在WLAN網絡廣泛應用的同時，802.11技術也沒有停止發展的腳步，2009年802.11n協議正式標準化，再一次實現了物理速率的提升，最高物理速率可以達到了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網絡的信道承載性能的成倍提升。加上未來隨著新的802.11n芯片和技術的發展，450Mbps物理速率的設備也將被普遍應用，WLAN網絡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協議可以分為兩個主要部分：鏈路層業務和物理層傳輸。鏈路層業務主要制定了WLAN鏈路協商的規則，以及針對WLAN接入服務而設計的系列功能，例如報文重傳和確認、重復報文檢測、密鑰協商、加密保護、漫游等等。而物理層傳輸則實現WLAN設備之間的能夠完成信號的發送和接收，并致力于不斷提高數據傳輸的物理速率。
802.11協議族所逐步實現的物理速率：
· 1999年，802.11的基礎協議完成了WLAN的基本架構定義，并定義了兩種調制模式和速率，為WLAN提供了1Mbps和2Mbps的物理接入速率；
· 1999年，802.11b協議直接致力于物理速率的提升，在802.11的基礎上提出了“High Rate”的概念，通過調試模式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13個不重疊的工作信道），另外一方面則通過OFDM調制模式又一次將物理速率提升到了54Mbps。如果單單從數據的傳輸速率角度，該物理速率已經是一個驕人的成績，在當時一定程度上可以和以太網網絡進行比較和抗衡；
· 2003年，OFDM調制模式引入到2.4GHz推出了802.11g協議，該協議在802.11b的基礎上擴充支持了OFDM調制模式，使得WLAN在2.4GHz上也能夠實現54Mbps的物理傳輸速率。802.11g并沒有為WLAN協議的物理速率的提升，而只是對于已有技術的擴展應用；
· 2009年，長達10年的沉默后802.11n協議的推出重新對WLAN物理速率進行了一次洗牌，從調制模式開始、引入了MIMO技術、實現了2個信道的捆綁使用，甚至對信號間隔調整，將WLAN的物理傳輸速率推到了300Mbps，特別在3條流的基礎上可以達到450Mbps的物理速率。
通過圖1可以看出，802.11n時代實現了WLAN的高速無線接入，從物理速率上已經超出了其他無線網絡，為WLAN無線網絡的廣泛應用帶來了無限的前景和希望，為WLAN的長遠發展奠定了堅實的基礎。
圖1 802.11的速率增長示意
到底哪些技術促成了此次802.11物理傳輸速率質的飛躍？
首先，通過調制方式的變化，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頻寬默認情況下的最大物理速率。
其次，802.11n提出了MIMO技術，通過多條流同時發送數據，實現了相同時間內發送成倍的數據，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802.11a/g使用的頻寬為20MHz，而802.11n協議可以支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來一起使用。就是40MHz綁定技術有效地提高所用頻譜的寬度，將原來的52個有效子載波擴展到了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，可以將物理發送信號之間的GI從800ns調整到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（指定條件下系統提供的最高物理速率），并給出幾個基本物理速率詳細描述和解釋：
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送速率（沒有啟動short GI），一些早期的無線網卡可能都是一條流的11gn網卡，此類網卡數據發送時使用一條流，所以能夠達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模式而且不應用short GI特性，此時基本的無線客戶端使用兩條流進行數據發送，可以達到最大物理速率為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送數據，實現了300Mbps的最大物理速率。
二、WLAN性能的同步提升
802.11n技術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網絡性能和吞吐的成倍提升嗎？
802.11協議定義每發送一個報文都必然進行信道競爭，都需要根據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，等等這些和實際發送的報文一樣都需要消耗信道資源。
在表2中假設持續發送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 持續發送1538字節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。為了擺脫這個困境，802.11n協議必須實現WLAN網絡性能的同步提升，為WLAN應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送時會被作為一個MDPU發送，每一次發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，只需要進行一次信道競爭或避讓，就可完成N個MPDU的同時發送，從而減少了發送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，極大地實現了802.11網絡性能的提升。
下圖為A-MPDU的結構圖，其中MPDU Delimiter是為了A-MPDU而專門定義，另外A-MPDU技術只會聚合同一個客戶端的MPDU：
圖2 報文聚合結構
在A-MPDU報文聚合特性，得到了Block ACK功能的強大支持。通常的802.11網絡中，任何一個單播報文都需要得到目的設備的ACK確認，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網絡帶來了極大的性能提升（分析中，假設每一個802.11報文都為1534bytes）：
圖3 20MHZ聚合報文數和性能關系
圖4 20MHZ聚合報文數和信道利用率關系
圖5 40MHZ聚合報文數和性能關系
圖6 40MHZ聚合報文數和信道利用率關系
至此可以了解，雖然802.11n的物理速率實現了接近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，最終實現了WLAN網絡物理傳輸速率和性能的同步提升，將WLAN應用帶到了一個高速接入的時代。
三、WLAN接入業務應用感受
802.11n技術將WLAN網絡帶到了一個高速時代，一個11N的網絡的理論性能整體要高于同等條件下11G的WLAN網絡，實際的應用效果肯定會得到一定的改善。
通過對常用的網絡工具，及對校園網流量的抓包分析發現：在實際的網絡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字節報文的性能要比1500bytes字節的報文的性能差得遠。通過多次分析發現實際網絡中的大小報文可以參考下面的經驗（如表3所示）：
表3 報文大小分類統計
報文大小分類統計在這樣的網絡應用條件下，一個11a或者11g的WLAN網絡中一個信道，即使在干凈的環境條件下，也只能夠支撐的如下數據傳輸性能（如表4所示）：
表4 非11N網絡應用性能分析
非11n網絡應用性能分析看到這里也許會考慮11n網絡的A-MPDU報文聚合將WLAN的性能帶到了一個新的高度，整體的應用性能應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送大的數據報文的前提下獲取的，只能在一定程度上體現出對業務應用的支持能力。具體11n網絡實際應用情況又會怎樣？下面以H3C公司自身應用為例（如表5所示），統計WLAN網絡所有11n客戶端報文聚合情況（目前按照聚合報文的個數直接映射到參考的報文大小）：
表5 H3C公司WLAN網絡所有11n客戶端報文聚合情況的統計
從11n客戶端的數據傳輸來看，一般的報文聚合個數集中在3-4個左右，也就是說在此網絡中一個40Mhz捆綁信道的最好的性能可能只能達到60Mbps左右。這個分析還是考慮整個網絡都是11n客戶端的情況，如果網絡中同時存在11a或者11g的客戶端則總的性能肯定要遠小于這個性能。
也可以想象實際11n網絡，其聚合能力也應該和上面的統計相當基本相當，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遠低于60Mbps。
為了更好的理解網絡的性能，可以將11n網絡中的A-MPDU報文聚合的情況進行分類統計。針對11gn的網絡（20MHz應用）完成如下三種網絡應用情況下的信道實際應用性能，整體表現而言，11n技術在實際應用中相對于11g可能帶來WLAN信道性能2-3倍的提升（如表6所示）
表6 11n網絡應用性能分析
四、影響和制約WLAN網絡實際應用的因素
但是，無論速率和性能如何發展，802.11自身的特點極大的制約和影響著整個網絡的實際應用，使得實際的感受并不能達到理論的期望。
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設備、任何的WLAN報文都會消耗這個資源，非業務報文消耗的信道越多，整體的網絡的性能就會下降，在一定程度上也會影響到網絡的穩定運行：
· 任何的一臺AP如果要提供WLAN接入服務，都需要定期發送Beacon報文，默認情況下每一個AP的一個接入服務一秒鐘需要發送10個beacon報文；
· 無線客戶端無論是否接入到WLAN網絡中，都會定期發送probe request報文請求周圍的無線服務；
· 通常情況下，AP收到probe request請求報文都需要回應對應的probe response報文，而且如果一個AP有多個無線接入服務則需要發送多個probe response報文；
· 而所有的這些管理報文，都需要使用強制速率發送，而且通常需要使用最低物理速率發送；
· 如果一個環境中AP數量比較多，無線客戶端數量非常多，這些非業務的管理報文就可能會消耗5%-20%的信道資源。
再如， WLAN網絡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度的客戶端的接入。WLAN協議認為，低速率發送報文時攜帶的信息要比高速率少，所以發送成功的概率就會高。所以當無線客戶端的信號強度比較低時，數據報文的發送通常會使用較低的物理速率發送，這樣會使得整個WLAN網絡的性能下降。
以下是一個校園網絡中的無線客戶端的情況分析（如表7和表8所示），該網絡中有30%的用戶的信號強度低于25，而AP有一半的報文發送的物理速率達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 無線客戶端信號強度情況分析
表8 報文發送速率分析
在WLAN網絡的部署、優化和分析中，可以確定以下的環境和網絡等因素都會制約著整個WLAN網絡的應用性能和實際感受：
· 在實際網絡環境中，可能存在多個WLAN網絡，所有的這些網絡實際上共享一個信道資源和性能；
· 實際應用中，一個信道中眾多的WLAN設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網絡的性能；
· AP設備和無線終端隨意的位置會帶來眾多的隱藏節點，同樣會帶來沖突和干擾，造成信道資源消耗，降低網絡性能；
· 眾多的無線終端和AP，為了完成WLAN服務的發現，會帶來信道中出現大量的管理報文，這些報文通常按照較低的物理速率發送，需要消耗信道資源；
· 網絡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送，根據經驗，一個比較好的網絡中，信號強度非常好的客戶端若能夠有60%之上的報文采用高速率發送已經是非常理想；
· 默認大部分的AP設備不會控制WLAN網絡信號覆蓋邊緣地帶的客戶端接入，這些客戶端的信號強度非常低，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行發送。
五、結束語
802.11技術的發展整體提升了WLAN網絡的應用性能，會極大地提升實際業務應用的感受。但是還需要謹慎的理解到實際WLAN網絡應用的復雜性，各種意想不到的環境、因素和干擾同時作用和影響，可能使得網絡的實際應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網絡接入的應用中，需要根據業務的需求和流量的變化而長期不斷地進行優化。
參考文獻
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