高速無線局域網主要技術

摘要：無線局域網(WLAN)技術發展迅速，但傳輸速度慢的缺點始終是阻礙WLAN進一步發展的“瓶頸”。實現更高的傳輸速率，取得更可靠的性能，需要全面采用下一代移動通信的關鍵技術。IEEE 802.11n標準全面改進了802.11標準，在物理層引入了正交頻分復用與多入多出相結合的技術，使傳輸速度成倍提高；在媒體訪問控制(MAC)層采用幀聚合機制、傳輸機會與擁塞確認技術，使MAC層的性能得到提升，數據幀結構得到優化，網絡吞吐能力得到提高；在WLAN中采用新的糾錯編碼的方法——低密度奇偶校驗碼，使接收機在較低的信噪比情況下仍然可以擁有較低的誤碼率，使覆蓋范圍得到提升。

關鍵詞：高速無線局域網；多入多出-正交頻分復用；服務質量；媒體訪問控制

Abstract:The rapid development of Wireless Local Area Network (WLAN) has not yet broken the bottleneck that the low transmission speed hinders the further development of WLAN. But now， some key technologies for next generation mobile communications can solve the problem by supporting high-speed transmission and ensuring reliable performance. IEEE 802.11n has made general amendment to 802.11. Based on IEEE 802.11n， the transmission speed can be doubled by the application of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Multiple Input Multiple Output (MIMO) technologies on the physical layer; and the enhanced Medium Access Control (MAC) system performance， optimized data frame and improved network throughput can all be achieved by the adoption of frame convergence， Transmission Opportunity (TXOP) and block-acknowledge technologies on the MAC layer. A new error correction method called Low Density Parity Check Code (LDPC) can also be adopted for the receiver to enjoy low Bit Error Ratio (BER) with low S/N， thus improving signal coverage.

Key words: high speed wireless local area network; MIMO-OFDM; QoS; medium access control

基金項目：國家自然科學基金項目

(60372048、60496316)

以IEEE 802.11標準為基礎的無線技術已經成為目前無線局域網(WLAN)技術的主流。通過接入無線網絡實現移動辦公已經成為很多人生活方式的一部分。為了滿足人們對傳輸速率日益增長的要求，在相繼推出了802.11b、802.11a以及802.11g標準以后，IEEE工作組即將提出下一代高速無線局域網標準——802.11n。

2003年IEEE啟動802.11n標準的制訂工作，此后很多廠家都參與到其中，逐漸形成了全球信道效率聯盟(WWiSE)和工作組n(TGn Sync)兩大陣營，它們各自向IEEE提出了自己的標準。在2005年10月兩大陣營基于共同的利益達成和解，在Intel公司的帶動下組建了增強無線聯盟(EWC)。

在EWC已經提出的物理(PHY)層和媒體訪問控制(MAC)層的草案中，802.11n的特點和優勢初見端倪。EWC規范的技術特點有^[1]：

(1)采用混和工作模式，可以與采用802.11a/b/g標準網絡協同工作，在保持與現有設備通信的同時提供增強的性能。

(2)高達600 Mb/s的物理層傳輸速率，支持需要高數據傳輸速率的應用，并且通過將發送和接收數據流的時間最小化來減少電池的消耗。

(3)利用幀集合結構增強MAC的效率，使實際的吞吐量更接近最初的物理層傳輸速率，為終端用戶提供最低100 Mb/s的應用級帶寬。

(4)使用2.4 GHz和/或5 GHz無需許可的頻段，與目前的802.11設備的頻率規劃相匹配。

(5)支持20 MHz和/或40 MHz通道，利用更多的可用無線頻譜來增強性能。

(6)使用1～4個天線同時傳輸的空間多工模式，增強無線連接的魯棒性以支持極高的數據速率。

(7)通過多天線和先進的編碼來增加覆蓋范圍，在更廣闊的覆蓋區域中提供統一的傳輸速度。

從EWC版的802.11n標準來看，新一代的無線局域網技術將為終端用戶提供100 Mb/s以上的傳輸速率，其最高物理層速率可達600 Mb/s以上，遠高于802.11a和802.11g最大54 Mb/s的速率。802.11n標準為雙頻工作模式(包含2.4 GHz和5 GHz兩個工作頻段)，并支持20 MHz和40 MHz兩種通道，以便與此前的802.11a/b/g標準兼容。另外，為了與已有的無線局域網設備通信，EWC版的802.11n草案中規定很多內容以供在實際產品設計時可選。通信中不同站點可以通過協商決定是否使用支持協議中的新技術。如果要支持高于100 Mb/s的數據傳輸，雙方則必須使用802.11n中的新技術^[2，3]。

1 物理層主要技術

802.11n標準的物理層引入了正交頻分復用(OFDM)與多入多出(MIMO)相結合的技術，該技術的使用為實現高速傳輸打下了基礎。

1.1 正交頻分復用技術

正交頻分復用的基本原理是把高速數據流進行串并變換，形成傳輸速率相對較低的若干個并行數據流，然后分別在不同的子信道中傳輸。由于速率降低，每個子信道中的符號周期會相應增加，這樣就可以減少由于多徑時延而造成的符號間干擾(ISI)。在OFDM系統中，每個子信道的頻譜是重疊的，這樣就提高了頻譜利用率。由于OFDM系統擁有多個子信道，因而為實現非對稱數據傳輸提供了便利。

OFDM系統的容量與子信道數目密切相關。從理論上講，如果沒有帶寬的限制，只要提供足夠多的子信道，人們就可以獲得任意高的傳輸速率^[4]。不過這在實際的無線局域網系統中是行不通的，因為實際的信道總是頻帶受限的。

1.2 多入多出技術

在多徑傳播環境中，MIMO技術利用多個發射天線和多個接收天線實現空分復用，可以在不增加系統的帶寬和發射功率的情況下，成倍地提高信道容量。MIMO技術包括發射分集技術和空間復用技術。

發射分集指的是在不同天線上發射相同的信息，接收機將接收到的信號合并，得到空間分集增益。常見的空時碼有空時分組碼(STBC)和空時格碼(STTC)。

空間復用技術在不同的天線上發射不同的信息，從而提高系統的容量。設發送天線數目為M，接收天線數目為N。在窄帶平坦瑞利衰落信道中，當N大于M時，信道容量可以表示為：C=M×log2(N/M×S)，其中S是每個接收天線的信噪比(SNR)。如果固定接收天線數目為N，那么信道容量將隨M線性增加。目前利用空分復用的方法來提高信道容量的方法主要是各種分層空時碼(LSTC)。貝爾實驗室的垂直分層空時(V-BLAST碼)是空間復用技術的典型代表。

目前MIMO技術發展非常迅速，并逐步與智能天線技術相結合，是當前無線技術的一大熱點。STBC技術和波束成形技術都在802.11n標準中得到了應用。

1.3 MIMO-OFDM技術

MIMO-OFDM技術是通過在OFDM傳輸系統中采用陣列天線的方法實現空間分集，提高了信號質量，是聯合OFDM和MIMO而得到的一種新技術。它利用了時間、頻率和空間3種分集技術，使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。關鍵技術有：

(1)發送分集

MIMO與OFDM調制方式相結合，對下行通路選用時延分集。MIMO-OFDM裝備簡單、性能優良，又沒有反饋要求。

(2)空間復用

為提高數據傳輸速率，可以采用空間復用技術。

(3)接收分集和干擾消除

如果基臺和用戶終端一側各為3副接收天線，可取得接收分集的效果。利用最大比值合并(MRC)，將多個接收機的信號合并，得到最大SNR，可能有遏制自然干擾的好處。

(4)軟譯碼

MRC和MMSE算法生成軟判決信號，供軟解碼器使用。軟解碼和信號與干擾噪聲比(SINR)加權組合結合使用，可對頻率選擇性信道提供3～4 dB的性能增益。

(5)信道估計

信道估計的目的在于識別每組發送天線與接收天線之間的信道沖擊響應。從每副天線發出的訓練子載波都是相互正交的，從而能夠唯一地識別每副發送天線到接收天線的信道。訓練子載波在頻率上的間隔要小于相干帶寬，因此可以利用內插獲得訓練子載波之間的信道估計值。根據信道的時延擴展，能夠實現信道內插的最優化。下行鏈路中，在逐幀基礎上向所有用戶廣播發送專用信道標識時隙；在上行鏈路中，由于移動臺業務的發出是以時隙方式進行的，而且信道在時隙與時隙之間會發生變化，因此需要在每個時隙內包括訓練和數據子載波。

(6)同步

在上行和下行鏈路傳播之前，都存在同步時隙，用于實施相位、頻率對齊，并且實施頻率偏差估計。時隙可以按照以下方式構成：在偶數序號子載波上發送數據與訓練符號，而將奇數序號子載波設置為零。這樣經過逆快速傅里葉變換(IFFT)變換之后，得到的時域信號就會被重復，更加有利于信號的檢測。

(7)自適應調制和編碼

為每個用戶配置鏈路參數，可以最大限度地提高系統容量。根據兩個用戶在特定位置和時間內的用戶的SINR統計特征，以及用戶服務質量(QoS)的要求，存在多種編碼與調制方案，用于在用戶數據流的基礎上實現最優化。在下行鏈路中，在使用空間復用技術的情況下，上述速率可以被加倍。鏈路適配層算法能夠在SINR統計特性的基礎上，選擇使用最佳的編碼模式。

2 多址接入控制子層主要技術

2.1 幀聚合機制

在傳統的802.11標準的WLAN中，MAC層從上層得到一個準備發送的MAC業務數據單元(MSDU)以后，首先會為數據包加上MAC頭和幀校驗等附加信息，構成物理層會聚協議(PLCP)層的物理業務數據單元(PSDU)，再加上PLCP頭以及前導等信息得到物理協議數據單元(PPDU)，從而形成一個傳輸幀，然后交由物理層進行發送。每一個傳輸幀都要求接收方回復一個確認(ACK)。每個傳輸幀中附加的信息以及對應于每個傳輸幀的ACK構成了傳輸中的協議負荷。隨著物理層數據速率的提高，協議負荷將會嚴重地影響MAC層的效率，進而影響到整個網絡的吞吐量。

802.11n標準采用了幀聚合機制，多個MSDU聚合成為一個MAC協議數據單元(MPDU)，而多個MPDU又可以聚合成為一個PSDU。這樣，對于接收地址相同的幾個MAC幀來說，它們可以被封裝成一個聚合幀，從而可以只使用一個PLCP。一個聚合幀中可能包含不同類型的MAC幀，例如數據幀和控制幀等。這種做法減少了每個傳輸幀中的附加信息，同時也減少了所需要的ACK幀數目，從而降低了協議負荷，可以有效地提高網絡吞吐量^[5]。

2.2 傳輸機會與擁塞確認

作為802.11協議族中第一個支持QoS的標準，802.11e引入了傳輸機會(TxOP)與擁塞確認(Block ACK)^[6]。TxOP是802.11e標準最重要的特性之一，在采用TxOP的MAC協議中，節點在需要傳輸一個MSDU時，并不會在獲得接入機會后馬上就接入信道，而是等待一段時間后再進行發送。一個節點從其獲取接入信道的機會到其開始傳輸的這段時間就被稱作一個TxOP。通過輪詢或者競爭的機制可以調整不同站點TxOP的大小，使得信道可以得到更好的利用。Block ACK屬于一種具有選擇拒絕功能的自動重發請求(ARQ)機制，被引入到無線領域中來解決WLAN中的系統效率。Block ACK的概念較簡單，實際上就是對接收到的多個數據幀只回應個ACK，從而提高信道利用率，降低開銷。

802.11n標準在制訂過程中很好地吸收了802.11e標準的經驗，使用了這兩項技術，并且進行了一定的改動。802.11n標準中的Block ACK有兩類：N立即型Block ACK和N延遲型Block ACK。

N立即型Block ACK機制允許將MPDU進行批量傳輸，每兩個MPDU之間有一個時間間隔，最后由接收方回復一個ACK對接收到的幀進行確認，而接收方所回復的ACK幀就稱為Block ACK。每一個Block ACK中都有與傳輸中每個MPDU相對應的比特域，里面含有該MPDU的接收信息。在開始使用Block ACK機制進行傳輸之前，通信雙方必須先交換一些相關的信息進行確認。在傳輸過程中，如果通信發起者想要中斷Block ACK傳輸，可以發送一個特殊的幀告知接收方，隨后雙方將以普通的ACK機制繼續傳輸剩余的MPDU。傳輸結束后，通信發起者將根據收到的Block ACK中的相應信息對傳輸失敗的幀進行重傳。

N延遲型Block ACK中，接收方使用一個普通的ACK對接收到的一批幀中的某一個進行回應，并在本節點與通信發起方的下一次傳輸中將ACK附加到傳輸幀中發送。

2.3 物理層新技術中的相關控制幀

802.11n的MAC幀結構中還加入了一些新的管理幀，它們的出現與802.11n物理層所采用的新技術息息相關。正如前文所提到的，由于802.11n設備需要和目前的WLAN設備通信，物理層的一些技術是可選的。這就要求MAC層能夠在其管理幀中為物理層提供相應的信息，讓物理層決定到底以什么樣的方式來傳輸信息，例如用于信道選擇的支持信道寬度集(SCWS)和決定糾錯編碼方式的先進編碼(AC)等。另外一些新的管理幀則用來告知物理層如何應用新的傳輸技術，如進行功率控制的MIMO節能技術以及STBC控制幀支持技術等。

3 低密度奇偶校驗碼編碼技術

信道編碼技術在無線通信中是必不可少的，通過信道編碼(糾錯碼)實現差錯控制是高速率通信中的關鍵技術之一。目前的主要糾錯碼技術包括分組碼、卷積碼、Turbo碼和低密度奇偶校驗碼(LDPC)。802.11a標準采用了卷積編碼技術，使用維特比方法進行譯碼。

802.11n中提供了一種新的糾錯編碼的方法——LDPC^[7]。這是一類可以用非常稀疏的奇偶校驗矩陣定義的線性分組碼，已經成為了下一代衛星數字視頻廣播標準(DVB-S2)的一項關鍵技術。如果在WLAN中應用LDPC碼，由于LDPC碼有很好的抗衰落性，可以在不影響系統性能的前提下省去原802.11標準中的交織模塊，帶來減小系統延遲的好處。在802.11n標準中，由于要和802.11a/g兼容，物理層中關于交織的部分仍然保留，但是LDPC的引入仍然為系統的整體性能帶來了很大的好處。LDPC編碼增益很高，接收機在較低的信噪比情況下仍然可以擁有較低的誤碼率，WLAN的接入點(AP)覆蓋范圍從而得到了提升。盡管在目前的EWC草案中，LDPC碼仍然是一個可選(非強制)實施的編碼方法，但是有理由相信LDPC碼將在802.11n標準中扮演重要角色。

4 結束語

WLAN已作為一種寬帶網絡解決方案得到了應用。在WLAN領域內802.11n標準應運而生，該標準使用了當前無線通信領域中的多項先進技術，其產品將擁有高速數據傳輸能力和較大的覆蓋區域，易與其他無線通信網絡融合。802.11n標準的推出將對無線局域網市場產生巨大的推動力。隨著網上多媒體技術的日益應用發展，傳輸速率更高的無線網絡設備將會涌現，無線局域網設備和服務的投資前景將會非常樂觀。

在無線局域網用戶和運營商的雙重推動下，未來兩年內，高速WLAN網絡的應用將會成為未來網絡的技術主流之一。

5 參考文獻

[1] Wireless Industry Leaders Promote Next-Generation Wi-Fi Technology to Accelerate IEEE Standards Development[EB/OL].[2006-01-16]. http://www.enhancedwirelessconsortium.org/news.

[2] EWC， HT PHY Specification[S].

[3] EWC， HT MAC Specification[S].

[4] 王文博， 鄭侃. 寬帶無線通雅OFDM技術[M]， 北京:人民郵電出版社， 2003.

[5] Abraham1 S， Meylan A， Nanda S. 802.11n MAC Design and System Performance[C]//Proceedings of 2005 IEEE International Conference on Communication， Vol 5. May 16-20，2005， Seoul， Korea. Piscataway， NJ，USA:IEEE，2005:2957-2961.

[6] Tinnirello I， Choi S. Efficiency Analysis of Burst transmissions with Block ACK in Contention-Based 802.11e WLANs[C]//Proceedings of 2005 IEEE International Conference on Communication，Vol 5. May 16-20，2005， Seoul， Korea. Piscataway， NJ，USA:IEEE， 2005:3455-3460.

[7] 唐菊紅. LDPC碼在無線局域網中的應用分析[J]， 中國數據通信， 2004，6(11);49-51.

收稿日期：2006-01-16

作 者 簡 介

陳彥輝，西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室副教授，博士。先后主持和參加國家“863”計劃項目、教育部重點項目、軍事預研項目和國家自然科學基金項目近十項，獲得3項科研成果獎。已發表論文20多篇，其中被SCI/EI檢索10余篇。主要研究領域為寬帶無線區域通信及自組織網絡。