IEEE 802.11n

Al livello fisico (PHY), la normativa standardizza l'impiego della tecnologia MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) che consente di trasmettere il segnale suddividendolo in parallelo su più antenne sia in trasmissione che in ricezione.^[13] Si introduce inoltre la possibilità di utilizzare canali ampi 40 MHz, raddoppiando così la banda disponibile, con modalità che consentano anche l'interoperabilità verso reti che utilizzano i canali da 20 MHz.^[14] A livello MAC, si introduce l'opzione di frame aggregation per migliorare il throughput.^[15] Infine, in aggiunta all'intervallo di guardia di 800 ns definito dalle normative 802.11a/b/g per la spaziatura tra due simboli successivi, viene introdotto un intervallo di guardia più breve pari a 400 ns per le rate più elevate, che aumenta ulteriormente la velocità di trasferimento, riducendo il tempo di simbolo da 4 a 3,6 μs.^[16]

Per quanto riguarda il livello fisico (PHY), sono previste tre modalità, che si riflettono in tre formati differenti delle frame PHY:^[14]

• legacy, in cui si utilizzano i canali a 20 MHz a 64 sottoportanti di cui 52 utili (quattro pilota e 48 per la trasmissione dati) secondo le stesse modalità previste da 802.11a, 802.11b e 802.11g, incluso il formato dei pacchetti dati.
• High Throughput (HT) in modalità mista (mixed mode), in cui si utilizzano ancora canali a 20 MHz a 64 sottoportanti di cui 56 utili (quattro pilota e 52 per la trasmissione dati). Per quanto riguarda le frame del livello fisico, il preambolo e i campi iniziali usati per la sincronizzazione, demodulazione e descrizione del segnale sono gli stessi previsti da 802.11a/b/g, così che i dispositivi conformi a queste normative sono ancora in grado di decodificare il segnale, mentre il campo dati contiene dei campi iniziali aggiuntivi utilizzati per la trasmissione MIMO.
• High Throughput in modalità green field, in cui si utilizzano canali a 40 MHz, ottenuti usando due canali a 20 MHz adiacenti, con 128 sottoportanti di cui 120 utili (sei pilota e 114 per la trasmissione dati). Le frame di livello fisico utilizzano un formato ottimizzato non compatibile con le normative precedenti.

Le prime due modalità quindi si possono utilizzare per reti miste in cui deve essere garantita la compatibilità con dispositivi che lavorano secondo le normative 802.11a/b/g mentre l'ultima modalità richiede che tutti i dispositivi della rete operino soltanto secondo le specifiche estese 802.11n (non compatibili quindi coi dispositivi precedenti).^[14]

La tecnologia MIMO consente di usare antenne multiple in trasmissione e in ricezione per suddividere i dati su più flussi trasmissivi indipendenti ("flussi spaziali" o spatial stream), uno per ciascuna coppia di antenne trasmittenti-riceventi, realizzando in questo modo una multiplazione a divisione di spazio (Spatial Division Multiplexing, SDM) che aumenta la banda utile (e di conseguenza la quantità di dati trasmessa per unità di tempo) e l'efficienza spettrale e migliora le prestazioni in termini di robustezza ai disturbi e di rapporto segnale-rumore.^[17] Per indicare le capacità complessiva tenendo conto anche dei flussi spaziali, si usa una notazione del tipo ${\displaystyle a}$ × ${\displaystyle b}$ : ${\displaystyle c}$, dove ${\displaystyle a}$ indica il numero massimo di antenne trasmittenti, ${\displaystyle b}$ il numero massimo di antenne riceventi e ${\displaystyle c}$ il numero massimo di flussi spaziali.^[17][18] La normativa richiede che per ogni banda siano presenti almeno un'antenna in trasmissione e due in ricezione con un singolo flusso spaziale (configurazione MIMO di tipo 1×2:1), con l'opzione di arrivare fino a un massimo di quattro antenne trasmittenti, quattro riceventi e quattro flussi spaziali (configurazione MIMO di tipo 4×4:4).^[17]

Lo standard prevede come opzione il beamforming, ossia il meccanismo grazie al quale il trasmettitore può concentrare il segnale radio sul ricevitore, migliorando il rapporto segnale-rumore e aumentando così il throughput.^[19] Sono previsti due tipi di beamforming:^[19]

• esplicito, in cui trasmettitore e ricevitore si scambiano le informazioni relative al segnale misurato, sulla cui base il trasmettitore opera il beamforming; questa modalità richiede che sia l'Access Point che i dispositivi client (stazioni) siano in grado di eseguire tale operazioni;
• implicito, in cui è solo il trasmettitore (tipicamente l'Access Point) a misurare il segnale e a determinare di conseguenza l'uso del beamforming; questa modalità non richiede ai dispositivi riceventi le funzionalità per scambiare la misura del segnale con il trasmettitore.

Il beamforming viene realizzato trasmettendo lo stesso segnale su due (o più) flussi spaziali opportunamente sfasati in modo da sommare le proprie potenze sul ricevitore e annullarsi altrove;^[19] dovendo dedicare i flussi a un unico segnale, questo riduce o annulla la possibilità di usare i flussi spaziali per multiplare segnali differenti.^[19] Inoltre la normativa 802.11n consente di utilizzare il beamforming su un solo dispositivo ricevente per volta (Single User Beamforming, SU-BF).^[20]

La normativa introduce la possibilità di utilizzare canali di 40 MHz di ampiezza in congiunzione con la modulazione OFDM, raddoppiando così la capacità di trasferimento rispetto alle normative precedenti.^[21] Pur essendo possibile anche per la banda a 2,4 GHz, questa configurazione è poco praticabile in questa fascia di frequenza. Tenendo conto della sovrapposizione tra i canali e il fatto che l'intera banda è ampia 95 MHz, un singolo canale a 40 MHz occuperebbe da solo ben oltre la metà della banda disponibile.^[22][23][24] Inoltre, riducendo il numero di canali non sovrapposti disponibili, per gli altri canali a 20 MHz aumenta la probabilità di interferenza.^[25][26] Questa opzione quindi è raccomandata principalmente per la banda a 5 GHz.^[24]

Il canale a 40 MHz si ottiene combinando un canale primario da 20 MHz, utilizzabile come tale in modalità legacy verso i dispositivi che non supportano i canali più ampi, con un secondo canale secondario (o di estensione) da 20 MHz, solitamente adiacente, che può essere quello di frequenza centrale immediatamente più bassa o più alta rispetto al canale primario.^[21][24]

Per quanto riguarda la modulazione OFDM, il canale a 40 MHz prevede 128 sottoportanti, di cui 14 non sono utilizzate (sottoportanti di guardia).^[27] Le rimanenti 114 sottoportanti sono così suddivise:^[27]

• sei sottoportanti pilota
• 108 sottoportanti per i dati

Quando due canali a 20 MHz vengono combinati insieme, alcune delle sottoportanti non utilizzate diventano disponibili per il canale di ampiezza doppia; in questo modo, il numero di sottoportanti utili per i canali a 40 MHz (114) in realtà è poco più del doppio di quelle dei canali a 20 MHz (56).^[27]

Alcuni Access Point più sofisticati utilizzano la funzionalità del band steering per fare in modo che i dispositivi conformi a 802.11n e operanti su entrambe le bande utilizzino solo la banda a 5 GHz, riservando quella a 2,4 GHz ai dispositivi più vecchi, rispondendo solo alle richieste di associazione relative 5 GHz.^[28][29]

Per semplificare la negoziazione e la comunicazione tra Access Point e stazioni per quanto riguarda i parametri trasmissivi, la normativa introduce l'indice MCS che associa a un valore numerico convenzionale una specifica combinazione di parametri trasmissivi (schema di modulazione, tasso di codifica, ampiezza del canale, numero di flussi spaziali, intervallo di guardia inter-simbolo) a cui corrisponde una bit rate massima stimata in condizioni ideali.^[30] Tale indice viene utilizzato nell'header delle frame PHY come parte delle informazioni per l'adattamento tra AP e stazioni.^[31]

La tabella seguente riporta tali associazioni e la bit rate massima risultante.^[32]

A livello MAC, la normativa 802.11n introduce la funzionalità di frame aggregation che consente di trasmettere più trame dati in un unico pacchetto. Questa funzionalità è particolarmente utile quando le trame dati sono corte, perché riduce gli overhead legati agli header di protocollo, il numero di periodi di contesa del mezzo (controllo di collisione), l'intervallo di pausa richiesto tra una trama e l'altra, risultando quindi in un miglioramento delle prestazioni.^[33][34]

La normativa prevede due tipi di aggregazione, ognuno legato a una diversa struttura di frame:^{[33][34][35][36]}

• Aggregated MAC Service Data Unit (A-MSDU), obbligatoria lato ricezione^[36]
• Aggregated MAC Protocol Data Unit (A-MPDU)

Nell'aggregazione di tipo A-MSDU i singoli pacchetti dati da trasmettere (MAC Service Data Unit, MSDU) vengono concatenati e incapsulati in un unico frame MAC 802.11, con un unico header e un unico campo di verifica dell'integrità (FCS, Frame Check Sequence) per l'intero blocco di dati.^[33] Gli indirizzi della sorgente (source address, SA) e della destinazione (destination address, DA) dei pacchetti possono essere differenti, ma devono mapparsi sulla stessa coppia di valori Address 1 e Address 2 dell'header MAC 802.11^[37] Il pacchetto risultante costituisce un frame di tipo A-MSDU, che viene trasmesso in un unico frame di tipo PHY.^[33] Va osservato che se è prevista la crittografia dei dati, questa viene applicata alla frame A-MSDU nel suo complesso.^[34]

Nell'aggregazione di tipo A-MPDU vengono combinate invece frame MAC 802.11 complete, ciascuna con il proprio header, il proprio campo dati (MSDU) e il proprio campo di verifica FCS;^[33] ognuna di queste trame costituisce una Protocol Data Unit (MPDU).^[34] Anche in questo caso, l'indirizzo del ricevitore deve essere lo stesso per tutte le MPDU.^[34] Le MPDU così aggregate vengono poi trasmesse in un unico frame di tipo PHY.^[33] Nel caso i dati siano criptati, ciascuna MPDU viene criptata individualmente.^[34]

In entrambi i casi, le MSDU e le MPDU devono appartenere alla stessa categoria di qualità del servizio (QoS) come definita dalla normativa 802.11e.^[34]

Per quanto riguarda il controllo dell'integrità delle trame aggregate, nel caso A-MSDU un errore nel blocco dati comporta che al trasmettitore non viene inviato il messaggio di riscontro (Acknowledge, ACK); essendo la FCS unica per il complesso dei dati aggregati, è quindi necessario ritrasmettere l'intero blocco aggregato.^[35] Nel caso invece dell'aggregazione A-MPDU, è previsto un messaggio di riscontro speciale (Block Acknowledge, B-ACK o Block Ack)^[34][35] che, sfruttando il fatto che ogni singola MPDU ha la sua FCS individuale, può indicare tramite una bitmap su quale o quali MPDU sono stati rilevati degli errori^[35]. In questo modo, è sufficiente ritrasmettere solo le MPDU risultate errate, per cui, anche se da un punto di vista di overhead questo tipo di aggregazione è meno ottimizzato, risulta essere invece più efficiente in caso di trasmissioni in condizioni di rumore e soggette a maggior probabilità di errore.^[35]

La tabella seguente riporta frequenze e numero di canale previsti dalla normativa nella banda a 2,4 GHz; i canali sono tutti ampi 20 MHz.^[38]

Per quanto riguarda i canali a 40 MHz, la tabella seguente riporta le combinazioni possibili nella banda a 2,4 GHz, indicando anche quali canali risultano occupati perché in sovrapposizione totale o parziale con il canale a 40 MHz corrispondente:^[22]

La tabella seguente riporta frequenze e numero di canale previsti dalla normativa nella banda a 5 GHz nelle due ampiezze previste (20 e 40 MHz).^[39][40]