下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)在高速無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了無線局域網(wǎng)的最新發(fā)展，探討了下一代移動(dòng)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，講述了 IEE802.11n的概念、特點(diǎn)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 “當(dāng)今無線技術(shù)的發(fā)展就如同20年前個(gè)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%26;#183;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)燕尾服的里程碑。其定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后推出了IEEE802.11、 IEEE802.11a和IEEE802.11g物理層標(biāo)準(zhǔn)。11b標(biāo)準(zhǔn)采用CCK(補(bǔ)碼鍵控)擴(kuò)展頻調(diào)制編碼，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)11Mbps。但是如果再增加傳輸速率，CCK為了對(duì)抗多徑干擾，需要更復(fù)雜的均衡及調(diào)制，實(shí)現(xiàn)非常困難。因此，802.11工作組，為了推動(dòng)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)。最近正式批準(zhǔn)的11g標(biāo)準(zhǔn)與11a一樣，采用OFDM技術(shù)，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(dòng)了無線局域網(wǎng)的發(fā)燕尾服。下一代移動(dòng)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(yàn)碼)、自適應(yīng)技術(shù)和軟件無線電SDR(Soft Defined Radio)等，開始應(yīng)用到無線局域網(wǎng)中，提升了WLAN的懷能。 圖1 1 下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵無線局網(wǎng)中應(yīng)用 1.1 OFDM技術(shù) OFDM技術(shù)其實(shí)是多載波調(diào)制MCU(Multi-Carrier Modulation的一種。其主要思想是：將信道分成許多正交子隊(duì)道，在每個(gè)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(gè)子信疲乏上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信寂的頻率選擇性衰落是平均的，大大消除了符號(hào)間的干擾。 在各個(gè)子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)要吧采用IFFT和FFT方法實(shí)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(shí)現(xiàn)的?？焖俑道锶~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2所示。 另外，與單載波系統(tǒng)相比，OFDM還存在一些缺點(diǎn)，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)送端和接收端之間存在多個(gè)獨(dú)立信道，也就是說天線單元之間存在充分的間隔，因此消除季天線間信號(hào)的相關(guān)性，提高信號(hào)的鏈路性能，增加了數(shù)據(jù)吞吐量。 現(xiàn)代信息論表明：對(duì)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(dú)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(p/2)] (1) (其中B為信號(hào)帶寬，p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(shì)。

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。多衰是影響通信質(zhì)量的訂因素，但MIMO系統(tǒng)卻能有效地利用我多的影響來提高系統(tǒng)容量。系統(tǒng)容量是雨干擾受限的，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(gè)發(fā)送天線，Nr個(gè)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。這里因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。輸入的比特流經(jīng)串行變換分為多個(gè)分支，每個(gè)分支都進(jìn)行OFDM處理，即經(jīng)過編碼、II(交織)、正交幅度調(diào)制(QAM)映射、插入導(dǎo)頻信號(hào)、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(hào)處理過程。例如：去除循環(huán)前綴、FFT變換、解碼等，同時(shí)通過信道估計(jì)、定時(shí)、同步、MIMO檢測(cè)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(gè)(2%26;#215;2)及負(fù)責(zé)運(yùn)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(shí)(IEEE802.11a客戶端的情況)，通信速度為54Mbps。 1.3 LDPC編碼技術(shù) 糾錯(cuò)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(gè)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(cuò)編碼和Viterbi譯碼。 雖然，Turbo碼可獲得比傳統(tǒng)級(jí)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(chǔ)卷積碼或傳統(tǒng)級(jí)連碼的替代方案。但是，WLAN數(shù)據(jù)包較短，且采用較為簡(jiǎn)單的傳輸機(jī)制，無法采用復(fù)雜度較高且適用于長(zhǎng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)腡urbo碼。 LDPC(低密度奇偶校驗(yàn)碼)是一類可以用非常稀疏的Parity-check(奇偶校驗(yàn)矩陣)或Bi-Partite graph(二分圖)定義的線性分組糾錯(cuò)碼。

LDPC碼的特點(diǎn)是：性能優(yōu)于Turbo碼，具有較大的靈活性和較低的差錯(cuò)平底特性(error floors);描述簡(jiǎn)單，對(duì)嚴(yán)格理論分析具有可驗(yàn)證性;譯碼復(fù)雜度低于turbo碼，且可實(shí)現(xiàn)完全的并行操作，硬件復(fù)雜底低，因而適合硬件實(shí)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(gè)子信道，以實(shí)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)判斷端和接收端之間存在多個(gè)獨(dú)立信道。MIMO與OFDM技術(shù)相結(jié)合，可以將無線通信的信號(hào)處理從時(shí)頻分集擴(kuò)展為時(shí)空頻分集，進(jìn)一步分割信道為空時(shí)頻正交子信道。這樣，就需要根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活的地分配發(fā)送功率和信息比特。而且由于無線信道的頻率先擇性和時(shí)變性，也需要實(shí)時(shí)地對(duì)信道進(jìn)行檢測(cè)，以便更加有效地利用無線資源。 對(duì)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(duì)不同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(gè)調(diào)制編碼方案要適應(yīng)每個(gè)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(gè)子信道的符號(hào)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(duì)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。 1.5 智能天線技術(shù) 智能天線是一個(gè)由多組獨(dú)立天組成天線陣列系統(tǒng)。該陣列的輸出與收發(fā)信機(jī)的多個(gè)輸入相結(jié)合，可提供一個(gè)綜合的時(shí)空信號(hào)。與單個(gè)天線不同的是，天線陣列系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整波束方向，以使每個(gè)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(hào)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(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率(如圖4所示)。 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(shí)現(xiàn)成本也越高，同時(shí)無線的傳播范圍也會(huì)降低。因此，無線局域網(wǎng)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的傳范圍也會(huì)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(huì)隨著距離的增加而降低。當(dāng)移動(dòng)端遠(yuǎn)離AP節(jié)點(diǎn)時(shí)或能信質(zhì)距離的增加而降低。當(dāng)移動(dòng)端遠(yuǎn)離AP節(jié)點(diǎn)時(shí)或通信質(zhì)量差時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)會(huì)采用降低通信速率的方式保持連接。在實(shí)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(diǎn)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)大其傳播地，提高信號(hào)傳的可靠性，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)參考無線資源的利用率，擴(kuò)大無線信號(hào)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(dòng)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可以用戶提供高數(shù)據(jù)率的通信服務(wù)(例如視頻點(diǎn)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(dòng)性。 1.6 軟件無線電 目前無線局網(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、為同的調(diào)制方式，造成系統(tǒng)間難以互通。WLAN的移動(dòng)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(gè)完全可編程的硬件平臺(tái)，所有的應(yīng)用都通過該平臺(tái)上的軟件編程實(shí)現(xiàn)。換言之，不同系統(tǒng)的基站和移動(dòng)終端都可以由建立在相同硬件基礎(chǔ)上的不同軟件實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)將能保證各種移動(dòng)臺(tái)、移動(dòng)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(dòng)通信將會(huì)具有以下特點(diǎn)：在同一硬件平臺(tái)上兼容不的系統(tǒng);具有自動(dòng)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(jí);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(dòng)選擇合適的傳輸信道;自動(dòng)選擇通信模式，采用合適的通信協(xié)議和信號(hào)格式實(shí)現(xiàn)無端通信。 軟件無線電在下一代WLAN中的應(yīng)用，將基本改變其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)與無線廣域網(wǎng)融合，并能容其各種標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議，提供更為開放的接品，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(shí)現(xiàn)與IEEE802.11n 由上述可知，為了實(shí)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(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。首先從發(fā)送端送入數(shù)據(jù)，進(jìn)行串行變換，然后每個(gè)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。接收端先由多天線陣列接收信號(hào)，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(jì)，然后根據(jù)所得信道的特片采用相應(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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

目前，IEEE已經(jīng)成為800.11n工作小組，以制定一項(xiàng)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(jì)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(gè)工作頻段)。這樣11n保障了以往的802.11a、b、g標(biāo)準(zhǔn)兼容。 802.11n計(jì)劃采用MIMO與OFDM技術(shù)相結(jié)合，使傳輸速度成倍提高。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的傳輸速度)。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(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)移動(dòng)計(jì)算、移動(dòng)辦公和移動(dòng)電子商務(wù)的早日實(shí)現(xiàn)起催起作用。