下一代高速无线局域网标准IEEE802.11n(1)

下一代高速无线局域网标准IEEE802.11n(1)

无线通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近年来,无线局域网技术发展速,但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性能显得十分重要。Internet业务的高速增长，实时业务和多媒体应用不断的增加，对网络的带宽、服务质量QoS）可扩展性提出了更高的要求。但是，利用无线信道进行通信容易受到干扰，衰落等因素的影响，这对多媒体应用来说十分不利的。

目前，IEEE802.11已成为无线局域网的主流标准。1997年802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。其定义了单一的MAC层和多样的物理层，先后又推出了802.11b,a和g物理层标准。最近，刚刚正式批准的802.11g标准采用OFDM技术，和802.11a一样数据传输速率可达54Mbps。另外，它工作在2.4GHz频段上，与802.11b标准兼容，提高了网络的适用性，降低了无线局域网升级成本。技术不断更新，新的技术标准不断的推出，极大的推动了无线局域网的发展。

IEEE802.11n概述

IEEE已经成立802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准802.11n。802.11n工作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的，由802.11g工作小组主席Matthew B. Shoemaker担任主席一职。该工作小组计划在2003年9月召开首次会议。

802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b、802.11a、802.11g之后的另一场重头戏。和以往地802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式包含2.4GHz和5GHz两个工作频段）。这样11n保障了与以往的802.11a b, g标准兼容。

一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线，和软件无线电等,开始应用到无线局域网中，提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里并且能够保障100Mbps的传输速率）。IEEE802.11n标准全面改进了802.11标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升MAC层的性能，优化数据帧结构，提高网络的吞吐量性能。

3. IEEE802.11n的关键技术

3.1 802.11n的物理层关键技术

首先，对于物理层，IEEE802.11n引入了新的高性能的无线通信技术，在物理层采用MIMO和OFDM的无线LAN技术。为了提升数据传输速率，802.11工作组首先引入了DSSS(直序列扩频调制技术)，推出了802.11b标准。11b标准使用DSSS调制技术，采用CCK调制编码，数据传输速率可达11Mbps。但是传输速率超过11Mbps，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。因此，802.11工作组，为了推动无线局域网的发展，又引入新的调制技术。

工作组又公布了802.11a标准和刚刚正式通过的802.11g标准。11a工作在5GHz,采用OFDM调制技术。11g工作频率为2.4GHz，也采用了OFDM技术。单一802.11g网络的速率和802.11a相同，达到54Mbps。

3.1.1 OFDM技术

OFDM技术其实是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。

由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。快速傅里叶变换FFT）的引入，大大降低了OFDM的实现复杂性，提升了系统的性能。

无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统在某种程度上抵抗这种干扰。

另外，同单载波系统相比，OFDM还存在一些缺点，易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比PAR）。

OFDM技术有非常广阔的发展前景，已成为第4带移动通信的核心技术。IEEE802.11a g标准为了支持高速数据传输都采用了OFDM调制技术。目前，OFDM结合时空编码、分集、干扰包括符号间干扰ISI和邻道干扰ICI）抑制以及智能天线技术，最大程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。

3.1.2多入多出(MIMO)

多入多出(MIMO)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。普遍认为，MIMO将是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。

在室内，电磁环境较为复杂，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使的实现无线信道的高速数据传输比有线信道的困难。多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIM0系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，i=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为公式[1]

　C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2) (1)

其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，MIMO技术对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。