IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（1）

2019-11-05 02:35:22

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　　無線局域網是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。它利用射頻（RF）技術，取代舊式的雙絞銅線構成局域網絡，提供傳統有線局域網的所有功能，網絡所需的基礎設施不需再埋在地下或隱藏在墻里，也能夠隨需移動或變化。使得無線局域網絡能利用簡單的存取構架讓用戶透過它，達到"信息隨身化、便利走天下"的理想境界。WLAN是20世紀90年代計算機與無線通信技術相結合的產物，它使用無線信道來接入網絡，為通信的移動化，個人化和多媒體應用提供了潛在的手段，并成為寬帶接入的有效手段之一。
　　
　　一、IEEE802.11無線局域網標準
　　
　　1997年IEEE802.11標準的制定是無線局域網發展的里程碑，它是由大量的局域網以及計算機專家審定通過的標準。IEEE802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有IEEE802.11b,a和g。
　　
　　1.1 IEEE802.11b
　　1999年9月正式通過的IEEE802.11b標準是IEEE802.11協議標準的擴展。它可以支持最高11Mbps的數據速率，運行在2.4GHz的ISM頻段上，采用的調制技術是CCK。但是隨著用戶不斷增長的對數據速率的要求，CCK調制方式就不再是一種合適的方法了。因為對于直接序列擴頻技術來說，為了取得較高的數據速率，并達到擴頻的目的，選取的碼片的速率就要更高，這對于現有的碼片來說比較困難；對于接收端的RAKE接收機來說，在高速數據速率的情況下，為了達到良好的時間分集效果，要求RAKE接收機有更復雜的結構，在硬件上不易實現。
　　
　　1.2 IEEE802.11a
　　IEEE802.11a工作5GHz頻段上，使用OFDM調制技術可支持54Mbps的傳輸速率。802.11a與802.11b兩個標準都存在著各自的優缺點，802.11b的優勢在于價格低廉,但速率較低（最高11Mbps）；而802.11a優勢在于傳輸速率快（最高54Mbps）且受干擾少，但價格相對較高。另外，11a與11b工作在不同的頻段上,不能工作在同一AP的網絡里，因此11a與11b互不兼容。
　　
　　1.3 IEEE802.11g
　　為了解決上述問題，為了進一步推動無線局域網的發展，2003年7月802.11工作組批準了802.11g標準，新的標準終于浮出水面成為人們對無線局域網關注的焦點。IEEE802.11工作組開始定義新的物理層標準IEEE802.11g。該草案與以前的802.11協議標準相比有以下兩個特點：其在2.4G頻段使用OFDM調制技術，使數據傳輸速率提高到20Mbps以上；IEEE802.11g標準能夠與802.11b的WIFI系統互相連通，共存在同一AP的網絡里，保障了后向兼容性。這樣原有的WLAN系統可以平滑的向高速無線局域網過渡，延長了IEEE802.11b產品的使用壽命，降低用戶的投資。
　　
　　1.4 IEEE802.11n
　　IEEE已經成立802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網標準802.11n。802.11n工作小組是由高吞吐量研究小組發展而來的，由802.11g工作小組主席Matthew B. Shoemaker擔任主席一職。該工作小組計劃在2003年9月召開首次會議。
　　
　　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之后的另一場重頭戲。和以往地802.11標準不同，802.11n協議為雙頻工作模式（包含2.4GHz和5GHz兩個工作頻段）。這樣11n保障了與以往的802.11a b, g標準兼容。
　　
　　IEEE802.11n計劃采用MIMO與OFDM相結合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術及傳輸技術，使得無線局域網的傳輸距離大大增加，可以達到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速率）。IEEE802.11n標準全面改進了802.11標準，不僅涉及物理層標準，同時也采用新的高性能無線傳輸技術提升MAC層的性能，優化數據幀結構，提高網絡的吞吐量性能。
　　
　　二、 IEEE802.11無線局域網的物理層要害技術
　　
　　隨著無線局域網技術的應用日漸廣泛，用戶對數據傳輸速率的要求越來越高。但是在室內，這個較為復雜的電磁環境中，多經效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使的實現無線信道中的高速數據傳輸比有線信道中困難，WLAN需要采用合適的調制技術。
　　
　　IEEE802.11無線局域網絡是一種能支持較高數據傳輸速率（1-54Mbit/s），采用微蜂窩，微微蜂窩結構的自主治理的計算機局域網絡。其要害技術大致有三種：DSSS、CCK技術，和 PBCC，和OFDM。每種技術皆有其特點，目前，擴頻調制技術正成為主流，而OFDM技術由于其優越的傳輸性能成為人們關注的新焦點。
　　
　　2.1 DSSS調制技術
　　基于DSSS的調制技術有三種。最初IEEE802.11標準制定在1Mbps數據速率下采用DBPSK。如提供2Mbps的數據速率，要采用DQPSK，這種方法每次處理兩個比特碼元，成為雙比特。第三種是基于CCK的QPSK，是11b標準采用的基本數據調制方式。它采用了補碼序列與直序列擴頻技術，是一種單載波調制技術，通過PSK方式傳輸數據，傳輸速率分為1，2,5.5和11Mbps。CCK通過與接收端的Rake接收機配合使用，能夠在高效率的傳輸數據的同時有效的克服多徑效應。IEEE802.11b使用了CCK調制技術來提高數據傳輸速率，最高可達11Mbps。但是傳輸速率超過11Mbps，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復雜的均衡及調制，實現起來非常困難。因此，802.11工作組，為了推動無線局域網的發展，又引入新的調制技術。
　　
　　2.2 PBCC調制技術
　　PBCC調制技術是由TI公司提出的,已作為802.11g的可選項被采納。PBCC也是單載波調制,但它與CCK不同,它使用了更多復雜的信號星座圖。PBCC采用8PSK,而CCK使用BPSK/QPSK；另外PBCC使用了卷積碼，而CCK使用區塊碼。因此，它們的解調過程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的數據傳輸，其傳輸速率為11，22和33Mbps。
　　
　　2.3 OFDM技術
　　OFDM技術是一種無線環境下的高速多載波傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想：就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸，從而有效的抑制無線信道的時間彌散所帶來的ISI。這樣就減少了接收機內均衡的復雜度，有時甚至可以不采用均衡器，僅通過插入循環前綴的方式消除ISI的不利影響。
　　
　　由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。（如圖1.1所示）在各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用IFFT和FFT方法來實現，隨著大規模集成電路技術與DSP技術的發展，IFFT和FFT都是非常輕易實現的。FFT的引入，大大降低了OFDM的實現復雜性，提升了系統的性能。（如圖1.2所示OFDM發送接收機系統結構）
　　　 IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（1）（圖一）

　　無線數據業務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸的數據量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量。因此無論從用戶高速數據傳輸業務的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數據傳輸，而OFDM輕易通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
　　
　　由于無線信道存在頻率選擇性，所有的子信道不會同時處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動態比特分配以及動態子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，從而提升系統性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統在某種程度上反抗這種干擾。
　　　 IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（1）（圖二）

　　圖1.2 OFDM系統結構框圖
　　
　　另外，同單載波系統相比，OFDM還存在一些缺點，易受頻率偏差的影響，存在較高的PAR。
　　
　　OFDM技術有非常廣闊的發展前景，已成為第4帶移動通信的核心技術。IEEE802.11a g標準為了支持高速數據傳輸都采用了OFDM調制技術。目前，OFDM結合時空編碼、分集、干擾（包括符號間干擾ISI和鄰道干擾ICI）抑制以及智能天線技術，最大程度的提高物理層的可靠性。如再結合自適應調制、自適應編碼以及動態子載波分配、動態比特分配算法等技術，可以使其性能進一步優化。
　　
　　2.4 MIMO OFDM技術
　　MIMO技術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。它可以定義為發送端和接收端之間存在多個獨立信道，也就是說天線單元之間存在充分的間隔，因此消除了天線間信號的相關性，提高信號的鏈路性能增加了數據吞吐量。
　　　 IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（1）（圖三）

　　現代信息論表明：對于發射天線數為N，接收天線數為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
　　　 IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（1）（圖四）

　?。ㄆ渲蠦為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者）。
　　
　　上式表明，MIMO技術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。研究表明，在瑞利衰落信道環境下，OFDM系統非常適合使用MIMO技術來提高容量。采用多輸入多輸出（MIMO）系統是提高頻譜效率的有效方法。我們知道，多徑衰落是影響通信質量的主要因素，但MIMO系統卻能有效地利用多徑的影響來提高系統容量。系統容量是干擾受限的，不能通過增加發射功率來提高系統容量。而采用MIMO結構不需要增加發射功率就能獲得很高的系統容量。因此將MIMO技術與OFDM技術相結合是下一代無線局域網發展的趨勢。
　　
　　在OFDM系統中采用多發射天線實際上就是根據需要在各個子信道上應用多發射天線技術。每個子信道都對應一個多天線子系統。一個多發射天線的OFDM系統。目前正在開發的設備由2組IEEE802.11a收發器、發送天線和接收天線各2個（2×2）和負責運算處理過程的MIMO系統組成，能夠實現最大108Mbit/秒的傳輸速度。支持AP和客戶端之間的傳輸速度為108Mbit/秒，客戶端不支持該技術時（IEEE802.11a客戶端的情況），通信速度

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