下一代移动通信关键技术在高速无线局域网中的应用

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下一代移动通信关键技术在高速无线局域网中的应用

摘要：介绍了无线局域网的最新发展，探讨了下一代移动通信关键技术在无线局域网中的应用，提出了一种高速无线局域网的实现结构，讲述了IEE802.11n的概念、特点和发展前景。    关键词：IEEE802.11n LDPC MIMO OFDM 自适应技术 智能天线 软件无线电
“当今无线技术的发展就如同20年前个人电脑技术的发展那样突飞猛进，令人难以跟上它的节奏。”Intel副总裁兼首席技术官帕特·基辛格如此描述无线网络的崛起。
1997年802.11标准的制定是无线局域网发燕尾服的里程碑。其定义了单一的MAC层和多样的物理层，先后推出了IEEE802.11、IEEE802.11a和IEEE802.11g物理层标准。11b标准采用CCK（补码键控）扩展频调制编码，数据传输速率达11Mbps。但是如果再增加传输速率，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现非常困难。因此，802.11工作组，为了推动无线局域网的发展，又引入OFDM技术。最近正式批准的11g标准与11a一样，采用OFDM技术。最近正式批准的11g标准与11a一样，采用OFDM技术，达54Mbps。
技术不断更新，新的技术标准不断推出，极大地推动了无线局域网的发燕尾服。下一代移动通信的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线（Smart Antenna）、LDPC（奇偶校验码）、自适应技术和软件无线电SDR（Soft Defined Radio）等，开始应用到无线局域网中，提升了WLAN的怀能。


图1

1 下一代移动通信关键无线局网中应用
1.1 OFDM技术
OFDM技术其实是多载波调制MCU（Multi-Carrier Modulation的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子队道，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。每个子信疲乏上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信寂的频率选择性衰落是平均的，大大消除了符号间的干扰。
在各个子信道中的正交调制和解调要吧采用IFFT和FFT方法实现。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的复杂性，提升了系统的性能。MIMO OFDM发送、接收机系统结构如图2所示。
另外，与单载波系统相比，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）。
1.2 多入多出（MIMO）
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。它可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道，也就是说天线单元之间存在充分的间隔，因此消除季天线间信号的相关性，提高信号的链路性能，增加了数据吞吐量。
现代信息论表明：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(p/2)] （1）
（其中B为信号带宽，p为接收端平均信噪比，min（M，N）为M、N中的较小者）。
式（1）表明，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。因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。 研究表明，在瑞利衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术提高容量。采用多输入多输出（MIMO）系统是提高频谱效率的有效方法。多衰是影响通信质量的订因素，但MIMO系统却能有效地利用我多的影响来提高系统容量。系统容量是雨干扰受限的，不能通过增加发射功率来提高系统容量。而采用MIMO结构不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量。
图1、图2分别为采用MIMO技术的OFDM系统发送、接收方案框图。从图中可以看出，MIMO OFDM系统有Nt个发送天线，Nr个接收天线。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提高空间分集效应，克服电波衰落 的不良影响。这里因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流经串行变换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，即经过编码、II（交织）、正交幅度调制（QAM）映射、插入导频信号、IFFT变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程。例如：去除循环前缀、FFT变换、解码等，同时通过信道估计、定时、同步、MIMO检测等技术完全恢复原来的比特流。
目前正在开发的设备由两组IEEE802.11a收发器、发送天线和接收天线各2个（2×2）及负责运算处理过程的MIMO系统组成，能够实现最大108Mbps的传输速度。支持AP和客户端之间的传输速度为108Mbps，客户端不支持该技术时（IEEE802.11a客户端的情况），通信速度为54Mbps。
1.3 LDPC编码技术
纠错编码技术作为改善数字信道通信可靠性的一种有效手段，在数字通信的各个领域中获得极为广泛的应用，其主要有卷积码、分组码、Turbo码和LDPC。在编码器复杂度相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。目前IEEE802.11标准大都采用卷积码信道前向纠错编码和Viterbi译码。
虽然，Turbo码可获得比传统级连码更大的编码增益，且具有合理的译码复杂性，被认为是大编码存储卷积码或传统级连码的替代方案。但是，WLAN数据包较短，且采用较为简单的传输机制，无法采用复杂度较高且适用于长数据包传输的Turbo码。
LDPC（低密度奇偶校验码）是一类可以用非常稀疏的Parity-check（奇偶校验矩阵）或Bi-Partite graph(二分图)定义的线性分组纠错码。
LDPC码的特点是：性能优于Turbo码，具有较大的灵活性和较低的差错平底特性（error floors）；描述简单，对严格理论分析具有可验证性；译码复杂度低于turbo码，且可实现完全的并行操作，硬件复杂底低，因而适合硬件实现；吞吐量大，极具高速译码潜力。因此，结合LDPC无线局域网必将取得更好的性能。
1.4 自适应技术
无线通信采用了OFDM等宽带调制技术，将单一物理信道分割为正交的若干个子信道，以实现高速的数据传输。多输入多输出（MIMO）技术可以定义为发判断端和接收端之间存在多个独立信道。MIMO与OFDM技术相结合，可以将无线通信的信号处理从时频分集扩展为时空频分集，进一步分割信道为空时频正交子信道。这样，就需要根据各个子信道的实际传输情况灵活的地分配发送功率和信息比特。而且由于无线信道的频率先择性和时变性，也需要实时地对信道进行检测，以便更加有效地利用无线资源。
对于所有子载波都使用相同固定调制编码的通信系统来说，其误码率主要由经历衰落最严重的子载波决定。因此在频率选择性衰落信道中，随着平均信噪比的增加，系统的误码率下降十分缓慢。但可以对不同子信道选用最佳的物理传输模式，即采用不同调制编码方案，每个调制编码方案要适应每个子信道的信噪比。
自适应传输的基本思想是改变发射功率的水平、每个子信道的符号传输速率、QAM星座大小、编码等参数或这些参数的组合以维持恒定的误码率（BER）。这样在不牺牲误码率的情况下，通过传输质量好的子信道采用高速传输、而在质量不好的子信道以降低传输速率等方式来提供较高的频谱适用效率。自适应技术大大减少了对均衡和交织的依赖，提升了WLAN系统的性能。图3为自适应方案的系统结构图。
1.5 智能天线技术
智能天线是一个由多组独立天组成天线阵列系统。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。这样不仅改善了信号干扰比SINR（Signal-to-Interference and Noise Ratio），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（如图4所示）。
无线信道为共享信道，频率资源非常有限。WLAN工作于免许可证频段：2.4GHz及5GHz。随着工作频率及数据率的提高，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，且传输速率会随着距离的增加而降低。当移动端远离AP节点时或能信质距离的增加而降低。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。在实际的组网中，与无线广域网相比， 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）。
WLAN引入智能天线技术，可以扩大其传播地，提高信号传的可靠性，使系统能够以不低于108Mbps的传输速率保持通信。智能天线技术可以充分利用无线资源的空间可分性，提高无线局域网系统参考无线资源的利用率，扩大无线信号的传输范围，并从根本上提高系统容量。因此，带有智能天线的WLAN系统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地结合。一方面，WLAN可以用户提供高数据率的通信服务（例如视频点播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。
1.6 软件无线电
目前无线局网的多种标准并存，不同标准采用不同的工作频段、为同的调制方式，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、移动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：在同一硬件平台上兼容不的系统；具有自动漫游能力，能在不同系统之间进行智能切换；可以下载公用软件并进行自身的升级；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；自动选择通信模式，采用合适的通信协议和信号格式实现无端通信。
软件无线电在下一代WLAN中的应用，将基本改变其网络结构，实现WLAN网与无线广域网融合，并能容其各种标准、协议，提供更为开放的接品，最终大大增加网络的灵活性。
2 下一代无线局域网实现与IEEE802.11n
由上述可知，为了实现更高的传输速率，取得更可靠的性能，无线局域网全面采用下一代移动通信的关键技术。首先从发送端送入数据，进行串行变换，然后每个载波分别完成LDPC编码、QAM调制及IFFT转换和加循环前缀，最后由多天线阵列发送到无线信道。接收端先由多天线阵列接收信号，再进行天线选择、去循环前缀、软译码、FFT及LDPC译码；最后将并行转换为串行数据到接收方。另外，在接收端采取信道估计，然后根据所得信道的特片采用相应的自适应算法调整编码调制的参数以达到相应模块的自适应目的。系统实现结构框图如图5所示。

    目前，IEEE已经成为800.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准IEEE802.11n。11n工作小组由高吞吐量研究小组发展而来。IEEE802.11n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之后的另一重头戏。与以往的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保障了以往的802.11a、b、g标准兼容。
802.11n计划采用MIMO与OFDM技术相结合，使传输速度成倍提高。另外，天线技术及传输技术使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的传输速度）。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，提高网络的吞吐能力。
移动通信的发展具有一定的继承性，下一代无线局域网系统是从现有系统以及将来的移动通信系统的基础上演化而来的，具有广阔的发展前景，它必将对移动计算、移动办公和移动电子商务的早日实现起催起作用。