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下一代無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用研究

牽手一起夢(mèng) ? 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用 ? 作者:韓旭東,張春業(yè), ? 2021-05-22 11:19 ? 次閱讀
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作者:韓旭東,張春業(yè),曹建海

“當(dāng)今無(wú)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?基辛格如此描述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的崛起?

1997年802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定是無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展的里程碑?其定義了單一的MAC層和多樣的物理層,先后推出了IEEE802.11b?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)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(wú)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),數(shù)據(jù)傳輸速率可達(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(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展?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(wú)線電SDR(Soft Defined Radio)等,開(kāi)始應(yīng)用到無(wú)線局域網(wǎng)中,提升了WLAN的性能?

1 下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用

1.1 OFDM技術(shù)

OFDM技術(shù)其實(shí)是多載波調(diào)制MCM(Multi-Carrier Modulation)的一種?其主要思想是:將信道分成許多正交子信道,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)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬,因此每個(gè)子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的,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)可以采用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?快速傅里葉變換(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1?2所示?

下一代無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用研究

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(shuō)天線單元之間存在充分的間隔,因此消除了天線間信號(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(ρ/2)? ? (1)

(其中B為信號(hào)帶寬,ρ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(wú)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?多徑衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素,但MIMO系統(tǒng)卻能有效地利用多徑的影響來(lái)提高系統(tǒng)容量?系統(tǒng)容量是干擾受限的,不能通過(guò)增加發(fā)射功率來(lái)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?這是因?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)串并變換分為多個(gè)分支,每個(gè)分支都進(jìn)行OFDM處理,即經(jīng)過(guò)編碼?Π(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(guò)程,再經(jīng)天線發(fā)送到無(wú)線信道中;接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號(hào)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(jì)?定時(shí)?同步?MIMO檢測(cè)等技術(shù)完全恢復(fù)原來(lái)的比特流? 目前正在開(kāi)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)(2×2)及負(fù)責(zé)運(yùn)算處理過(guò)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(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(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(wú)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(lèi)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)格的理論分析具有可驗(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)雜度低,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(wú)線局域網(wǎng)必將取得更好的性能?

1.4自適應(yīng)技術(shù)

無(wú)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)送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(wú)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)頻正交的子信道?這樣,就需要根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特?而且由于無(wú)線信道的頻率選擇性和時(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(wú)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(lái)說(shuō),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)不同的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)制和編碼方案要適應(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(yīng)技術(shù)大大減少了對(duì)均衡和交織的依賴(lài),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)立天線組成的天線陣列系統(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(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(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(wú)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(wú)線的傳播范圍也會(huì)降低?因此,無(wú)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)或通信質(zhì)量差時(shí),無(wú)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(wú)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?熱點(diǎn)地區(qū)為了增加容量,小區(qū)半徑更?。?

WLAN引入智能天線技術(shù),可以擴(kuò)大其傳播范圍,提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?,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(wú)線資源的空間可分性,提高無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線資源的利用率,擴(kuò)大無(wú)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(wú)線廣域網(wǎng)更緊密地結(jié)合?一方面,WLAN可以為用戶(hù)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(wú)線廣域網(wǎng)為用戶(hù)提供了更好的移動(dòng)性?

1.6 軟件無(wú)線電

目前無(wú)線局域網(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?不同的調(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(wú)線電是一種最有希望解決這些問(wèn)題的技術(shù)?軟件無(wú)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(guò)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)通信設(shè)備之間的無(wú)縫集成,并大大降低了建設(shè)成本? 可以預(yù)見(jiàn),基于軟件無(wú)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)上兼容不同的系統(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(yǔ)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)遠(yuǎn)端通信?

軟件無(wú)線電在下一代WLAN中的應(yīng)用,將根本改變其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)與無(wú)線廣域網(wǎng)融合,并能容納各種標(biāo)準(zhǔn)?協(xié)議,提供更為開(kāi)放的接口,最終大大增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性?

2 下一代無(wú)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(wú)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)行串并變換,然后每個(gè)子載波分別完成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(wú)線信道中?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)所得信道的特征采用相應(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)成立802.11n工作小組,以制定一項(xiàng)新的高速無(wú)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(lái)?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保障了與以往的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,使傳輸速率成倍提高?另外,天線技術(shù)及傳輸技術(shù)使無(wú)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的傳輸速率)?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(wú)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(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)是從現(xiàn)有系統(tǒng)以及將來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上演化而來(lái)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)起催化作用?

責(zé)任編輯:gt

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    隨著視頻與多媒體高清技術(shù)發(fā)展,各種通過(guò)寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求日趨緊俏,而主流無(wú)線局域網(wǎng)802.11n技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)顯得有點(diǎn)不足,業(yè)界開(kāi)始推動(dòng)下一代高速
    發(fā)表于 12-06 10:39 ?1221次閱讀

    基于PCF的無(wú)線局域網(wǎng)接入時(shí)延可控系統(tǒng)研究_徐海洋

    基于PCF的無(wú)線局域網(wǎng)接入時(shí)延可控系統(tǒng)研究_徐海洋
    發(fā)表于 03-19 19:12 ?0次下載

    下一代工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)使用情況分析

    SCALANCE W 和 SCALANCE WLC 下一代工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng) 關(guān)鍵詞:SCALANCE IEEE 802.11N MIMO 接入點(diǎn) SCALANCE W786 和 W788 以及客戶(hù)端
    發(fā)表于 09-15 11:21 ?0次下載
    <b class='flag-5'>下一代</b>工業(yè)<b class='flag-5'>無(wú)線</b><b class='flag-5'>局域網(wǎng)</b>使用情況分析

    無(wú)線局域網(wǎng)簡(jiǎn)介

    無(wú)線局域網(wǎng)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area Networks; WLAN)是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),它利用射頻(Ra
    發(fā)表于 11-24 03:21 ?2439次閱讀

    虛擬局域網(wǎng)什么意思_虛擬局域網(wǎng)有什么特點(diǎn)_如何組建虛擬局域網(wǎng)

    本文首先詳細(xì)的闡述了虛擬局域網(wǎng)什么意思及對(duì)虛擬局域網(wǎng)的工作特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹了,其次分析了虛擬局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn),最后詳細(xì)的介紹了建虛擬局域網(wǎng)的方
    發(fā)表于 02-10 10:42 ?2.6w次閱讀
    虛擬<b class='flag-5'>局域網(wǎng)</b>什么意思_虛擬<b class='flag-5'>局域網(wǎng)</b>有什么<b class='flag-5'>特點(diǎn)</b>_如何組建虛擬<b class='flag-5'>局域網(wǎng)</b>

    文弄懂無(wú)線局域網(wǎng)的體系架構(gòu)及應(yīng)用

    無(wú)線局域網(wǎng)的主要組件:無(wú)線網(wǎng)卡。提供與有線網(wǎng)卡樣豐富的系統(tǒng)接口,包括PCMCIA、Cardbus、PCI和USB等。在有線
    發(fā)表于 11-14 16:42 ?8792次閱讀

    文了解無(wú)線局域網(wǎng)是什么意思

    無(wú)線局域網(wǎng)種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),它利用射頻技術(shù),使用電磁波,取代舊式雙絞銅線所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò),在空中進(jìn)行通信連接,使得
    發(fā)表于 11-14 18:59 ?4w次閱讀

    無(wú)線局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)有哪些

    無(wú)線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,無(wú)線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)還是傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng),是有線
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    下一代無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi 7(802.11be)

    Wi-Fi7(也稱(chēng)為802.11be)是下一代無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),旨在提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的延遲以及更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)容量。以下是Wi-Fi7的特征及應(yīng)用:、Wi-Fi7的特征更高的數(shù)
    的頭像 發(fā)表于 11-05 08:01 ?2481次閱讀
    <b class='flag-5'>下一代</b><b class='flag-5'>無(wú)線</b><b class='flag-5'>局域網(wǎng)</b>標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi 7(802.11be)