下一代WLAN標準IEEE 802.11ac物理層研究

周 淳

（江蘇省煙草公司泰州市公司，江蘇 泰州 225300）

下一代WLAN標準IEEE 802.11ac物理層研究

周 淳

（江蘇省煙草公司泰州市公司，江蘇 泰州 225300）

無線本地接入網絡支撐了移動業務的飛速增長，IEEE 802.11系列標準為WLAN的發展提供巨大的支持，文章簡要闡述正在開發的新WLAN標準IEEE 802.11ac的物理層，如何使用更多帶寬，更高階調制和更多MIMO流來實現超過1 Gbps限制的高可靠數據速率，同時比較了802.11ac，802.11n和11a標準。

無線本地接入網；MIMO空間流；802.11ac

1 WLAN概述

WLAN如今已經變得非常受歡迎。在過去10年，它取代了許多有限局域網（Limited Lan，LAN）應用，特別是家庭使用。它也使得有可能提供公共區域的互聯網服務，如機場和咖啡店。IEEE 802.11系列標準為WLAN的發展提供巨大的支持。

IEEE 802.11系列標準WLAN開始于20世紀90年代末。現在，幾乎每一個筆記本電腦或智能手機有一個內置的WLAN卡。但是，直到最近幾年，這些WLAN主要用于互聯網瀏覽、電子郵件和其他輕負載應用。今天，用戶的需求更多是希望能夠流暢傳輸高清視頻、音樂或傳輸大量數據，參與多玩家游戲或制作視頻會議。這些需求需要技術上的突破。IEEE已經開始創建兩個新的WLAN標準，IEEE 802.11ac和11ad，運行于5 GHz頻帶和60 GHz頻帶。這兩個標準是理論上可以超過1 Gbps的帶寬。11ac是新的標準建立在以前成功的11n標準，它也被稱為非常高吞吐量（Very High Throughput，VHT）。11ac將能夠提供高性能與有線網絡相比，通過擴展11n在許多方面，包括具有以下特點：

（1）信道可達160 MHz帶寬；（2）最多8個空間流；（3）可達256-QAM調制；（4）WLAN不僅限于互聯網使用；（5）高吞吐量將WLAN的使用擴展到新的應用領域，例如：無線顯示器（游戲機，投影機）。

2 IEEE 802.11ac 產生的背景

11ac標準將能夠實現最高6.93 Gbps的吞吐量；使用160 MHz信道帶寬，8個空間流，256正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和短保護間隔。11ac能夠兼容現有11a和11n，其在相同的5 GHz頻帶上操作。

11ac的新規范承諾帶來更高的吞吐量、擴展范圍和更多的頻譜效率。然而這些功能增加了價格。11ac在設計中克服了新硬件可以接受成本的挑戰和困難。

IEEE 802標準委員會創建了兩個新的任務組（TG）11ac和11ad，目的是增強WLAN到達有線網絡性能。11ac標準在5 GHz頻段工作，不支持2.4 GHz頻段）。它理論上數據速率至少為1 Gbps。新規范建立在11n標準之上將信道帶寬擴展到80 MHz和可選的160 MHz信道，除了使用具有多達8個空間流的MIMO，還使用了更高階的調制方案（256-QAM）和其他可選的增強特性波束。

2.1 MIMO

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在多個天線的使用發射機和接收機，以提高無線通信性能。MIMO技術利用了多路徑傳輸的信息。通過反彈墻壁，天花板和其他物體，到達接收天線多次通過不同的角度和略微不同時間，如圖1所示。換句話說，MIMO技術優勢是通過多徑傳播以增強系統性能。

圖1 3×3 MIMO系統示意

一個3×3 MIMO系統提供數據吞吐量和鏈路范圍的顯著增加，而無需額外帶寬或額外發射功率。MIMO用于WLAN11n和11ac標準。它也用于其他移動無線電話標準，例如最近的第三代合作伙伴計劃（3GPP）速率分組接入加（HSPA +）和LTE標準。

2.2 空間復用

在空間復用中，高速率信號被分成多個較低速率流，每個流可以使用相同的頻道從不同的發射天線發射。當這些信號到達接收器時天線具有足夠不同的空間特征，接收機會將這些數據流分離成并行通道。空間復用是一種非常強大的技術，用于在更高的信道收容信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）。發射天線的或接收天線的數量限制空間流的數量。11ac允許最多8個空間流。獨立的數據流可以被多路復用到這些空間流。空間流的使用取決于MIMO信道，其可以被建模為用于每個子載波的矩陣。

2.3 空分編碼

空分編碼是在無線通信中使用的技術，通過多個天線發送數據流的多個副本使用各種接收的數據版本來提高數據傳輸的可靠性。發射的信號通常經過一個復雜的環境具有散射、反射、折射等各種形變，然后它還可能被干擾或熱量進一步損壞噪聲。這意味著一些接收到的副本是損壞的。

3 IEEE 802.11ac

11ac標準重用了以前的傳統11n和11a標準。它在20 MHz和40 MHz帶寬中使用相同的子載波結構，并且這些的擴展用于較高的信道帶寬。傳統前導碼在每個20 MHz的帶寬上傳輸，使得所有802.11設備可以與分組同步。相位旋轉法降低了PAPR問題的影響；上面20 MHz子帶中的星座相對于下面子帶中的星座旋轉，如表1所示。

表1 帶寬旋轉參數

3.1 帶寬旋轉參數

802.11的物理層接口通過物理層通用接口的擴展接口到媒體訪問控制。接口包括發送機和接收機。這些包括物理層生成，發送或接收數據幀的所有必要參數，它們中的一些以前導碼的形式以緊湊形式發送到接收機。發送機為物理層提供傳輸參數，接收機允許物理層將接收到的參數通知給媒體訪問控制。

3.2 物理層幀架構

前導碼由遺留短訓練字段（L-STF），遺留長訓練字段（L-LTF）和遺留信號（L-SIG）字段組成。這些字段與11a和11n（傳統和混合格式）前綴中的字段相同。它們允許所有802.11設備與數據幀同步，并避免其他站的干擾。然后遵循VHT前導碼，VHT信號A（VHT-SIG-A）字段，VHT短訓練字段（VHT-STF），VHT長訓練字段（VHT-LTF），VHT信號-B（VHT-SIG-B） 字段和最后的DATA符號。簡要說明前導字段如圖2所示。

3.3 發送幀架構

發射機由不同的操作塊組成。通過使PSDU通過發射機的所有塊來生成DATA字段。發射機結構的框圖如圖3所示。VHT幀的前導字段使用發射器塊的子集。

接收機被設計為從接收的空中信號中檢索傳輸的PSDU。它由幾個連接的塊組成，接收機的第一部分主要是檢測突發，同步，估計信道和均衡符號，而接收機的剩余部分反轉發射機的過程。實現的接收機如圖4所示。

圖2 物理幀格式

圖3 帶BCC編碼器的DATA字段的變送器

圖4 接收器塊

4 仿真環境

為此論文創建的模擬在MATLAB中完成。它基于現有的11n標準模擬，用于具有20 MHz信道帶寬的簡單輸入輸出（Simple Input Simple Output，SISO）系統。為了幫助理解和調試代碼，最小化了MATLAB的專用函數和工具箱的使用；使用基本功能來創建仿真塊。最終的仿真程序與官方IEEE 802.11ac波形發生器驗證，并顯示積極的結果。數據位以矩陣表示。在所有過程和狀態期間，行用于表示符號，列用于子載波，最后第三維用于表示不同的流（見圖5）。在160 MHz帶寬的情況下，使用第四維來表示兩個段。

圖5 MATLAB矩陣中的數據位

該模擬支持具有廣泛設置的11a，11n和11ac標準。顯示模擬的主循環的框如圖6所示。以下小節更詳細地解釋每個塊。

圖6 模擬框圖

5 結語

這項工作研究了正在開發的新WLAN標準IEEE 802.11ac的物理層。新標準承諾超過1 Gbps限制的高可靠數據速率。這將主要通過使用更多帶寬，更高階調制和更多MIMO流來實現。這些新技術面臨很大的挑戰，包括更高的硬件要求，向后兼容性和保持低成本。11ac與11n和11a標準兼容。它們都在低于6 GHz頻帶下操作，并使用OFDM方法。11ac和11n標準都受益于MIMO和STBC技術。11ac物理幀由許多前導字段和數據符號組成。每個字段由發射機構建以用于特定目的。一些字段攜帶關于所發送的幀的信息，而其他字段用于信道選擇。傳輸的數據用不同的技術和操作編碼以增加穩定性;這些操作在接收機側反轉以提取數據。MATLAB是一個強大的工具，它通過使用矩陣操作簡化了科學編程。MATLAB用于為11ac 物理層創建一個模擬環境。除了可選特征的大部分之外，還包括所有標準的強制特征。該模擬用于研究11ac標準的性能。BER計算是針對頻率非選擇性AWGN MIMO信道測量的。不同MCS的BER性能表明，較高階的調制需要較低的噪聲電平（較高的SNR）。雖然當每比特進行比較時，這些相同的調制保持低的EVM。更高階的MIMO系統表現出比其他系統更好的BER性能，盡管這種系統的使用在實際應用中可能需要更高的SNR值。STBC可以在使用時實現更好的性能。與不使用此功能的類似系統相比，它可以在BER性能上實現3 dB的增強。

本論文中的11ac模擬都在虛擬MATLAB環境中完成。可以進行硬件空中接口仿真。這可以通過專用的任意波形發生器、天線和專用頻譜分析儀來實現。準備好物理設置后，可以通過MATLAB腳本自動進行模擬。在11ac性能的研究中，僅考慮對稱MIMO系統，2×2，3×3和4×4。可以測試和比較其他組合。例如，研究接收機中或發射機中天線數量的影響。本論文中的模擬涵蓋11ac標準中的廣泛的可選特征。但是可以添加更多的特征以包括多達8個空間流和波束成形。波束成形特性，幫助接入點引導發射機智能天線波束實現更好的覆蓋和更寬的范圍。這是通過與站通信，并以智能方法獲取關于所需方向的信息來完成的。這些功能可以添加到模擬中，并使用不同的優化設置進行測試。

[1]楊昉，何麗峰，潘長勇，等.OFDM原理與標準-通信技術的演進[M].成都：電子工業出版社，2013.

[2]段水福，歷曉華，段煉.無線局域網（WLAN）設計與實現[M].杭州：浙江大學出版社，2007.

[3]馬建峰，吳振強.無線局域網安全體系結構[M].南京：高等教育出版社，2008.

[4]常潘，徐剛.Cisco無線局域網配置基礎[M].2版.成都：電子工業出版社，2014.

Research on physical layer of next generation WLAN standard IEEE 802.11ac

Zhou Chun
（Jiangsu Provincial Tobacco Company, Taizhou 225300, China）

Wireless local access network has supported the rapid growth of mobile business, IEEE 802.11 series of standards provide great support for the development of WLAN, this paper brie fl y expounds the physical layer new WLAN standard IEEE 802.11ac, which is in the development process, and expounds how to use more bandwidth, higher order modulation and more MIMO fl ow to achieve more than 1 Gbps of high reliable data rate, at the same time, 802.11ac, 802.11n and 11a standard are compared.

wireless local access network; MIMO space fl ow; 802.11ac

周淳（1974— ），男，江蘇泰州，碩士；研究方向：信息化系統建設及運維。