无线局域网络新标准802_11n及其应用

802.11n

　第20卷　第7期电脑开发与应用(总527)

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文章编号:1003-5850(2007)07-0069-04

无线局域网络新标准802.11n及其应用

NewStandard802.11nofWirelessLocalAreaNetworkanditsApplication

王变变　　　　贺　鹰

(山西教育信息中心　太原　030001)(北方自动控制技术研究所　太原　030006)

【摘　要】介绍了无线局域网络新标准802.11n的发展现状,对其物理层、MAC层优化技术、智能天线及软件无线电等关键技术和性能进行了分析,并给出了基于现有草案标准产品的开发和应用情况。【关键词】WLAN,802.11n,OFDM,智能天线,MIMO

中图分类号:TP393.1

文献标识码:A

ABSTRACT　Thispaperintroducesthecarrentsituationofnewstandard802.llnofWirelesslocalnetwork,analysesthekeytechniquesandperformanceofitsphysiquelayer,MAClayeroptimizationtechnique,intelligentantennaandsoftwareradioetc.,andgivesthedevelopmentofproduitsbasedonexistentdraftstandardandtheirapplication.KEYWORDS　WLAN,standard802.11n,OFDM,intelligentantenna,MIMO

自从1997年6月,全球第一个无线局域网标准IEEE802.11制定以来,揭开了无线局域网发展的序幕。在随后的时间里,相继推出了IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g等标准,传输速度不断提升,成本进一步下降,使得无线局域网逐渐深入人心,得到越来越广泛的应用。但从目前IEEE802.11总的发展情况来看,带宽不足、传输速度慢、漫游不方便、网管不强大等问题,依然是制约无线局域网发展的瓶颈。

场准备。

2　802.11n标准采用的关键技术

802.11n,对以往的802.11标准进行了全面改进。在物理层,综合采用了OFDM(正交频分复用)调制和

MIMO(多输入多输出)等先进技术并加以融合,使无线网络的传输速度提高到100Mb/s～600Mb/s;智能天线及传输技术,使无线网络的传输距离大大增加,可以达到数公里;独特的双频带工作模式(包含2.4GHz和5GHz两个工作频段),保障了与以往802.11a/b/g等标准的兼容。在MAC链路层,采用了高性能无线传输技术提升了MAC层性能,进一步优化了数据帧结构,提高了网络吞吐量。2.1　物理层关键技术

2.1.1　OFDM(正交频分复用)技术

1　802.11n标准的发展现状

为了推动无线局域网的进一步发展,真正实现高带宽、高质量的WLAN(无线局域网络)服务,使无线局域网达到以太网的性能和应用水平,2003年IEEE组建了802.11n工作组开始制定一项新的高速无线局域网标准802.11n,并于2003年9月召开了首次会议,2007年1月,802.11n工作组在英国伦敦举行了第101次会议,通过了修改后的802.11n草案1.10版本。预计今年年初将完成2.0版草案并投票表决,顺利的话在5月底将生成3.0版本草案,之后的最终规范很可能要到2008年10月左右才会最终通过。

802.11n作为一种全新的无线网络协议,尽管目前还没有得到IEEE的正式批准,但不少厂商已经推出了多种基于802.11n的无线网络产品。这样做的理由有两点:一是这些厂商认为802.11n代表了未来无线局域网络技术上的先进性,其传输速度、覆盖范围和兼容性等方面,和先前的各类相关标准相比均具有质的飞跃。二是它们计划在标准正式通过之前尽快占领产品市场,为提高自身知名度和日后的大举进军作市

*　2007-04-07收到,2007-05-17改回

图1　OFDM技术解析图

OFDM技术是MCM(Multi-CarrierModulation,多载波调制)的一种,其核心是将信道分成许多进行窄带调制和传输正交子信道,并使每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,用以减少各个载波之间的相互干扰,同时提高频谱利用率的技术。

尽管同单载波系统相比,OFDM还存在一些缺

*

*,

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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。

目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统中,主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线城域网、无线局域网,甚至3G的CDMA也开始引入OFDM技术思想以提升其性能。2.1.2　MIMO多重输入多重输出技术(MultipleInputMultiple

Output)MIMO(发音为my-mo),全称为Multiple

Input

MultipleOutput,是指使用超过一个天

线来传输和接收同一频道内的两个或多个独立数据流的无线技术。它具有长距离以及吞吐量大的特点,它也是目前802.11n标准的最主要组成元素。除了多天线技术,MIMO还通过特殊的软件,实现接入点的多路输出以及客户端多路接收和解码,数据可以在很长的距离以及存在冲突复杂的环境中实现稳定的传输。

现代信息论表明: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

C=[min(M,N)Blog2(Q/2)]

(其中B为信号带宽,Q为接收端平均信噪比,min(M,N)为M,N的较小者)。

上式表明,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。在瑞利衰落信道环境下,OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。采用多输入多输出(MIMO)系统是提高频谱效率的有效方法。我们知道,多径衰落是影响通信质量的主要因素,但MIMO系统却能有效地利用多径的影响来提高系统容量。系统容量是干扰受限的,不能通过增加发射功率来提高系统容量。而采用MIMO结构不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量。2.1.3　OFDM+MIMO

技术的不断发展,引发了融合。一些4G及3.5G的关键技术,如OFDM技术、智能天线MIMO技术、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

将

MIMO与OFDM技

术相结合,使传输速率和传输距离大幅提高。

总的来看,MIMOOFDM技术是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术,是下一代无线局域网发展的趋势。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,增加了多径容限,综合采用了发送分集、空间复用、接收分集和干扰消除、软译码、信道估计、同步、自适应调制和编码等多项关键技术设计。

此外,一组由英特尔主导的针对高容量无线城域网(WMAN)的通信标准802.16(WiMAX)也是以MIMO+OFDM技术为核心的。2.2　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。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层协议进行了优化,改变了协议帧结构中前导信号(Preamble)、信头(Header)和负载(Payload)等要素所占的字节长度,增加了净负载所占的比重,减少了同步、帧间隔和管理检错所占的字节数,大大提升了网络的吞吐量。2.3　智能天线技术

目前,智能天线技术备受关注。国际电联已明确将智能天线技术作为新一代移动通信技术发展的主要方向。

智能天线技术是在微波技术、自动控制理论、自适应天线技术、数字信号处理技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。它之所以受到人们的普遍重视,是由于它能够自动适应环境变化,增强系统有用信号检测能力,优化天线方向图,并能有效地跟踪有用信号,抑制和消除干扰及噪声。

在WLAN系统中引入智能天线技术,将有助于解决802.11n的传输覆盖范围问题,进一步提高信号传输的可靠性。通过多组独立天线组成的天线阵列系统,动态调整波束的方向,保持系统性能的最佳。其特点是能够通过其自身的反馈控制系统以较低的代价换得天线覆盖范围、系统容量和频谱效率、业务质量和抗为

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用户提供更好的移动性和更高数据率的通信服务,另一方面也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无缝结合。

准,但已经逐渐被业界所推崇。在标准尚未正式发布之前,包括Linksys、Airgo、Broadcom、Belkin、D-Link、Netgear等在内的多家无线设备提供商已经纷纷推出了基于802.11n草案的产品(或称“预标准”产品),并表示自身产品符合这一未来标准规范。

作为全球最早发布基于该草案标准无线芯片组的Broadcom公司表示,其产品完全符合802.11n标准(草案)。该公司的Intensi-fi802.11n无线芯片已应用到宏基新的法拉利系列笔记本中,从而使机器拥有高性能的Wi-Fi无线连接。基于BroadcomIntensi-fi芯片组的产品还有Linksys公司的WRT-300N无线宽带路由器和WPC-300N笔记本适配器,以及日本高端网络设备制造商巴比禄(Buffalo)的WZR-G300NAirStationNfiniti无线路由器及接入器(该产品已经获得了2007年度CES创新产品设计和工艺大奖)。

2006年4月,无线网络先锋美国网件公司(NETGEAR)正式向全球发售基于802.11n标准草案的RangeMaxNEXT系列产品。这是市场上首款基于802.11n标准草案的无线网络产品,可提供高达300Mb/s的无线速率,将无线网络推到一个新境界。同时带给我们惊喜的还有D-Link发布的RangeBoosterN650系列802.11n草案无线路由产品,其传输速度比现有的无线路由快650%,理论速度可以达到近540Mb/s。

据报道,苹果公司近日也推出了一款支持802.11n标准草案的新型AirPortExtreme基站(无线接入点),采用了MIMO、智能天线等技术,速度比之前802.11g无线标准提高了四倍,距离则提高了一倍,并兼容802.11a/b/g。

无线大厂Linksys的802.11n草案产品(Wireless-N)主要有WRT300NWireless-N无线宽带路由器以及与之配套的WPC300NWireless-N笔记本电脑适配器。据称,它们拥有更好的传输速度和距离覆盖,其覆盖范围能达到802.11g的4倍,而传输速度则是802.11g的12倍,这比当前有线网络的速度更快,可以更好的支持高清视频和音频应用等,而且兼容现有的802.11b和802.11g产品。

此外,在笔记本电脑应用领域,Intel公司将计划提前为英特尔迅驰平台增加802.11n无线功能;戴尔公司推出了802.11n草案双波段无线迷你网卡,支持的传输速率可以达到270Mb/s,售价暂定为59美元;联想公司已将Atheros公司的802.11n草案1.0无线局域网络技术和AR5008E-3NX芯片组,整合到其ThinkPadT60、R60、X60与Z61系列产品计算机中,图4　智能天线的基本结构示意图

今后智能天线技术的发展方向是使用天线阵列理论、信号处理、自动控制、检测与估值、计算机和微电子技术、最优化理论,综合集成天线阵列、高速A/D、数字信号处理(DSP)和高速总线等技术,并将软件无线

电技术与数字波束形成(DBF)技术结合使用,使天线从过去基本上属于场的领域向场路结合的新方向发展。

2.4　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。它是AMPS、TACS、GSM、CDMA等新技术和标准不断出现、处理速度不断提高和价格不断下降的产物。对于无线局域网领域而言,软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台,而将尽可能多的无线及个人通信功能用软件手段来实现。

软件无线电在无线局域网中最显著的应用体现在智能天线上:软件无线电将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线,将A/D转换器尽量靠近RF射频前端,利用DSP的强大处理能力和软件的灵活性实现信道分离、调制解调、信道编码译码等,从而为无线局域网从低端向高端产品迈进提供了现实的解决方案。最显著的例子就是在智能天线的设计上,通过软件方法实现波束形成,并通过软件设计完成自适应算法更新,能够在不改变硬件配置的前提下,改善和赋予无线系统新的功能,进一步使通信系统适应各种复杂通信环境,兼容各种不同的体制和标准,从而完全实现通信的智能化。

其次,软件无线电还通过软件方式解决了不同标准采用不同工作频段、不同调制模式所造成的系统间难以互通、移动性差等兼容性问题。

3　802.11n标准应用情况

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示能力和多媒体应用能力,同时支持PCI-Express(tm)接口,能以2.4GHz与5GHz的双频模式工作。

对于802.11n草案,在众多无线网络设备提供商相继推出产品的同时,华硕公司并未盲目跟风,而是计划到2007或2008年待802.11n标准正式颁布之后,再推出其无线产品。

从目前的发展情况来看,作为一种能提供百兆级带宽传输能力的无线技术,802.11n在应用上还喊出了取代有线的口号,这与当初802.11a、802.11b、802.11g所倡导的"延伸和补充有线网络"的提法截然不同,不由得让人感慨到无线网络技术的迅猛发展。

MIC的分析报告认为,芯片厂商可望于近期针对802.11n草案标准芯片进行降价,因此802.11n草案标准产品的出货量预计在2007年将会出现大幅增长。由于802.11n标准尚未最终确定,目前的产品还只属于草案产品,其价格相比主流802.11g产品而言尚高出不少,目前的市场定位主要面向一些中、高级个人用户和对带宽需求较高的中小企业。

我们深信,随着802.11n技术的不断发展和新标准的正式颁布,802.11n在支持各种高带宽应用包括提供无线打印、网络电话(VoIP)、在线观看HDTV、视频点播(VOD)、网络连接储存装置以及玩家游戏等各

种通信服务方面有着巨大的应用前景,必成为无线局域网络市场的主流技术。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yqsm.html