IEEE 802.11理论速率计算

摘要:本文描述了IEEE 802.11无线局域网速率计算方法。

802.11

跳频扩频

  802.11 将 ISM 频段划分为一系列1MHz的信道,提供了两种速率:1Mbps和2Mbps。
  采用二阶编码,每个周期可以编码一个位。以每周期表示1位而言, 1 MHz可以提供1Mbps的数据传输率。四阶编码可以在一个周期内编码两个位,因此1MHz频宽可以提供 2Mbps的传输率。
  在FH中采用了高斯频移键控(GFSK)方式,1Mbps速率对应了二阶式 GFSK,2Mbps对应了四阶式 GFSK 。

二阶式GFSK

  二阶式GFSK使用两种频率编码符号为1和0,如下图:
二阶式GFSK

  802.11跳频1MHz符号率为例:1MHz频率表示编码“1”,0.5MHz频率表示编码“0”。采用二阶式GFSK编码二进制数据“01001101”如下图:
二阶式GFSK示例

四阶式GFSK

  四阶式 GFSK( 4-level GFSK,简称 4GFSK)基本上和 2GFSK 采用相同的方式,不过使用四种符号。这四种符号(00、 01、 10 与 11)会分别对映到特定的离散频率( discrete frequency ),因此在符号率相同的条件下,4GFSK可以传送两倍的数据。
四阶式GFSK

  802.11跳频1MHz符号率为例:1MHz频率表示编码“10”,0.75MHz频率表示编码“11”,0.5MHz频率表示编码“01”,0.25MHz频率表示编码“00”。
  采用四阶式GFSK编码二进制数据“01001101”如下图:
四阶式GFSK示例

直接序列扩频

  直接序列传输可以通过较宽的频段传送信号。直接序列技术的基本运作方式,是通过精确的控制将 RF 能量分散至某个宽频频段。当无线电载波的变动被分散至较宽的频段时,接收器可以通过相关处理找出变动何在。
  802.11使用Barker序列{ +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 } 做为扩频码。用在 802.11 时, +1 更换为1,而-1 更换为 0。因此Barker序列就变成了 10110111000。
  DS PHY采用11MHz频率,使用差分相移键控( Differential phase shift keying,简称 DPSK)以传输信号的相位差来对数据进行编码,提供了1Mbps和2Mbps的速率,分别对应了差分二进制相移键控(DBPSK)和差分正交相移键控(DQPSK)。

差分二进制相移键控(DBPSK)

  最简单的 PSK 使用两种载波,它们彼此偏移半个周期。其中一个波称为参考波( reference wave),所对应的编码为 0。偏移半个周期的波,所对应的编码为 1。如下图:
DBPSK

根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*频率/单个符号占用位数
其中单个符号编码位数为1,频率为11MHz,单个符号占用位数为11,因此:
  速率=1bits*11MHz/11=1Mbps

差分正交相移键控(DQPSK)

  差分正交相移键控(亦称四相位差调制,简称 DQPSK),它采用一个基准波与三个偏移波,每个波偏移四分之一周期。如下图:
DQPSK

根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*频率/单个符号占用位数
其中单个符号编码位数为2bits,频率为11MHz,单个符号位数为11,因此:
  速率=2bits*11MHz/11=2Mbps

802.11b

  802.11b在直接序列扩频基础上使用了叫做高速直接序列扩频方式进行编码传输。它采用补码键控( Complementary Code Keying,简称 CCK)的编码方式,将二进制数据分为一系列以 8个位构成的编码符号(code symbol),因此底层所使用的传输率乃是每秒传送 1.375M(11M除以8个位)个编码符号。 CCK 采用了复杂的数学转换函数,可以使用若干8-bit序列,在每个编码字中编码4或8个位,因此数据总吞吐量为5.5 Mbp或11 Mbps。

1.0Mbps或2.0Mbps速率

  兼容802.11直接序列扩频。

5.5Mbps速率

  5.5Mbps传输在每个符号中可编码四个数据位。其中两个位使用传统的 DQPSK ,另外两个位则是通过编码字(code word)的内容加以承载。
根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*频率/单个符号占用位数
其中单个符号编码位数为4bits,频率为11MHz,单个符号位数为8,因此:
  速率=4bits*11MHz/8=5.5Mbps

11 Mbps速率

  为了支持 11Mbps 的传输,在每个符号中必须编码八个位。和其他技术一样,头二个位是以目前所发送的符号与前一个符号之间的相位差来进行编码。 其他六个位则是使用 CCK。
根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*频率/单个符号占用位数
其中单个符号编码位数为8bits,频率为11MHz,单个符号位数为8,因此:
  速率=8bits*11MHz/8=11Mbps

802.11a

  802.11a使用OFDM技术,物理层将频谱区分为作业频道,每个频宽20MHz的频道由52个副载波所组成。其中有4个副载波充当导波(pilot carrier),其余48个副载波则是用来传递数据。
802.11a速率表

根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*编码率/单个符号传输时间
  (注:单个符号传输时间固定为4微秒,参见《802.11权威指南》第十三章304页“OFDM PMD”一节)
以6M速率为例,单个符号编码位数为48bits,编码率为1/2,单个符号传输时间为4us,因此:
  速率=48bits*(1/2)/4us=6Mbps

802.11g

  802.11g为先前协议(802.11、802.11b、802.11a)的混合体,速率计算相同。

802.11n

  802.11n提高速率主要通过以下方式:

  • MIMO多个空间流;
  • 20MHz带宽下OFDM子载波数从802.11a的52个(48个数据子载波)提高到56个子载波(52个数据载波)
  • 增加40MHz带宽,OFDM子载波数提高到114个(108个数据子载波);
  • 帧聚合,分别为A-MPDU、A-MSDU。

  之前标准主要是提升PHY层速率,在速率达到一定程度后,提高物理层速率后对整个速率提升不大。如下图:
802.11n PHY速率

(参照:《下一代无线局域网 802.11n的吞吐率、强健性和可靠性》)
802.11n除了提高PHY层速率外,还通过MAC层帧聚合配合物理层速率提升。

20MHz速率

  802.11n 20MHz带宽,Long GI下的速率如下表:
802.11n 20MHz速率表

根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*编码率*空间流数/单个符号传输时间
  (注:在长GI(800ns)下,单个符号传输时间为4微秒,短GI(400ns)下为3.6微秒)
以6.5M(MCS 1)速率为例,单个符号编码位数为52bits,编码率为1/2,空间流数为1,单个符号传输时间为4us,因此:
  速率=52bits*(1/2)*1/4us=6.5Mbps
  (52bits是因为每个符号有52个数据子载波,BPSK编码位数为1)
以260M(MCS31 )速率为例,单个符号编码位数为(6*52)bits,编码率为5/6,空间流数为4,单个符号传输时间为4us,因此:
  速率=(6*52)bits*(5/6)*4/4us=260Mbps
  (52bits是因为每个符号有52个数据子载波,BPSK编码位数为1)

40MHz速率

802.11n 20MHz带宽,Long GI下的速率如下表:
802.11n 40MHz速率表

根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*编码率*空间流数/单个符号传输时间
  (注:在长GI(800ns)下,单个符号传输时间为4微秒,短GI(400ns)下为3.6微秒)
以6.5M速率为例,单个符号编码位数为(108*1)bits,编码率为1/2,,空间流数为1,单个符号传输时间为4us,因此:
  速率=108bits*(1/2)*1/4us=13.5Mbps
  (108bits是因为每个符号有108个数据子载波)

最大理论值600MHz计算

  当选用Short GI时,802.11n最大理论值600MHz计算方法为:
    速率=(108*6)bits*(5/6)*4/3.6us=600Mbps
  其中108*6bits是因为每个符号有108个数据子载波,64-QAM编码位数为6,编码率5/6,空间流为4,单个符号传输时间为短GI为400ns加上3.2us的码元时间为3.6us。

单个符号的编码位数说明

  BPSK为1,QPSK为2,16-QAM为4,64-QAM为6,256-QAM为8。

802.11ac

802.11ac主要做了以下改变:

  • 增加80和160MHz带宽;
  • 带宽只支持5GHz;
  • 增加256-QAM;
  • AP支持8个空间流,客户端设备4个空间流;
  • 增加多用户传输(multi-user transmission)
  • 增强MAC支持高速率

子载波数参数

子载波相关参数如下表(《802.11ac A Survival Guide》第14页):
802.11ac 子载波数参数

编码率参照

编码率如下表(《802.11ac A Survival Guide》第18页):
802.11ac 编码率

速率对照表

速率对比如下表(《802.11ac A Survival Guide》第35页):
802.11ac 速率对照表

速率计算

根据推算公式:
  速率=单个符号编码位数*编码率*空间流数/单个符号传输时间=(数据子载波数*编码位数)*空间流数/单个符号的传输时间
  (注:在长GI(800ns)下,单个符号传输时间为4微秒,短GI(400ns)下为3.6微秒)
以87M速率为例,单个符号编码位数为(52*8)bits,编码率为5/6,,空间流数为1,单个符号传输时间为4us(Long GI),因此:
  速率=(52*8)bits*(5/6)*1/4us=87Mbps
  (52bits是因为每个符号有52个数据子载波)
以433M速率为例,单个符号编码位数为(234*8)bits,编码率为5/6,空间流数为1,单个符号传输时间为3.6us(Short GI),因此:
  速率=(234*8)bits*(5/6)*1/3.6us=433Mbps
  (234bits是因为每个符号有234个数据子载波)
以6.9Gbps最高速率为例,单个符号编码位数为(468*8)bits,编码率为5/6,,空间流数为8,单个符号传输时间为3.6us(Short GI),因此:
  速率=(468*8)bits*(5/6)*8/3.6us=6.9Gbps

参考书籍

  • 《802.11权威指南》
  • 《802.11n A Survival Guide》
  • 《802.11ac A Survival Guide》
  • 《下一代无线局域网 802.11n的吞吐率、强健性和可靠性》