高速无线局域网主要技术
Main Technologies Adopted in High Speed Wireless Local Area Network
陈彦辉
摘要：无线局域网(WLAN)技术发展迅速，但传输速度慢的缺点始终是阻碍WLAN进一步发展的“瓶颈”。实现更高的传输速率，取得更可靠的性能，需要全面采用下一代移动通信的关键技术。IEEE 802.11n标准全面改进了802.11标准，在物理层引入了正交频分复用与多入多出相结合的技术，使传输速度成倍提高；在媒体访问控制(MAC)层采用帧聚合机制、传输机会与拥塞确认技术，使MAC层的性能得到提升，数据帧结构得到优化，网络吞吐能力得到提高；在WLAN中采用新的纠错编码的方法——低密度奇偶校验码，使接收机在较低的信噪比情况下仍然可以拥有较低的误码率，使覆盖范围得到提升。
关键词：高速无线局域网；多入多出-正交频分复用；服务质量；媒体访问控制
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
基金项目：国家自然科学基金项目(60372048、60496316)
以IEEE 802.11标准为基础的无线技术已经成为目前无线局域网(WLAN)技术的主流。通过接入无线网络实现移动办公已经成为很多人生活方式的一部分。为了满足人们对传输速率日益增长的要求，在相继推出了802.11b、802.11a以及802.11g标准以后，IEEE工作组即将提出下一代高速无线局域网标准——802.11n。
2003年IEEE启动802.11n标准的制订工作，此后很多厂家都参与到其中，逐渐形成了全球信道效率联盟(WWiSE)和工作组n(TGn Sync)两大阵营，它们各自向IEEE提出了自己的标准。在2005年10月两大阵营基于共同的利益达成和解，在Intel公司的带动下组建了增强无线联盟(EWC)。
在EWC已经提出的物理(PHY)层和媒体访问控制(MAC)层的草案中，802.11n的特点和优势初见端倪。EWC规范的技术特点有[1]：
(1)采用混和工作模式，可以与采用802.11a/b/g标准网络协同工作，在保持与现有设备通信的同时提供增强的性能。
(2)高达600 Mb/s的物理层传输速率，支持需要高数据传输速率的应用，并且通过将发送和接收数据流的时间最小化来减少电池的消耗。
(3)利用帧集合结构增强MAC的效率，使实际的吞吐量更接近最初的物理层传输速率，为终端用户提供最低100 Mb/s的应用级带宽。
(4)使用2.4 GHz和/或5 GHz无需许可的频段，与目前的802.11设备的频率规划相匹配。
(5)支持20 MHz和/或40 MHz通道，利用更多的可用无线频谱来增强性能。
(6)使用1～4个天线同时传输的空间多工模式，增强无线连接的鲁棒性以支持极高的数据速率。
(7)通过多天线和先进的编码来增加覆盖范围，在更广阔的覆盖区域中提供统一的传输速度。
从EWC版的802.11n标准来看，新一代的无线局域网技术将为终端用户提供100 Mb/s以上的传输速率，其最高物理层速率可达600 Mb/s以上，远高于802.11a和802.11g最大54 Mb/s的速率。802.11n标准为双频工作模式(包含2.4 GHz和5 GHz两个工作频段)，并支持20 MHz和40 MHz两种通道，以便与此前的802.11a/b/g标准兼容。另外，为了与已有的无线局域网设备通信，EWC版的802.11n草案中规定很多内容以供在实际产品设计时可选。通信中不同站点可以通过协商决定是否使用支持协议中的新技术。如果要支持高于100 Mb/s的数据传输，双方则必须使用802.11n中的新技术[2,3]。
1 物理层主要技术
802.11n标准的物理层引入了正交频分复用(OFDM)与多入多出(MIMO)相结合的技术，该技术的使用为实现高速传输打下了基础。
1.1 正交频分复用技术
正交频分复用的基本原理是把高速数据流进行串并变换，形成传输速率相对较低的若干个并行数据流，然后分别在不同的子信道中传输。由于速率降低，每个子信道中的符号周期会相应增加，这样就可以减少由于多径时延而造成的符号间干扰(ISI)。在OFDM系统中，每个子信道的频谱是重叠的，这样就提高了频谱利用率。由于OFDM系统拥有多个子信道，因而为实现非对称数据传输提供了便利。
OFDM系统的容量与子信道数目密切相关。从理论上讲，如果没有带宽的限制，只要提供足够多的子信道，人们就可以获得任意高的传输速率[4]。不过这在实际的无线局域网系统中是行不通的，因为实际的信道总是频带受限的。
1.2 多入多出技术
在多径传播环境中，MIMO技术利用多个发射天线和多个接收天线实现空分复用，可以在不增加系统的带宽和发射功率的情况下，成倍地提高信道容量。MIMO技术包括发射分集技术和空间复用技术。
发射分集指的是在不同天线上发射相同的信息，接收机将接收到的信号合并，得到空间分集增益。常见的空时码有空时分组码(STBC)和空时格码(STTC)。
空间复用技术在不同的天线上发射不同的信息，从而提高系统的容量。设发送天线数目为M，接收天线数目为N。在窄带平坦瑞利衰落信道中，当N大于M时，信道容量可以表示为：C=M×log2(N/M×S)，其中S是每个接收天线的信噪比(SNR)。如果固定接收天线数目为N，那么信道容量将随M线性增加。目前利用空分复用的方法来提高信道容量的方法主要是各种分层空时码(LSTC)。贝尔实验室的垂直分层空时(V-BLAST码)是空间复用技术的典型代表。
目前MIMO技术发展非常迅速，并逐步与智能天线技术相结合，是当前无线技术的一大热点。STBC技术和波束成形技术都在802.11n标准中得到了应用。
1.3 MIMO-OFDM技术
MIMO-OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线的方法实现空间分集，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3种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。关键技术有：
(1)发送分集
MIMO与OFDM调制方式相结合，对下行通路选用时延分集。MIMO-OFDM装备简单、性能优良，又没有反馈要求。
(2)空间复用
为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。
(3)接收分集和干扰消除
如果基台和用户终端一侧各为3副接收天线，可取得接收分集的效果。利用最大比值合并(MRC)，将多个接收机的信号合并，得到最大SNR，可能有遏制自然干扰的好处。
(4)软译码
MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和信号与干扰噪声比(SINR)加权组合结合使用，可对频率选择性信道提供3～4 dB的性能增益。
(5)信道估计
信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲击响应。从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，从而能够唯一地识别每副发送天线到接收天线的信道。训练子载波在频率上的间隔要小于相干带宽，因此可以利用内插获得训练子载波之间的信道估计值。根据信道的时延扩展，能够实现信道内插的最优化。下行链路中，在逐帧基础上向所有用户广播发送专用信道标识时隙；在上行链路中，由于移动台业务的发出是以时隙方式进行的，而且信道在时隙与时隙之间会发生变化，因此需要在每个时隙内包括训练和数据子载波。
(6)同步
在上行和下行链路传播之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频率对齐，并且实施频率偏差估计。时隙可以按照以下方式构成：在偶数序号子载波上发送数据与训练符号，而将奇数序号子载波设置为零。这样经过逆快速傅里叶变换(IFFT)变换之后，得到的时域信号就会被重复，更加有利于信号的检测。
(7)自适应调制和编码
为每个用户配置链路参数，可以最大限度地提高系统容量。根据两个用户在特定位置和时间内的用户的SINR统计特征，以及用户服务质量(QoS)的要求，存在多种编码与调制方案，用于在用户数据流的基础上实现最优化。在下行链路中，在使用空间复用技术的情况下，上述速率可以被加倍。链路适配层算法能够在SINR统计特性的基础上，选择使用最佳的编码模式。
2 多址接入控制子层主要技术
2.1 帧聚合机制
在传统的802.11标准的WLAN中，MAC层从上层得到一个准备发送的MAC业务数据单元(MSDU)以后，首先会为数据包加上MAC头和帧校验等附加信息，构成物理层会聚协议(PLCP)层的物理业务数据单元(PSDU)，再加上PLCP头以及前导等信息得到物理协议数据单元(PPDU)，从而形成一个传输帧，然后交由物理层进行发送。每一个传输帧都要求接收方回复一个确认(ACK)。每个传输帧中附加的信息以及对应于每个传输帧的ACK构成了传输中的协议负荷。随着物理层数据速率的提高，协议负荷将会严重地影响MAC层的效率，进而影响到整个网络的吞吐量。
802.11n标准采用了帧聚合机制，多个MSDU聚合成为一个MAC协议数据单元(MPDU)，而多个MPDU又可以聚合成为一个PSDU。这样，对于接收地址相同的几个MAC帧来说，它们可以被封装成一个聚合帧，从而可以只使用一个PLCP。一个聚合帧中可能包含不同类型的MAC帧，例如数据帧和控制帧等。这种做法减少了每个传输帧中的附加信息，同时也减少了所需要的ACK帧数目，从而降低了协议负荷，可以有效地提高网络吞吐量[5]。
2.2 传输机会与拥塞确认
作为802.11协议族中第一个支持QoS的标准，802.11e引入了传输机会(TxOP)与拥塞确认(Block ACK)[6]。TxOP是802.11e标准最重要的特性之一，在采用TxOP的MAC协议中，节点在需要传输一个MSDU时，并不会在获得接入机会后马上就接入信道，而是等待一段时间后再进行发送。一个节点从其获取接入信道的机会到其开始传输的这段时间就被称作一个TxOP。通过轮询或者竞争的机制可以调整不同站点TxOP的大小，使得信道可以得到更好的利用。Block ACK属于一种具有选择拒绝功能的自动重发请求(ARQ)机制，被引入到无线领域中来解决WLAN中的系统效率。Block ACK的概念较简单，实际上就是对接收到的多个数据帧只回应个ACK，从而提高信道利用率，降低开销。
802.11n标准在制订过程中很好地吸收了802.11e标准的经验，使用了这两项技术，并且进行了一定的改动。802.11n标准中的Block ACK有两类：N立即型Block ACK和N延迟型Block ACK。
N立即型Block ACK机制允许将MPDU进行批量传输，每两个MPDU之间有一个时间间隔，最后由接收方回复一个ACK对接收到的帧进行确认，而接收方所回复的ACK帧就称为Block ACK。每一个Block ACK中都有与传输中每个MPDU相对应的比特域，里面含有该MPDU的接收信息。在开始使用Block ACK机制进行传输之前，通信双方必须先交换一些相关的信息进行确认。在传输过程中，如果通信发起者想要中断Block ACK传输，可以发送一个特殊的帧告知接收方，随后双方将以普通的ACK机制继续传输剩余的MPDU。传输结束后，通信发起者将根据收到的Block ACK中的相应信息对传输失败的帧进行重传。
N延迟型Block ACK中，接收方使用一个普通的ACK对接收到的一批帧中的某一个进行回应，并在本节点与通信发起方的下一次传输中将ACK附加到传输帧中发送。
2.3 物理层新技术中的相关控制帧
802.11n的MAC帧结构中还加入了一些新的管理帧，它们的出现与802.11n物理层所采用的新技术息息相关。正如前文所提到的，由于802.11n设备需要和目前的WLAN设备通信，物理层的一些技术是可选的。这就要求MAC层能够在其管理帧中为物理层提供相应的信息，让物理层决定到底以什么样的方式来传输信息，例如用于信道选择的支持信道宽度集(SCWS)和决定纠错编码方式的先进编码(AC)等。另外一些新的管理帧则用来告知物理层如何应用新的传输技术，如进行功率控制的MIMO节能技术以及STBC控制帧支持技术等。
3 低密度奇偶校验码编码技术
信道编码技术在无线通信中是必不可少的，通过信道编码(纠错码)实现差错控制是高速率通信中的关键技术之一。目前的主要纠错码技术包括分组码、卷积码、Turbo码和低密度奇偶校验码(LDPC)。802.11a标准采用了卷积编码技术，使用维特比方法进行译码。
802.11n中提供了一种新的纠错编码的方法——LDPC[7]。这是一类可以用非常稀疏的奇偶校验矩阵定义的线性分组码，已经成为了下一代卫星数字视频广播标准(DVB-S2)的一项关键技术。如果在WLAN中应用LDPC码，由于LDPC码有很好的抗衰落性，可以在不影响系统性能的前提下省去原802.11标准中的交织模块，带来减小系统延迟的好处。在802.11n标准中，由于要和802.11a/g兼容，物理层中关于交织的部分仍然保留，但是LDPC的引入仍然为系统的整体性能带来了很大的好处。LDPC编码增益很高，接收机在较低的信噪比情况下仍然可以拥有较低的误码率，WLAN的接入点(AP)覆盖范围从而得到了提升。尽管在目前的EWC草案中，LDPC码仍然是一个可选(非强制)实施的编码方法，但是有理由相信LDPC码将在802.11n标准中扮演重要角色。
4 结束语
WLAN已作为一种宽带网络解决方案得到了应用。在WLAN领域内802.11n标准应运而生，该标准使用了当前无线通信领域中的多项先进技术，其产品将拥有高速数据传输能力和较大的覆盖区域，易与其他无线通信网络融合。802.11n标准的推出将对无线局域网市场产生巨大的推动力。随着网上多媒体技术的日益应用发展，传输速率更高的无线网络设备将会涌现，无线局域网设备和服务的投资前景将会非常乐观。
在无线局域网用户和运营商的双重推动下，未来两年内，高速WLAN网络的应用将会成为未来网络的技术主流之一。
5 参考文献
[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, 郑侃. 宽带无线通雅OFDM技术[M], 北京:人民邮电出版社, 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] 唐菊红. LDPC码在无线局域网中的应用分析[J], 中国数据通信, 2004,6(11);49-51.
收稿日期：2006-01-16
作者简介：
陈彦辉，西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室副教授，博士。先后主持和参加国家“863”计划项目、教育部重点项目、军事预研项目和国家自然科学基金项目近十项，获得3项科研成果奖。已发表论文20多篇，其中被SCI/EI检索10余篇。主要研究领域为宽带无线区域通信及自组织网络。
