下一代高速无线局域网标准IEEE802.11n

摘要：本文全面介绍了下一代无线局域网IEEE802.11n标准的无线局域网,详细讲述了IEEE802.11n的概念、产生背景、特点、构件及体系结构、发展前景，探讨了实现IEEE802.11n WLAN所需的几项关键技术，并分析了802.11n的性能，最后总结全文。

关键词：IEEE802.11n；OFDM；MIMO；MIMO OFDM；智能天线；软件无线电

1. 引言

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。今年来,无线局域网技术发展迅速，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。

本文介绍了一项新的高速无线局域网协议IEEE802.11n（第2部分），探讨了其实现的关键技术（第3部分），最后总结全文（第4部分）

2. 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。（如图1所示）

图1 802.11a的OFDM信号

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。（如图2所示）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。（如图3所示OFDM发送接收机系统结构）

图2 FDM信号与OFDM信号频谱比较

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。

图3 OFDM系统结构框图

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。图4所示为MIMO系统的原理图。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。

图4 MIMO系统原理

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。

3.1.3MIMO OFDM

MIMO OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO OFDM的原理如图5所示。

MIMO OFDM实现主要包括以下关键设计。

图5 MIMO OFDM的基本结构

发送分集：MIMO OFDM调制方式相结合，对下行通路选用“时延分集”，它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一时间。发送端引用这样的时延，可使接收地通路响应得到频率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得“空间——频率”分集增益，而不需预知通路情况。

空间复用：为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。也可能从两副基台天线发送两个各自编码的数据流。这样，可以把一个传输速率相对较高数据流多组成分割为一组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立的编码、调制和发送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同独立的信道滤波独立发送信号。接收机利用空间均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。

接收分集和干扰消除：如果基台和用户终端一侧三副接收天线，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC（maximal ratio combining），将多个接收机的信号合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干扰的好处。但是，如有两个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，MRC就不能起遏止作用。这时，利用“最小的均方误差”MMSE（minimum mean square error），它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比SINR（signal to interference plus noise ratio）最大。

软译码：上述MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和SINR加权组合相结合使用，可能对频率选择性信道提供3-4dB性能增益。

信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲击响应。从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，从而能够唯一的识别每副发送天线到接收天线的信道。训练子载波在频率上的间隔要小于干带宽，因此可以利用内插获得训练子载波之间的信道估计值。根据信道的时延扩展，能够实现信道内插的最优化。下行链路中，在逐帧基础上向所有用户广播发送专用信道标识时隙。在上行链路中，由于移动台发出的业务可以构成时隙，而且信道在时隙与时隙之间会发生变化，因此需要在每个时隙内包括训练和数据子载波。

同步：在上行和下行链路传播之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频率对齐，并且实施频率偏差估计。时隙可以按照以下方式构成：在偶数序号子载波上发送数据与训练符号，而在奇数序号子载波设置为零。这样经过IFFT变换之后，得到的时域信号就会被重复，更加有利于信号的检测。

自适应调制和编码：为每个用户配置链路参数，可以最大限度地提高系统容量。根据两个用户在特定位置和时间内地用户的SINR统计特征，以及用户Qos的要求，存在多种编码与调制方案，用于在用户数据流的基础上实现最优化。QAM级别可以介于4到64，编码可以包括凿孔卷积编码与Reed-solomon编码。因此存在6中调制和编码级别，即编码模式。在2MHz的信道带宽内，编码模式1－6分别对于1.1-6.8的数据传输速率。下行链路中，在使用空间复用的情况下，上述速率可以被加倍。链路适配层算法能够在SINR统计特性的基础上，选择使用最佳的编码模式。

目前正在开发的设备由2组IEEE802.11a收发器、发送天线和接收天线各2个（2×2）和负责运算处理过程的MIMO系统组成，能够实现最大108Mbit/秒的传输速度。支持AP和客户端之间的传输速度为108Mbit/秒，客户端不支持该技术时（IEEE802.11a客户端的情况），通信速度为54Mbit/秒。下一代无线局域网协议802.11n传输速率高达320Mbps，净传输速率为108Mbps。

3.2 MAC层优化技术

从网络逻辑结构上来看，802.11只定义了物理层及介质访问控制(MAC)子层(如图1)。MAC层提供对共享无线介质的竞争使用和无竞争使用，具有无线介质访问、网络连接、数据验证、和保密等功能。物理层为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输，所传数据单位为比特（bit）。物理层定义了通信设备与接口硬件的机械、电气功能和过程的特性，用以建立、维持和释放物理连接。

图6 IEEE802.11协议帧结构

802.11的帧结构分为前导信号（Preamble）、信头(header)和负载(payload)（其结构如图6所示）。

Preamble：主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其他移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔。前导信号完成，接收方才开始接收数据。

Header：在Preamble之后,用来传输一些重要的数据比如负载长度，传输速率，服务等信息。

Payload：由于数据率及要传送字节的数量不同，负载的包长变化很大，可以十分短也可以十分长。

在一帧信号的传输过程中，Preamble 和Header所占的传输时间越多，Payload用的传输时间就越少，传输的效率越低。802.11n为了提升整个网络的吞吐量，对MAC层协议也进行了优化，改变数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少管理检错所占的字节数，大大提升了网络的吞吐量。IEEE802.11n研究小组是由高吞吐量研究小组发展来的。该小组希望通过增加传输的净负载，减少管理及检错的字节，来提高整体传输效率。这样增加了符号传输速率，使的网络的吞吐量达到了802.11g的两倍达108Mbps。

3.3智能天线技术与802.11n

智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统，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的方向，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SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio, 信号干扰比)，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。智能天线的基本结构见图7。图7是由J个天线元素组成的线形天线阵列，实际上TD-SCDMA中经常使用的是由8根天线组成的环行天线阵列，每根天线之间的距离为L/2 (L为载波波长)。由于每根天线的位置都不完全相同，因此它们所接收到的信号的幅度、相位也是不同的，这样同时产生了多个有方向性的波束。对这些波束进行加权处理后分配给不同的用户，保证了每个用户能够得到最大的增益和最小的噪声干扰。

图7 智能天线基本结构示意图

与有线信道相比，无线介质可靠性低，带宽小，且具有广播特性。但是，无线介质具有无束缚的特点，因此，广泛的应用于移动通信中。无线信道为共享信道，频率资源非常有限。无线通信的工作频率有1GHz（蜂窝移动电话）,2GHz（PCS和WLAN）,5GHz(WLAN),28—60GHz(本地多点分布业务LDMS和点到点的微波通信)以及用于光通信的IR频率等。WLAN工作于免许可证频段：2.4GHz及5GHz。随着工作频率及数据率越高，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标准的传送距离较短，传输距离只有几百米。而且，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。比如，802.11b标准的网络采用自动速率转换技术，速率可以降到6Mbps及2Mbps。11a和11g标准也支持6、9、12、18、24、36、48和54Mbps的传输速率。在实际的组网中，和无线广域网相比，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）。

图8 蜂窝中的智能天线

作为下一代的无限局域网标准，IEEE802.11n采用智能天线技术，其传播范围更广，且能够以不低于108Mbps的传输速率保持通信。它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的结合。一方面，802.11n可以为用户提供高数据率的通信服务（比如视频点播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

3.4 软件无线电与802.11n

目前无线局域网的多种标准并存，不同标准采用不同的工作频段、不同的调制方式，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，所有的应用都通过在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、各种移动通信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：

（1）在同一硬件平台上兼容不同的系统；

（2） 具有自动漫游能力，能在不同系统之间进行智能切换；

（3） 可以下载公用软件并进行自身的升级；

（4） 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；

（5） 自动选择通信模式，采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。

软件无线电在802.11n中的应用，将根本改变其的网络结构，实现WLAN网与无线广域网融合并能容纳各种标准、协议。提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。

4. 结束语

作为一个新标准，与以前的802.11协议相比，IEEE802.11n无线局域网有很多优势。一是短期的优势，有较高的传输速率，数据传输速率达100Mbps以上，使无线局域网平滑的和有线网络结合，全面提升了网络吞吐量；二是长期的优势，今后无线局域网的产品可以使用双频方式，即在2.4GHz和5GHz两个频段上都使用MIMO+OFDM调制技术，提高数据传输速率。同时，802.11n的传输距离更远，易与无线广域网融合。综上所述，IEEE802.11n协议标准是具有巨大发展潜力的无线局域网标准，必将使无线局域网蓬勃发展。IEEE802.11n还在不断的发展，预计2005年推出市场，成为正式的标准。

无线局域网产品逐渐走向成熟，价格也逐渐下降，相应软件也日趋成熟。此外，无线局域网已能够通过与广域网相结合的形式提供移动Internet的多媒体业务。无疑，802.11n标准将以它的高传输速率和组网灵活性发挥重要作用。

参考文献

【1】 Part11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications ANSI/IEEE STD 802.11 1999 Edition

【2】 IEEE 802.11g Explained By Jim Zyren Interseil Corporation, Wireless networking December 6,2001

【3】 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide By Matthew S.Gast O’REILLY Published 2002

【4】 IEEE802.11, Jan, 2002,”Further High-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band “, IEEE Std.802.11g/D28

【5】 Multimode WLANs: Enabling Maximum Connectivity William Carney and Sean Coffey, Ph.D Texas Instruments Wireless Networking Business Unit Santa Rosa California, USA

【6】 Co-existence of 802.11g WLANs with Bluetooth K.K.Wong and T.O’Farrell Institute of Integrated Information Systems School of Electronic and Electrical Engineering University of Leeds Woodhouse Lane, Leeds LS2 9JT, U.K.

【7】 802.11g CP:A Solution for IEEE802.11g and 802.11b Inter-Working By Sungyun Choi School of Electrical Engineering Seoul National University ,Seoul, Kerea.

【8】 OFDM移动通信技术原理与应用 佟学俭 罗涛 著 人民邮电出版社 2003年6月

【9】 软件无线电原理与应用 杨小牛 楼才义 徐建良 著 电子工业出版社 2001年1月