下一代高速无线局域网标准IEEE802.11n(2)

3.1.3MIMO OFDM

　　MIMO OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO OFDM的原理如图5所示。

　　MIMO OFDM实现主要包括以下关键设计。

图5 MIMO OFDM的基本结构

　　发送分集：MIMO OFDM调制方式相结合，对下行通路选用“时延分集”，它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一时间。发送端引用这样的时延，可使接收地通路响应得到频率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得“空间——频率”分集增益，而不需预知通路情况。

　　空间复用：为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。也可能从两副基台天线发送两个各自编码的数据流。这样，可以把一个传输速率相对较高数据流多组成分割为一组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立的编码、调制和发送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同独立的信道滤波独立发送信号。接收机利用空间均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。

　　接收分集和干扰消除：如果基台和用户终端一侧三副接收天线，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC（maximal ratio combining），将多个接收机的信号合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干扰的好处。但是，如有两个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，MRC就不能起遏止作用。这时，利用“最小的均方误差”MMSE（minimum mean square error），它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比SINR（signal to interference plus noise ratio）最大。

　　软译码：上述MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和SINR加权组合相结合使用，可能对频率选择性信道提供3-4dB性能增益。

　　3.1.3MIMO OFDM

　　MIMO OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO OFDM的原理如图5所示。

　　MIMO OFDM实现主要包括以下关键设计。

图5 MIMO OFDM的基本结构

　　发送分集：MIMO OFDM调制方式相结合，对下行通路选用“时延分集”，它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一时间。发送端引用这样的时延，可使接收地通路响应得到频率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得“空间——频率”分集增益，而不需预知通路情况。

　　空间复用：为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。也可能从两副基台天线发送两个各自编码的数据流。这样，可以把一个传输速率相对较高数据流多组成分割为一组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立的编码、调制和发送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同独立的信道滤波独立发送信号。接收机利用空间均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。

　　接收分集和干扰消除：如果基台和用户终端一侧三副接收天线，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC（maximal ratio combining），将多个接收机的信号合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干扰的好处。但是，如有两个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，MRC就不能起遏止作用。这时，利用“最小的均方误差”MMSE（minimum mean square error），它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比SINR（signal to interference plus noise ratio）最大。

　　软译码：上述MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和SINR加权组合相结合使用，可能对频率选择性信道提供3-4dB性能增益。

　　信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲击响应。从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，从而能够唯一的识别每副发送天线到接收天线的信道。训练子载波在频率上的间隔要小于干带宽，因此可以利用内插获得训练子载波之间的信道估计值。根据信道的时延扩展，能够实现信道内插的最优化。下行链路中，在逐帧基础上向所有用户广播发送专用信道标识时隙。在上行链路中，由于移动台发出的业务可以构成时隙，而且信道在时隙与时隙之间会发生变化，因此需要在每个时隙内包括训练和数据子载波。

　　同步：在上行和下行链路传播之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频率对齐，并且实施频率偏差估计。时隙可以按照以下方式构成：在偶数序号子载波上发送数据与训练符号，而在奇数序号子载波设置为零。这样经过IFFT变换之后，得到的时域信号就会被重复，更加有利于信号的检测。

　　自适应调制和编码：为每个用户配置链路参数，可以最大限度地提高系统容量。根据两个用户在特定位置和时间内地用户的SINR统计特征，以及用户Qos的要求，存在多种编码与调制方案，用于在用户数据流的基础上实现最优化。QAM级别可以介于4到64，编码可以包括凿孔卷积编码与Reed-solomon编码。因此存在6中调制和编码级别，即编码模式。在2MHz的信道带宽内，编码模式1－6分别对于1.1-6.8的数据传输速率。下行链路中，在使用空间复用的情况下，上述速率可以被加倍。链路适配层算法能够在SINR统计特性的基础上，选择使用最佳的编码模式。

　　目前正在开发的设备由2组IEEE802.11a收发器、发送天线和接收天线各2个（2×2）和负责运算处理过程的MIMO系统组成，能够实现最大108Mbit/秒的传输速度。支持AP和客户端之间的传输速度为108Mbit/秒，客户端不支持该技术时（IEEE802.11a客户端的情况），通信速度为54Mbit/秒。下一代无线局域网协议802.11n传输速率高达320Mbps，净传输速率为108Mbps。

　　3.2 MAC层优化技术

　　从网络逻辑结构上来看，802.11只定义了物理层及介质访问控制(MAC)子层(如图1)。MAC层提供对共享无线介质的竞争使用和无竞争使用，具有无线介质访问、网络连接、数据验证、和保密等功能。物理层为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输，所传数据单位为比特（bit）。物理层定义了通信设备与接口硬件的机械、电气功能和过程的特性，用以建立、维持和释放物理连接。

图6 IEEE802.11协议帧结构

　　802.11的帧结构分为前导信号（Preamble）、信头(header)和负载(payload)（其结构如图6所示）。

　　Preamble：主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其他移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔。前导信号完成，接收方才开始接收数据。

　　Header：在Preamble之后,用来传输一些重要的数据比如负载长度，传输速率，服务等信息。

　　Payload：由于数据率及要传送字节的数量不同，负载的包长变化很大，可以十分短也可以十分长。

　　在一帧信号的传输过程中，Preamble 和Header所占的传输时间越多，Payload用的传输时间就越少，传输的效率越低。802.11n为了提升整个网络的吞吐量，对MAC层协议也进行了优化，改变数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少管理检错所占的字节数，大大提升了网络的吞吐量。IEEE802.11n研究小组是由高吞吐量研究小组发展来的。该小组希望通过增加传输的净负载，减少管理及检错的字节，来提高整体传输效率。这样增加了符号传输速率，使的网络的吞吐量达到了802.11g的两倍达108Mbps。

　　3.3智能天线技术与802.11n

　　智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统，该阵列的输出与收发信机的多个输入相结合，可提供一个综合的时空信号。与单个天线不同的是，天线阵列系统能够动态地调整波束的方向，以使每个用户都获得最大的主瓣，并减小了旁瓣干扰。这样不仅改善了SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio, 信号干扰比)，还提高了系统的容量，扩大了小区的最大覆盖范围，减小了移动台的发射功率。智能天线的基本结构见图7。图7是由J个天线元素组成的线形天线阵列，实际上TD-SCDMA中经常使用的是由8根天线组成的环行天线阵列，每根天线之间的距离为L/2 (L为载波波长)。由于每根天线的位置都不完全相同，因此它们所接收到的信号的幅度、相位也是不同的，这样同时产生了多个有方向性的波束。对这些波束进行加权处理后分配给不同的用户，保证了每个用户能够得到最大的增益和最小的噪声干扰。

图7 智能天线基本结构示意图

　　与有线信道相比，无线介质可靠性低，带宽小，且具有广播特性。但是，无线介质具有无束缚的特点，因此，广泛的应用于移动通信中。无线信道为共享信道，频率资源非常有限。无线通信的工作频率有1GHz（蜂窝移动电话）,2GHz（PCS和WLAN）,5GHz(WLAN),28—60GHz(本地多点分布业务LDMS和点到点的微波通信)以及用于光通信的IR频率等。WLAN工作于免许可证频段：2.4GHz及5GHz。随着工作频率及数据率越高，硬件实现成本也越高，同时无线的传播范围也会降低。因此，无线局域网IEEE802.11标准的传送距离较短，传输距离只有几百米。而且，传输速率会随着距离的增加而降低。当移动端远离AP节点时或通信质量差时，无线网络会采用降低通信速率的方式保持连接。比如，802.11b标准的网络采用自动速率转换技术，速率可以降到6Mbps及2Mbps。11a和11g标准也支持6、9、12、18、24、36、48和54Mbps的传输速率。在实际的组网中，和无线广域网相比，WLAN小区的覆盖范围都较小（一般只有十几米到几十米，热点地区为了增加容量，小区半径更小）。

图8 蜂窝中的智能天线

　　作为下一代的无限局域网标准，IEEE802.11n采用智能天线技术，其传播范围更广，且能够以不低于108Mbps的传输速率保持通信。它可以作为蜂窝移动通信的宽带接入部分，与无线广域网更紧密的结合。一方面，802.11n可以为用户提供高数据率的通信服务（比如视频点播VOD,在线观看HDTV）。另一方面，无线广域网为用户提供了更好的移动性

　　3.4 软件无线电与802.11n

　　目前无线局域网的多种标准并存，不同标准采用不同的工作频段、不同的调制方式，造成系统间难以互通。WLAN的移动性差，而软件无线电是一种最有希望解决这些问题的技术。

　　软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。换言之，不同系统的基站和移动终端都可以由建立在相同硬件基础上的不同软件实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝集成，并大大降低了建设成本。

　　可以预见，基于软件无线电的移动通信将会具有以下特点：

　（1）在同一硬件平台上兼容不同的系统；

　（2） 具有自动漫游能力，能在不同系统之间进行智能切换；

　（3） 可以下载公用软件并进行自身的升级；

　（4） 支持语音、数据、图像和传真等多种业务，并能根据业务流量，信道质量等情况，自动选择合适的传输信道；

　（5） 自动选择通信模式，采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。

　　软件无线电在802.11n中的应用，将根本改变其的网络结构，实现WLAN网与无线广域网融合并能容纳各种标准、协议。提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。

　　4. 结束语

　　作为一个新标准，与以前的802.11协议相比，IEEE802.11n无线局域网有很多优势。一是短期的优势，有较高的传输速率，数据传输速率达100Mbps以上，使无线局域网平滑的和有线网络结合，全面提升了网络吞吐量；二是长期的优势，今后无线局域网的产品可以使用双频方式，即在2.4GHz和5GHz两个频段上都使用MIMO+OFDM调制技术，提高数据传输速率。同时，802.11n的传输距离更远，易与无线广域网融合。综上所述，IEEE802.11n协议标准是具有巨大发展潜力的无线局域网标准，必将使无线局域网蓬勃发展。IEEE802.11n还在不断的发展，预计2005年推出市场，成为正式的标准。

　　无线局域网产品逐渐走向成熟，价格也逐渐下降，相应软件也日趋成熟。此外，无线局域网已能够通过与广域网相结合的形式提供移动Internet的多媒体业务。无疑，802.11n标准将以它的高传输速率和组网灵活性发挥重要作用。