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802.11n标准正式颁布

北京时间9月12日,IEEE正式批准了Wi-Fi技术 802.11n标准,从2002年802.11n技术出时,到2003年提出802.11n第一版草案,再到2007年Wi-Fi联盟开始对 802.11n草案2.0版产品进行认证测试,7年后的今天,802.11n技术正式成为IEEE认可的全球技术标准。

作为被寄予厚望的下一代Wi-Fi技术标准,802.11n在传输速率方面通过MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的 MIMO OFDM技术,提高无线传输质量,也使传输速率得到极大提升,使得Wi-Fi传输速率由先前的802.11a及802.11g提供的54Mbps,提供到 300Mbps甚至高达600Mbps;在覆盖范围方面,802.11n通过通过多组独立天线组成天线阵列的智能天线技术,动态调整波束,保证让Wi- Fi用户接收到稳定的信号,并可以减少其它信号的干扰,似的覆盖范围可以扩大到好几平方公里,使Wi-Fi移动性极大提高;在兼容性方面,802.11n 还通过完全可编程硬件平台的软件无线电技术,使得不同系统的基站和终端都可以通过软件无线电技术平台实现互通和兼容,其不但能实现802.11n前后兼容,而且可以实现Wi-Fi与无线广域网络技术的结合。

截至2009年8月,已有总共713种802.11n产品通过了Wi- Fi联盟的认证测试,已经获得Wi-Fi认证的产品包括计算机、消费电子设备(如电视和媒体服务器)和消费级网络设备等,该认证同时深入到企业级市场,目前已经有超过100个企业级无线接入点和无线交换机设备通过了认证。动讯网预计,2009年,802.11n芯片出货量将达到Wi-Fi芯片组出货量45%的市场份额,到2012年,这一比例将上升至75%。同时,面向消费电子产品的802.11n芯片组的销售量到2011年将达到2.16亿个。


802.11n技术解析

OFDM技术

OFDM 技术是MCM(Multi-Carrier Modulation,多载波调制)的一种。其核心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。另外,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。


还有,OFDM技术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,很好地解决了无线数据业务的非对称性传输问题。同时,OFDM系统还 在某种程度上抑制了由于窄带干扰带来的影响。

尽管同单载波系统相比,OFDM还存在一些缺点,例如易受频率偏差的影响,存在较高的峰值平均功率比(PAR),但通过结合时空编码、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,可以最大程度地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。

MIMO技术

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。

在室内,电磁环境较为复杂,多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难,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MIMO系统来说,多径效应可以作为一个有利因素加以利用。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,如图2所示。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。

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。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。

MIMO OFDM技术
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,系统原理如图3所示。MIMO OFDM主要包括以下关键设计: 发送分集、空间复用、接收分集、干扰消除、软译码、信道估计、同步、自适应调制和编码等技术,其中的技术细节在此不再冗述。

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。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。802.11n标准小组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。

智能天线技术

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,信号干扰和噪声比),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。


智能天线技术保障了能够以不低于108Mbps的传输速率进行通信,同时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地结合。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。

软件无线电技术

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。


基于软件无线电的移动通信具有以下特点:

(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,将根本改变其网络结构,实现无线局域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。

 

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