節(jié)報文的理論性能對比

　　通過表2可以看到，雖然物理速率實現(xiàn)近6倍的提升,，但性能并沒有同比上升,。因此如果802.11n僅僅滿足于物理速率，估計最終只能成為實驗室的擺設(shè),。為了擺脫這個困境,，802.11n協(xié)議必須實現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的同步提升，為WLAN應(yīng)用制造出足夠的誘惑力,，這個歷史重任交給了報文聚合A-MPDU功能,。

　　802.11的任何一個報文在物理發(fā)送時會被作為一個MDPU發(fā)送，每一次發(fā)送都必然需要信道競爭和避讓,，從而消耗信道資源,。而報文聚合A-MPDU通過將多個MPDU聚合為一個物理層報文，只需要進(jìn)行一次信道競爭或避讓,，就可完成N個MPDU的同時發(fā)送,，從而減少了發(fā)送N-1個MPDU報文所帶來的信道資源消耗。通過報文聚合特性，充分提高了信道資源的利用率,，極大地實現(xiàn)了802.11網(wǎng)絡(luò)性能的提升,。

　　下圖為A-MPDU的結(jié)構(gòu)圖，其中MPDU Delimiter是為了A-MPDU而專門定義,，另外A-MPDU技術(shù)只會聚合同一個客戶端的MPDU：

圖2 報文聚合結(jié)構(gòu)

　　在A-MPDU報文聚合特性,，得到了Block ACK功能的強(qiáng)大支持。通常的802.11網(wǎng)絡(luò)中,，任何一個單播報文都需要得到目的設(shè)備的ACK確認(rèn),，每一個ACK都是一個802.11報文，都需要消耗信道資源,。而Block ACK可以配合A-MDPU特性,，對于整個A-MDPU中所有的802.11報文只需要一個Block ACK報文，充分減少了信道資源的消耗,。

　　通過下面WLAN性能的理論分析（如圖3,、4、5,、6）,，可以看出802.11的A-MPDU報文聚合為WLAN網(wǎng)絡(luò)帶來了極大的性能提升（分析中，假設(shè)每一個802.11報文都為1534bytes）：

圖3 20MHZ聚合報文數(shù)和性能關(guān)系

圖4 20MHZ聚合報文數(shù)和信道利用率關(guān)系

圖5 40MHZ聚合報文數(shù)和性能關(guān)系

圖6 40MHZ聚合報文數(shù)和信道利用率關(guān)系

　　至此可以了解,，雖然802.11n的物理速率實現(xiàn)了接近6倍的提升,，卻沒有為WLAN性能帶來大的提升，但是卻通過A-MPDU報文聚合將WLAN性能提升了6倍多,，最終實現(xiàn)了WLAN網(wǎng)絡(luò)物理傳輸速率和性能的同步提升,，將WLAN應(yīng)用帶到了一個高速接入的時代。

 　　三,、WLAN接入業(yè)務(wù)應(yīng)用感受

　　802.11n技術(shù)將WLAN網(wǎng)絡(luò)帶到了一個高速時代,，一個11N的網(wǎng)絡(luò)的理論性能整體要高于同等條件下11G的WLAN網(wǎng)絡(luò)，實際的應(yīng)用效果肯定會得到一定的改善,。

 　　通過對常用的網(wǎng)絡(luò)工具,，及對校園網(wǎng)流量的抓包分析發(fā)現(xiàn)：在實際的網(wǎng)絡(luò)流量中大部分的報文并不是我們期待的1500Bytes的報文，而偏偏都是小于100Bytes的小報文,，而100字節(jié)報文的性能要比1500bytes字節(jié)的報文的性能差得遠(yuǎn),。通過多次分析發(fā)現(xiàn)實際網(wǎng)絡(luò)中的大小報文可以參考下面的經(jīng)驗（如表3所示）：

表3 報文大小分類統(tǒng)計

 　　報文大小分類統(tǒng)計在這樣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用條件下，一個11a或者11g的WLAN網(wǎng)絡(luò)中一個信道,，即使在干凈的環(huán)境條件下,，也只能夠支撐的如下數(shù)據(jù)傳輸性能（如表4所示）：

表4 非11N網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能分析

　　非11n網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能分析看到這里也許會考慮11n網(wǎng)絡(luò)的A-MPDU報文聚合將WLAN的性能帶到了一個新的高度，整體的應(yīng)用性能應(yīng)該會有非常大的改善,。但是,，所有性能的分析和測試都是在盡可能發(fā)送大的數(shù)據(jù)報文的前提下獲取的,，只能在一定程度上體現(xiàn)出對業(yè)務(wù)應(yīng)用的支持能力。具體11n網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用情況又會怎樣,？下面以H3C公司自身應(yīng)用為例（如表5所示）,，統(tǒng)計WLAN網(wǎng)絡(luò)所有11n客戶端報文聚合情況（目前按照聚合報文的個數(shù)直接映射到參考的報文大小）：

表5 H3C公司W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)所有11n客戶端報文聚合情況的統(tǒng)計

　　從11n客戶端的數(shù)據(jù)傳輸來看,，一般的報文聚合個數(shù)集中在3-4個左右，也就是說在此網(wǎng)絡(luò)中一個40Mhz捆綁信道的最好的性能可能只能達(dá)到60Mbps左右,。這個分析還是考慮整個網(wǎng)絡(luò)都是11n客戶端的情況,，如果網(wǎng)絡(luò)中同時存在11a或者11g的客戶端則總的性能肯定要遠(yuǎn)小于這個性能。

　　也可以想象實際11n網(wǎng)絡(luò),，其聚合能力也應(yīng)該和上面的統(tǒng)計相當(dāng)基本相當(dāng),，而且對于11a和11g的兼容、干擾和沖突的存在,，以及其他非有效報文的信道消耗,，實際的信道性能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于60Mbps。

　　為了更好的理解網(wǎng)絡(luò)的性能,，可以將11n網(wǎng)絡(luò)中的A-MPDU報文聚合的情況進(jìn)行分類統(tǒng)計,。針對11gn的網(wǎng)絡(luò)（20MHz應(yīng)用）完成如下三種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用情況下的信道實際應(yīng)用性能，整體表現(xiàn)而言,，11n技術(shù)在實際應(yīng)用中相對于11g可能帶來WLAN信道性能2-3倍的提升（如表6所示）

表6 11n網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能分析

　　四,、影響和制約WLAN網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的因素

　　但是，無論速率和性能如何發(fā)展,，802.11自身的特點極大的制約和影響著整個網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用,，使得實際的感受并不能達(dá)到理論的期望。

　　例如,，在一個固定的位置,，信道媒介的空間資源就是100%，所有的WLAN設(shè)備,、任何的WLAN報文都會消耗這個資源,，非業(yè)務(wù)報文消耗的信道越多，整體的網(wǎng)絡(luò)的性能就會下降,，在一定程度上也會影響到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行：

　　· 任何的一臺AP如果要提供WLAN接入服務(wù),，都需要定期發(fā)送Beacon報文，默認(rèn)情況下每一個AP的一個接入服務(wù)一秒鐘需要發(fā)送10個beacon報文,；

　　· 無線客戶端無論是否接入到WLAN網(wǎng)絡(luò)中,，都會定期發(fā)送probe request報文請求周圍的無線服務(wù)；

　　· 通常情況下,，AP收到probe request請求報文都需要回應(yīng)對應(yīng)的probe response報文,，而且如果一個AP有多個無線接入服務(wù)則需要發(fā)送多個probe response報文,；

　　· 而所有的這些管理報文，都需要使用強(qiáng)制速率發(fā)送,，而且通常需要使用最低物理速率發(fā)送,；

　　· 如果一個環(huán)境中AP數(shù)量比較多，無線客戶端數(shù)量非常多,，這些非業(yè)務(wù)的管理報文就可能會消耗5%-20%的信道資源,。

　　再如， WLAN網(wǎng)絡(luò)為無線客戶端提供了隨時隨地的便捷,，同時也必須承接不同信號強(qiáng)度的客戶端的接入,。WLAN協(xié)議認(rèn)為，低速率發(fā)送報文時攜帶的信息要比高速率少,，所以發(fā)送成功的概率就會高,。所以當(dāng)無線客戶端的信號強(qiáng)度比較低時，數(shù)據(jù)報文的發(fā)送通常會使用較低的物理速率發(fā)送,，這樣會使得整個WLAN網(wǎng)絡(luò)的性能下降,。

 　　以下是一個校園網(wǎng)絡(luò)中的無線客戶端的情況分析（如表7和表8所示），該網(wǎng)絡(luò)中有30%的用戶的信號強(qiáng)度低于25,，而AP有一半的報文發(fā)送的物理速率達(dá)不到最大物理速率的60%,，按照粗略評估由于這個因素帶來的性能的降低超過40%。

表7 無線客戶端信號強(qiáng)度情況分析

表8 報文發(fā)送速率分析

　　在WLAN網(wǎng)絡(luò)的部署,、優(yōu)化和分析中,，可以確定以下的環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)等因素都會制約著整個WLAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性能和實際感受：

　　· 在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可能存在多個WLAN網(wǎng)絡(luò),，所有的這些網(wǎng)絡(luò)實際上共享一個信道資源和性能,；

　　· 實際應(yīng)用中，一個信道中眾多的WLAN設(shè)備會造成沖突避免效果減弱,，而有可能演變成干擾和沖突,，導(dǎo)致報文的重傳和丟棄，造成無謂的信道資源消耗,，降低整個WLAN網(wǎng)絡(luò)的性能,；

　　· AP設(shè)備和無線終端隨意的位置會帶來眾多的隱藏節(jié)點，同樣會帶來沖突和干擾,，造成信道資源消耗,，降低網(wǎng)絡(luò)性能；

　　· 眾多的無線終端和AP,，為了完成WLAN服務(wù)的發(fā)現(xiàn),，會帶來信道中出現(xiàn)大量的管理報文，這些報文通常按照較低的物理速率發(fā)送,，需要消耗信道資源,；

　　· 網(wǎng)絡(luò)中始終充斥著大量的廣播報文,，所有的廣播報文通常按照較低的物理速率發(fā)送，需要消耗信道資源,；

　　· WLAN的物理速率不是固定的,，而是一個速率集合，一個報文可以使用這個速率集合的任何速率發(fā)送,，根據(jù)經(jīng)驗,，一個比較好的網(wǎng)絡(luò)中，信號強(qiáng)度非常好的客戶端若能夠有60%之上的報文采用高速率發(fā)送已經(jīng)是非常理想,；

　　· 默認(rèn)大部分的AP設(shè)備不會控制WLAN網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋邊緣地帶的客戶端接入,，這些客戶端的信號強(qiáng)度非常低，會造成大部分甚至超過70%的報文都會按照較低的物理速率進(jìn)行發(fā)送,。

　　五,、結(jié)束語

　　802.11技術(shù)的發(fā)展整體提升了WLAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性能,，會極大地提升實際業(yè)務(wù)應(yīng)用的感受,。但是還需要謹(jǐn)慎的理解到實際WLAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的復(fù)雜性，各種意想不到的環(huán)境,、因素和干擾同時作用和影響,，可能使得網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用效果和理論性能存在較大的偏差，而且這些原因往往撲朔迷離,、難于分析和量化,。所以，在實際的WLAN網(wǎng)絡(luò)接入的應(yīng)用中,，需要根據(jù)業(yè)務(wù)的需求和流量的變化而長期不斷地進(jìn)行優(yōu)化,。

　　參考文獻(xiàn)

　　IEEE standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks – Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications [ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition]
     IEEE standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks – Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 5: Enhancement for Higher Throughput [IEEE Std 802.11n-2009]

　　縮略語

　　GI    Guard Interval