下一代移動通信關鍵技術在高速無線局域網(wǎng)中的應用

摘要：介紹了無線局域網(wǎng)的最新發(fā)展，探討了下一代移動通信關鍵技術在無線局域網(wǎng)中的應用，提出了一種高速無線局域網(wǎng)的實現(xiàn)結構，講述了IEE802.11n的概念、特點和發(fā)展前景。 關鍵詞：IEEE802.11n LDPC MIMO OFDM 自適應技術 智能天線 軟件無線電 “當今無線技術的發(fā)展就如同20年前個人電腦技術的發(fā)展那樣突飛猛進，令人難以跟上它的節(jié)奏。”Intel副總裁兼首席技術官帕特%26;#183;基辛格如此描述無線網(wǎng)絡的崛起。 1997年802.11標準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物理層標準。11b標準采用CCK（補碼鍵控）擴展頻調(diào)制編碼，數(shù)據(jù)傳輸速率達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。最近正式批準的11g標準與11a一樣，采用OFDM技術。最近正式批準的11g標準與11a一樣，采用OFDM技術，達54Mbps。 技術不斷更新，新的技術標準不斷推出，極大地推動了無線局域網(wǎng)的發(fā)燕尾服。下一代移動通信的關鍵技術，如OFDM技術、MIMO技術、智能天線（Smart Antenna）、LDPC（奇偶校驗碼）、自適應技術和軟件無線電SDR（Soft Defined Radio）等，開始應用到無線局域網(wǎng)中，提升了WLAN的懷能。圖11 下一代移動通信關鍵無線局網(wǎng)中應用 1.1 OFDM技術 OFDM技術其實是多載波調(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道，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信疲乏上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信寂的頻率選擇性衰落是平均的，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)要吧采用IFFT和FFT方法實現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路技術與DSP技術的發(fā)展，IFFT和FFT都是非常容易實現(xiàn)的?？焖俑道锶~變換（FFT）的引入，大大降低了OFDM的復雜性，提升了系統(tǒng)的性能。MIMO OFDM發(fā)送、接收機系統(tǒng)結構如圖2所示。 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，因此消除季天線間信號的相關性，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技術與OFDM技術相結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結構不需要增加發(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)送端和接收端各設置多重天線，可以提高空間分集效應，克服電波衰落 的不良影響。這里因為安排恰當?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)串行變換分為多個分支，每個分支都進行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檢測等技術完全恢復原來的比特流。 目前正在開發(fā)的設備由兩組IEEE802.11a收發(fā)器、發(fā)送天線和接收天線各2個（2%26;#215;2）及負責運算處理過程的MIMO系統(tǒng)組成，能夠實現(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時（IEEE802.11a客戶端的情況），通信速度為54Mbps。 1.3 LDPC編碼技術 糾錯編碼技術作為改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段，在數(shù)字通信的各個領域中獲得極為廣泛的應用，其主要有卷積碼、分組碼、Turbo碼和LDPC。在編碼器復雜度相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。目前IEEE802.11標準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雜性，被認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制，無法采用復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，對嚴格理論分析具有可驗證性；譯碼復雜度低于turbo碼，且可實現(xiàn)完全的并行操作，硬件復雜底低，因而適合硬件實現(xiàn)；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結合LDPC無線局域網(wǎng)必將取得更好的性能。 1.4 自適應技術 無線通信采用了OFDM等寬帶調(diào)制技術，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）技術可以定義為發(fā)判斷端和接收端之間存在多個獨立信道。MIMO與OFDM技術相結合，可以將無線通信的信號處理從時頻分集擴展為時空頻分集，進一步分割信道為空時頻正交子信道。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變性，也需要實時地對信道進行檢測，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)制編碼方案要適應每個子信道的信噪比。 自適應傳輸?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誤碼率（BER）。這樣在不犧牲誤碼率的情況下，通過傳輸質量好的子信道采用高速傳輸、而在質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。自適應技術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為自適應方案的系統(tǒng)結構圖。 1.5 智能天線技術 智能天線是一個由多組獨立天組成天線陣列系統(tǒng)。該陣列的輸出與收發(fā)信機的多個輸入相結合，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）。 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標準的傳范圍也會降低。因此，無線局域網(wǎng)IEEE802.11標準的傳送距離較短，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。當移動端遠離AP節(jié)點時或能信質距離的增加而降低。當移動端遠離AP節(jié)點時或通信質量差時，無線網(wǎng)絡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?。ㄒ话阒挥惺畮酌椎綆资祝粺狳c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，可以擴大其傳播地，提高信號傳的可靠性，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)更緊密地結合。一方面，WLAN可以用戶提供高數(shù)據(jù)率的通信服務（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 目前無線局網(wǎng)的多種標準并存，不同標準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的移動性差，而軟件無線電是一種最有希望解決這些問題的技術。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上的不同軟件實現(xiàn)。該技術將能保證各種移動臺、移動設備之間的無縫集成，并大大降低了建設成本。 可以預見，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的系統(tǒng)；具有自動漫游能力，能在不同系統(tǒng)之間進行智能切換；可以下載公用軟件并進行自身的升級；支持語音、數(shù)據(jù)、圖像和傳真等多種業(yè)務，并能根據(jù)業(yè)務流量、信道質量等情況，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)無端通信。 軟件無線電在下一代WLAN中的應用，將基本改變其網(wǎng)絡結構，實現(xiàn)WLAN網(wǎng)與無線廣域網(wǎng)融合，并能容其各種標準、協(xié)議，提供更為開放的接品，最終大大增加網(wǎng)絡的靈活性。 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鍵技術。首先從發(fā)送端送入數(shù)據(jù)，進行串行變換，然后每個載波分別完成LDPC編碼、QAM調(diào)制及IFFT轉換和加循環(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，再進行天線選擇、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)所得信道的特片采用相應的自適應算法調(diào)整編碼調(diào)制的參數(shù)以達到相應模塊的自適應目的。系統(tǒng)實現(xiàn)結構框圖如圖5所示。目前，IEEE已經(jīng)成為800.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網(wǎng)標準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320Mbps，成為802.11b、802.11a、802.11g之后的另一重頭戲。與以往的802.11標準不同，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保障了以往的802.11a、b、g標準兼容。 802.11n計劃采用MIMO與OFDM技術相結合，使傳輸速度成倍提高。另外，天線技術及傳輸技術使無線局域網(wǎng)的傳輸距離大大增加，可以達到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速度）。IEEE802.11n標準全面改進了802.11標準，不僅涉及物理層標準，同時也采用新的高性能無線傳輸技術提升MAC層的性能，優(yōu)化數(shù)據(jù)幀結構，提高網(wǎng)絡的吞吐能力。 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的早日實現(xiàn)起催起作用。