下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)在高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的應用

摘要：介紹了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的應用，提出了一種高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的實(shí)現結構，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 自適應技術(shù) 智能天線(xiàn) 軟件無(wú)線(xiàn)電 “當今無(wú)線(xiàn)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奏?！盜ntel副總裁兼首席技術(shù)官帕特%26;#183;基辛格如此描述無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的崛起。 1997年802.11標準的制定是無(wú)線(xiàn)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）擴展頻調制編碼，數據傳輸速率達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制，實(shí)現非常困難。因此，802.11工作組，為了推動(dòng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的發(fā)展，又引入OFDM技術(shù)。最近正式批準的11g標準與11a一樣，采用OFDM技術(shù)。最近正式批準的11g標準與11a一樣，采用OFDM技術(shù)，達54Mbps。 技術(shù)不斷更新，新的技術(shù)標準不斷推出，極大地推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)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(xiàn)（Smart Antenna）、LDPC（奇偶校驗碼）、自適應技術(shù)和軟件無(wú)線(xiàn)電SDR（Soft Defined Radio）等，開(kāi)始應用到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中，提升了WLAN的懷能。圖11 下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵無(wú)線(xiàn)局網(wǎng)中應用 1.1 OFDM技術(shù) OFDM技術(shù)其實(shí)是多載波調制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(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調制和傳輸，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，大大消除了符號間的干擾。 在各個(gè)子信道中的正交調制和解調要吧采用IFFT和FFT方法實(shí)現。隨著(zhù)大規模集成電路技術(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，提升了系統的性能。MIMO OFDM發(fā)送、接收機系統結構如圖2所示。 另外，與單載波系統相比，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)獨立信道，也就是說(shuō)天線(xiàn)單元之間存在充分的間隔，因此消除季天線(xiàn)間信號的相關(guān)性，提高信號的鏈路性能，增加了數據吞吐量。 現代信息論表明：對于發(fā)射天線(xiàn)數為N、接收天線(xiàn)數為M的多入多出（MIMO）系統，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(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。因此將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結合是下一代無(wú)線(xiàn)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系統卻能有效地利用我多的影響來(lái)提高系統容量。系統容量是雨干擾受限的，不能通過(guò)增加發(fā)射功率來(lái)提高系統容量。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容量。 圖1、圖2分別為采用MIMO技術(shù)的OFDM系統發(fā)送、接收方案框圖。從圖中可以看出，MIMO OFDM系統有Nt個(gè)發(fā)送天線(xiàn)，Nr個(gè)接收天線(xiàn)。在發(fā)送端和接收端各設置多重天線(xiàn)，可以提高空間分集效應，克服電波衰落 的不良影響。這里因為安排恰當的多副天線(xiàn)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(guò)編碼、II（交織）、正交幅度調制（QAM）映射、插入導頻信號、IFFT變換、加循環(huán)前綴等過(guò)程，再經(jīng)天線(xiàn)發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道中；接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過(guò)程。例如：去除循環(huán)前綴、FFT變換、解碼等，同時(shí)通過(guò)信道估計、定時(shí)、同步、MIMO檢測等技術(shù)完全恢復原來(lái)的比特流。 目前正在開(kāi)發(fā)的設備由兩組IEEE802.11a收發(fā)器、發(fā)送天線(xiàn)和接收天線(xiàn)各2個(gè)（2%26;#215;2）及負責運算處理過(guò)程的MIMO系統組成，能夠實(shí)現最大108Mbps的傳輸速度。支持AP和客戶(hù)端之間的傳輸速度為108Mbps，客戶(hù)端不支持該技術(shù)時(shí)（IEEE802.11a客戶(hù)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)作為改善數字信道通信可靠性的一種有效手段，在數字通信的各個(gè)領(lǐng)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級連碼的替代方案。但是，WLAN數據包較短，且采用較為簡(jiǎn)單的傳輸機制，無(wú)法采用復雜度較高且適用于長(cháng)數據包傳輸的Turbo碼。 LDPC（低密度奇偶校驗碼）是一類(lèi)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(xiàn)性分組糾錯碼。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平底特性（error floors）；描述簡(jiǎn)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(shí)現完全的并行操作，硬件復雜底低，因而適合硬件實(shí)現；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結合LDPC無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)必將取得更好的性能。 1.4 自適應技術(shù) 無(wú)線(xiàn)通信采用了OFDM等寬帶調制技術(shù)，將單一物理信道分割為正交的若干個(gè)子信道，以實(shí)現高速的數據傳輸。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)獨立信道。MIMO與OFDM技術(shù)相結合，可以將無(wú)線(xiàn)通信的信號處理從時(shí)頻分集擴展為時(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(wú)線(xiàn)信道的頻率先擇性和時(shí)變性，也需要實(shí)時(shí)地對信道進(jìn)行檢測，以便更加有效地利用無(wú)線(xiàn)資源。 對于所有子載波都使用相同固定調制編碼的通信系統來(lái)說(shuō)，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(zhù)平均信噪比的增加，系統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，即采用不同調制編碼方案，每個(gè)調制編碼方案要適應每個(gè)子信道的信噪比。 自適應傳輸的基本思想是改變發(fā)射功率的水平、每個(gè)子信道的符號傳輸速率、QAM星座大小、編碼等參數或這些參數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(guò)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(lái)提供較高的頻譜適用效率。自適應技術(shù)大大減少了對均衡和交織的依賴(lài)，提升了WLAN系統的性能。圖3為自適應方案的系統結構圖。 1.5 智能天線(xiàn)技術(shù) 智能天線(xiàn)是一個(gè)由多組獨立天組成天線(xiàn)陣列系統。該陣列的輸出與收發(fā)信機的多個(gè)輸入相結合，可提供一個(gè)綜合的時(shí)空信號。與單個(gè)天線(xiàn)不同的是，天線(xiàn)陣列系統能夠動(dòng)態(tài)地調整波束方向，以使每個(gè)用戶(hù)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），還提高了系統的容量，擴大了小區的最大覆蓋范圍，減小了移動(dòng)臺的發(fā)射功率（如圖4所示）。 無(wú)線(xiàn)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(zhù)工作頻率及數據率的提高，硬件實(shí)現成本也越高，同時(shí)無(wú)線(xiàn)的傳播范圍也會(huì )降低。因此，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)IEEE802.11標準的傳范圍也會(huì )降低。因此，無(wú)線(xiàn)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(huì )隨著(zhù)距離的增加而降低。當移動(dòng)端遠離AP節點(diǎn)時(shí)或能信質(zhì)距離的增加而降低。當移動(dòng)端遠離AP節點(diǎn)時(shí)或通信質(zhì)量差時(shí)，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)相比，WLAN小區的覆蓋范圍都較?。ㄒ话阒挥惺畮酌椎綆资?；熱點(diǎn)地區為了增加容量，小區半徑更?。?。 WLAN引入智能天線(xiàn)技術(shù)，可以擴大其傳播地，提高信號傳的可靠性，使系統能夠以不低于108Mbps的傳輸速率保持通信。智能天線(xiàn)技術(shù)可以充分利用無(wú)線(xiàn)資源的空間可分性，提高無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統參考無(wú)線(xiàn)資源的利用率，擴大無(wú)線(xiàn)信號的傳輸范圍，并從根本上提高系統容量。因此，帶有智能天線(xiàn)的WLAN系統可以作為蜂窩移動(dòng)通信的寬帶接入部分，與無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)更緊密地結合。一方面，WLAN可以用戶(hù)提供高數據率的通信服務(wù)（例如視頻點(diǎn)播VOD，在線(xiàn)觀(guān)看HDTV）。另一方面，無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)為用戶(hù)提供了更好的移動(dòng)性。 1.6 軟件無(wú)線(xiàn)電 目前無(wú)線(xiàn)局網(wǎng)的多種標準并存，不同標準采用不同的工作頻段、為同的調制方式，造成系統間難以互通。WLAN的移動(dòng)性差，而軟件無(wú)線(xiàn)電是一種最有希望解決這些問(wèn)題的技術(shù)。軟件無(wú)線(xiàn)電是指研制出一個(gè)完全可編程的硬件平臺，所有的應用都通過(guò)該平臺上的軟件編程實(shí)現。換言之，不同系統的基站和移動(dòng)終端都可以由建立在相同硬件基礎上的不同軟件實(shí)現。該技術(shù)將能保證各種移動(dòng)臺、移動(dòng)設備之間的無(wú)縫集成，并大大降低了建設成本。 可以預見(jiàn)，基于軟件無(wú)線(xiàn)電的移動(dòng)通信將會(huì )具有以下特點(diǎn)：在同一硬件平臺上兼容不的系統；具有自動(dòng)漫游能力，能在不同系統之間進(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(yǔ)音、數據、圖像和傳真等多種業(yè)務(wù)，并能根據業(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)議和信號格式實(shí)現無(wú)端通信。 軟件無(wú)線(xiàn)電在下一代WLAN中的應用，將基本改變其網(wǎng)絡(luò )結構，實(shí)現WLAN網(wǎng)與無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)融合，并能容其各種標準、協(xié)議，提供更為開(kāi)放的接品，最終大大增加網(wǎng)絡(luò )的靈活性。 2 下一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)實(shí)現與IEEE802.11n 由上述可知，為了實(shí)現更高的傳輸速率，取得更可靠的性能，無(wú)線(xiàn)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)送端送入數據，進(jìn)行串行變換，然后每個(gè)載波分別完成LDPC編碼、QAM調制及IFFT轉換和加循環(huán)前綴，最后由多天線(xiàn)陣列發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道。接收端先由多天線(xiàn)陣列接收信號，再進(jìn)行天線(xiàn)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據到接收方。另外，在接收端采取信道估計，然后根據所得信道的特片采用相應的自適應算法調整編碼調制的參數以達到相應模塊的自適應目的。系統實(shí)現結構框圖如圖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(wú)線(xiàn)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(lái)。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(gè)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(shù)相結合，使傳輸速度成倍提高。另外，天線(xiàn)技術(shù)及傳輸技術(shù)使無(wú)線(xiàn)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(jìn)了802.11標準，不僅涉及物理層標準，同時(shí)也采用新的高性能無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)提升MAC層的性能，優(yōu)化數據幀結構，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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統是從現有系統以及將來(lái)的移動(dòng)通信系統的基礎上演化而來(lái)的，具有廣闊的發(fā)展前景，它必將對移動(dòng)計算、移動(dòng)辦公和移動(dòng)電子商務(wù)的早日實(shí)現起催起作用。