??? 摘? 要: 介紹了無線局域網(wǎng)" title="無線局域網(wǎng)">無線局域網(wǎng)的最新發(fā)展,探討了下一代移動通信" title="移動通信">移動通信關(guān)鍵技術(shù)在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用,提出了一種高速無線局域網(wǎng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu),講述了IEEE802.11n的概念、特點和發(fā)展前景。?

????關(guān)鍵詞: IEEE802.11n? LDPC? MIMO OFDM? 自適應(yīng)技術(shù)? 智能天線? 軟件無線電

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??? “當(dāng)今無線技術(shù)的發(fā)展就如同20年前個人電腦技術(shù)的發(fā)展那樣突飛猛進(jìn),令人難以跟上它的節(jié)奏。”Intel副總裁兼首席技術(shù)官帕特·基辛格如此描述無線網(wǎng)絡(luò)的崛起。?

??? 1997年802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定是無線局域網(wǎng)發(fā)展的里程碑。其定義了單一的MAC層和多樣的物理層,先后推出了IEEE802.11b、IEEE802.11a和IEEE802.11g物理層標(biāo)準(zhǔn)。11b標(biāo)準(zhǔn)采用CCK(補碼鍵控)擴(kuò)頻調(diào)制編碼,數(shù)據(jù)傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率達(dá)11Mbps。但是如果再增加傳輸速率,CCK為了對抗多徑干擾,需要更復(fù)雜的均衡及調(diào)制,實現(xiàn)非常困難。因此,802.11工作組,為了推動無線局域網(wǎng)的發(fā)展,又引入OFDM技術(shù)。最近正式批準(zhǔn)的11g標(biāo)準(zhǔn)與11a一樣,采用OFDM技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54Mbps。?

??? 技術(shù)不斷更新,新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷推出,極大地推動了無線局域網(wǎng)的發(fā)展。下一代移動通信的關(guān)鍵技術(shù),如OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)、智能天線(Smart Antenna)、LDPC(奇偶校驗碼)、自適應(yīng)技術(shù)和軟件無線電" title="軟件無線電">軟件無線電SDR(Soft Defined Radio)等,開始應(yīng)用到無線局域網(wǎng)中,提升了WLAN的性能。?

1 下一代移動通信關(guān)鍵技術(shù)在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用?

1.1 OFDM技術(shù)?

??? OFDM技術(shù)其實是多載波調(diào)制MCM(Multi-Carrier Modulation)的一種。其主要思想是:將信道分成許多正交子信道,在每個子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸,這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬,因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的,大大消除了符號間的干擾。?

??? 在各個子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)可以采用IFFT和FFT方法實現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展,IFFT和FFT都是非常容易實現(xiàn)的。快速傅里葉變換(FFT)的引入,大大降低了OFDM的復(fù)雜性,提升了系統(tǒng)的性能。MIMO OFDM發(fā)送、接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。?

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??? 另外,與單載波系統(tǒng)相比,OFDM還存在一些缺點,易受頻率偏差的影響,存在較高的峰值平均功率比(PAR)。?

1.2 多入多出(MIMO)?

??? MIMO技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。它可以定義為發(fā)送端和接收端" title="接收端">接收端之間存在多個獨立信道,也就是說天線單元之間存在充分的間隔,因此消除了天線間信號的相關(guān)性,提高信號的鏈路性能,增加了數(shù)據(jù)吞吐量。?

??? 現(xiàn)代信息論表明:對于發(fā)射天線數(shù)為N、接收天線數(shù)為M的多入多出(MIMO)系統(tǒng),假定信道為獨立的瑞利衰落信道,并設(shè)N、M很大,則信道容量C近似為公式(1):?

??? C=[min(M,N)Blog2(ρ/2]???????????????????????????????? (1)?

??? (其中B為信號帶寬,ρ為接收端平均信噪比,min(M,N)為M、N中的較小者)。?

??? 式(1)表明,MIMO技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。因此將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合是下一代無線局域網(wǎng)發(fā)展的趨勢。?

??? 研究表明,在瑞利衰落信道環(huán)境下,OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)提高容量。采用多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)是提高頻譜效率的有效方法。多徑衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素,但MIMO系統(tǒng)卻能有效地利用多徑的影響來提高系統(tǒng)容量。系統(tǒng)容量是干擾受限的,不能通過增加發(fā)射功率來提高系統(tǒng)容量。而采用MIMO結(jié)構(gòu)不需要增加發(fā)射功率就能獲得很高的系統(tǒng)容量。?

??? 圖1、圖2分別為采用MIMO技術(shù)的OFDM系統(tǒng)發(fā)送、接收方案框圖。從圖中可以看出,MIMO OFDM系統(tǒng)有Nt個發(fā)送天線,Nr個接收天線。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線,可以提高空間分集效應(yīng),克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當(dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個空間信道,不會全部同時受到衰落。輸入的比特流經(jīng)串并變換分為多個分支,每個分支都進(jìn)行OFDM處理,即經(jīng)過編碼、Π(交織)、正交幅度調(diào)制(QAM)映射、插入導(dǎo)頻信號、IFFT變換、加循環(huán)前綴等過程,再經(jīng)天線發(fā)送到無線信道中;接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程。例如:去除循環(huán)前綴、FFT變換、解碼等,同時通過信道估計、定時、同步、MIMO檢測等技術(shù)完全恢復(fù)原來的比特流。?

??? 目前正在開發(fā)的設(shè)備由兩組IEEE802.11a收發(fā)器、發(fā)送天線和接收天線各2個(2×2)及負(fù)責(zé)運算處理過程的MIMO系統(tǒng)組成,能夠?qū)崿F(xiàn)最大108Mbps的傳輸速度。支持AP和客戶端之間的傳輸速度為108Mbps,客戶端不支持該技術(shù)時(IEEE802.11a客戶端的情況),通信速度為54Mbps。?

1.3 LDPC編碼技術(shù)?

??? 糾錯編碼技術(shù)作為改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段,在數(shù)字通信的各個領(lǐng)域中獲得極為廣泛的應(yīng)用,其主要有卷積碼、分組碼、Turbo碼和LDPC。在編碼器復(fù)雜度相同的情況下,卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。目前IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)大都采用卷積碼信道前向糾錯編碼和Viterbi譯碼。?

?? 雖然,Turbo碼可獲得比傳統(tǒng)級連碼更大的編碼增益,且具有合理的譯碼復(fù)雜性,被認(rèn)為是大編碼存儲卷積碼或傳統(tǒng)級連碼的替代方案。但是,WLAN數(shù)據(jù)包較短,且采用較為簡單的傳輸機(jī)制,無法采用復(fù)雜度較高且適用于長數(shù)據(jù)包傳輸?shù)腡urbo碼。?

??? LDPC(低密度奇偶校驗碼)是一類可以用非常稀疏的Parity-check(奇偶校驗矩陣)或Bi-Partite graph(二分圖)定義的線性分組糾錯碼。?

??? LDPC碼的特點是:性能優(yōu)于Turbo碼,具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性(error floors);描述簡單,對嚴(yán)格的理論分析具有可驗證性;譯碼復(fù)雜度低于turbo碼,且可實現(xiàn)完全的并行操作,硬件復(fù)雜度低,因而適合硬件實現(xiàn);吞吐量大,極具高速譯碼潛力。因此,結(jié)合LDPC無線局域網(wǎng)必將取得更好的性能。?

1.4 自適應(yīng)技術(shù)?

??? 無線通信采用了OFDM等寬帶調(diào)制技術(shù),將單一物理信道分割為正交的若干個子信道,以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)可以定義為發(fā)送端和接收端之間存在多個獨立信道。MIMO與OFDM技術(shù)相結(jié)合,可以將無線通信的信號處理從時頻分集擴(kuò)展為時空頻分集,進(jìn)一步分割信道為空時頻正交的子信道。這樣,就需要根據(jù)各個子信道的實際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特。而且由于無線信道的頻率選擇性和時變性,也需要實時地對信道進(jìn)行檢測,以便更加有效地利用無線資源。?

??? 對于所有子載波都使用相同固定調(diào)制編碼的通信系統(tǒng)來說,其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴(yán)重的子載波決定。因此在頻率選擇性衰落信道中,隨著平均信噪比的增加,系統(tǒng)的誤碼率下降十分緩慢。但可以對不同的子信道選用最佳的物理傳輸模式,即采用不同調(diào)制編碼方案,每個調(diào)制和編碼方案要適應(yīng)每個子信道的信噪比。?

??? 自適應(yīng)傳輸?shù)幕舅枷胧歉淖儼l(fā)射功率的水平、每個子信道的符號傳輸速率、QAM星座大小、編碼等參數(shù)或這些參數(shù)的組合以維持恒定的的誤碼率(BER)。這樣在不犧牲誤碼率的情況下,通過傳輸質(zhì)量好的子信道采用高速傳輸、而在質(zhì)量不好的子信道以降低傳輸速率等方式來提供較高的頻譜適用效率。自適應(yīng)技術(shù)大大減少了對均衡和交織的依賴,提升了WLAN系統(tǒng)的性能。圖3為自適應(yīng)方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。?

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1.5 智能天線技術(shù)?

??? 智能天線是一個由多組獨立天線組成的天線陣列系統(tǒng)。該陣列的輸出與收發(fā)信機(jī)的多個輸入相結(jié)合,可提供一個綜合的時空信號。與單個天線不同的是,天線陣列系統(tǒng)能夠動態(tài)地調(diào)整波束方向,以使每個用戶都獲得最大的主瓣,并減小了旁瓣干擾。這樣不僅改善了信號干擾比SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio),還提高了系統(tǒng)的容量,擴(kuò)大了小區(qū)的最大覆蓋范圍,減小了移動臺的發(fā)射功率(如圖4所示)。?

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??? 無線信道為共享信道,頻率資源非常有限。WLAN工作于免許可證頻段:2.4GHz及5GHz。隨著工作頻率及數(shù)據(jù)率的提高,硬件實現(xiàn)成本也越高,同時無線的傳播范圍也會降低。因此,無線局域網(wǎng)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的傳送距離較短,傳輸距離只有幾百米,且傳輸速率會隨著距離的增加而降低。當(dāng)移動端遠(yuǎn)離AP節(jié)點時或通信質(zhì)量差時,無線網(wǎng)絡(luò)會采用降低通信速率的方式保持連接。在實際的組網(wǎng)中,與無線廣域網(wǎng)相比,WLAN小區(qū)的覆蓋范圍都較小(一般只有十幾米到幾十米;熱點地區(qū)為了增加容量,小區(qū)半徑更小)。?

??? WLAN引入智能天線技術(shù),可以擴(kuò)大其傳播范圍,提高信號傳輸?shù)目煽啃?使系統(tǒng)能夠以不低于108Mbps的傳輸速率保持通信。智能天線技術(shù)可以充分利用無線資源的空間可分性,提高無線局域網(wǎng)系統(tǒng)對無線資源的利用率,擴(kuò)大無線信號的傳輸范圍,并從根本上提高系統(tǒng)容量。因此,帶有智能天線的WLAN系統(tǒng)可以作為蜂窩移動通信的寬帶接入部分,與無線廣域網(wǎng)更緊密地結(jié)合。一方面,WLAN可以為用戶提供高數(shù)據(jù)率的通信服務(wù)(例如視頻點播VOD,在線觀看HDTV)。另一方面,無線廣域網(wǎng)為用戶提供了更好的移動性。?

1.6 軟件無線電?

??? 目前無線局域網(wǎng)的多種標(biāo)準(zhǔn)并存,不同標(biāo)準(zhǔn)采用不同的工作頻段、不同的調(diào)制方式,造成系統(tǒng)間難以互通。WLAN的移動性差,而軟件無線電是一種最有希望解決這些問題的技術(shù)。軟件無線電是指研制出一個完全可編程的硬件平臺,所有的應(yīng)用都通過該平臺上的軟件編程實現(xiàn)。換言之,不同系統(tǒng)的基站和移動終端都可以由建立在相同硬件基礎(chǔ)上的不同軟件實現(xiàn)。該技術(shù)將能保證各種移動臺、移動通信設(shè)備之間的無縫集成,并大大降低了建設(shè)成本。?

??? 可以預(yù)見,基于軟件無線電的移動通信將會具有以下特點:在同一硬件平臺上兼容不同的系統(tǒng);具有自動漫游能力,能在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行智能切換;可以下載公用軟件并進(jìn)行自身的升級;支持語音、數(shù)據(jù)、圖像和傳真等多種業(yè)務(wù),并能根據(jù)業(yè)務(wù)流量、信道質(zhì)量等情況,自動選擇合適的傳輸信道;自動選擇通信模式,采用合適的通信協(xié)議和信號格式實現(xiàn)遠(yuǎn)端通信。?

??? 軟件無線電在下一代WLAN中的應(yīng)用,將根本改變其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)WLAN網(wǎng)與無線廣域網(wǎng)融合,并能容納各種標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議,提供更為開放的接口,最終大大增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性。?

2 下一代無線局域網(wǎng)實現(xiàn)與IEEE802.11n?

??? 由上述可知,為了實現(xiàn)更高的傳輸速率,取得更可靠的性能,無線局域網(wǎng)全面采用下一代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。首先從發(fā)送端送入數(shù)據(jù),進(jìn)行串并變換,然后每個子載波分別完成LDPC編碼、QAM調(diào)制及IFFT轉(zhuǎn)換和加循環(huán)前綴,最后由多天線陣列發(fā)送到無線信道中。接收端先由多天線陣列接收信號,再進(jìn)行天線選擇、去循環(huán)前綴、軟譯碼、FFT及LDPC譯碼;最后將并行轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)到接收方。另外,在接收端采取信道估計,然后根據(jù)所得信道的特征采用相應(yīng)的自適應(yīng)算法調(diào)整編碼調(diào)制的參數(shù)以達(dá)到相應(yīng)模塊的自適應(yīng)目的。系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。?

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??? 目前,IEEE已經(jīng)成立802.11n工作小組,以制定一項新的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11n。11n工作小組由高吞吐量研究小組發(fā)展而來。IEEE802.11n計劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上,最高速率可達(dá)320Mbps,成為802.11b、802.11a、802.11g之后的另一重頭戲。與以往的802.11標(biāo)準(zhǔn)不同,802.11n協(xié)議為雙頻工作模式(包含2.4GHz和5GHz兩個工作頻段)。這樣11n保障了與以往的802.11a、b、g標(biāo)準(zhǔn)兼容。?

??? 802.11n計劃采用MIMO與OFDM技術(shù)相結(jié)合,使傳輸速率成倍提高。另外,天線技術(shù)及傳輸技術(shù)使無線局域網(wǎng)的傳輸距離大大增加,可以達(dá)到幾公里(并且能夠保障100Mbps的傳輸速率)。IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)全面改進(jìn)了802.11標(biāo)準(zhǔn),不僅涉及物理層標(biāo)準(zhǔn),同時也采用新的高性能無線傳輸技術(shù)提升MAC層的性能,優(yōu)化數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力。

??? 移動通信的發(fā)展具有一定的繼承性,下一代無線局域網(wǎng)系統(tǒng)是從現(xiàn)有系統(tǒng)以及將來的移動通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上演化而來的,具有廣闊的發(fā)展前景,它必將對移動計算、移動辦公和移動電子商務(wù)的早日實現(xiàn)起催化作用。?

參考文獻(xiàn)?

1 Part11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and?Physical Layer (PHY) specifications ANSI/IEEE STD?802.11 1999 Edition?

2 By Matthew S.Gast. 802.11 Wireless Networks: The?Definitive Guide. O＇REILLY Published, 2002?

3 徐澄圻.LDPC碼研究進(jìn)展.南京郵電學(xué)院學(xué)報,2002;(3)?

4 佟學(xué)儉,羅 濤.OFDM移動通信技術(shù)原理與應(yīng)用. 北京:人民郵電出版社, 2003